способ радиоволнового зондирования и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ радиоволнового зондирования, основанный на измерении амплитудных значений горизонтальных электрических составляющих электромагнитного поля при разных углах ориентировки геометрической оси антенн передатчика или приемника, а по изменению измеренных параметров или их отношений судят о структурных особенностях и о распределении радиоволновых электромагнитных характеристик геологического разреза по горизонтали и глубине, отличающийся тем, что дополнительно измеряют амплитудное значение вертикальной электрической составляющей электромагнитного поля и относительную разность фаз между составляющими поля.

2. Устройство для радиоволнового зондирования, состоящее из передатчика, к выходу которого подключена электрическая горизонтальная антенна, и приемника с электрической горизонтальной антенной, подключенной к выходу усилительно-преобразовательного канала, построенного по супергетеродинной схеме с многократным преобразователем частоты, отличающееся тем, что антенна передатчика состоит из двух горизонтальных электрических взаимно перпендикулярных антенн, подсоединяемых через переключатель к его выходу, а антенна приемника - из двух, идентичных с антенной передатчика, горизонтальных и одной вертикальной антенны, подсоединяемых через переключатель к соответствующему входу приемника, содержащего два усилительно-преобразовательных канала, построенных по супергетеродинной схеме, общий гетеродин, первый и второй детекторы амплитудных каналов, соединенные входами с выходами усилительно-преобразовательных каналов, два смесителя с усилителями промежуточной частоты фазового канала, сумматор-детектор канала, узкополосный усилитель низкой частоты фазового канала, фазометрическое устройство, причем один из входов каждого смесителя соединен с соответствующим выходом усилительно-преобразовательного канала, общий гетеродин соединен со вторыми входами смесителей и одним из входов фазометрического устройства, выходы каждого смесителя с усилителем промежуточной частоты соединены с входами сумматора-детектора, а его выход через узкополосный усилитель низкой частоты соединен со вторым входом фазометрического устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области высокочастотной геоэлектроразведки методом радиоволнового зондирования приповерхностных частей геологических разрезов.

Известен способ радиоволнового интерференционного зондирования, основанный на измерении амплитудных значений магнитной составляющей электромагнитного поля, и устройство для его осуществления, состоящее из передатчика с горизонтальной электрической антенной и приемника с горизонтальной рамкой, работающее на разных частотах, разных расстояниях между геометрическими центрами антенн, а по изменению измеряемого параметра судят о глубине залегания горизонтальных слоев с разными электромагнитными параметрами (Справочник геофизика. Под ред. А.Г. Тархова. М.: Недра, 1980, с. 310).

Недостатком способа радиоволнового интерференционного зондирования и устройства для его осуществления является ограниченное применение для изучения слабоконтрастных по электрофизическим свойствам и не электропроводных геологических образований, ввиду недостаточности измеряемых интерпретационных параметров.

Наиболее близким по технической сущности является способ наземного и шахтного радиоволнового зондирования, основанный на измерении амплитудных значений горизонтальных электрических составляющих электромагнитного поля, и устройство для его осуществления, состоящее из передатчика и приемника с электрическими горизонтальными антеннами, размещенными на поверхности земли, и работающее при разных углах ориентировки геометрической оси антенны передатчика или приемника в одной плоскости, на разных частотах, разных расстояниях между геометрическими центрами антенн, а по изменению измеренных параметров или их отношению судят о структурных особенностях и о распределении радиоволновых электромагнитных характеристик пород в разрезе и плане (Геологическое изучение и использование недр: Научно-технический информационный сборник АОЗТ "Геоинформмарк". М., 1996, вып. 5, с. 40 - 48).

Недостатком способа является то, что измерение только горизонтальных амплитудных составляющих поля не позволяет с достоверностью характеризовать структурные особенности и особенности распределения радиоволновых электромагнитных характеристик пород в разрезе и плане, особенно в слабоконтрастных геологических средах.

Недостатком устройства является низкая информативность, связанная с отсутствием возможности измерения вертикальной электрической составляющей и относительной разности фаз между составляющими электромагнитного поля и низкая производительность и точность измерений, связанные с технической необходимостью изменения ориентировки антенн передатчика и приемника, что ограничивает применение устройства в движении.

