Способ электромагнитной геофизической разведки

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистических

Республик 111968776 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву(22);Заявлено 030481 (21) 3270211/18-25 (ф ) М g 3 с присоединением заявки М—

G 01 V 3/10. Государственный комитет

СССР но делам изобретений н открытий (23) ПриоритетОпубликовано 23,10.82. Бюллетень М 39

Р З) УДК550 . 8 3 088.8) Дата опубликования описания 2-3.10.82

3СРСВЮЗ -:" у

ЧЕХИЙ"""О ":" 1

1 . " -------3 (72) Авторы изобретения

Г.Я.шайдуров и Л.A Веретнов

Красноярский политехнический институт (71) Заявитель (541 СПОСОБ, ЭЛЕКТРОИАГНИТНОЙ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ

РАЗВЕДКИ

Изобретение относится к способам геофизической разведки электромагнит-. ными полями и может быть использова-, но для поиска металлосодержащих объектов в морской воде, геоэлектрического картирования горизонтально слоистых сред, поиска рудных тел в горных выработках °

Известен способ геоэлектрической разведки, основанный на измерении поздних стадий переходных процессов в индуктивно возбужденном магнитном йоле (1).

Разрешение вторичных полей в этом сПособе обеспечивается затягиванием переходного процесса в объекте поиска, для чего требуется достаточно большое время выдержки после отключения первичного поля. Это время составляет от единиц до нескольких десятков миллисекунд, поэтому период повторения сигналов должен бить выбран по крайней мере не меньше этого времени. В связи с тем, что в области низких частот спектральная плотность электромагнитных полей имеет закон изменения с частотой 1/оэ", то использование малых частот повторения сигналов первичного моля приводит к сни. жению отношения сигнал/шум и, следо вательно, к дополнительной трате мощности источника питания. Кроме того, если объект находится в среде с высокой проводимостью, например морской воде, мокрой глине, то сама форма зондирующего импульса существенно искажается средой, так что на низких частотах падает отношение полезного сигнала к синхронной помехе, вызываемой электродинамическими процессами в среде под действиями этого импульса.

Наиболее близким к изобретению является .способ электромагнитной

i5 локации проводящей среды, эак чающийся в зондировании среды электромагнитными импульсами конечной длительности и регистрации сигналов вторичного поля в паузах между импульсами. Ширину спектра импульсов при .этом способе выбирают много больше ширины низкочастотного окна, в котором электромагнитное поле затухает не более чем на 3 дБ, что позволяет сосредоточить зондирующий сигнал по времени так, чтобы можно было выделять отраженный от объектов сиг,нал беэ фона первичного поля (2 3.

Однако расширение спектра зондирующего сигнала приводит к увели968776 чению энергетических потерь передатчика на 15 дБ, а следовательно, к снижению дальности поиска.

Целью изобретения является повышение дальности поиска без увеличения энергетических затрат. 5

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу электромагнитной геофизической разведки, заключающемуся в зондировании среды электромагнитными импульсами конеч- щ ной длительности и регистрации сигнала вторичного поля в паузе между импульсами, перед началом измерений в базовой точке профиля зондирующий ймпульс устанавливают в виде осцилли- 5( рующей, затухающей на интервале

:функции вида

)(c)=u(el ; u(e)- ., ; ", (г(Шэе где W(t) - весовая функция; ш — центральная частота осцилляции; текущее время; общую длительность и""ульса ь ус 25 танавливают равной времени группового запаздывания на участке излучатель— объект — приемник, в зависимости от . ожидаемой минимальной дальности до объекта поиска r и средней электро- проводности окружающей среды 6 в соответствии с формулой

С = 0,65 -10-6,.2 (2) центральную частоту осцилляции ш у устанавливают равной эффективной по- ., 35 лосе частот ожидаемого энергетического отношения сигнал/помеха плюс шум на входе приемника, далее изменяют соотношение амплитуд полукоси- нусоидальных импульсов в зондирую" .40 щем сигнале и добиваются минимально,. го отклика среды по показаниям приемника,затем выполняют рабочие измерения вдоль профиля наблюдений, регистрируют амплитуду и время за- 4g паздывания вторичного сигнала,по которым судят о размерах объекта поиска и его дальности.

