способ и система радиолокационного зондирования земных недр

Формула изобретения

1. Способ радиолокационного зондирования земных недр, заключающийся в том, что осуществляют обзор исследуемого пространства по угловым координатам с помощью перемещаемого передающего и приемного устройств, формируя зондирующие сигналы в виде импульсов, причем каждый из этих сигналов имеет электромагнитное поле с круговой поляризацией и с частотой вращения вектора поляризации, изменяющейся в течение длительности каждого из зондирующих сигналов в пределах по меньшей мере 5-6 октав, и осуществляя зондирование земных недр сформированными зондирующими сигналами, при этом перед упомянутым зондированием формируют и излучают в направлении зондируемых земных недр пилот-сигнал в виде по меньшей мере одной пачки электромагнитных импульсов с дискретно изменяющимися от импульса к импульсу длительностью импульса и диапазоном изменения частоты вращения вектора поляризации, принимают сигналы отраженных от зондируемых подповерхностных структур электромагнитных импульсов с помощью разнесенных радиоприемных устройств, анализируют принятые сигналы для нахождения набора значений параметров зондирующего сигнала, при которых в спектре принятых сигналов наблюдается максимальное количество резонансных всплесков, выбирают на основании результатов упомянутого анализа значения параметров упомянутых зондирующих сигналов, после чего и осуществляют упомянутое зондирование земных недр.

2. Способ по п.1, в котором формируют упомянутые зондирующие сигналы в виде нескольких пачек электромагнитных импульсов с выбранными на упомянутом этапе анализа длительностями сигналов и с изменяющимися от пачки к пачке диапазонами перестройки частоты вращения вектора поляризации, при этом границы диапазонов перестройки частоты вращения вектора поляризации соседних электромагнитных пачек примыкают друг к другу, а суммарный диапазон перестройки частоты вращения вектора поляризации составляет по меньшей мере 5-6 октав, причем верхняя граница частоты вращения вектора поляризации по меньшей мере в 20 раз меньше значения несущей частоты формируемых зондирующих сигналов.

3. Способ по п.1, в котором упомянутый зондирующий сигнал излучают с использованием передающей антенной системы, содержащей М>1 пар полуволновых вибраторов, ортогональных друг другу в каждой паре, и механизм ориентации ее оптической оси, при этом формирование упомянутого зондирующего сигнала осуществляют путем амплитудной модуляции и фазовой манипуляции двух высокочастотных колебаний, подаваемых на каждую из упомянутых пар полуволновых вибраторов, причем управляющие сигналы фазовой манипуляции синхронизованы с модулирующими сигналами для амплитудной модуляции, при этом текущее значение частоты модулирующих сигналов для амплитудной модуляции колебаний несущей частоты определяет текущее значение частоты вращения вектора поляризации, которая не зависит от несущей частоты.

4. Способ по п.1, в котором выполняют в каждом из упомянутых разнесенных радиоприемных устройств предварительную обработку принятых сигналов, включающую в себя раздельную фильтрацию квадратурных составляющих поляризационной структуры принятых сигналов, их квантование и дискретизацию, совместно обрабатывают полученные результаты предварительной обработки, в том числе вычисляют автокорреляционные функции и взаимные корреляционные функции для режима разнесенного приема квадратурных поляризационных составляющих сигнала и суммарного в пределах каждой пачки импульсов сигнала, принятого каждым из упомянутых радиоприемных устройств, идентифицируют отраженные от каждой выявляемой структуры земных недр сигналы и определяют, с учетом координат точек проведения зондирования и величин баз при разнесенном приеме, глубины залегания выявляемых структур, их геометрические и физические характеристики, при этом первоначально рассчитывают характеристики структур, выявляемых при минимальной скорости перестройки частоты вращения вектора поляризации, а затем последовательно рассчитывают характеристики структур, выявляемых по мере увеличения скорости перестройки частоты вращения вектора поляризации.

5. Способ по п.1, в котором для обзора зондируемого пространства по угловым координатам управляют ориентацией передающего и приемных устройств.

6. Система для радиолокационного зондирования земных недр, содержащая последовательно соединенные модулятор и радиопередающее устройство с передающей антенной, включающей в себя М>1 пар полуволновых вибраторов, ортогональных друг другу в каждой паре, и механизм ориентации ее оптической оси, причем упомянутые модулятор и радиопередающее устройство с передающей антенной выполнены с возможностью формирования зондирующих сигналов в виде импульсов, и каждый из этих зондирующих сигналов характеризуется электромагнитным полем с круговой поляризацией и перестраиваемой по линейному закону частотой вращения вектора поляризации в течение длительности каждого из зондирующих сигналов, N>1 радиоприемных устройств, каждое из которых содержит приемную антенну, включающую в себя М>1 пар полуволновых вибраторов, ортогональных друг другу в каждой паре, и механизм ориентации ее оптической оси, причем упомянутая приемная антенна выполнена с возможностью приема сигналов, отраженных от зондируемых подповерхностных структур, одно из упомянутых радиоприемных устройств размещено на исследуемом участке местности совместно с упомянутым радиопередающим устройством для реализации режима совмещенного приема, а остальные из упомянутых радиоприемных устройств размещены на исследуемом участке местности с разнесением друг от друга для реализации режима разнесенного приема, N устройств передачи данных и позиционирования, устройство управления, устройство адаптации параметров сигнала, устройство обработки данных и устройство топопривязки, при этом выход каждого из радиоприемных устройств через соответствующее устройство передачи данных и позиционирования соединен с соответствующим информационным входом устройства обработки данных, выходы устройства управления соединены с управляющими входами модулятора радиопередающего устройства, устройства обработки данных и механизмом ориентации осей передающей и каждой из приемных антенн, второй выход каждого из устройств передачи данных и позиционирования соединен с соответствующим входом устройства топопривязки, выход которого соединен с дополнительным информационным входом устройства обработки данных, вход устройства управления соединен с выходом устройства адаптации параметров сигнала, вход которого соединен с выходом устройства обработки данных.

