унифицированный генераторно-измерительный комплекс крайне низких и сверхнизких частот для геофизических исследований

Формула изобретения

Унифицированный генераторно-измерительный комплекс крайне низких и сверхнизких частот для геофизических исследований, содержащий n генераторов синусоидального тока, нагруженных на протяженные, низко расположенные горизонтально ориентированные передающие антенны с заземлителями на концах, причем регистрации излучения, создаваемого КНЧ-СНЧ генераторами осуществляется с помощью измерительного комплекса, состоящего из различных датчиков геофизических величин, отличающийся тем, что один конец каждой передающей антенны подключен к одному заземлителю непосредственно, а другой подключен к другому заземлителю через КНЧ-СНЧ генератор, причем антенны расположены над почвой с удельной проводимостью не выше 210^-4 См/м, а заземляющие системы в почве с удельной проводимостью не ниже 10^-3 См/м, при этом все n генераторов подключены к единому задающему генератору, а измерительный комплекс выполнен в виде двух блоков: модуля аналоговой регистрации и обработки (МАРО) и персональной ЭВМ, причем блок МАРО содержит электрическую и магнитную антенны, соединенные соответственно с антенными модулями электрического и магнитного каналов, каждый из которых через аналоговые модули усилителя-фильтрации и режекторные фильтры соединен с аналого-цифровым преобразователем, первый выход которого соединен с модулем формирования калиброванных сигналов, а второй выход через делитель соединен с модулем формирования тактовой частоты, кроме того, персональная ЭВМ соединена с многофункциональным модулем аналогового ввода и цифрового ввода-вывода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к радиотехническим комплексам крайне низких частот (КНЧ) и сверхнизких частот (СНЧ), и может быть использовано для изучения строения земной коры, поиска полезных ископаемых и прогноза землетрясений путем регистрации электромагнитных полей, создаваемых излучающей системой КНЧ-СНЧ диапазона.

Известен способ сейсмической разведки - патент РФ 2029318, МКИ 6 G 01 V 1/09, 1995 г. Этот способ заключается в возбуждении зондирующего сигнала и многоканального приема отраженных и дифрагированных волн от объекта, обработке с проведением селекции волн по направлениям прихода и отображением результатов в виде размеров параметров на плоттере, при этом регистрацию волн осуществляют приемной установкой, включающей по крайней мере три геофона, расположенных по двум осям X, Y декартовой системы координат и симметричных относительно геофона, расположенного в центре приемной установки, совмещенной с точкой размещения излучателя, зондирующего сигнала, для каждого цикла излучение - прием на участке работ проводят корреляционную обработку с вычислением времени прихода волн от принимаемых объектов развертки и определяют условные координаты объекта отражения и скорость звука в среде из соответствующих отношений, а полученные условные координаты пересчитывают в 4-мерные абсолютные значения, связанные с участком работ, и запоминают совместно с данными о скорости звука, координатами центра приемной установки, при этом при перемещении последней на определенный шаг цикл излучение - прием повторяют, амплитуды волн, зарегистрированных от объекта с одинаковыми абсолютными координатами, алгебраически суммируют, а после завершения работ на участке на плоттер выводят сечение амплитуды волн в координатах объекта отражения и локальных скоростей звука.

Недостатком такого способа является то, что сейсмические волны приносят сведения только об упругих, механических свойствах вещества. Зондирующий сигнал является искусственным и значительно ослабляется с глубиной проникновения. Этот способ использует приближенную интерполяцию данных, что приводит в ряде случаев к низкой достоверности результатов зондирования.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности решения вопроса является устройство по "Способу электромагнитного зондирования земной коры с использованием нормированных источников поля" (патент РФ 2093863, МКИ 6 G 01 V 3/12, 1997 г.).

Данное устройство содержит два генератора синусоидального тока, которые нагружены на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные и заземленные на концах антенны. Регистрация же излучения, создаваемого СНЧ-радиоустановкой, осуществляется с помощью измерительного комплекса ОИФЗ РАН типа "Борок".

Однако данная установка не обеспечивает глубинное зондирование земной коры, которое необходимо для прогноза землетрясений и может быть осуществлено только с использованием электромагнитных полей КНЧ-СНЧ диапазона.

Кроме того, в связи с высокими требованиями, предъявляемыми геофизикой к точности измерений импеданса, необходимо изучение пространственных характеристик полей, что может быть реализовано с помощью многоканального цифрового приемно-регистрирующего устройства, которое отсутствует в прототипе.

