Способ измерения нестационарного электромагнитного поля и устройство для его осуществления

,и 17 59 1 Ч 3/О ТЕНИЯ ПИСАН И АВТОРСКОМ ИДЕТЕЛЬСТ ГОСУДАРСТВЕН ЮЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Всесоюзный. научно-исследовательский институт геофизических методов разведки (72) С,А.федоров, Е,С,Киселев и А.А.Орехов (56) Авторское свидетельство СССР , М 1329412, кл. 0 01 Ч 3/08, 1.987.Методические указания по применению ,метода ЗСБ с аппаратурой "Цикл" в районах Сибирской платформы, - Йовосибирск., СНИИГГиМС, 1984, с.45-47. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕ- НИЯ Изобретение относится к способам и устройствам проведения геофизических исследований с использованием искусственного электромагнитного поля для изучения геоэлектрического разреза и картирования электрических границ,Известен способ и устройство регистрации нестационарного электромагнитного поля в любой зоне источника, включающий в себя возбуждение электромагнитного поля питающим источником в виде горизон, тальной электрической линии 1 АВ, илигоризонтальной незаземленной рамкой 0 и поинтервальное измерение поля на некотором расстбянии от источника или внутри питающей 0 с ограничением полосы пропускания измерительного канала с помощью аналоговых фильтров при увеличении чувствитвльности канала. В качестве датчика по, ля используется горизонтальная 2(57) Использование: в области геофизики для изучения геоэлектрического разреза и картирования. Сущность изобретения: измерение компонент поля влюбой зоне источника с использованием в измерйтельном канале фильтра низких частот, последующая оцифровка данных с постояйным шагом квантования, Цифровые значения сигнала для каждой компоненты подвергают фильтрации с изменяющейся во времени полосой пропускания, при этом синхронно с изменением полосы прапускания фильтра изменяют частоту среза Фильтра низких частот измерительного канала, причем полоса пропускания фильтра низких частот шире полосы пропускания цифрового фильтра. 2 с.п. ф-лы, 4 ил. незаземленная рамка (петля) измеряющая производную вертикальной компоненты поля. Датчик поля подключается на.вход измерительного канала цифровой электроразведочной станции.Прототипом изобретения является способ зондирования поля в ближней зоне источника с возбуждением поля незаземленной рамкой 0 и поинтервальным измерением вертикальной производйой магнитного поля д В/ д т в центре питающей петли аппаратурой "Цикл".Данный способ широко используется при измерениях сигнала в высокочастотной области, но обладаеттеми же недостатками, что и аналог (снижение точности измерений при поинтервальной регистрации сигнала с ограничением полосы пропускания измерительного канала при увеличении его чувствительности).1786459 510 ной а . Пунктиром в каждом временном интервале показано предельно допустимое затуханйе сигнала становления пбля для мо-дели - проводящий разрез над изолятором.15 Начальное времй регистрации (Ьач,) целесо 1образно выбирать из условия тнач. ", аигр: Лт должно быть таким, чтобы удовлетворительйо описать начальную стадию процесса 20 становления полл. Примем Л 1 = 0,1 тнач. 25 ат зи -К=1 2 2(2) Анализ экспериментальных и теорети ческих сигналов под различными моделями геоэлектрического разреза показал, что с увеличением времени показатель степени (а) аппроксимирующей экспоненциальной функцией уменьшается, В связи с этим 40 имеется возможность за счет увеличения интервала осреднения т поддерживать постоянство величины ат на уровне, когда Р не превышает заданной погрешности измерения, 45На фиг.1 показана предельная экспонента с заданной величиной а; на фиг.2 - структурная схема электроразведочного комплекса; на фиг.3 - схема соединения полевых модулей при органиэации работ на 50 нескольких профилях; на фиг.4 - схема системы синхронизации и управления.Рассмотрим на примере районов Восточной Сибири предельные случаи подекадного по времени изменения сигнала. Для 55 простоты анализа сигнала в каждой декаде времени для наиболее высокочастотных сигналов, получаемых в Восточной Сибири, заменим предельной экспонентной, понисовано с изменением сигнала во времени и обеспечивать заданную точность измерения сигнала.Наиболее просто реализуемым цифровым фильтром является осреднение группы отсчетов, Частотная характеристика тактового фильтра может быть описана выраже- нием где Л 1 - шаг дискретизации исходной функции;К - число осредняемых отсчетов исход.ной функции(К 2);1 - частота, для которой ведется расчет частотной характеристики.Учитывая, что сигнал становлейия поля может быть аппроксимирован кусочно-экспоненциальной функцией нетрудно показать, что на интервале аппроксимации- сй исходного сигнала функцией е сигнал (у) после осреднения с шагом т =- К Лбудет иметь вид у = хЩ Р. Величина,В определяет искажения сигнала на интервале аппроксимации экспоненциальной функ- цией мая при этом, что предельное затухание сигнала становления поля, наблюдается в случае, если. проводящий разрез подстилается изолятором, тогда сигнал затухает как 1 Это значит, что при выборе предельной экспоненты затухание ее при переходе в следующую декаду по времени должно быть больше чем с Исходя из этого положения на фиг.1 в интервале времен от 0,001 до 10 с в каждой декаде по времени изображена предельная экспонента с заданной величизададим Югр, =1000 Гц, тнач, =0,001 с, Ь 1 ==0;0001.