Способ геоэлектроразведки

(71) Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им,.М.В. Ломоносов.а,(56) 1. Бобровников Л.З.,Кадыров И.Н ПоповВ,А. Электроразведочная аппаратура и оборудование. М., 1 Недрае, 1979 ю с. 250-2572. Мусатов А.А. Аппаратура и методика электрометрических исследова. ний на акваториях при решении инженерно-геологических задачАвтореф. канд. дис. М., МГУ, 1980, с.2-14 (прототип);3. Трахтман А.М Трахтман В.А. Основы теории дискретных сигналов на конечных интервалах. М;, 1 фСоветское радиоф, 1975, с. 95-113.1. СПОСОБ ГЕОЭЛЕКТРОРАЗВЕДчающийся в возбуждении(54)(57)КИ, заклю О ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ. ПИСАНИЕ И Н АВТОРСКОМУ.СВИДЕТ 3 197 А электромагнитного поля в течение времени Т в виде последовательности идентичных импульсов, модулированных сигналом в виде прямоугольной функции заданной частоты, и в корреляционном приеме сигнала в течение времени Т, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения эффективности способа за счет повышения его помехоустойчивости, возбуждают одновременно по меньшей мере две по"- следовательности сигналов, состоящие из идентичных импульсов, модулированных прямоугольными сигнала-, ми различной частоты соответственно, а принимаемый сигнал коррелируют одновременно с каждой из Ь возбуж- щй ,даемых последовательностей, при этом корреляцию осуществляют в базисе функций Уолша, а откоррелированные сигналы выпрямляют путем умноже- С ния на знаковую функцию соответствующего сигнала, перемножают и сум- Я мируют.ю 2. Способ по п. 1, о т л и ч а щ и й с я тем, что в качестве мод лирующих сигналов выбирают функци Уолша.Изобретение относится к геофизическим исследованиям, в частности к . геоэлектрическим исследованиям в районах с высоким уровнем регулярныхпомех.Геоэлектрические методы исследований при работах в крупныхпромышленных агломерациях и тяготящих к нимрайонах встречаются с трудностями,связанными с наличием интенсивных регулярных электромагнитных помех, уровень которых намного превосходит достижимый уровень полезного сигнала.Известен способ .геоэлектроразведки,предназначенный для работы в условиях интенсивных помех, заключаю щийся в возбуждении переменного электромагнитного поля в виде периодического сигнала и приема с помощью линейных фильтров (1 .Основным недостатком такого способа является необходимость использования фильтров, перестраиваемых по частоте, когда сигнал регистриру-,ется на фоне регулярных помех, Сосредоточенных в различных частотных диапазонах. Проблема подавления такого рода помех приобретает особую остроту в тех случаях, когда необходимо выделить сигнал инфранизкойчастоты. В этих условиях создание перестраиваемых по частоте фильтровс высокой избирательностью представляет сложную техническую проблему даже при использовании современной микроэлектронной технологии.Наиболее близким по технической З 5сущности к изобретению является способ геоэлектроразведки, заключающийся в возбуждении электромагнитного поля в течение заданного времени Т в виде последовательности иден Отичных импульсов, модулированныхсигналом в виде прямоугольной функ,ции заданной частоты, и в корреля-ционном приеме сигнала в течениевремени Т. Принимаемый сигнал умножают на знаковую функцию модулирующего сигнала и выделяют постояннуюсоставляющую полученного произведения путем его интегрирования за время действия сигнала.2. При таком спо собе возбуждения и приема полезныйсигнал горизонтального спектральногосостава выпрямляется синхронно с ге"нерируемым сигналом, а полезную ин-.формацию несет его постоянная составляющая, для выделения которой используют фильтр низкой частоты, каким является, например, интегратор.