На фиг. 1 изображены зависимости сигнала и помех от рабочей частоты; на фиг. 2а — оптимальная форма зондирующего импульса; на фиг. 2б— форма эффективного импульса первич-. ного поля E>(t) остаточных синхронных помех E„(t) и полезн го сигнала ес(й); на фиг. 3 — засимость отношения сигнал/помаха плюс шум в функции от частотыр на фиг. 4 — огибающая сигнала, отраженного от сферического объекта, как функция времени при прямоугольном 60 зондирующем импульсе различной длительности 7 = 0,5, 1; 2;. 3; 5 мс и (,=co; на фиг. 5 - зависимость отношения сигнал/помеха в функции дли, тельности импульса. 65

Пусть объектом поиска является проводящий шар радиусом а, находящийся в проводящей среде на расстоянии ). от поисковой установки (ПУ).

Если излучатель ПУ возбуждает поле с прямоугольной формой импульса, то за счет поглощения в среде объект будет возбуждаться импульсами со сглаженными фронтами, что соответствует обрезанию верхних частот его спектра (кривая 1, фиг. 1 ). Одновременно, в силу явления скин-эффек-. та верхние частоты зондирующего сигнала (ЗС ) концентрируются вбли з н излучателя, создавая мощные электродинамические сигналы реакции среды,т.е. синхронные помехи {кривая 2, фиг. 1).

В области низких частот домини-, рующую роль цачинают играть некоррелированные с сигналом шумовые помехи (шумы ), интенсивность которых, например, в диапазоне 100 - 1031 @ нарастает с понижением. частоты по закону 1/ ш (кривая 3, фиг. 1). Одно2 временно на низких частотах падает модуль передаточной функции объекта поиска и приемного датчика (в случае датчика магнитного типа).

Таким образом, для каждой задачи поиска в проводящей среде существует оптимальный диапазон нижних и верхних частот wq — ЫЗ, в котором сосредоточена основная мощность полезного сигнала и имеется наилучшее соотношение сигнал/синхронная помеха плюс шум (кривая 4, фиг. 1). Назовем указанный оптимальный диапазон эффективной полосой частот, определяемой как

OD

- ы ю„9(}д (3)

0 5 ц где ц(ш)=- -- (-)- - отношение энерSc (ш)

Я ГфД гетического спектра полезного сигнала к энергетическому спектру синхронных помех и шумов, S (û);S (ж);

S„(w) — соответственйо эйергетические спектры сиг4 нала, синхронных помех и шумов;

%max — максимальное значение энер гетического соотношения в пределах диапазона частот

WH

С точки зрения энергетических зат,рат в этой полосе и целесообразно сосредоточить максимальную часть энергии зондирующего сигнала.

Однако ограничение спектра сигна-.: ла приводит к увеличению его длитель.— ности и, следовательно, к проблеме выделения слабого вторичного поля на фон@ мощного первичного.

Для решения этой задачи предлагается зондирующий сигнал ограни" чить по длительности временем его

968776 (4) tã 2г/Vr, где r — расстояние до объекта поиска;

V„ — групповая скорость распространения электромагнитного возмущения в среде, м/с:

V 10

1 fg (5) 6 - электропроводность среды.

В качестве оценки времени запаздывания группы волн можно принять время распространения сигнала на частоте низкочастотного окна (2) 20

Подстановкой выражений (5) и (6) в формулу (4), с заменой Г = Г,д получим формулу (2):

0,65 ° 10 r

Эта формула дает хорошее совпадение с экспериментом и может быть использована для оперативной установки длительности зондирующего импульса согласно условию (4 ).

Сигналом, ограниченным во времени, максимальная часть энергии которого сосредоточена в заданном диапазоне частот ы,= s ж„, является затухающая осциллирующая функция (1)(фиг. 2 ): яюмуу.с у() (1 0 <Й <т, yt (О

Такой сигнал минимально искажается средой и наиболее рационально использует энергию генератора. Разрешение вторичного сигнала относительно первичного по времени обеспечивается в данном способе как за счет времени, так и за счет подбора соотношения амплитуд полукосинусоидальных импульсов, входящих в состав осциллирующей функции зойдирующего сигнала.

