Способ измерения нестационарного электромагнитного поля и устройство для его осуществления

 

Использование: в области геофизики для изучения геоэлектрического разреза и картирования. Сущность изобретения: измерение компонент поля в любой зоне источника с использованием в измерительном канале фильтра низких частот, последующая оцифровка данных с постоянным шагом квантования. Цифровые значения сигнала дли каждой компоненты подвергают фильтрации с изменяющейся во времени полосой пропускания, при этом синхронно с изменением полосы пропускания 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. Sfc

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)з G 01 V 3/08

ГОСУДАРСТВЕН.ЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (l OCflATEHT CCCP) h

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4797130/25 (22) 04.01.90 (46) 07,01,93. Бюл. М 1 (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 3С6 с аппаратурой "Цикл-2" в районах Сибирской платформы.— Йовосибирск..

СНИИГГиМС, 1984, с. 45-47, (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НЕСТАЦИОНАРНОГО ЭЛЕКТРОМА НИТНОГО ПОЛЯ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

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, или горизонтальной незаземленной рамкой 0 и поинтервальное измерение поля на некотором расстбянии от источника или внутри питающей Q с ограничением полосы пропускания измерительного канала с помощью аналоговых фильтров при увеличении чувствительности канала. В качестве датчика по. ля используется горизонтальная Ж«178645у А1

I (57) Использование: в области геофизики для изучения геоэлектрического разреза и картирования. Сущность изобретения: измерение компонент поля в любой 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 ripOпускания фильтра низких частот шире полосы пропускания цифрового фильтра. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

»ик незаземленная рамка (петля) измеряющая производную вертикальной компоненты поля. Датчик поля подключается на.вход измерительного канала цифровой электроразведочной станции. QO

Прототипом изобретения является спо- 0 соб зондирования поля в ближней зоне ис- р . точника с возбуждением поля незаземленной рамкой Q и поинтервальным измерением вертикальной производ- 0, йой магнитного поля д В / д t в центре питающей петли аппаратурой "Цикл-2". ) »

Данный способ широко используется ..;й 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

Известен такие злектроразведочныд ооьема регистрируемых данных лри зл кткомплекс, который содержит генераторную ромагнитных исследованиях; . установку с задающим генератором, авто- Сущность способа заключается в сладуномными измерителями, включающими по- ющем. Известно, что процесс становления следовательно соединенные датчики поля и 5 нестационарного электромагнитного поля усилители, коммутатор, а. также аналого- . представляет собой функцию, изменяю1цуцифровой преобразователь, арифметиче- юся во времени с большим динамическим ско-логическое устройство, оперативное диапазоном (96 — 120 дБ) и широким спфктэапоминающее устройство, систему синх- ральным составом от 10 Гц до 10 Гц, Паронизации и управления, систему телека- 10 раметры сигнала (динамический диапазон, манд, содержащую передатчик и спектральный состав) меняются в широких дешифратор, а также bopynb приемо-пере- пределах в зависимости от геоэлектричедачи данных и ЭВМ. ;: ского разреза и расстояния от источника

Недогстатком данного электроразведоч- поля, ного комплексаявляются. 15 Длительность процесса становления

1. Ограниченное число каналов в авто- поля может меняться от первых секунд(райномном измерителе, связанное с конечной оны Восточной Сибири) до сотен секунд скоростью записи данных в магнитный ре- (районы Юго-Западной Туркмении), Это опгистратор и ограниченностью частотного ределило необходимость использования в диапазона для такого построения системы. 20 известных способах поинтервальную региНапример для регистрации данйых в " страцию сигнала, так как ограничение полодиапазоне 10 — 100 Гц необходима мини- сы пропусканйя измерительного канала при мальная частота квантования 200 Гц.: увеличении его чувствительности увеличиОбъем даннйх на один-канал времени вает соотношение сигнал/помеха, Измеререгистрации 10 с составит 2048 слов, при 25 ние сигнала в широком частотйом восьмиканальном построкений системы cKQ диапазоне обусловлено необходимостью рость поступления данных составит 1600 изучения модели среды от первых сотен слов/с, или при использовании двухбайто- метров до глубин 4 — 5 и больше километров, вого слова 3200 байт/с. Последнее харак- Потеря информации о верхней части разретерно для сущгегствующих типов кассетных 30 за (прил ограничейии полосы пропускания магнитофонов (например тийа CM 5204).:. йзмергитгельного кайала по высоким частоОбъем данных, необходимый дЛя реггиСтраг - .. там) приводит к значительным ошибкам при цииодногополногоиэмерениясгенератор- : "йнытерпретагции полевого материала, бсоной установкой составит не менее 100 бенно при наличии неоднородностей в вермассивов на каждый кайал при объеме 2048 35 хней части разреза. Однако непрерывная словивосьмиканальнойсистемойрегистра- регистрация сигнала с постоянным ша>ом ции: ::.,.-::,: „,,, : " . ".::- - --::-: . : дискретизации At в широком частотномдиЧ=.2048х100х8=1638400слов апаэоне (от 10 кГц до 10 Гц) приводит к