7. Система по п.6, в которой модулятор выполнен с возможностью формирования сигналов амплитудной модуляции и фазовой манипуляции для двух высокочастотных колебаний, подаваемых на каждую из упомянутых пар полуволновых вибраторов, причем управляющие сигналы фазовой манипуляции синхронизованы с модулирующими сигналами для амплитудной модуляции, при этом текущее значение частоты модулирующих сигналов для амплитудной модуляции колебаний несущей частоты определяет текущее значение частоты вращения вектора поляризации, которая не зависит от несущей частоты.

8. Система по п.6, в которой приемная антенна каждого из N радиоприемных устройств выполнена с возможностью разделения принятого отраженного сигнала на квадратурные составляющие поляризационной структуры сигнала.

9. Система по п.6, в которой каждое из радиоприемных устройств выполнено двухканальным по схеме синхродинного типа для предварительной обработки принятых сигналов, причем каждый из упомянутых каналов радиоприемного устройства включает в себя средства фильтрации, квантования и дискретизации соответствующей квадратурной составляющей поляризационной структуры сигналов.

10. Система по п.9, в которой устройство обработки данных представляет собой программируемый процессор и выполнено с возможностью исполнения пакета взаимосвязанных программ, предназначенных для осуществления совместной обработки результатов предварительной обработки путем вычисления автокорреляционных и взаимных корреляционных функций для режима разнесенного приема квадратурных поляризационных составляющих сигнала и суммарного в пределах каждой пачки импульсов сигнала, принятого каждым из упомянутых радиоприемных устройств, выявления структур в зондируемых недрах по наличию структурно-параметрических поляризационных резонансов в спектре принятых отраженных сигналов, определения частот поляризационных резонансов и соответствующих времен запаздывания сигналов, отраженных от каждой из выявленных структур, идентификации интерференционных резонансов для каждой из выявленных структур, определения глубин залегания выявленных структур, их геометрических и физических характеристик с учетом координат точек проведения зондирования и величин баз при разнесенном приеме, определения коэффициента поглощения электромагнитных волн в зондируемых недрах, и построения двумерных и трехмерных изображений и геологической интерпретации полученных результатов, через которые последовательно проходит принятый сигнал, а также для осуществления анализа пилот-сигнала.

11. Система по п.6, в которой устройство управления содержит программируемый процессор и двухканальный цифроаналоговый преобразователь, предназначенный для сопряжения упомянутого программируемого процессора со входами и выходами устройства управления, при этом программируемый процессор выполнен с возможностью исполнения пакета взаимосвязанных программ, предназначенных для формирования пилот-сигнала в виде пачки импульсов с изменяющимися дискретно от импульса к импульсу длительностью и диапазоном перестройки частоты вращения вектора поляризации, формирования зондирующего сигнала, адаптированного на основе анализа пилот-сигнала, и управления механизмами ориентации оптических осей упомянутых передающей и каждой из приемных антенн.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к области радиолокационного зондирования земных недр и может быть использовано при проектировании новых и усовершенствовании существующих способов и систем ведения геофизической разведки при исследовании земных недр, поиске полезных ископаемых, включая проведение поисковых работ на шельфе, геологическом картировании, а также при инженерно-строительных, археологических и гидрогеологических изысканиях.

Уровень техники

В настоящее время известно устройство (авторское свидетельство СССР № 1728812, опубл. 19.08.1989), реализующее способ, в соответствии с которым импульсные воздействия на грунт производят с интервалом, не меньшим длительности записи эхо-сигнала, а сигнал с момента первого воздействия дискретизируют, взвешивают, заносят в память по номерам адреса, соответствующим порядковым номерам интервалов дискретизации, считывают в том же порядке с момента второго воздействия и перемножают в реальном времени с эхо-сигналом от второго воздействия. Подавление несингенетичной помехи превышает 45 дБ.

К недостаткам способа следует отнести его малую глубинность, невозможность получения трехмерных изображений, сложность его реализации в реальном времени, что требует усложнения аналогового тракта, снижая общую надежность полевой аппаратуры и точность вычислений. Кроме того, двукратное использование задержанного сигнала в перемножении с не задержанным сигналом увеличивает вклад помехи, которую несет задержанный сигнал.

Известен также способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности, включающий в себя формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение передающей антенной, регистрацию отраженных волн приемной антенной, предварительную обработку зарегистрированного сигнала в приемном блоке с помощью аттенюатора и усилителя-ограничителя, получение волновой формы сигнала методом сравнения с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память (патент РФ № 2080622, опубл. 27.05.1997).

Недостатками способа являются малая глубинность, невозможность получения трехмерных изображений и определения физических характеристик исследуемых структур, а также то, что принятый за основной бинарный режим не позволяет в сложных ситуациях производить правильную интерпретацию полученных данных.

Известное устройство, реализующее описанный выше способ, содержит автономный передатчик, включающий в себя последовательно соединенные таймер и преобразователь напряжения, подключенные к источнику питания, и формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, и подсоединяемую через разъем передающую антенну, приемный блок, включающий в себя последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя последовательно соединенные аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель, а также панель управления, блок памяти и ЖКИ.

Недостатками устройства являются перечисленные ранее для способа, а также недостаточный динамический диапазон, что приводит к ограничению амплитуды сигнала при получении волновой формы, а также к полной потере информации об амплитуде сигнала в режиме бинарных форм.

Известна система для комплексных геофизических исследований (патент США № 4899322, опубл. 06.02.1990), содержащая радиолокационное устройство для обнаружения подповерхностных объектов, акустическое устройство обнаружения, сейсмограф, лазерное оборудование, устройство для определения удельного сопротивления земли и ряд других геофизических устройств. С каждой геофизической установкой соединен процессор, собирающий информацию и передающий ее в регистратор данных. К регистратору данных подключен компьютер, объединяющий информацию, поступающую от датчиков. Обработанная на компьютере информация воспроизводится на дисплее или распечатывается.

К недостатку данной известной системы можно отнести отсутствие единой измерительной процедуры, что значительно усложняет конструкцию. Используется несколько предварительных измерительных каналов (по числу датчиков), что приводит к накапливанию различных систематических ошибок, а это снижает точность последующей комплексной обработки результатов исследований. Кроме того, мощности компьютера не используются при сборе и компоновке информации. Эти функции возложены на процессоры - значительно менее мощные вычислительные структурные единицы, чем компьютер. Это лишает возможности оператора эффективно вмешиваться в процесс исследований, что снижает информативность и производительность процесса съемки.