Тем самым исключается необходимостьиспользования перестраиваемых фильтров. Избирательность приема достигается при этом соответствующим изменением времени Т. В качестве заполняющего сигнала, образующего последовательность генерируемых импульсов,выбирают обычно сигнал, образуемый 65 импульсами прямоугольной формы и полупериодами синусоидального колебания, а в качестве модулирующей функции - различные виды так называемыхмеандровых функций, принимающих двазначения +1 н -1 2 3.Недостаток известного способазаключается в том, что спектральныесоставляющие помехи на частотах,кратных частоте модулирующего сигнала, не подавляются, поскольку приперемножении и такой помехи на знаковую функцию модулирующего сигнала в результирующем сигнале появляются комбинационные частоты, попадающие в полосу пропускания Фильтра.интегратора.Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет повышения помехоустойчивости.Указанная цель достигается тем,что согласно способу геоэлектроразведки заключающемуся в возбужденииэлектромагнитного поля в течение заданного времени Т в виде последовательности идентичных импульсов, модулированных сигналом в виде прямоугольной функции заданной частоты, и вкорреляционном приеме сигнала в течение времени Т, возбуждают одновременно по меньшей мере две последовательности Ь сигналов, .состоящие изидентичных импульсов, модулированных Ь прямоугольными сигналами различной частоты соответственно, а принимаемый сигнал коррелируют одновременно с каждой из Ь возбуждаемых последовательностей, при этом корреляцию осуществляют в базисе функцийУолша, а откоррелированные сигналывыпрямляют путем умножения на знаковую функцию соответствующего модулирующего сигнала, перемножают и суммируют.кроме того, в качестве модулирующих сигналов выбирают функции Уолша.На фиг. 1-12 показана последовательность операций возбуждения и приема и вид сигналов, соответствующихкаждой из операций, для случая Ь=2:на фиг. 1 " вид запбминающих импульсов а (1).; на,фиг. 2 и 3 - модулирующие сигналы Ф(3., К) и ф 2(3., 3); наФиг, 4-6 - вид сигналов двух последовательностей Р 1 (1) и Г (1),и их суммарный сигнал Г(1); на фиг. 7 и 8 -частотные характеристики сигналов,изображенных на фиг. 4 и 5, коррелированные с суммарным сигналом фиг.б;на фиг. 9 и 10 - результат корреляции; на Фиг. 11 - частный вид заполняющего сигнала; на фиг. 12 " отношение сигнал/помеха на выходе,корреляторов,Пусть в течение заданного времени Т в изучаемой среде возбуждаютэлектромагнитное поле. Такое возбуждение, осуществляемое обычно с поОтмеченные трудности можно преодо"леть, применяя Ь последовательностей, 60 модулированныеЬ различными сигналами. В качестве модулирующих сигиалов.рассмотрим для Ь = 2 функции Уолша И(1,6) и Х(1, Г 2). Тогда в соответствии со спектральными соотношения ми в базисе Функций Уолша ГЗ .(спектй Р (К)=5 (к)= - Е Р (1)Ф(1,к),1 1 Мь 01Й-)1) (к):5 (к): - , . Р (1)чЧ(1,к),К = 0,1,2, Ммощью магнитного или электрическогоа откоррелированные сигналы (Фиг. 9диполя, заключается в одновременном и 10) определяются соотношениямигенерировании через диполь двух по- И следовательностей, образуемых иден- Р 1):52 КФКтичными заполняющими импульсами 1,модулированных сигналами 2 и 3. Таким образом, одновременно в изучае- Р 2(1): 5 (к)Щ(1,К) рмой среде возбуждаются два сигнала -д 24 и 5, а суммарный излучаемый сигнал где М(1 К) фу ц уюункции Уолша,имеет вид 6, В тех случаях, когдараспространение электромагнитного 10поля в геоэлектрическом разрезе не2и Р (1) - соответствуют сигналамна Фиг 9 и 10.