Указанный объем данных нзевозможнон : резкому увеличению объема регистрируезаписать на кассетный накопитель на маг- 40 мой йнформации. Действительно при At = нитной ленте (HMJI), прйменение же стаци-. =0,1 мс и длительности сигнала 20 с и более онарных НМЛ нецелесообразно из-эа. для одного сйгнала потребуется зарегистрибольшого потребления энергии и габарит- . :: .ровать 200000 отсчетов, а учитывая, что при ных размеров. Поэтому такое построение.- - .., ртом регистрируется 50 — 100 сигналов объесистемы огран.ичивает ее возможности:-".вша -." 45 :.ма. :ийформации будет достигать 2 10 слов, сти используемого числа каналов: Для ;;. "..что.. при 16-разрядном информационном уменьшения объема регистрируемой ин- ".. :: слове:составит32 10 бит на однозондироформации в прототипе применяется цифрот- -. . ваниео . Достигнуть сокращения объема инвая фильтрация данных, которая позволяет " . : формации при увеличении точности уменьшить объем регистрируемой инфор- 50 измерений можно за счет использования мации в 6-8 раз. - - - .—: . .,:, дискретйого изменения полосы пропуска2; Соотношениесигнал-шумбудетопре- ния аналогового канала в процессе регистделяться выбранной полосой пропускания рации сигнала, Однако, известно, что любое аналогового тракта, что особенно сильно ограйичение полосы пропускания измеривлияет на точность измерения низкочастот- 55 тельного канала приводит к искажению сигных сигналов. Для получения приемлемой йалз во временной области. точности необходимо существенно увели- Поэтому переключение фильтруюЩих чить объем накопления.. элементов (как аналоговых, так и цифровых)

Целью изобретения "является расшире- . в измерительном канале должно быть со лание частотного диапазона и сокращение

1786459

10 ной а . Пунктиром в каждом временном интервале показано предельно допустимое затуханйе сигнала становления пбля для мо- дели — проводящий разрез над изолятором.

15 Начальное время регистрации (tHa<.) целесо1 образно выбирать из условия twas. ., а

fãð - Лт должно быть таким, чтобы удовлетворительйо описать начальную стадию процесса

20 становления поля. Примем At = 0,1 тнач.

ar

sln—

K=f

30

0,1 тнач.декады (3) Ьt (2) Анализ экспериментальных и теорети- 35 ческих сигналов под различными моделями геоэлектрического разреза показал, что с увеличением времени показатель степени (а) аппроксимирующей экспоненциальной функцией уменьшается, В связи с этим имеется возможность за счет увеличения интервала осреднения т поддерживать постоянство величины ат на уровне, когда Р не превышает заданной погрешности измерения, 45

На 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 выражением где Лс — шаг дискретизации исходной функции;

К вЂ” число осредняемых отсчетов исходной функции(К 2);

f — частота, для которой ведется расчет частотной ха рактеристики.