с, В качестве цифрового выберем наиболее простой - осредняющий фильтр, Зададим предельную погрешность не хуже 1 о. Тогда из условия (2) величина а -0,5, где- номер текущей временнойдекады, в которой производится измерение поля. Число осредняемых отсчетов вкаждой декаде можно определить где 1 нач.декады - начальное время декады, вкоторой выполняется измерение,Из заданных условий количество осреднений подекадам будет К =1, К 2= 10, Кз = 100, К 4 = 1000 и т.д. Отсюда следует, что подавление случайной помехи только за счет осреднения в каждой декаде соответственно будет в 1 раз, 3,16 раза, 10 раз, 31,6 .раза и т.д, Для еще более активного подавления помех в каждой декаде синхронно с изменением шага осреднения ограничивается полоса пропускания аналогового фильт.ра Чтобы ограничение. полосы пропускания аналогового фильтра не приводило к еще большим погрешностям оценки сигнала, его полоса пропускания должна на.гоходиться в соотношении2,5, где 1 о и1 грбр соответственно частота среза (на уровне 0,7) для аналогового и цифрового фильтра.Тогда полоса пропускания аналогового фильтра игр. = 0,410) на уровне 0,7 в соответствующих временных декадах будет ограниР1786459 8чиваться частотами игр.1= 1000 Гц, тгр,2 = 400 ку на ЭВМ 23, представляется на устройствеГц, игр.з =40 Гц, игр.4=4 Гц и т.д. визуализации 26 с одновременной записьюНа фиг,2 представлена структурная схе- на магнитную ленту 27, Дешифратор телекома электроразведочного комплекса.манд 24 обеспечивает синхронизацию С геКомплекс вклюцает генераторную уста- нераторной установкой; а передатчикновку, набор полевых модулей и бортовой 5 телекоманд 25 обеспечивает синхронизамодуль. цию и управление генераторной установГенераторная установка 1 содержит пе- кой,редатчик телекоманд 2 и приемник телеко- Отличительной особенностью системыманд 3,. является возможность реализации сбораПолевой модуль предназначен для пре информации при большом числе каналов(дообразования сигналов компонент электро - 200 и более), что позволяет реализоватьмагнитного поля в цифровой эквивалейти . высокоплотные площадные наблюдения,передачей данных по линии связи, Модуль Как показано на фиг,3 применение певключает в себя датчики компонент элект- реключаемых фильтров в такой системе порицеското и магнитного.полей 4, 5, усилите зволяет существенно снизить обьемли 6, 7, фильтры нижних частот 8 - 13, информации, передаваемогопо линии свякоммутаторы 14, 15; 16, АЦП - .17, систему зи (на порядок), что существенно снижаетсинхронизации иуправления 18, арифмети- требования в пропускной способности лико-логическое устройстго 19, оперативное ййй связи, телеметрической электроразвезапоминающее устройство 20, модуль при дочной станции ЦЗС-Т,ема-передачи данных 21, .:-: Как показайо на фиг.4 системы синхроБортовой модуль предназначен-для низации и управления, содержат следуюсбора информации в цифровой форме, уп- щие элементы; опорный генератор 28,равления параметрами полевых модулей, счетчик импульсов 29 и дешифратор 30, навизуализации регистрируемой инфсрмации 25 выходе которого формируется необходимаяи ее записи на магнитную лейту,: временная последовательность управленияБортовой модуль включает в себя мо- блоками полевого модуля, Система синхродуль приема-передаци данных 22, ЗВМ 23, низации и управления обеспечивает поле. дешифратор телекоманд 24, передатчик те- довательность тактовых импульсов и сигналлекоманд 25, устройство визуализации 26, 30 начальнойустановкиАЛУ 19,атакжевыдаетнакопйтель на магнитной ленте 27: . тактовые импульсы для ФункционированияРабота осуществляется следующим об- . коммутаторов 14, 15, 16 и АЦП 17,разом, Генераторная установка 1 формиру- Арифметическо-логическое устройствоет импульсь 1 зондирования в электрический может бытьпостроено на микропроцессордиполь, .35 ных комплексах БИС серий К 587 и К 588,В момент перехода фронтов токовых предназначенных для построейия ряда соимпульсов происходитзапусксистемы ре- вместных микро-ЭВМ "Электроника-НЦ",гистрации данных (бортовой модуль) через Благодаря секционной организации, примеблок телекоманд 2, 3. Принятая команда нению -микропрограммирования,магистфиксируется ЭВМ через дешифратор теле ральности связей они обеспечиваюткоманд 24, Сигйалы, принймаемые датчика- возможность построения различных вычисми компонент электромагнитного поля 4, 5 лительных и управляющих систем. Обе сеусиливаются усилителями 6, 7, фильтруются . р 11 и отличаются от всех других значительнофильтрами 8, 9, 10, 11, 12, 13 на начальном более низкой потребляемой мощностью,временном интервале и через коммутаторы 45 высокой помехоустойчивостью, что де 4 ает14, 15, 16, поступают на аналого-цифровой персйективным их применение в микропреобразователь 17. Цифровой код после ЗВМ и койтроллерахдля системуправленияАЦП 17 через арифметицеско-логическое ус- технологическим оборудованием,тройство 19 запйсываются в ОЗУ 20, Одно-Предпоцтительнь 1 м является применевременно информация из ОЗУ 20 через 50 ние МПК К 588, поскольку БИС серий К 587первый модуль приема-передачи данных 21 не йозволягет осуществить некоторые спосопоступаетвлинию связи, бы" адресации команды обработки полейСистема сийхрониэации и управлениябйт, расширение по выполнению арифметиформирует команды управления блоками ческйх Операций, а также макрокоманды и14, 15, 16, 17, 19, 21,55 йбльзователя,Бортовой модульприема-передачидан- Система телекоманд состоит из переных 22 принимает информацию из линий датчйкови дешифраторов телекоманд.