сопровождается частотно-зависимыми Фильтрующее действие коррелятОпроцессами, принимаемый сигнал с точ- ров основано на специфике спектровностью ЛС постоянного множителя преЛ- периодической попериодической последовательности. вставлен сигналом 6. Этот сигнал кор 15 базисе функций Уазисе ункций Уолша, которая состо,релируют одновременно с двумя возбуждаемыми последовательностями 4 Пусть один период пусть один период последовательи 5, что равносильно их пропусканию ностиГ (1) задан на точках в интерчерез два фильтра, частотные хаРак- вале (О, М -1), где М =2", и- целоетеристики 7 и 8 которых есть спектры щ число В примере приведенном нпоследовательностей 4 и 5, соответст фиг. 1, М =8. Тогда спектр Уолшавенно полученные в базисе функций . Я (К) этого периода такэтого периода такжеопределяетУолша. Откоррелированные сигналы 9 ся в М точках в соотв тстточках в соответствии с выи 10 перемножают на знаковые функции Ражением (2). Спектр Уолша Я (К) пемодулирующих сигналов 2 и соответ р 5 риолической последовательности К (1)ственно, полученные сигналы перемно- в соответствии с теорией спектров вжают, суммируют.Математическая запись рассмотрениз тех же М отсчетов, разделенныхных операций в терминах анализа дис- н ина 2" " -1 нулями. Следовательнокретных сигналов и линейных .дискрет 1если на вход оптимального фильт авательность,.образованная путем М- коррелятора поступает помеха П (1),кратного повторения заполняющих им- то ее значение П(1) на выходе фильтпульсов, заданная на М-точечном ин- .Ра опреЛелится соотношениемтервале (О,М, 1 - текущий параметр. Поскольку используются спектральные разложения в базисе функ- о 5(К) 5 я (К) щ, К)(+)ций Уолша, то М = 2 , где и - целоечислор ф.,(1, 8.,) и Ф (1,Р 2) - дис- где Я (К) - спектр помехи в базисекретные модулйрующие Фунйции, огиба- , фу"ющив которых показаны на Фиг. 2 и 3, 40, Из соотношения (.4) следует, чтозаданные на интервале О, М - 1). Па- в том случае, когда помеха являетсяраметры Р и Р определяют частоту . непериодической, она будет подавлятьмодулирующих Функций. В приведенном ся в силу того, что ее энергия распримере М = 4, пределена по всем, частотам К (О,М),дискретные последовательности сиг- в то вРемя как энергиясигнала расналов, описывающие изучаемое электро- пределена на М частотах. Если же45.магниТное поле 4 и 5, имеют вид помеха является периодической, например регулярная помеха от источников)= 1)-р(1)хф,8),промышленного тока, то она будет по(1) давляться на всех частотах, за исклю-.50 чением частот, которым соответствуетоптимальной фильтрации в базисе функдимо применять перестраиваемые поций Уолша. Это означает, что прини- частоте фильтры Уолша подобно томФильтров, частотные характеристики 55 о д ся в известном спосо-55 ка это делается0(К) и 02(К) (фиг. 7 и 8) которыхры генерируемых последовательностей Р., и Р равны5(к) =5(кО ЕУ,52= ( О 2)( где Э означает операцию смещения,проводимую по модулю 2;Я(К) - спектр последовательности Й(1). Операция смещения по модулю 2 сводится к перестановке отсчетов спектра Я (К) и Я 2(К), при этом, учитывая отмеченное свойство спектров 8(К) периодической последова-тельности 1, справедливо соотношение 15)О З(К) х Б (К):Одля всех. К б (О, Б), В то же время в силу инвариантности отклика (оптимальный фильтр Уолша относительно20 двоичного .сдвига) справедливо соотношение.(Р)= Г 2 (6) Рассмотрим теперь корреляцию суМ- марного принимаемого сигнала с учетом помехи или, учитывая соотношения (3) и (5), Й- ( ф)=+Е э(к)5 (к)9/(к)=Р (;)+и40 где й (1) - откоррелированная помеха,являющаяся периодической с тем же1периодом, что и сигнал Р (з.).сигнал, полученный в результате 45корреляции с второй последовательностью имеет вид:Д=2 й 2.2 2Выпрямление сигналов Аи А путемумножения их на знаковые функцйи модулирующих сигналов (в случае применения в качестве модулирующих сигналов функций Уолша их знаковая функция совпадает с самим сигналом) дает 55с учетом соотношения (6)) А(з(. ) Р+ й ( ю,2( )Н Р,(;).й,(;).