Учитывая, что сигнал становлейия поля может быть аппроксимирован кусочно-экспоненциальной функцией нетрудно показать, что на интервале аппроксимации — аг исходного сигнала функцией е сигнал (y(f)) после осреднения с шагом т =- k Л t будет иметь вид y(f) = x(f) P. Величина Р определяет искажения сигнала на интервале аппроксимации экспоненциальной функцией мая при этом, что предельное затухание сигнала становления поля, наблюдается в случае, если. проводящий разрез подстилается изолятором, тогда сигнал затухает как

Это значит, что при выборе предельной экспоненты затухание ее при переходе в следующую декаду по времени должно быть больше чем t ..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 игр. =1000 Гц, tea«. = 0,001 с, A t =

=О;0001 с. В качестве цифрового выберем наиболее простой — осредняющий фильтр.

Зададим предельную погрешность не хуже

1 е . Тогда из условия (2) величина

aI — 0,5, где i — номер текущей временной декады, в которой производится измерение поля. Число осредняемых отсчетов в каждой декаде можно определить. Ф. где 1нач.декады йачальнОе время декады, в которой выполняется измерение, Из заданных условий количество осреднений по декадам будет К = 1, К2 = 10, Кз =

100, К4 = 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. поло сы пропускания аналогового фильтра не приводило к еще большим погрешностям оценки сигнала, его полоса пропускания должна на.fo ходиться в соотношении 2,5, где fo u

1 гр игр соответственно частота среза (на уровне

0,7) для аналогового и цифрового фильтра.

Тогда полоса пропускания аналогового фильтра (игр. = 0,4fo) на уровне 0,7 в соответствующих временных декадах будет ограниI

1786459 чиваться частотами frp.1 = 1000 Гц, frp.2 = 400

Гц. игр.з =40 Гц, fop 4 = 4 Гц и т.д.

На фиг.2 представлена структурная схема электроразведочного комплекса.

Комплекс включает генераторную установку, набор полевых модулей и бортовой модуль.

Генераторная установка 1 содержит передатчик телекоманд 2 и приемник телекоманд 3, Полевой модуль предназначен для преобразования сигналов компонент электромагнитного поля в цифровой эквивалейт и передачей данных по линии связи. Модуль включает в себя датчики компонент электрическото и магнитного . полей 4, 5, усилители 6, 7, фильтры нижних частот 8 — 13, коммутаторы 14, 15, 16, АЦП вЂ” 17, систему синхронизации и управления 18, арифметико-логическое устройстго 19, оперативное запоминающее устройство 20, модуль приема-передачи данных 21, Бортовой модуль предназначен-для сбора информации в цифровой форме, управления параметрами полевых модулей, визуализации регистрируемой инфсрмации и ее записи на магнитную лейту, Бортовой модуль включает в себя модуль приема-передачи данных 22, ЗВМ 23, . дешифратор телекоманд 24, передатчик телекоманд 25, устройство визуализации 26, накопйтель на магнитной ленте 27, Работа осуществляется следующим образом, Генераторная установка 1 формирует импульсы зондирования в электрический дипОль, В момент перехода фронтов токовых импульсов происходит запуск системы регистрации данных (бортовой модуль) через блок телекоманд 2, 3. Принятая команда фиксируется ЭВМ через дешифратор телекоманд 24. Сигйалы, принимаемьге датчиками компонент электромагнитного поля 4, 5 усиливаются усилителями 6, 7, фильтруются фильтрами 8, 9, 10, 11, 12, 13 на начальном временном интервале и через коммутаторы

14, 15, 16, поступают на аналого-цифровой преобразователь 17. Цифровой код после

АЦП 17 через арифметическо-логическое устройство t9 запйсываются в ОЗУ 20, Одновременно информация из ОЗУ 20 через первый модуль приема-передачи данных 21 поступает в линию связи, Система сийхрониэации и управления формирует команды управления блоками

14, 15, 16, 17, 19, 21, .

Бортовой модуль приема-передачи данных 22 принимает информацию..из линии связи от всех полевых модулей, эта информация проходит предварительную обработ8 ку на ЭВМ 23, представляется на устройстве визуализации 26 с одновременной записью на магнитную ленту 27, Дешифратор телекоманд 24 обеспечивает синхронизацию с генераторной установкой; а передатчик

5 телекоманд 25 обеспечивает синхронизацию и управление генераторной установкой.