Для проведения глубинного зондирования земной коры, поиска полезных ископаемых и прогноза землетрясений предлагается унифицированный генераторно-измерительный комплекс КНЧ-СНЧ диапазона. Электромагнитные волны КНЧ-СНЧ диапазона являются пригодными для решения указанных задач вследствие их способности проникать в проводящие среды на значительную глубину. Кроме того, по сравнению с электромагнитными волнами других диапазонов распространение КНЧ-СНЧ сигналов в волноводе "Земля - ионосфера" отличается высокой стабильностью даже при возникновении различных возмущений в ионосфере.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей прототипа путем создания нового унифицированного генераторно-измерительного комплекса для изучения земной коры, поиска полезных ископаемых и прогноза землетрясений на основе измерения электромагнитных полей, создаваемых излучающей системой КНЧ-СНЧ диапазона.

Поставленная цель достигается за счет применения радиокомплекса КНЧ-СНЧ диапазона, содержащего "n" генераторов синусоидального тока, нагруженных на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные передающие антенны с заземлителями на концах, причем регистрация излучения, создаваемого КНЧ-СНЧ генератором, осуществляется с помощью измерительного комплекса, при этом один конец каждой передающей антенны подключен к одному заземлителю непосредственно, а другой конец подключен к другому заземлителю через КНЧ-СНЧ генератор, причем антенны размещены над почвой с удельной электропроводимостью не выше 210^-4 См/м, а заземляющие системы в почве с удельной электропроводимостью не ниже 10^-3 См/м, при этом все "n" генераторов подключены к единому задающему генератору, а измерительный комплекс выполнен в виде двух блоков: модуля аналоговой регистрации и обработки (МАРО) и персональной ЭВМ, причем блок МАРО содержит электрическую и магнитную антенны, соединенные соответственно с антенными модулями электрического и магнитного каналов, каждый из которых через аналоговые модули усиления-фильтрации и режекторные фильтры соединен с аналого-цифровым преобразователем, первый выход которого соединен с модулем формирования калиброванных сигналов, а второй через делитель соединен с модулем формирования тактовой частоты, кроме того, персональная ЭВМ соединена с многофункциональным модулем аналогового ввода и цифрового ввода-вывода.

Структурная схема предлагаемого унифицированного комплекса КНЧ-СНЧ диапазона приведена на фиг.1 и 2.

Унифицированный генераторно-измерительный комплекс крайне низких и сверхнизких частот для геофизических исследований состоит из "n" генераторов 1 (фиг.1) и антенной системы 2, задающего генератора 3 и заземлителя 4. Размещение антенной системы над почвой с низкой электропроводностью позволяет существенно повысить ее эффективность, а размещение заземлителей в почве с высокой электропроводностью, в частности на разломах земной коры, позволяет уменьшить сопротивление антенны, следовательно, увеличить величину тока в антенне и, соответственно, мощность излучения. Для дальнейшего повышения мощности излучения возможно использование нескольких "n" генераторов, работающих на отдельные антенны. При этом осуществляется пространственное сложение электромагнитных полей "n" антенн.

На фиг. 2 приведена блок-схема радиоприемной части унифицированного генераторно-измерительного комплекса КНЧ-СНЧ диапазона.

В состав приемного цифрового устройства - ЦПУ (фиг.2) входят:

- модуль аналоговой регистрации и обработки (МАРО);

- многофункциональная плата ввода-вывода ЛА-2, вставляемая в ISA-слот персонального компьютера;

- собственный персональный компьютер V-класса не ниже 486-DX/66;

- программное обеспечение (ПУ), написанное на алгоритмических языках Фортран и Ассемблер.

Модуль аналоговой регистрации и обработки (МАРО) предназначен для выравнивания амплитудно-частотных характеристик электрического и магнитного трактов усиления и фильтрации сигналов, согласования электрических параметров антенных устройств и АЦП.

В состав МАРО входят:

- антенные модули электрического (МА_Е) и магнитного (МА_Н) каналов, обеспечивающие прием соответствующих горизонтальных компонент поля, выравнивание частотных характеристик в каналах и предварительное усиление сигналов;

- аналоговые модули усиления-фильтрации (УФНЧ) и режекторные фильтры (РФ₅₀ и РФ₁₅₀), осуществляющие низкочастотную фильтрацию-усиление сигналов и режекцию двух основных гармоник сетевой наводки с целью обеспечения нормальной работы АЦП;

- модуль формирования тактовой частоты (МФТЧ) для запуска АЦП с заданной частотой и временной стабильностью;

- модуль формирования калибровочных сигналов (МФКС), предназначенный для сквозной одновременной калибровки электрического и магнитного трактов.