Известен способ геофизической разведки и устройство для его осуществления, основанные на излучении радио- и сейсмоакустических сигналов (патент РФ № 2022301 С1, опубл. 12.11.1992). Принятые радио-эхо-сигналы преобразуют в частоту сейсмоакустических эхо-сигналов. Далее все эхо-сигналы усиливают, фильтруют, взвешивают и предварительно обрабатывают с использованием одних и тех же аппаратно-программных средств. При этом предварительная обработка включает в себя вычисление произведений эхо-сигналов от последовательных возбуждений и суммирование по 5-30 произведений в зависимости от скорости и целей исследований. Для увеличения глубинности разведки вводят коррекцию рассогласования на стадии обработки сигналов с учетом различия сейсмоакустических сигналов и радиосигналов от опорного горизонта. Кроме того, временной сигнал между двумя импульсными воздействиями устанавливают равным 0,25-1 периода. Для реализации способа устройство снабжено стробоскопом, аналоговым трактом с процессором, а также отслеживающим преобразователем частоты.

Недостатками этого способа являются малая глубинность, ограниченный набор определяемых геометрических параметров, невозможность прямого построения объемных (трехмерных) изображений и невозможность непосредственного определения физических характеристик выявленных структур.

Известен способ радиолокационного зондирования подстилающей поверхности и устройство для его осуществления для исследования подповерхностной структуры почвы и обнаружения объектов до глубины в несколько десятков и в несколько сотен метров (патент РФ № 2244322 С1, опубл. 02.04.2003). Этот способ включает в себя формирование зондирующих импульсов с помощью газового разрядника, их излучение, регистрацию отраженных волн, предварительную обработку зарегистрированного сигнала, получение волновой формы сигнала методом сравнения с величиной порога, задаваемой по шкале квантования, вывод информации на экран жидкокристаллического индикатора (ЖКИ) и запись ее в память. При предварительной обработке формируют квазилогарифмическую шкалу квантования амплитуды сигнала. Представляют логарифмическую полноволновую форму зарегистрированного сигнала в виде последовательного ряда волновых форм сигнала в трехмерной форме по координатам «амплитуда - время задержки - длина профиля» с цветной кодировкой амплитуды сигнала. Определяют значения диэлектрической постоянной и затухания сигнала в подстилающих слоях, по величине которых судят о наличии подповерхностных объектов. На экран ЖКИ одновременно с кадром полноволновой формы сигнала выводят бинарный кадр, составленный из последовательного ряда полноволновых форм, выделенных при заданной величине порога.

Устройство для реализации этого способа содержит передатчик, формирователь зондирующих импульсов на газовом разряднике, передающую антенну, приемный блок, включающий в себя последовательно соединенные приемную антенну и конструктивно объединенные в отдельный блок антенного усилителя, последовательно соединенные управляемый аттенюатор и усилитель-ограничитель, соединенный с первым выходом блока синхронизации, соединенный со вторым выходом усилителя-ограничителя основной усилитель. Устройство содержит также панель управления, блок памяти, ЖКИ, блок обработки. Запуск передатчика осуществляется путем разрыва оптоэлектронной пары, связанной с панелью управления основного блока и преобразователем напряжения передатчика и выполненной в виде инфракрасного светодиода и фотоприемника.

Недостатками данного известного решения являются малая глубинность, ограниченный набор определяемых геометрических параметров, невозможность определения физических характеристик исследуемых структур, невозможность прямого построения объемных (трехмерных) изображений.

Известен способ и устройство для радиолокационного зондирования земных недр (евразийский патент № 009971, опубл. 28.04.2008). Данный способ включает в себя формирование пачки зондирующих импульсов, их излучение, прием отраженных волн, обработку принимаемых сигналов с использованием аппаратно-программных средств. При этом для увеличения глубины разведки используют принудительно вызываемый структурно-параметрический поляризационный резонанс на разведываемых структурах, для чего частоту вращения вектора поляризации излучаемого сигнала перестраивают по определенному закону в диапазоне до нескольких октав. При приеме отраженных сигналов используют накопление сигналов, а сам прием ведут в режимах совмещенного и разнесенного приема. При обработке принятых сигналов определяют частоты поляризационных резонансов для каждой выявленной структуры и соответствующие времена запаздывания отраженных сигналов, что обеспечивает определение глубин залегания разведываемых структур с одновременной оценкой их геометрических и физических характеристик.

Устройство для радиолокационного зондирования земных недр содержит N радиоприемных устройств, разнесенных на местности и объединенных в единую систему с помощью систем передачи данных и позиционирования, и радиопередающее устройство, совмещенное с одним из радиоприемных устройств и перемещаемое при проведении исследований относительно остальных зафиксированных N-1 приемных устройств, чем обеспечивается существенное улучшение точностных характеристик и разрешающей способности, а также прямое формирование двумерных и трехмерных изображений исследуемых структур за счет синтезирования эквивалентной апертуры антенн до размеров пути перемещения радиопередающего устройства.

Недостатками данного известного решения являются:

- ограниченность диапазона различаемых по геометрическим и физическим характеристикам структур;

- отсутствие управления параметрами зондирующего сигнала и структурой электромагнитного поля в зависимости от текущих результатов зондирования;

- высокие вероятности наличия в данных интерпретации интерференционных (ложных) структур (слоев) и пропуска реально присутствующих;

- существенное возрастание ошибок измерения значений частот структурно-параметрических резонансов при использовании эллиптической, а не исключительно круговой поляризации;

- повышенный уровень ошибок в определении геометрических и физических характеристик среды распространения вследствие относительно высокого уровня собственных шумов у радиоприемных устройств супергетеродинного типа;

- ограниченные возможности в интерпретации результатов зондирования вследствие ограниченности набора рассчитываемых физических характеристик сред распространения;

- ограниченные возможности применения на сильнопересеченной местности и в горных условиях.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является разработка способа и системы радиолокационного зондирования земных недр, обеспечивающих достижение технического результата в виде расширения диапазона различаемых по геометрическим и физическим характеристикам структур, повышения точности определения геометрических и физических характеристик выявляемых структур и достоверности результатов разведки.