Отличительной особенностью системы является возможность реализации сбора

10 информации при большом числе каналов(до

100 — 200 и более), что позволяет реализовать высокоплотные площадные наблюдения, Как показано на фиг,3 применение переключаемых фильтров в такой системе по15 зволяет существенно снизить обьем информации, передаваемого по линии связи (на порядок), что существенно снижает требования в пропускной способности линий связи, телеметрической электроразве20 дочной станции ЦЗ С-T.

Как показайо на фиг.4 системы синхронизации и управления, содержат слеДующие элементы: опорный генератор 28, счетчик импульсов 29 и дешифратор 30, на

25 выходе которого формируется необходимая временная последовательность управления блоками полевого модуля, Система синхронизации и управления обеспечивает последовательность тактовых импульсов и сигнал

30 начальной уста норки АЛУ 19, а также выдает тактовые импульсы для функционирования . коммутаторов 14, 15, 16 и АЦП 17, Арифметическо-логическое устройство может быть построено на микропроцессор35 ных комплексах БИС серий К 587 и К 588, предназначенных для построейия ряда совместных микро-ЭВМ "Электроника-ЙЦ".

Благодаря секционной организации, применению -микропрограммирования, магист40 ральности связей они обеспечивают возможность построения различных вычислительйых и управляющих систем. Обе серии отличаются от всех других значительно более низкой потребляемой мощностью, 45 высокой помехоустойчивостью, что де4ает персйективным их применение в микроЭВМ и койтроллерах для систем управления технологическим оборудованием, Предпочтительным является примене50 ние МПК К 588, поскольку БИС серий К 587 не йозвбляет осуществить некоторые способы" адресации команды обработки полей бйт, расширение по выполнению арифметическйх Операций, а также макрокоманды и йбльзователя, Система телекоманд состоит из передатчй1:ов и дешифраторов телекоманд. Тел еко ма нда, представляющая собой многоразрядный двоичный код, вырабаты1786459

10 вается передатчиком телекоманд и содержит данные о режимах работы и параметрах измерительных. каналов, автономных измерителей и генераторной установки. Например, при выполнении площадных работ по 5 методу 3С от закрепленного источника телекомандами можно задавать параметры измерительно-регистрирующих каналов полевых модулей, распределенных по площади работ на разном удалении от источника 10 поля, так, чтобы измерения сигналов становления поля производились для каждого конкретного канала в расширенном частотном и динамическом диапазонах, что обеспечивает повышение информативности 15 исследований, Комплексное использование аналоговой и цифровой фильтрации позволит существенно снизить уровень внешних помех, а использование осредняющего фильтра по- 20 зволит уменьшить количество регистрируемой информации. При выбранном режиме регистрации объем информации в интервале времен от 0,001 сек до 10 сек составит

400 отсчетов с хорошей проработкой сигна- 25 ла во всех временных интервалах (100 отсчетов на декаду). В случае постоянного шага дискретизации, например Лt = 0,001 сек, объем информации в интервале времен от

0,001 сек до 10 сек составит 10000 отсчетов, 30 при этом проработка 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 шаroM квантования Лt, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона и сокращения обьема регистри- 45 руемых значений, осуществляют преобразование значений отсчетов величины сигналов каждой компоненты путвм аналоговой фильтрации, а после аналого-цифоового преобразования цифровой фильтрации 50 с изменяющейся во времени по декадному закону полосой пропускания с ограничением, при этом осуществляют согласование по частотным характеристикам аналоговой и цифровой фильтрации путем синхронного переключения, задают режимы цифровой и аналоговой фильтрации таким образом, что полосы пропускания определяются соотношением fo/frp 2,5, где fo, frp — частота среза на уровне 0,7 аналогового 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 датчики 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 (03Y), а второй выход соединен с входом первого модуля приема-передачи, 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 а 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, а выходы фильтров низкой частоты соединены с информационными входами коммутатора канала приема, управляющий вход которого соединен с выходом канальных коммутаторов системы синхронизации

v: управления, при этом выходы канальных коммутаторов соединены с информационными входами коммутатора каналов.

1786459

1786459

Х

CD д

cQ c

CD = ((I«

1786459

1786459

Составитель И.Абрамова

Техред М,Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор

Производствен о-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 246 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113335, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5