Антенный модуль магнитного тракта МА_Н содержит вынесенную магнитную антенну, выполненную в виде двухсекционной катушки, концы которой подключены к инвертирующим входам двух операционных усилителей. Сигнал с входа этих усилителей поступает на входы третьего ОУ, выход которого через кабель длиной до 50 метров подключен к находящемуся в помещении модулю аналогового усиления фильтрации. Дифференциальное включение магнитного датчика обеспечивает эффективное (до 60 дБ) подавление синфазных наводок. Параметры катушки составляют: L=25 Гц, r=105 Ом. Схема обеспечивает равномерную частотную характеристику в рабочем диапазоне и предварительное регулируемое усиление в тракте от 10 до 1000 в зависимости от подключения соответствующего сопротивления R_s в цепи обратной связи операционного усилителя. Рамка вместе с вынесенным усилителем размещается в контейнере на глубине до 1 метра под поверхностью земли для уменьшения вибрационных наводок на датчик магнитного поля.

Антенный модуль электрического тракта МА_Е, подключенный с помощью кабеля к модулю аналоговой фильтрации, состоит из симметричного горизонтального вибратора и входного дифференциального каскада, практически аналогичного МА_н. Отличие от последнего состоит в наличии на входах электрического тракта диодов, защищающих входы от воздействия мощных импульсных помех от мощных РЛС и близких молниевых разрядов. Коэффициент усиления электрического тракта составляет 1200.

Возможно использование нескольких типов датчиков электрического поля:

- отрезков кабелей, центральные жилы которых непосредственно или через согласующие повторители соединены с закопанными в землю латунными или медными электродными стержнями длиной 50 см;

- равных отрезков изолированных проводников (кабелей со снятой оплеткой), подключенных к дифференциальному входу операционного усилителя.

Как сами кабели, так и входные повторители или усилители закапываются на некоторую глубину в землю для исключения возможных наводок вертикальной электрической составляющей поля. Переходное сопротивление электродов R_e, обратно пропорциональное проводимости окружающей их почвы, подвержено значительным сезонным вариациям вследствие изменения влажности почвы или ее промерзания.

Аналоговые модули усиления-фильтрации, схемы которых одинаковы в электрическом и магнитном трактах, но отличаются величиной коэффициента усиления, содержат фильтры-усилители низких частот с частотами среза 200 Гц на уровне -3 дБ и асимптотическим затуханием 48 дБ на октаву и активные режекторные фильтры, осуществляющие подавление на 35 дБ основных гармоник сети 50 и 150 Гц. Максимальное усиление в полосе пропускания фильтров регулируется подбором R_s в цепи обратной связи ОУ и может достигать 1000 раз.

Параметры ФНЧ выбраны исходя из необходимости обеспечения эффективного подавления зеркальных частот вне рабочей полосы ПУ и обеспечения усиления полезных сигналов до уровней, примерно соответствующих первым двум градациям АЦП.

Модуль формирования калибровочных сигналов реализован на базе счетчика таймера 1 платы ЛА-2, работающего в режиме генератора меандра и управляемого программно персональным компьютером. Сигнал с выхода платы поступает на калибровочную катушку, намотанную на общем каркасе с сигнальной катушкой.

Многофункциональный модуль аналогового ввода и цифрового ввода-вывода ЛА-2 выполняет важнейшие функции в ЦПУ и содержит:

- аналого-цифровой канал, состоящий из входного мультиплексора, полного инструментального усилителя с коэффициентом усиления, изменяемым от 2 до 100, 12-разряного АЦП с УВХ с диапазоном входных напряжений до 10 В;

- трехканальный счетчик таймер, цифровой порт с 8-ю линиями на вход и 8-ю линиями на выход. Мультиплексор позволяет вводить до 8 сигналов с симметричным входом.

Модуль цифровой обработки (МЦО) представляет собой программный модуль, выполняющий основные функции в ПУ и содержащий два основных блока: блок-подпрограмма ввода-фильтрации и блок-подпрограмма вычисления импеданса.

Программный блок ЦПУ.

Программы, реализующие функции ЦПУ, содержатся в файлах "FIL2S.ASM" "IMPEDANS.FOR" и "FILHF.FOR".

По истечении времени анализа текущая информация, выводимая на экран монитора, выводится в файл в корневой каталог жесткого диска с указанием отдельной строкой времени приема и длины реализации в секундах.

Такое построение цифрового приемного устройства позволяет использовать его для решения целого ряда прикладных геофизических задач, в частности:

- исследование структуры электрических параметров земной коры по данным регистрации сигналов навигационных и связных радиостанций КНЧ-СНЧ диапазона, сигналов естественного происхождения: магнитно-теллурических полей, шумовых полей КНЧ-СНЧ диапазонов грозового и космического происхождения, широкополосных электромагнитных импульсов от отдельных мощных грозовых разрядов;

- исследования вариаций приведенного поверхностного импеданса, обусловленных суточными и сезонными изменениями температуры и влажности атмосферы, приводящими к изменению электрических параметров верхних слоев земной коры, сезонными изменениями лесного покрова, изменениями проводимости отдельных слоев земной коры, связанных с сейсмической активностью;

- поиска полезных ископаемых на основе анализа наблюдаемых локальных аномалий значений модуля и фазы приведенного поверхностного импеданса в исследуемых районах.