Указанный результат достигается за счет того, что в первом объекте по настоящему изобретению предложен способ радиолокационного зондирования земных недр, заключающийся в том, что: формируют зондирующие сигналы в виде импульсов, причем каждый из этих сигналов имеет электромагнитное поле с круговой поляризацией и с частотой вращения вектора поляризации, изменяющейся в течение длительности каждого из зондирующих сигналов в пределах до 5-6 октав; осуществляют зондирование земных недр сформированными зондирующими сигналами; при этом перед зондированием формируют и излучают в направлении зондируемых земных недр пилот-сигнал в виде по меньшей мере одной пачки электромагнитных импульсов с дискретно изменяющимися от импульса к импульсу длительностью импульса и диапазоном изменения частоты вращения вектора поляризации; принимают сигналы отраженных от зондируемых подповерхностных структур электромагнитных импульсов с помощью разнесенных радиоприемных устройств; анализируют принятые сигналы для нахождения набора значений параметров зондирующего сигнала, при которых в спектре принятых сигналов наблюдается максимальное количество резонансных всплесков; выбирают на основании результатов анализа значения параметров зондирующих сигналов; после чего и осуществляют зондирование земных недр.

Особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что формируют зондирующие сигналы в виде нескольких пачек электромагнитных импульсов с выбранными на этапе анализа длительностями сигналов и с изменяющимися от пачки к пачке диапазонами перестройки частоты вращения вектора поляризации, при этом границы диапазонов перестройки частоты вращения вектора поляризации соседних электромагнитных пачек примыкают друг к другу, а суммарный диапазон перестройки частоты вращения вектора поляризации составляет по меньшей мере 5-6 октав, причем верхняя граница частоты вращения вектора поляризации по меньшей мере в 20 раз меньше значения несущей частоты формируемых зондирующих сигналов.

Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что зондирующий сигнал излучают с использованием передающей антенной системы, содержащей М>1 пар полуволновых вибраторов, ортогональных друг другу в каждой паре, и механизм ориентации ее оптической оси, при этом формирование зондирующего сигнала осуществляют путем амплитудной модуляции и фазовой манипуляции двух высокочастотных колебаний, подаваемых на каждую из пар полуволновых вибраторов, причем управляющие сигналы фазовой манипуляции синхронизованы с модулирующими сигналами для амплитудной модуляции, при этом текущее значение частоты модулирующих сигналов для амплитудной модуляции колебаний несущей частоты определяет текущее значение частоты вращения вектора поляризации, которая не зависит от несущей частоты.

Еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что выполняют в каждом из разнесенных радиоприемных устройств предварительную обработку принятых сигналов, включающую в себя раздельную фильтрацию квадратурных составляющих поляризационной структуры принятых сигналов, их квантование и дискретизацию; совместно обрабатывают полученные результаты предварительной обработки, в том числе вычисляют автокорреляционные функции и взаимные корреляционные функции для режима разнесенного приема квадратурных поляризационных составляющих сигнала и суммарного в пределах каждой пачки импульсов сигнала, принятого каждым из радиоприемных устройств; идентифицируют отраженные от каждой выявляемой структуры земных недр сигналы и определяют, с учетом координат точек проведения зондирования и величин баз при разнесенном приеме, глубины залегания выявляемых структур, их геометрические и физические характеристики, при этом первоначально рассчитывают характеристики структур, выявляемых при минимальной скорости перестройки частоты вращения вектора поляризации, а затем последовательно рассчитывают характеристики структур, выявляемых по мере увеличения скорости перестройки частоты вращения вектора поляризации.

Наконец, еще одна особенность способа по настоящему изобретению состоит в том, что для обзора зондируемого пространства по угловым координатам управляют ориентацией оптических осей передающей и приемных антенн.

Указанный результат также достигается за счет того, что во втором объекте по настоящему изобретению предложена система для радиолокационного зондирования земных недр, содержащая: радиопередающее устройство с передающей антенной, включающей в себя М>1 пар полуволновых вибраторов, ортогональных друг другу в каждой паре, и механизм ориентации ее оптической оси, причем передающая антенна выполнена с возможностью формирования зондирующих сигналов в виде импульсов, и каждый из этих зондирующих сигналов характеризуется электромагнитным полем с круговой поляризацией и перестраиваемой по линейному закону частотой вращения вектора поляризации в течение длительности каждого из зондирующих сигналов; N>1 радиоприемных устройств, каждое из которых содержит приемную антенну, включающую в себя М>1 пар полуволновых вибраторов, ортогональных друг другу в каждой паре, и механизм ориентации ее оптической оси, причем приемная антенна выполнена с возможностью приема сигналов, отраженных от зондируемых подповерхностных структур, одно из радиоприемных устройств размещено на исследуемом участке местности совместно с радиопередающим устройством для реализации режима совмещенного приема, а остальные из радиоприемных устройств размещены на исследуемом участке местности с разнесением друг от друга для реализации режима разнесенного приема; N устройств передачи данных и позиционирования; устройство управления; устройство адаптации параметров сигнала; устройство обработки данных; и устройство топопривязки; при этом выход каждого из радиоприемных устройств через соответствующее устройство передачи данных и позиционирования соединен с соответствующим информационным входом устройства обработки данных, выходы устройства управления соединены,с управляющими входами радиопередающего устройства, устройства обработки данных и механизмов ориентации оптических осей передающей и каждой из приемных антенн, второй выход каждого из устройств передачи данных и позиционирования соединен с соответствующим входом устройства топопривязки, выход которого соединен с дополнительным информационным входом устройства обработки данных, вход устройства управления соединен с выходом устройства адаптации параметров сигнала, вход которого соединен с выходом устройства обработки данных.

Особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что модулятор выполнен с возможностью формирования сигналов амплитудной модуляции и фазовой манипуляции для двух высокочастотных колебаний, подаваемых на каждую из упомянутых пар полуволновых вибраторов, причем управляющие сигналы фазовой манипуляции синхронизованы с модулирующими сигналами для амплитудной модуляции, при этом текущее значение частоты модулирующих сигналов для амплитудной модуляции колебаний несущей частоты определяет текущее значение частоты вращения вектора поляризации, которая не зависит от несущей частоты.

Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что приемная антенна каждого из N радиоприемных устройств выполнена с возможностью разделения принятого отраженного сигнала на квадратурные составляющие поляризационной структуры сигнала.

Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что каждое из радиоприемных устройств выполнено двухканальным по схеме синхродинного типа для предварительной обработки принятых сигналов, причем каждый из каналов радиоприемного устройства включает в себя средства фильтрации, квантования и дискретизации соответствующей квадратурной составляющей поляризационной структуры сигналов.

Еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что устройство обработки данных представляет собой программируемый процессор и выполнено с возможностью исполнения пакета взаимосвязанных программ, предназначенных для: осуществления совместной обработки результатов предварительной обработки путем вычисления автокорреляционных и взаимных корреляционных функций для режима разнесенного приема квадратурных поляризационных составляющих сигнала и суммарного в пределах каждой пачки импульсов сигнала, принятого каждым из радиоприемных устройств; выявления структур в зондируемых недрах по наличию структурно-параметрических поляризационных резонансов в спектре принятых отраженных сигналов; определения частот поляризационных резонансов и соответствующих времен запаздывания сигналов, отраженных от каждой из выявленных структур; идентификации интерференционных резонансов для каждой из выявленных структур; определения глубин залегания выявленных структур, их геометрических и физических характеристик с учетом координат точек проведения зондирования и величин баз при разнесенном приеме; определения коэффициента поглощения электромагнитных волн в зондируемых недрах; и построения двумерных и трехмерных изображений и геологической интерпретации полученных результатов, через которые последовательно проходит принятый сигнал; а также для осуществления анализа пилот-сигнала.

Наконец, еще одна особенность системы по настоящему изобретению состоит в том, что устройство управления содержит программируемый процессор и двухканальный цифроаналоговый преобразователь, предназначенный для сопряжения программируемого процессора со входами и выходами устройства управления, при этом программируемый процессор выполнен с возможностью исполнения пакета взаимосвязанных программ, предназначенных для: формирования пилот-сигнала в виде пачки импульсов с изменяющимися дискретно от импульса к импульсу длительностью и диапазоном перестройки частоты вращения вектора поляризации; формирования зондирующего сигнала, адаптированного на основе анализа пилот-сигнала; и управления механизмами ориентации оптических осей передающей и каждой из приемных антенн.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется ниже на примерах его осуществления со ссылками на чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет структурную схему системы для радиолокационного зондирования земных недр по настоящему изобретению.

Фиг.2 представляет структурную схему радиоприемного устройства.

Фиг.3 показывает примерный вид принимаемого сигнала.

Фиг.4 иллюстрирует примерное трехмерное изображение выявленных структур.

Фиг.5 иллюстрирует примерное двумерное изображение структуры земных недр.

Фиг.6 представляет собой пример геологической интерпретации результатов зондирования в виде карты нефтенасыщенности для потенциального коллектора.

Подробное описание изобретения

Как показано на фиг.1, система для радиолокационного зондирования по настоящему изобретению, в которой реализуется способ радиолокационного зондирования по настоящему изобретению, содержит устройство 1 управления, радиопередающее устройство 2, N радиоприемных устройств 3-1, , 3-N, передающую антенну 4, N приемных антенн 5-1, , 5-N, модулятор 6, N устройств 7-1, , 7-N передачи данных и позиционирования, устройство 8 топопривязки, устройство 9 обработки данных и устройство 10 адаптации параметров сигнала. Пунктирной линией обведены устройства, конструктивно объединенные в единый комплект аппаратуры.

В системе по фиг.1 выход каждого из радиоприемных устройств 3 через соответствующее устройство 7 передачи данных и позиционирования соединен с соответствующим информационным входом устройства 9 обработки данных, выходы устройства 1 управления соединены с управляющими входами радиопередающего устройства 2, устройства 9 обработки данных и механизмов ориентации оптических осей передающей 4 и каждой из приемных антенн 5, второй выход каждого из устройств 7 передачи данных и позиционирования соединен с соответствующим входом устройства 8 топопривязки, выход которого соединен с дополнительным информационным входом устройства 9 обработки данных, вход устройства 1 управления соединен с выходом устройства 10 адаптации параметров сигнала, вход которого соединен с выходом устройства 9 обработки данных.

В качестве радиопередающего устройства 2 и радиоприемных устройств 3 могут быть использованы, например, соответствующие устройства из вышеупомянутого евразийского патента № 009971.

Передающая антенна 4 включает в себя М>1 пар полуволновых вибраторов, ортогональных друг другу в каждой паре, и механизм ориентации ее оптической оси. Передающая антенна 4 выполнена с возможностью формирования зондирующих сигналов в виде импульсов, причем каждый из этих сигналов характеризуется электромагнитным полем с круговой поляризацией и перестраиваемой по линейному закону частотой вращения вектора поляризации в течение длительности каждого из зондирующих сигналов. Этой цели служит модулятор 6, выполненный с возможностью формирования соответствующих сигналов амплитудной модуляции и фазовой манипуляции. Выполнение модулятора известно специалистам и может быть взято из вышеупомянутого евразийского патента № 009971. В данном случае конкретное выполнение модулятора 6 не имеет значения, важно лишь, чтобы он формировал сигналов амплитудной модуляции и фазовой манипуляции для двух высокочастотных колебаний, подаваемых на каждую из пар полуволновых вибраторов передающей антенны 4. При этом управляющие сигналы фазовой манипуляции синхронизованы с модулирующими сигналами для амплитудной модуляции, так что текущее значение частоты модулирующих сигналов для амплитудной модуляции колебаний несущей частоты определяет текущее значение частоты вращения вектора поляризации, которая не зависит от несущей частоты.