Предлагаемый способ радиоволнового зондирования основан на измерении амплитудных значений горизонтальных электрических составляющих электромагнитного поля при разных углах ориентировки геометрической оси антенн передатчика или приемника, а по изменению измеренных параметров или их отношений судят о структурных особенностях и о распределении радиоволновых электромагнитных характеристик геологического разреза по горизонтали и глубине. Дополнительно измеряют амплитудное значение вертикальной электрической составляющей электромагнитного поля и относительную разность фаз между составляющими поля. Предлагаемое устройство для радиоволнового зондирования состоит из передатчика, к выходу которого подключена электрическая горизонтальная антенна, и приемника с электрической антенной, подключенной к входу усилительно-преобразовательного канала, построенного по супергетеродинной схеме с многократным преобразованием частоты. Антенна передатчика состоит из двух горизонтальных электрических взаимно перпендикулярных антенн, подсоединенных через переключатель к его выходу, а антенна приемника - из двух, идентичных с антенной передатчика, горизонтальных и одной вертикальной антенны, подсоединенных через переключатель к соответствующему входу приемника. Приемник содержит два усилительно-преобразовательных канала, построенных по супергетеродинной схеме, общий гетеродин, первый и второй детекторы амплитудных каналов, соединенные входами с выходами усилительно-преобразовательных каналов, два смесителя с усилителями промежуточной частоты фазового канала, сумматор-детектор фазового канала, узкополосный усилитель низкой частоты фазового канала, фазометрическое устройство, причем, один из входов каждого смесителя соединен с соответствующим выходом усилительно-преобразовательного канала, общий гетеродин соединен со вторыми входами смесителей и одним из входов фазометрического устройства, выходы каждого смесителя с усилителем промежуточной частоты соединены с входами сумматора-детектора, а его выход через узкополосный усилитель низкой частоты соединен со вторым входом фазометрического устройства.

Предлагаемый способ радиоволнового зондирования и устройство для его осуществления позволяют повысить информативность и достоверность результатов измерений.

На фиг. 1 представлен один из вариантов схемы измерений способом радиоволнового зондирования. Передатчик и приемник размещают на свободной поверхности геологической среды, при расстоянии R между геометрическими центрами антенн, затем изменяют расстояние R₁, R₂,...R_n, перемещая передатчик по пикетам вдоль линии профиля, причем в каждой точке стоянки передатчика, геометрическая ось одной из антенн (например A_x) постоянно ориентируется вдоль профиля измерений, а другая - A_y - перпендикулярно профилю. Переключая поочередно по заданной программе антенны A_x и A_y передатчика, приемником каждый раз производят цикл измерений необходимых компонент составляющих электромагнитного поля по координатным плоскостям XOY, XOZ, YOZ соответственно E_ox, E_oy, E_oz и относительную разность фаз между ними ₁= (_x-_y); ₂= (_x-_z); ₃= (_y-_z). Следует отметить, что рассматриваемый вариант предусматривает несимметричное радиоволновое зондирование с максимальным количеством измеряемых параметров. Может также выполняться симметричное радиоволновое зондирование при изменении расстояния R одновременным перемещением передатчика и приемника и частотное зондирование с изменением рабочих частот при постоянном R. При наземных съемках различного масштаба в движении применяется профилирование с измерением минимально необходимого количества параметров, например, одновременно двух амплитудных значений поля или одного из значений относительной разности фаз.

Вариант способа радиоволнового зондирования устанавливается в зависимости от поставленной задачи и детальности съемки.

Радиоволны, распространяющиеся от передатчика, постепенно затухают вследствие непрерывного оттока вглубь земли части энергии, которая испытывает явление поглощения, дифракции, отражения, преломления, а часть энергии, несущей информацию о структуре и распределении электромагнитных характеристик пород по глубине, возвращается в виде вторичного поля. Вторичное поле, состоящее из синфазной и сдвинутыми на некоторый угол составляющими поля, при сложении с первичным полем вызывают либо аномалии амплитуды напряженности поля и искажение азимута прихода волн, либо изменение фазовой структуры и создает в зоне аномалии эллиптическую поляризацию поля, что и используется критерием для классификации измеряемых электромагнитных характеристик геосреды. По измеренным амплитудам E_ox, E_oy, E_oz и относительным разностям фаз ₁, ₂ и ₃, определяется отношение b/a (малой - b и большой оси - a) и положение в пространстве, т.е. угол наклона _o большой оси эллипса поляризации. Соотношения между составляющими электромагнитного поля позволяют, в отличии от аналога, оценить приповерхностные части геологических разрезов по удельному электрическому сопротивлению _п и диэлектрической проницаемости _п.