Столь широкий диапазон прикладных задач, которые могут быть решены с помощью рассматриваемого комплекса, определяется функциональными возможностями блока цифровой обработки регистрируемых сигналов, представляющий собой набор подпрограмм для реализации различных функции, легко перестраиваемый в зависимости от конкретной решаемой задачи. Аналоговые элементы комплекса, включающие антенны электрического и магнитного трактов, предварительные усилители, полосовые и режекторные фильтры, высокостабильные генераторы тактовой частоты, аналого-цифровые преобразователи - также выбираются в соответствии с типом прикладной задачи.

Уже в существующем варианте комплекс может быть использован для проведения одновременных многокомпонентных измерений импеданса, поскольку аналого-цифровая плата ЛА-2, входящая в комплект устройства, обеспечивает независимый прием сигналов по 16 несимметричным или по 8 дифференциальным каналам.

Возможность использования электромагнитного излучения в КНЧ-СНЧ диапазоне в интересах прикладной геофизики основана на измерении приведенного поверхностного импеданса

D=E_t/(Н_t*Z_o)

где E_t и H_t - касательные компоненты электрического и магнитного полей на земной поверхности;

Z_o=120 Ом - волновое сопротивление свободного пространства.

В общем случае импеданс D является комплексной величиной

D = Re(D)+iIm(D) = |D|exp[iarg(D)]

причем -/2arg(D)/2.

Если источник КНЧ-СНЧ поля находится достаточно далеко от точки наблюдения, то поле в окрестности этой точки обладает свойствами плоской волны. В этом случае при известной структуре подстилающей среды импеданс может быть сравнительно легко вычислен. Если подстилающее полупространство однородно и бесконечно, то

|D| = 10^-5-{f/(1,8)}^1/2;

arg(D) = /2,

где f - частота, Гц;

- удельная проводимость подстилающей среды, См/м.

Если подстилающая среда неоднородна, например слоистая, то аргумент импеданса принимает какое-то значение из интервала /2arg(D)/2. На практике обычно ограничиваются рассмотрением двух- или трехслойной модели подстилающей среды с различными проводимостями для каждого слоя, которые хорошо описывают реальные характеристики геологических структур. По измеренным значениям импеданса методом минимизации невязок подбираются наиболее вероятные параметры исследуемых структур. По полученным электрическим свойствам слоев делается вывод о характере геологической структуры. Априорные сведения о параметрах слоев задаются на основе исследований другими геофизическими методами (сейсмическими, контрольным бурением и т.п.).

При использовании диапазона КНЧ-СНЧ имеются уникальные возможности электромагнитного зондирования на глубины до нескольких десятков километров.

В связи с высокими требованиями, предъявляемыми к точности измерений импеданса, в интересах прогноза сейсмической активности необходима регистрация пространственных характеристик электромагнитных полей с учетом анизотропии их эллипса поляризации. Для измерения таких характеристик в состав унифицированного генераторно-измерительного комплекса крайне низких и сверхнизких частот для геофизических исследований включено описанное выше многокомпонентное радиоприемное устройство на базе универсальной ЭВМ.

Положительный эффект состоит в том, что унифицированный генераторно-измерительный комплекс кране низких и сверхнизких частот позволяет решать следующие исследовательские задачи:

- изучать уровни сигналов и отношение сигнал/шум в диапазоне 0,1-30 Гц на заданных трассах и на этой основе осуществлять разработку методов прогнозирования полей и уточнения параметров радиолиний КНЧ-СНЧ диапазона;

- производить отработку методов передачи и приема информации в КНЧ-СНЧ линиях радиосвязи, исследовать типы сигнально-кодовых конструкций, способы радиоприема и обработки сигналов;

- проводить экспериментальное исследование эффектов электромагнитной совместимости радиостанции КНЧ-СНЧ диапазона с другими системами и техническими средствами различного назначения;

- производить разработку новых экспериментальных методов исследования строения земной коры, основанных на измерениях электромагнитных полей, создаваемых излучателями КНЧ-СНЧ диапазона;

- предсказывать сейсмическую активность в различных районах земного шара на основе мониторинга вариаций приведенного поверхностного импеданса, обусловленных изменениями проводимости отдельных слоев земной коры, связанных с тектонической деятельностью;

- осуществлять поиск полезных ископаемых на основе анализа наблюдаемых аномалий значений модуля и фазы приведенного поверхностного импеданса с исследуемых районах.