Каждая из приемных антенн 5 включает в себя М>1 пар полуволновых вибраторов, ортогональных друг другу в каждой паре, и механизм ориентации оптической оси этой приемной антенны. Полуволновые вибраторы в парах расположены параллельно друг другу и до входа радиоприемного устройства 3 соединены параллельно друг другу, что обеспечивает раздельное суммирование квадратурных составляющих для всех М пар. Каждая приемная антенна 5 выполнена с возможностью приема сигналов, отраженных от зондируемых подповерхностных структур. Одно из радиоприемных устройств 3-1 с соответствующей приемной антенной 5-1 размещено на исследуемом участке местности совместно с радиопередающим устройством 2 с передающей антенной 4 для реализации режима совмещенного приема (см. пунктир на фиг.1). Остальные радиоприемные устройства 3-2 - 3-N с соответствующими приемными антеннами 5-2 - 5-N размещены на исследуемом участке местности с разнесением друг от друга для реализации режима разнесенного приема. Выполнение приемной антенны 5 каждого из N приемных устройств 3 в виде пар полуволновых вибраторов обеспечивает возможность разделения принятого отраженного сигнала на квадратурные составляющие поляризационной структуры сигнала.

Соответственно, каждое из радиоприемных устройств 3, как показано на фиг.2, выполнено двухканальным по схеме синхродинного типа для предварительной обработки принятых сигналов. Каждый из каналов радиоприемного устройства 3 включает в себя средства фильтрации, квантования и дискретизации соответствующей квадратурной составляющей поляризационной структуры сигналов. Конкретно, радиоприемное устройство 3 подключено к приемной антенне 5 и содержит в каждом своем канале соединенные последовательно усилитель 11 высокой частоты, смеситель 12, полосовой фильтр 14, усилитель 15 и аналого-цифровой преобразователь 16. На оба смесителя 12 подаются также квадратурные сигналы с гетеродина 13 для выделения промежуточной частоты, выделяемой полосовым фильтром 14. Все эти средства являются общеизвестными для специалистов.

Устройство 7 передачи данных и позиционирования может быть выполнено, например, так же, как в вышеупомянутом евразийском патенте № 009971. Это устройство 7 передачи данных и позиционирования предназначено для согласования радиоприемных устройств 3 с устройством 9 обработки данных и для учета информации о текущих координатах и взаимном расположении радиопередающего устройства 3 и всех радиоприемных устройств 4.

Устройство 8 топопривязки предназначено для осуществления топографической привязки результатов зондирования к конкретной местности. В качестве устройства 8 топопривязки можно использовать, например, систему GPS.

Устройство 9 обработки данных представляет собой программируемый процессор и выполнено с возможностью исполнения пакета взаимосвязанных программ. Эти программы предназначены для:

осуществления совместной обработки результатов предварительной обработки путем вычисления автокорреляционных и взаимных корреляционных функций для режима разнесенного приема квадратурных поляризационных составляющих сигнала и суммарного в пределах каждой пачки импульсов сигнала, принятого каждым из радиоприемных устройств 3;

выявления структур в зондируемых недрах по наличию структурно-параметрических поляризационных резонансов в спектре принятых отраженных сигналов;

определения частот поляризационных резонансов и соответствующих времен запаздывания сигналов, отраженных от каждой из выявленных структур;

идентификации интерференционных резонансов для каждой из выявленных структур;

определения глубин залегания выявленных структур, их геометрических и физических характеристик с учетом координат точек проведения зондирования и величин баз при разнесенном приеме;

определения коэффициента поглощения электромагнитных волн в зондируемых недрах; и

построения двумерных и трехмерных изображений и геологической интерпретации полученных результатов, через которые последовательно проходит принятый сигнал;

а также для осуществления анализа пилот-сигнала.

Устройство 10 адаптации параметров сигнала предназначено для подстройки конкретных значений параметров зондирующих сигналов по результатам анализа отраженного от земных недр пилот-сигнала.

Устройство 1 управления содержит программируемый процессор и двухканальный цифро-аналоговый преобразователь, предназначенный для сопряжения программируемого процессора со входами и выходами устройства 1 управления, при этом программируемый процессор выполнен с возможностью исполнения пакета взаимосвязанных программ, предназначенных для:

формирования пилот-сигнала в виде пачки импульсов с изменяющимися дискретно от импульса к импульсу длительностью и диапазоном перестройки частоты вращения вектора поляризации;

формирования зондирующего сигнала, адаптированного на основе анализа пилот-сигнала; и

управления механизмами ориентации оптических осей передающей антенны 4 и каждой из приемных антенн 5.

Способ радиолокационного зондирования земных недр по данному изобретению реализуется с помощью системы по фиг.1 и 2 следующим образом.

В соответствии с поставленной задачей и в зависимости от условий работы оператор вводит в устройство 1 управления предварительные исходные данные для организации работы системы в целом. Исходными данными являются: несущая частота зондирующего сигнала, длительность зондирующего сигнала, период повторения импульсов, количество импульсов в пачке, количество пачек, диапазон перестройки частоты вращения вектора поляризации, интервал времени регистрации принимаемого сигнала. После экспресс-анализа результатов зондирования с использованием пилот-сигнала эти исходные данные корректируются устройством 10 адаптации.

Устройство 1 управления состоит из программируемого процессора и двухканального цифроаналогового преобразователя и выполнена с возможностью исполнения пакета взаимосвязанных программ, обеспечивающих формирование и выдачу управляющих сигналов. Устройство 1 управления обеспечивает формирование пилот-сигнала, формирование адаптированного зондирующего сигнала и управление механизмами ориентации оптических осей передающей и приемных антенн 4, 5. Формирование пилот-сигнала и формирование адаптированного зондирующего сигнала осуществляется путем выработки управляющих сигналов, поступающих на радиопередающее устройство 2, модулятор 6 и устройство 9 обработки данных. Эти управляющие сигналы обеспечивают формирование сигналов с параметрами, определенными в исходных данных и после проведения экспресс-анализа, соответственно.

Управляющие сигналы, поступающие на радиопередающее устройство 2, определяют значение несущей частоты зондирующих сигналов, моменты начала излучения, длительность импульсов, период их повторения, количество импульсов в пачке, количество пачек, а также моменты изменения фазы колебаний несущей частоты. Управляющие сигналы, поступающие на модулятор 6, обеспечивают формирование модулирующих сигналов (к примеру, напряжений) для двух каналов радиопередающего устройства 2, определяющих диапазон изменения частоты вращения вектора поляризации и закон ее изменения. Указанные модулирующие сигналы (к примеру, напряжения), вырабатываемые модулятором 6, представляют собой пару когерентных гармонических колебаний и используются в радиопередающем устройстве 2 для амплитудной модуляции колебаний несущей частоты в каждом из каналов. Одновременно колебания несущей частоты подвергаются фазовой манипуляции, осуществляемой синхронно с амплитудной модуляцией, что обеспечивается выдачей с устройства 1 управления на радиопередающее устройство 2 соответствующих управляющих сигналов. При этом частота указанных модулирующих напряжений однозначно определяет частоту вращения вектора поляризации формируемого электромагнитного поля, а закон их изменения - закон изменения частоты вращения вектора поляризации.