Тесвязи от всех полевых модулей, эта инфор- лекоманда, представляющая собоймация проходит предварительную обработ- многоразрядный двоичный код, вырабатывается передатчиком телекоманд и содержит данные о режимах работы и параметрахизмерительных. каналов, автономных измерителей и генераторной установки, Например, при выполнении площадных работ по 5методу ЗС от закрепленного источника телекомандами можно задавать параметрыизмерительно-регистрирующих каналов полевых модулей, распределенных по площади работ на разном удалении от источника 10поля, так, чтобы измерения сигналов становления поля производились для каждогоконкретного канала в расширенном частотном и динамическом диапазонах, что обеспечивает повышение информативности 15исследований,Комплексное испальзоввание аналоговой и цифровой фильтрации позволит существенно снизить уровень внешних помех, аиспользование осредняющего фильтра позволит уменьшить количество регистрируемой информации. При выбранном режимерегистрации объем информации в интервале времен от 0,001 сек до 10 сек составит400 отсчетов с хорошей проработкой сигнала во всех временных интервалах 100 отсчетов на декаду), В случае постоянного шагадискретизации, например Л 1 = 0,001 сек,объем информации в интервале времен от0,001 сек до 10 сек составит 10000 отсчетов, 30при этом проработьа сигнала в области начальных времен будет не удовлетворительна. Формула изобретения 35 1, Способ измерения нестационарного электромагнитного поля, при котором измеряют компоненты нестационарного электромагнитного поля в любой зоне источника с использованием в измерительном канале 40 фильтрации низких частот и последующей дискретизации сигнала с постоянным шагом квантования Л 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения частотного диапазона и сокращения обьема регистри руемых значений, осуществляют преобразование значений отсчетов величины сигналов каждой компоненты путвм аналоговой фильтрации, а после аналого-цифровогопреобразования цифровой фильтрации 50 с изменяющейся во времени по декадному законуполосой пропускания с ограничением, при этом осуществляют согласование по частотным хэрактеристикам аналоговой и цифровой фильтрации путем синхронного переключения, задают режимы цифровой и аналоговой фильтрации таким образом, что полосы пропускания определяются соотношением 10/игр 2,5, где Го, игр - частота среза на уровне 0,7 анэлогового и цифрового фильтров соответственно.2. Устройство для измерения нестационарного электромагнитного поля, содержащее генераторную установку с задающим генератором, приемником телекоманд и первым передатчиком телекоманд, содержащее полевые модули, в состав каждого из которых входят последовательно соединенные дэтчики компонент электроМагнитного поля и усилители, образующие каналы приема, коммутатор, выход которого соединен с информационным входом аналого-цифрового преобразователя АЦП), выход которого соединен с первым входом арифметико-логического устройства АЛУ), первый выход которого соединен с оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), а второй выход соединен с входом первого модуля приема-передэчи, управляющий вход которого соединен с выходом системы синхронизации и управления, соединенным также с управляющими входами АЦП, АЛУ и коммутатора, второй выход первого модуля приема-передачи соединен с вторым модулем приема-передачи, выход которого соединен с первым входом ЭВМ, первый выход которой соединен с вторым передатчиком телекоманд, второй выход соединен с устройством визуализации, а третий выход соединен с накопителем на магнитной ленте, второй вход ЭВМ соединен с выходом де-. шифратора телекоманд, о т л и ч в ю щ е ес я тем, что каждый канал приема содержит фильтры низкой частоты и коммутатор, причем входы фильтров низкой частоты соединены с выходом усилителя канала приема, э выходы фильтров низкой частоты соединены с информационными входами коммутатора канала приема, управляющий вход которого соединен с выходом канальных коммутаторов системы синхронизации и управления, при этом выходы канальных коммутаторов соединены с информационными входами коммутатора каналов..Филь Корре дакто изводствен о-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 аказ 246 Тираж ВНИИПИ Государственного комитет 113335, Москва, Подписноео изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР35, Раушская наб 4/5