Способ электромагнитной геофизической разведки

. Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытийДата опубликования описания 2.3.10.82 ХСВЮ 31 "1 ТЕХНИЧНО" " 1Изобретение относится к способам геофизической разведки электромагнит-. ными полями и может быть использова-, но для поиска металлосодержащих объектов в морской воде, геоэлектрического картирования горизонтально слоистых сред, поиска рудных тел в горных выработкахИзвестен способ геоэлектрической разведки, основанный на измерении поздних стадий переходных процессов в индуктивно возбужденном магнитном йоле (1).Разрешение вторичных полей в этом сПособе обеспечивается затягиванием переходного процесса в объекте поиска, для чего требуется достаточно большое время выдержки после отключения первичного поля. Это время составляет от единиц до нескольких десятков миллисекунд, поэтому период повторения сигналов должен быть выбран по крайней мере не меньше этого времени. В связи с тем, что в области низких частот спектральная плотность электромагнитных полей имеет закон изменения с частотой 1/ы", то использование малых частот повторения сигналов первичного ноля приводит к сни-, . жению отношения сигнал/шум и, следо" вательно, к дополнительной трате мощности источника питания. Кроме того, если объект находится в среде с высокой проводимостью, например морской воде, мокрой глине, то сама форма зондирующего импульса существенно искажается средой, так что на низких частотах падает отношение полезного сигнала к синхронной помехе, вызываемой электродинамическими процессами в среде под действиями этого импуль" са.Наиболее близким к изобретению является .способ электромагнитной локации проводящей среды, заключающийся в зондировании среды электро" магнитными импульсами конечной длительности и регистрации сигналов вторичного поля в паузах между импульсами. Ширину спектра импульсовпри .этом способе выбирают много больше ширины низкочастотного окна, в котором электромагнитное поле затухает не более чем на 3 дБ, что позволяет сосредоточить зондирующий сигнал по времени так, чтобы можно было выделять отраженный от объектов сиг,нал беэ Фона первичного поля 2 3.Однако расширение спектра зондирующего сигнала приводит к увеличению энергетических потерь передатчика на 15 дБ, а следовательно, кснижению дальности поиска,Целью изобретения является повышение дальности поиска без увеличения энергетических затрат. 5Поставленная цель достигаетсятем, что согласно способу электромагнитной геофизической разведки,заключающемуся в зондировании средыэлектромагнитными импульсами конеч- оной длительности и регистрации сигнала вторичного поляв паузе междуимпульсами, перед началом измеренийв базовой точке профиля зондирующийймпульс устанавливают в виде осциллирующей, затухающей на интервале.ц(с)-"-"; н-о "; ", (гщейгде Ч(с) - весовая функция;ш - центральная частота осцилляции;текущее время;общую длительность импульсаус-:танавливают равной времени групповогозапаздывания на участке излучатель -объект - приемник, в зависимости от .ожидаемой минимальной дальности дообъекта поиска г и средней электро-проводности окружающей среды 6 вЗОсоответствии с формулойй= ь = 0 65 10 гт, (2)центральную частоту осцилляции ш у устанавливают равной эффективной полосе частот ожидаемого энергетического отношения сигнал/помеха плюсшум на входе приемника, далее изме"няют соотношение амплитуд полукоси-нусоидальных импульсов в зондирую- .40щем сигнале и добиваются минимально го отклика среды по показаниям при"емника,затем выполняют рабочие измерения вдоль профиля наблюдений,регистриРуют амплитуду и время за паздывания вторичного сигнала,покоторым судят о Размерах объекта поиска и его дальности.На фиг, 1 изображены зависимостисигнала и помех от рабочей частоты;на фиг, 2 а - оптимальная форма зондирующего импульса; на фиг. 2 б -форма эффективного импульса первич-.ного поля Е(с) остаточныхсинхронных помех Е(й) и полезн го сигнала ес(й); на фиг. 3 - засимость отношения сигнал/помахаплюс шум в функции от частоты; нафиг, 4 - огибающая сигнала, отраженного от сферическогообъекта, какфункция времени при прямоугольном 6 Озондирующем импульсе различной длительности= 0,5, 1; 2;, 3; 5 мс иь=оо; на фиг. 5 - зависимость отношения сигнал/помеха в функции дли, тельности импульса. 65 Пусть объектом поиска является проводящий шар радиусом а, находящийся в проводящей среде на расстоянииот поисковой установки (ПУ). Если излучатель ПУ возбуждает поле с прямоугольной формой импульса, то за счет поглощения в среде объект будет возбуждаться импульсами со сглаженными фронтами, что соответствует обрезанию верхних частот его спектра (кривая 1, фиг. 1 ). Одновременно, в силу явления скин-эфекта верхние частоты зондирующего сигнала (ЗС ) концентрируются вбли з н излучателя, создавая мощные электродинамические сигналы реакции среды,т.