В этом случае частота вращения вектора поляризации совершенно не зависит от несущей частоты сигнала, которая в течение времени зондирования является постоянной. В зависимости от стоящих задач несущая частота может принимать несколько фиксированных значений. При этом с увеличением значения несущей частоты глубина зондирования уменьшается, а разрешающая способность и точность определения геометрических и физических характеристик исследуемых структур возрастают.

Управляющие сигналы, поступающие на устройство 9 обработки данных, определяют интервал времени регистрации принимаемого сигнала. Одновременно в устройство 9 обработки данных передаются исходные данные, необходимые для последующей обработки принятых сигналов: значения несущей частоты, длительности зондирующих сигналов, периода повторения импульсов, количества импульсов в пачке, количества пачек, диапазона перестройки частоты вращения вектора поляризации и закон ее изменения во времени.

Ввиду отсутствия априорной информации о характеристиках и параметрах исследуемых структур первоначально радиопередающее устройство 2 генерирует пилот-сигнал, представляющий собой пачку радиоимпульсов с изменяющимися дискретно от импульса к импульсу параметрами: длительность изменяется в пределах до 500 мкс, диапазон перестройки частоты вращения вектора поляризации - до 5-6 октав. Принятый сигнал поступает в средство экспресс-анализа пилот-сигнала устройства 9 обработки данных, где подвергается экспресс-анализу, в котором выявляется количество резонансных всплесков для каждого значения параметров зондирующего сигнала. Результаты экспресс-анализа поступают в устройство 10 адаптации параметров сигнала, где определяются значения параметров зондирующего сигнала, при которых в принятых сигналах наблюдается наибольшее количество резонансных всплесков, и вырабатываются соответствующие управляющие сигналы в устройство 1 управления для формирования адаптированного зондирующего сигнала. Тем самым обеспечивается возможность уточнения параметров зондирующего сигнала (длительности, диапазона перестройки частоты вращения вектора поляризации) с целью получения максимальной достоверности при интерпретации результатов зондирования конкретного участка местности и минимизации ошибок определения характеристик и параметров исследуемых структур.

Генерируемый радиопередающим устройством 2 зондирующий сигнал - пачка радиоимпульсов поступает на передающую антенну 4, представляющую собой систему из М пар широкополосных ортогональных полуволновых вибраторов и предназначенную для формирования поля с круговой поляризацией. По мере распространения излученный сигнал достигает через некоторое время i-ую структуру с электрической толщиной L_i*N_i, значения составляющих которой (геометрическая толщина структуры L _i, диэлектрическая и магнитная проницаемости - показатель преломления N_i) априори неизвестны и подлежат определению. При достижении частотой вращения вектора поляризации значения, при котором

где _kip - k-oe резонансное значение длины волны вектора поляризации на i-ой структуре;

n_i - количество длин полуволн, укладывающихся на i-ой структуре, на i-ой структуре наступает структурно-параметрический поляризационный резонанс.

При этом под структурно-параметрическим поляризационным резонансом понимается такое состояние, при котором на некоторой i-ой структуре в направлении распространения электромагнитной волны укладывается целое число длин полуволн вектора поляризации. Соотношение (1) определяет условие наступления структурно-параметрического поляризационного резонанса на i-ой структуре. При этом оно является лишь необходимым условием наступления резонанса. Вторым (достаточным) условием является наступление резонанса на несущей частоте сигнала одновременно со структурно-параметрическим резонансом. Для гарантированного наблюдения резонанса максимальное значение частоты вращения вектора поляризации должно быть в 20 и более раз меньше значения несущей частоты. При наступлении резонанса наблюдается эффект, подобный наблюдаемому при когерентном накоплении сигнала в оптимальном фильтре, что приводит к резкому возрастанию амплитуды отраженного сигнала и, тем самым, к существенному увеличению дальности радиолокационного зондирования. При этом каждая структура в земных недрах может рассматриваться как многочастотный полосовой фильтр, параметры которого (резонансные частоты, ширина полосы пропускания и т.д.) однозначно определяются ее электрической толщиной. С возрастанием электрической толщины слоя резонансные частоты смещаются в низкочастотную область, а ширина полосы пропускания уменьшается. Тем самым возможность выявления тонких в электрическом смысле структур ограничена снизу верхней границей диапазона перестройки частоты вращения вектора поляризации, а возможность выявления мощных структур ограничена сверху нижней границей диапазона перестройки и скоростью перестройки частоты вращения вектора поляризации.

Вследствие отсутствия априорной информации о характеристиках исследуемых структур диапазон перестройки частоты вращения вектора поляризации должен составлять не менее 5-6 октав. Аналогичные резонансы будут иметь место и для нескольких последовательно залегающих структур в различных комбинациях (интерференционные резонансы). Это существенно затрудняет выявление истинных структур при последующей обработке. Чтобы уменьшить вероятности наличия в данных интерпретации интерференционных (ложных) структур (слоев) и пропуска реально присутствующих, первоначально организуют излучение в низкочастотной части диапазона перестройки частоты вращения вектора поляризации при больших длительностях импульсов (малая скорость перестройки) для выявления более мощных, возможно эквивалентных слоев, а затем диапазон перестройки увеличивают при одновременном необходимом уменьшении длительности импульсов (увеличение скорости перестройки частоты) для последовательного уточнения внутренней структуры выявленных слоев.

Отраженные от разных структур сигналы поступают на все N приемных антенн 5-1, , 5-N, аналогичных передающей антенне 4 и разнесенных на местности, подключенных к N радиоприемным устройствам 3. В радиоприемных устройствах 3-1, , 3-N, содержащих по два канала обработки для каждой из квадратурных составляющих поляризационной структуры сигналов, каждый из которых собран по схеме синхродинного типа, и, соответственно, два аналого-цифровых преобразователя 16 (фиг.2), производят раздельную фильтровую обработку квадратурных составляющих поляризационной структуры принятых сигналов, их квантование и дискретизацию и с помощью устройств 7-1, , 7-N передачи данных и позиционирования передают оцифрованные данные в устройство 9 обработки данных.