С этой целью в базовой точке проЭФ 3а филя изменяют соотношения одновременно наблюдая на выходе приемного датчика результирующую форму сигнала первичного поля E„(t) (эффективного импульса) и реакцйю среды

En(t) (фиг. 26).

Настройка параметров зондирующего импульса заканчивается по получении минимального уровня сигнала синхронной помехи Е„(t). После окончания настройки гейератора производятся наблюдения вдоль рабочего профиля. выполняют рабочие измерения амплитуды и времени запаздывания сигнала.

8 р и м е р. Производится расчет задачи поиска проводящего тела, моде65 лируемого сферой, радиусом а = 4 м, группового запаздывания на участке излучатель - объект — приемник: где fg - верхняя частота, для кото1

Рой Ч () 2 . Чщд °

Вторичный сигнал E (t), отраженный объектом поиска за счет поглощения верхних частот средой, в несколько раз расширяется по времени, по сравнению с полученным после подстройки эффективным импульсом первичного поля Е„(t). Это также способствует улучшению выделения слабых вторичных сигналов на фоне синхронных помех.

В процессе наблюдения предлагает ся регистрировать два основных параметра вторичного сигнала: амплитуду и время запаздывания а„относительно центра положения эффективного импульса первичного поля E„(t).

)5;Заметим, что длительность эффектив ногоо импульса t меньше общей длительности ЗС вЂ” i, что благоприятно влияет на улучшение разрешения полезного сигнала.

Поскольку спектр зондирующего импульса перекрывает в основном область высоких частот амплитудно-частотной характеристики объекта поиска, то теряется информация о внутренней структуре. При этом полезный сигнал является зеркальным отражением первичного поля. Его амплитуда пропорциональна какой-либо степени от характерного размера объекта поиска: кубу, квадрату для локальных тел, первой степени для линейных протяженных тел, у которых длина больше расстояния до поисковой установки.

Принципиальным отличием данного способа является подбор оптимального режима передатчика — формы ЗС, длительности излучения во времени ширины спектра возбуждающего импульса, в зависимости от проводимости среды, дальности поиска, амплитудно-частотных.характеристик объекта поиска и основных помсх.

Все это позволяет снизить знерге45 тические затраты передатчика и, темсамым, увеличить глубинность поиска.

Способ осуществляется следующим образом.

1 устанавливают зондирующий импульс в виде осциллирующей затухающей на интервале т функции с центральной частотой осцилляций, равной эффективной полосе частот ожидаемого энергетического отношения сигнал/помеха плюс шум на входе приемника, изменяют соотношение амплитуд полукосинусоидальныМ импульсов в зондирующем сигнале до получения минимального отклика среды в базовой точке, после окончания операций подстройки режима

968776 емом, с разносом между генераторным и приемным датчиком R = 3 м.

Отношение сигнала/ синхронная помеха плюс шум по мощности оценива5 лось с помощью выражения 2 с1 (P)= (a р (<+at, Я) (1+лГр

5 +5 (.(р Р) э 2ВМ

+ g> p) g 2Ы )ГР р

А

, (г) а а да гдес(" И

2 2 — электромагнитные

4 = pp R,параметры среды, з. и, 6 — магнитная проницаемость и электропровод15 ность среды;

А,х — постоянные коэффициенты, подбираемые из условия равенства . модулей 1-ro и 2-ro "20 членов знаменателя на средней частоте диапазона в — глн р(Р)рq ЗИ}Щр ф . 25

Х 2p - амплитудно-частотная характеристика сферы

7=Ю Ц 0 — электромагнитный параметр сферы; ,и„ р <„ - магнитная проницаемость и электропроводность среды;

P=j +C — комплексная частота.

Максимум функции q(ш) (фиг. 3) рас- З5 положен на частоте 220 ц. Эффективная полоса частот Е = 500 Гц.