е. синхронные помехи (кривая 2, фиг. 1);В области низких частот домини-, рующую роль Начинают играть некоррелированные с сигналом шумовые помехи (шумы ), интенсивность которых, например, в диапазоне 100 - 10 згц нарастает с понижением. частоты по закону 1/ ш (кривая 3, фиг. 1). Одновременно на низких частотах падает модуль передаточной функции объекта поиска и приемного датчика (в случае датчика магнитного типа).Таким образом, для каждой задачи поиска в проводящей среде существует оптимальный диапазон нижних и верхних частот щн - шзв котором сосредоточена основная мощность полезного сигнала и имеется наилучшее соотношение сигнал/синхронная помеха плюс шум (кривая 4, фиг. 1). Назовем указанный оптимальный диапазон эффективной полосой частот, определяемой как 4 Ощ; щ- иД -- . зэ з0 5где ц(ш)=- (-)- - отношение энер 5 с. (Щ5 Тщ ЯЬ 7гетического спектра полезного сигнала к энергетическому спектру синхронных помех и шумов; Б(ш);(щ);Б(ш) - соответственйоэйергетические спектры сиг 4нала, синхронных помех ишумов;с, - максимальное значение энергетического соотношения впределах диапазона частотшбС точки зрения энергетических зат;- рат в этой полосе и целесообразно сосредоточить максимальную часть энергии зондирующего сигнала.Однако ограничение спектра сигна-. ла приводит к увеличению его длитель. - ности и, следовательно, к проблеме выдедения слабого вторичного поля на фоне мощного первичного.Для решения этой задачи предлагается зондирующий сигнал ограни"- чить по длительности временем его(4) С2 г/Ч где г - расстояние до объекта поиска;Ч - групповая скорость распространения электромагнитноговозмущения в среде, м/с: ЧГ 10 6(5) 6 - электропроводность среды.В качестве оценки времени запаздывания группы волн можно принять время распространения сигнала на частоте низкочастотного окна (2) 20 25 30 35 40 Такой сигнал минимально искажается средой и наиболее рационально использует энергию генератора. Разрешение вторичного сигнала относительно первичного по времени обеспечивается в данном способе как за счет времени, так и за счет подбора соотношения амплитуд полукосинусоидальных импульсов, входящих в состав осциллирующей Функции зойдирующего сигнала.С этой целью в базовой точке проЭФ 5 а филя изменяют соотношения одновременно наблюдая на выходе приемного датчика результирующую форму сигнала первичного поля Е(с) (эффективного импульса) и реакцйю среды Ег,(й) (Фиг. 26),Настройка параметров зондирующего импульса заканчивается по получении минимального уровня сигнала синхронной помехи Е(с). После окончания настройки гейератора производятся наблюдения вдоль рабочего профиля. саьим, увеличить глубинность поиска.Способ осуществляется следующимобразом.1устанавливают зондирующий импульсв виде осциллирующей затухающей наинтервале т функции с центральнойчастотой осцилляций, равной эффективной полосе частот ожидаемого энергетического отношения сигнал/помехаплюс шум на входе приемника, изменяютсоотношение амплитуд полукосинусоидальныМ импульсов в зондирующем сигнале до получения минимального отклика среды в базовой точке, после 60 окончания операций подстройки режима выполняют рабочие измерения амплитудыи времени запаздывания сигнала.Л р и м е р. Производится расчетзадачи поиска проводящего тела, моде 65 лируемого сферой, радиусом д = 4 м,группового запаздывания на участкеизлучатель - объект - приемник: где У - верхняя частота, для кото 1Рой Я (ф) 2, Ощд ф Подстановкой выражений (5) и (6) в Формулу (4), с заменой Г= Г,д получим формулу (2):0,65 10 гЭта формула дает хорошее совпадение с экспериментом и может быть использована для оперативной установки длительности зондирующего импульса согласно условию (4 ).Сигналом, ограниченным во времени ь, максимальная часть энергии которого сосредоточена в заданном диапазоне частот ы,= цб- ж, является затухающая осциллирующая функция (1)(фиг, 2 а):Ьцэс. Ч( ) 1 0С -иэсО с ъ,Вторичный сигнал Е, отраженный объектом поиска за счет поглощения верхних частот средой, в несколькораз расширяется по времени, по сравнению с полученным после подстройкиэффективным импульсом первичногополя Е, Это также способствует улучшению выделения слабых вторичных сигналов на фоне синхронных помех.В процессе наблюдения предлагает ся регистрировать два основных параметравторичного сигнала: амплитуду и время запаздывания относительно центра положения эффективного импульса первичного поля Е(с). )5;Заметим, что длительность эффективногоо импульса Сз меньше общей длительности ЗС -, что благоприятно влияет на улучшение разрешения полезного сигнала.Поскольку спектр зондирующего импульса перекрывает в основном область высоких частот амплитудно-частотной характеристики объекта поиска,то теряется информация о внутренней структуре, При этом полезный сигнал является зеркальным отражением первичного поля. Его амплитуда пропорциональна какой-либо степени от характерного размера объекта поиска: кубу, квадрату для локальных тел,первой степени для линейных протяженных тел, у которых длина больше расстояния до поисковой установки. Принципиальным отличием данногоспособа является подбор оптимальногорежима передатчика - формы ЗС, длительности излучения во времени ширины спектра возбуждающего импульса,в зависимости от проводимости среды,дальности поиска, амплитудно-частотных.