Устройство 9 обработки данных представляет собой программируемый процессор и выполнено с возможностью исполнения пакета взаимосвязанных программ. Эти программы предназначены для:

- совместной обработки результатов предварительной обработки для вычисления автокорреляционных и взаимокорреляционных (для режима разнесенного приема) функций квадратурных поляризационных составляющих сигнала и суммарного для каждой пачки импульсов сигнала, принятого каждым радиоприемным устройством 3;

- обнаружения выявляемых структур по наличию структурно-параметрических поляризационных резонансов;

- определения частот поляризационных резонансов и соответствующих времен запаздывания сигналов, отраженных от каждой выявленной структуры,

- идентификации интерференционных резонансов;

- определения, с учетом координат точек проведения зондирования и величин баз при разнесенном приеме, глубин залегания, геометрических и физических характеристик разведываемых структур;

- определения коэффициента поглощения;

- построения двумерных и трехмерных изображений и геологической интерпретации полученных результатов;

- экспресс-анализа пилот-сигнала.

Принятый и оцифрованный сигнал последовательно обрабатывается с использованием указанных программных средств.

В устройстве 9 обработки данных обработку производят в два этапа. На первом этапе осуществляют вычисление автокорреляционных и взаимокорреляционных функций квадратурных составляющих поляризационной структуры сигналов для каждого принятого от каждого из N радиоприемных устройств 3 сигнала, их раздельное для каждого из N радиоприемных устройств 3-1, , 3-N накопление для всех импульсов в пределах каждой пачки для каждой конкретной точки местоположения радиопередающего устройства 2 и N радиоприемных устройств 3. Для обнаружения выявляемых структур для каждой точки местоположения производят сравнение вычисленных значений автокорреляционных и взаимокрреляционных функций с порогом, который устанавливается пропорциональным среднему значению мощности принятого сигнала, и определение значений частот наступления структурно-параметрического поляризационного резонанса и соответствующих времен запаздывания. Полученные значения являются исходными для расчета глубин залегания, геометрических и физических характеристик (диэлектрической и магнитной проницаемости - показателя преломления, коэффициента поглощения) выявленных структур. Показатель преломления i-ой структуры рассчитывают по формуле (2)

а глубину ее залегания (толщину) - по формуле (3):

где d_i - текущее значение величины базы приема (расстояние между радиопередающим 2 и вынесенным радиоприемным 3 устройствами).

,

,

tз_i, tз_i-1, t'з _i, t'з_i-1 - времена запаздывания принятых сигналов относительно излученного для верхней и нижней границ i-ой структуры в режимах совмещенного и разнесенного приема, соответственно;

,

F_kip, F_(k-1)ip - значения частоты вращения вектора поляризации, на которых для i-ой структуры наблюдается k и k-1 резонансы, соответственно.

Одновременно в устройство 9 обработки данных от устройств 7 передачи данных и позиционирования поступает информация об относительном взаимном расположении радиопередающего 2 и радиоприемных 3 устройств, а с устройства 8 топопривязки, в качестве которой используют, например, систему GPS, - информация об абсолютных координатах точек местоположения радиопередающего устройства 2, что обеспечивается выдачей на указанные устройства опросных сигналов с устройства 1 управления. Получаемую информацию запоминают и, после проведения зондирования на исследуемом участке местности, используют для последующей обработки при формировании двумерных и трехмерных изображений.

На втором этапе результаты обработки, полученные на первом этапе для каждого из N радиоприемных устройств 3-1, , 3-N для каждой точки местоположения радиопередающего устройства 2, подвергают совместной обработке с целью получения двумерных или трехмерных изображений земных недр с определением геометрических и физических характеристик выявленных структур. Двумерное изображение формируют в координатах: глубина - линейная координата на поверхности (вертикальная по отношению к поверхности земли плоскость) путем объединения данных, полученных для каждой точки зондирования в результате расчетов по формулам (2) и (3). Трехмерное изображение формируют в координатах: глубина - две ортогональные линейные координаты на поверхности. Для его формирования используется совместная обработка данных, полученных от каждого из N радиоприемных устройств 3-1, , 3-N, в основе которой лежит принцип инвариантности преобразований, осуществляемых в двух взаимосвязанных подпространствах псевдоевклидова пространства: пространство - время и пространственная частота - частота, описываемых соотношениями:

;

,

где х, у, z - текущие значения линейных координат;

с - скорость света;

t - текущее время;

- текущее значение частоты сигнала;

K _x, K_y, K_z - текущие значения проекций пространственной частоты вектора поляризации на оси координат;

С - константа.

При проведении зондирования в горных условиях, когда сбор информации об исследуемом участке путем перемещения комплекса вдоль выбранных направлений крайне затруднен, используют угловое сканирование, обеспечиваемое механизмами ориентации оптических осей антенных систем. Управление механизмами ориентации осуществляется устройством 1 управления.

На фиг.3 представлен типовой вид принимаемого сигнала в координатах: относительная амплитуда - время (количество дискретов квантования). Наличие всплесков амплитуды является следствием наступления структурно-параметрического поляризационного резонанса при прохождении зондирующего сигнала через исследуемые структуры.

На фиг.4 представлен пример трехмерного изображения структуры выявленных слоев в координатах: линейные координаты на поверхности - глубина (вертикальная по отношению к поверхности земли плоскость). Интенсивность раскраски определяется текущим значением показателя преломления и возрастает с его уменьшением.

На фиг.5 представлен пример двумерного изображения структуры выявленных слоев в координатах: линейная координата на поверхности - глубина.

На фиг.6 представлен пример геологической интерпретации результатов зондирования в виде карты нефтенасыщенности для потенциального коллектора на соответствующей глубине.

Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает расширение диапазона различаемых по геометрическим и физическим характеристикам структур, а также повышение точности определения геометрических и физических характеристик выявляемых структур и достоверности результатов разведки.