Оценка значений _п и _п позволяют определить радиоволновые электромагнитные характеристики пород (фазовую постоянную, длину волны в среде, скорость распространения волны в среде, коэффициент поглощения), как для слабопроводящих сред, так и для сред с хорошей проводимостью, т.е. пород с различным отношением токов проводимости и смещения.

Результаты измерений по профилю представляются в виде двухмерной матрицы изолиний распределения радиоволновых электромагнитных характеристик, либо матрицы амплитудных и фазовых характеристик поля или их отношений, визуализирующих распределение радиоволновых электромагнитных характеристик. Дискретность матрицы зависит от требуемой детальности получения информации и определяется методическими параметрами измерений (дискретность шага по профилю, дискретность частоты). Координаты точек матрицы определяются по горизонтали положением середины установки а по вертикали - глубиной h. При этом исследуемое пространство геологического разреза предполагается совпадающим с областью существенной для распространения и отражения радиоволн, в частности радиусом r_ф1,2...n первой зоны Френеля.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит передатчик и приемник. Передатчик включает в себя последовательно соединенные высокостабильный задающий генератор 1, перестраиваемый по частоте, усилитель 2 мощности, согласующее устройство 3, антенный переключатель 4, антенное устройство, состоящее из двух взаимно перпендикулярных электрических горизонтальных антенн 5, 6.

Приемник включает в себя антенное устройство, состоящее из двух горизонтальных взаимно перпендикулярных электрических антенн 7, 8 и одной вертикальной электрической антенны 9, антенный переключатель 10, первый и второй усилительно-преобразовательные каналы 11 и 12, смесители 13 и 15 с усилителями 16 и 18 промежуточной частоты фазового канала, общий гетеродин 14, сумматор-детектор 17 фазового канала, детекторы 19 и 21 первого и второго амплитудных каналов, узкополосный усилитель 20 низкой частоты фазового канала, фазометрическое устройство 22 и устройство 23 считывания и предварительной обработки информации.

Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 1 передатчика вырабатывает синусоидальное высокостабильное напряжение высокой частоты, напряжение усиливается усилителем 2 мощности, создается режим оптимального согласования с антенной согласующим устройством 3 и далее подается через антенный переключатель 4 на одну из антенн 5 или 6, где энергия высокочастотного напряжения преобразуется в энергию свободных электромагнитных колебаний продольных либо поперечных волн в зависимости от подключаемой антенны.

Приемник работает в режиме "Измерение амплитуды" и "Измерение фазы". В режиме "Измерение амплитуды" комбинация сигналов, наведенных одновременно в антеннах 7 и 8, 7 и 9, 8 и 9 через антенный переключатель 10 подаются на входы усилительно-преобразовательных каналов 11 и 12 соответственно, где после двукратного преобразования с помощью общего гетеродина 14 усиливаются и поступают на входы детекторов 19 и 21 и далее на вход устройства 23, где производится регистрация сигналов одновременно по двум каналам в виде значений комбинаций составляющих E_ox, E_oy, и E_oz, либо в виде отношений напряженности поля.

В режиме "Измерение фазы" сигналы промежуточной частоты с выходов усилительно-преобразовательных каналов 11 и 12 подаются на входы смесителей 13 и 15 фазового канала, на вторые входы смесителей 13 и 15 с выхода общего гетеродина 14 подаются два гетеродинных напряжения, отличающихся на частоту F. В результате преобразования на выходах смесителей 13 и 15 будут действовать два напряжения, отличающиеся частотой F. С выходов смесителей 13 и 15 сигналы усиливаются усилителями 16 и 18 промежуточной частоты и подаются на вход сумматора-детектора 17. После совместного детектирования суммы этих двух сигналов, на выходе детектора выделяется напряжение, изменяющееся с частотой F и с фазой, не зависящей от частоты и фаз гетеродинных напряжений и равную разности фаз ₁= (_x-_y); ₂= (_x-_z); ₃= (_y-_z) сигналов, принятых на антенны.

Полученное напряжение после усиления узкополосным усилителем 20 подается на вход фазометрического устройства 22, где оно сравнивается по фазе с фазой опорного напряжения той же частоты F, поступающим от гетеродина 14 и определяется величина относительной разности фаз.