Перемножение и суммирование Аи А 2 при соответствующем выборе двухмодулирующих функций обеспечиваетподавление помехи. Выбор модулирующих. сигналов производится таким об Д(;)=Г( )+2( )+П)30 с одной из входных последовательностей, например с первой. Откоррелиро- ванный сигнал будет иметь видИА ) =С 5+52(к)+5 п(КЦ з(к)а(к) 35 разом, чтобы частотные диапазоны пропускания помех для каждого из фильтров не совпадали между собой.Рассмотренный механизм подавленияпомех на основе использования оптимальных фильтров-корреляторов Уолшадействует и в том случае, если в качестве модулирующих сигналов выбирают другие, помимо функций .Уолша,дискретные прямоугольные последовательности. Однако применение в качестве сигналов функций Уолша является наиболее выгодным по следующимсоображениям: функции Уолша проходятчерез фильтр Уолша без искажений,подобно тому как гармонические сигналы проходят без искажений черезфильтры Фурье существуют аналитические методы синтеза фильтров Уолшас заданными параметрами, если модулирующие функции также являются функциями Уолша; при аппаратурной реализации возбуждения эти функции генерируются наиболее просто; знаковаяфункция для них совпадает с самойфункцией.Использование предлагаемого способа в сравнении с известным обес-.печивает повышение эффективностигеоэлектрических исследований, чтодостигается за счет следующих факто;ров: происходит значительно болеесильное подавление помех; при наличии периодических регулярных помехуменьшается время Т возбуждения иприема, поскольку для подавления помех такого рода возможно применениевысокоизбирательных фильтров Уолшаи при малых Т, тем самым повышаетсяпроизводительность работ; реализацияпредлагаемого способа не требуетприменения новых специальных устг,ройств, поскольку спектральное разложение дискретных последовательностей в базисе функций Уолша можно вести на основе стандартных процессоров БПС (быстрого преобразования Фурье) .,Основная область .применения предлагаемого способа - геоэлектрическиеисследования в условиях сильных регулярных,электромагнитных помех,связанных с наличием мощных промыш"ленных источников тока.Предлагаемый способ был опробованс помощью численного моделирования,результаты которого рассматриваютсяниже. На фиг. 11 показан заполняющийсигнал 1, сформированный иэ полупериодов синусоидального тока единичной амплитуды промышленной частоты50 Гц; переходя к дискретной переменной и считая, что периоду синусоиды50 Гц соответствует 16 отсчетов, былисформированы сигналы на интервалеЯ = 512, что соответствует времениТ = 640 мс. В качестве модулирующихсигналов были рассмотрены 16,воэмож39 34 М.О ных функций Уолша, взятые в упорядочении Пэли. ГРегулярная помеха задавалась в виде синусоиды также единичной амплитуды с частотой 1-100 Гц с шагом ЬЕ = 1 Гц. Кривые 1 и 2 на фиг. 12,показывают отношение амплитуды сигнала к амплитуде помехи на выходе одиночных корреляторов, согласованных с сигналами, модулирующие сигналы которых задавались соответ. ственно в виде функций Уолша И(1,0) О и И(1,12), Применение одиночных корреляторов аналогично действию по известному способу: существуют диапазоны частот, для которых подавление помехи происходит неэффективно. 15 В таблице приведены результаты применения предлагаемого способа, где показаны значения коэффициент помех только для тех частот, для которых этот коэффициент 40 дБ. Каквидно из приведенных данных, способуже при Ь = 2 позволяет более, чемна порядок (в сравнении с известными способами), подавить регулярныепомехи в широком диапазоне частот Модулирующие Частота, Ослаблефункции , Гц ние помеУолша хи, дБ1037197 ов едакто аказ 771 Тираж 71 ОИИПИ-Государственного комитетапо делам. ивобретений и открытийМосква, ж, Раушская наб.,В Фй аВ Е Е вмВЬ ЮВ ае Й МП фПатеитф,. г. Ужгород, ул. П ПодписноеСССРд 4/5 1303 4 еееаев ал П ВЬЮ ее 4 ааааа ектная Составитель Л. ВоскобойниковТехред Ж,Кастелевич. Корректор А, Ильин