Как видно из графика (Фиг. 4) в

1 районе = 3-5 мс имеется определенный оптимум длительности зондирую- 40 ! щего импульса, при которой полезный сигнал максимален. Зондирующий сигнал большей длительности формировать нецелесообразно.

График отношения сигнал/синхрон- 45 ная помеха (фиг. 5, кривая 5) в

Функции от t IпItоIIк а з3ы ва е тT, что -это . отношение с увеличением от 0 до 5 мс падает лишь на 15%. Вглесте с тем, с увеличением 7, вследствие уменьшения времени накопления сигнала в приеИникег существенно возрастаетроль шумовых помех. Максимальный от- клик полезного сигнала приходится на время 2 мс после окончания зонди-,. ру его импульса (кривая 6, фиг. 5).

Расчетная оценка группового времени запаздывания согласно формуле (2) дает t„= 4,2 мс. Следовательно, и с точки зрения разделения первичного и вторичного сигналов оптимальная ® длительность зондирующего импульса соответствует, оценке, взятой непосредственно из фиг. 4, где индексация кривых соответствует различным длительностям импульсов ЗС. 6S

Формула изобретения

0<167

t )Тi электропроводностью 6„= 10 Ic/м на расстоянии г 40 м в морской воде с проводимостьюб = 4: с/м. Поисковая установка дипольйого типа с электрическим возбуждением и магнитным прим

Чо сравнению с методом переходных процессов (МПП ), когда регистрация, полезного сигнала производится на поздних временах 1 гге при с а (фиг. 4), полезный сигнал для предложенного способа на оптиглальном времени регистрации 1 = 2 мс и для = 3 мс превышает сигнал МПИ, при времени

=. 10 мс в 30 раз.

Таким образом предложенный способ энергетически значительно эффективней МПП. По сравнению с известным методом видеолокации его энергетический выигрыш будет не меньше, чем

15 дБ, т.е. соответствует потерям на расширение спектра ЗС, оцененным в работе (2j.

Наиболее подходящей областью применения данного способа является по-.. иск электрических неоднородностей в однородной среде, например поиск проводящих тел в морской воде, геоэлектрическое картирование горизонтально-слоистых сред, поиск рудных тел в горных выработках, т.е. в условиях, когда электромагнитные параметры среды вблизи излучающих и приемных датчиков мало изменяются.при передвижении установки вдоль профиля наблюдения.

Способ электромагнитной геофизической разведки, заключаюцийся в зондировании среды электромагнитными импульсами конечной длительности и регистрации сигнала вторичного поля в паузе между импульсами, о т л и.ч а ю шийся тем, что, с целью повышения дальности поиска, перед началом измерений в базовой точке профиля зондирующий импульс устанавливают в виде осциллирующей,затухающей на интервале т функции вида д (t)=w(t) — w(t)ы

W>t где W(t) - весовая функция;

9l — центральная частота осцилляции; текущее время;

968776

10 общую длительность импульса i устанавливают равной времени группового запаздывания на участке излуча" тель - объект - приемник, s зависи» мости от минимальной дальности до объекта поиска и средней электропроводности окружающей среды 6 в соответствии с формулой

t Г 06510 r 6 у центральную частоту осцилляции и э устанавливают равной эффективной полосе частот ожидаемого энергетического отношения сигнал/помеха плюс шум на входе приемника, далее изменяют соотношение амплитуд полукосинусоидальных импульсов в зондирующем сигнале и добиваются минимального отклика среды по показаниям приемника, затем выполняют рабочие измерения вдоль профиля наблюдений, регистрируют амплитуду и время запаздывания вторичного сигнала, по которым судят о размерах объекта поиска и его дальности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1: Авторское свидетельство СССР

9 187172, кл. G 01 Ч 3/10, 1966.

2. Баррел Дж.„Питерс Л. Распространение низкочастотных видеоимпульсов в средах с потерями. ТИИЭР, 35 т. 67, В 7, июль 1979, с. 16 (прототип);

968776, О, 0,4

Г 3

Фиг,5

Составитель Е.Городничев

Редактор И.Николайчук Техред С.Мигунова Корректор С.шекмар

Заказ 8162/75 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская на%., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул; .Проектная, 4