характеристик объекта поиска иосновных помсх,Все это позволяет снизить знерге 45 тические затраты передатчика и, тем968776 емом, с разносом между генераторными приемным датчиком й = 3 м.Отношение сигнала/ синхронная помеха плюс шум по мощности оценивалось с помощью выражения йс (Р)=аа (лы Ф) (лЛГр5 (,(р 1 ГР) е ф)ф яр) -2 Ы 1 ГРр(р)А.аащб дпаРаметры среды;фз.р, 61 - магнитная проницаемость и электропровод 15ность среды;А,х - постоянные коэффициенты, подбираемыеиз условия равенства .модулей 1-го и 2-го "20членов знаменателя насредней частоте диапазона оэ - юр р.ЮЩ,1 Р. 253Х йр - амплитудно-частотнаяхарактеристика сферы7=ЮЦ е 1 - электромагнитный параметр сферы;ЗО,и и 6 - магнитная проницаемость и электропроводность среды;Р:Зщс - комплексная частота.Максимум функции ц(ш) (Фиг. 3) расположен на частоте 220 ц. Эффективная полоса частот Е = 500 Гц.Как видно из графика (Фиг. 4) в1районе= 3-5 мс имеется определенный оптимум длительности зондирую-40щего импульса, при которой полезныйсигнал максимален. Зондирующий сигнал большей длительности формироватьнецелесообразно.График отношения сигнал/синхронная помеха (фиг. 5, кривая 5) вФункции отпоказывает, что это .отношение с увеличением Г от 0 до 5 мспадает лишь на 15, Вместе с тем,с увеличением 7, вследствие умень"шения времени накопления сигнала вприемнике, существенно возрастает.роль шумовых помех. Максимальный от-клик полезного сигнала приходитсяна время 2 мс после окончания зондиру его импульса (кривая б, фиг. 5).Расчетная оценка группового времени запаздывания согласно формуле(2) дает й= 4,2 мс. Следовательно,и с точки зрения разделения первичного и вторичного сигналов оптимальная 60длительность зондирующего импульсасоответствует, оценке, взятой непосредственно из Фиг. 4, где индексациякривых соответствует различным длительностью импульсов ЗС. 65 Чо сравнению с методом переходных процессов (МПП ), когда регистрация, полезного сигнала производится на поздних временах 1 77 при 7 аа(фиг. 4), полезный сигнал для предложенного способа на оптимальном времени регистрации Ф = 2 мс и для р = 3 мс превышает сигнал МПИ, при времени С = =. 10 мс в 30 раз. Таким образом предложенный способ энергетически значительно эффективней МПП, По сравнению с известным методом видеолокации его энергетический выигрыш будет не меньше, чем 15 дБ, т.е. соответствует потерям на расширение спектра ЗС, оцененным в работе 2.1Наиболее подходящей областью применения данного способа является поиск электрических неоднородностей в однородной среде, например поиск проводящих тел в морской воде, геоэлектрическое картирование горизонтально-слоистых сред, поиск рудных тел в горных выработках, т.е. в условиях, когда электромагнитные параметры среды вблизи излучающих и приемных датчиков мало изменяются.при передвижении установки вдоль профиля наблюдения. Формула изобретения Способ электромагнитной геофизической разведки, заключающийся в зондировании среды электромагнитными импульсами конечной длительности и регистрации сигнала вторичного поля в паузе между импульсами, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения дальности поиска, перед началом измерений в базовой точке профиля зондирующий импульс устанавливают в виде осциллирующей,затухающей на интервале 7 функции вида 0147%э - центральная частотаосцилляции;текущее время; электропроводностью 6= 10 с/м нарасстоянии г40 м в морской водес проводимостью 6 = 4: с/м. Поисковаяустановка дипольйого типа с электрическим возбуждением и магнитным примобщую длительность импульса Т устанавливают равной времени группового запаздывания на участке излуча" тель - объект - приемник, в зависи мости от минимальной дальности до объекта поискаи средней электропроводности окружающей среды б в соответствии с Формулойсе г и 0,65 10 г 6 гцентральную частоту осцилляции иэ устанавливают равной эФФективной полосе частот ожидаемого энергетического отношения сигнал/помеха плюс шум на входе приемника, далее гзменяют соотношение амплитуд полукосинусоидальных импульсов в зондирующем сигнале и добиваются минимального отклика среды по показаниямприемника, затем выполняют рабочиеизмерения вдоль проФиля наблюдений,регистрируют амплитуду и время запаздывания вторичного сигнала, покоторым судят о размерах объекта поиска и его дальности.Источники инФормации, фпринятые во внимание при экспертизе1: Авторское свидетельство СССРВ 187172, кл. 6 01 Ч 3/10, 1966.2. Баррел Дж,Питерс Л, Распространение низкочастотных видеоимпульсов в средах с потерями. ТИИЭР, 35 т. 67, В. 7, июль 1979, с. 16 (прототип);968776,О,г,5 Заказ 62/75 Тираж 71 ВНИИПИ Государственного по делам .изобретений 13035, Москва, Ж, Ра