Способ и устройство для передачи электромагнитного сигнала через конфигурацию земли

 

Сущность: способ и устройство, при котором конденсатор располагается в непосредственном контакте с землей, а короткий импульс напряжения прикладывается к этому конденсатору для передачи в землю импульса электромагнитного излучения, имеющего широкий диапазон частот. В предпочтительном варианте исполнения детектируется и обрабатывается часть электромагнитного излучения, которая распространилась через подповерхность для отображения этой подповерхности. Размер (L) этого передающего конденсатора должен быть достаточно мал, чтобы удовлетворялось неравенство Re [kL] < I, где k - волновое число в этой конфигурации земли каждого частотного компонента изучения, переданного в землю. В предпочтительном варианте исполнения импульс напряжения, приложенный к этому передающему конденсатору, имеет компоненты частот в широком диапазоне, начинающемся с частот ниже 1 МГц до частот выше 100 МГц, а единственные частотные компоненты этого детектированного электромагнитного излучения, которые обрабатываются для отображения этой подповерхности, имеют частоту, изменяющуюся в диапазоне от приблизительно 500 КГц до 25 МГц. 4 с. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к способам и устройству для передачи электромагнитных сигналов в землю через конденсатор. Изобретение также относится к геофизическим методам исследований и устройству, в котором электромагнитные сигналы передаются в землю через конденсатор, а возвратные сигналы, которые уже прошли через землю, принимаются и обрабатываются для отображения этой земли.

На протяжении всего описания, включая и формулу изобретения, выражения "земля" и "конфигурация земли" используются в широком смысле для обозначения любой неоднородной рассеивающей среды, имеющей сложную проницаемость. Важные примеры такой среды включают почву, ортштейн и коренные породы, и такие тела, как вода (например, океан), и находящаяся над такими подземными конфигурациями.

Различные системы предлагались для передачи электромагнитных сигналов в подповерхность земли с оборудования, расположенного в воздухе, в подповерхности и на поверхности, и для приема и обработки электромагнитного излучения, которое прошло через эту подповерхность.

Например, в патенте США N 2077707 от 20 апреля 1937 г. раскрыта передача электромагнитной энергии в землю путем передачи тока через антенну из витого провода или путем принуждения тока протекать между двумя электродами, расположенными в земле. Патент США N 2077707 утверждает, что после того как это излучение пройдет через землю, оно должно детектироваться в одном или более узких частотных диапазонах.

Патент США N 1365579 от 11 января 1921 г. также раскрывает устройство, способное передавать электромагнитное излучение в землю. Патент США 1365579 предлагает метод подведения высокочастотных колебаний через согнутые трубки, закопанные в землю (проводники C2 и C3, как показано на фиг. 2 и на фиг. 3). Каждый согнутый провод имеет пару отдельных, горизонтально ориентированных оконечных частей.

Однако не было известно до появления изображения как эффективно передавать короткий импульс электромагнитного излучения (широкополосный сигнал, включающий компоненты высокой частоты) в землю и затем детектировать результирующий возвратный сигнал (электромагнитное излучение, которое прошло через землю), и обрабатывать низкочастотные компоненты этого возвратного сигнала для отображения этой земли. В частности, не было известно как эффективно передавать такое широкополосное излучения через эффективно сконструированный небольшой передающий конденсатор, находящийся в контакте с землей, где этот конденсатор имеет малые размеры по сравнению с волновым числом (в земле) каждого частотного компонента этого излучения, переданного в землю.

В известной отрасли техники были описаны поля, которые являлись теоретически результатом передачи через такой малый конденсатор в идеализированном случае, когда этот конденсатор располагался в равномерной диэлектрической среде и возбуждался генератором с идеальной дельта-функцией. Например, в статьях, написанных Кингом и другими авторами, озаглавленных "Электрически короткая антенна как датчик для измерения плотностей свободных электронов и частот столкновений в ионизированной области". Журнал исследований Национального бюро стандартов, том 65, N 4, июль-август 1961 г., стр. 371-384, и "Полуволновая цилиндрическая антенна в диссипативной среде: ток и импеданс", - Журнал исследований Национального бюро стандартов, том 4, N 4, июль-август 1960 г., с. 365-380, обсуждаются поля, образуемые цилиндрическим электрическим датчиком, имеющим длину 2h и радиус a, погруженным в проводящую диэлектрическую среду. Кинг и другие (1961) полагают, что bh < 1 и ah > 1, где "b" есть действительная часть волнового числа, а "a" есть мнимая часть этого волнового числа (излучения в этой среде).

Однако эта известная теория недостаточно сложна, чтобы предсказывать поля, которые получатся в результате передачи емкостного датчика в очень усложненном случае, когда этот датчик расположен в условиях неоднородной рассеивающей среды, например, в условиях подземной конфигурации. В известных технических решениях не раскрывается и не предлагается способ эффективной передачи широкополосного электромагнитного излучения (включая высокочастотные компоненты) в землю с использованием передающего конденсатора. В известных технических решениях не делается предложений, как получить максимальное отношение "мощности, рассеиваемой в земле, к мощности, рассеиваемой в воздухе", от передающего конденсатора, расположенного на поверхности земли, путем соответствующего выбора размера, формы и импенданса этого конденсатора, и частотного содержания передаваемого сигнала. В известных решениях также не раскрывается и не предлагается шаг детектирования возвратного сигнала, который получается как результат распространения широкополосного импульса электромагнитной энергии от конденсатора в землю или шаг обработки низкочастотных компонентов такого возвратного импульса для отображения этой земли.

Изобретение представляет способ и устройство, при котором конденсатор располагается в непосредственном контакте с землей, а короткий импульс напряжения прикладывается к этому конденсатору, чтобы передать импульс электромагнитного излучения, имеющий широкий диапазон частот, в эту землю. В предпочтительном варианте исполнения часть электромагнитного излучения, которая прошла через эту подповерхность, детектируется и обрабатывается для отображения этой подповерхности.

Размер (наибольшее измерение) L этого передающего конденсатора должен быть существенно малым, чтобы удовлетворялось неравенство Re[kL] < 1, где k - волновое число в земле каждого частотного компонента излучения, передаваемого в землю.

В предпочтительном варианте исполнения импульс напряжения, прикладываемый к этому передающему конденсатору, имеет частотные компоненты в широком диапазоне значений, начиная ниже, чем с 1 МГц, и до почти 100 МГц, а единственными частотными компонентами этого детектированного электромагнитного излучения, которые обрабатываются для отображения этой подповерхности, являются компоненты, которые имеют частоту, изменяющуюся в диапазоне значений от примерно 500 кГц до 25 МГц.

В классе предпочтительных вариантов исполнения этот конденсатор содержит пару проводящих пластин с их плоскими поверхностями, находящимися в непосредственном контакте с землей и с импульсом напряжения, приложенным к этим пластинам. В другом классе предпочтительных вариантов исполнения этот конденсатор имеет один проводящий элемент, находящийся в непосредственном контакте со средой, и импульс напряжения прикладывается между этим элементом и заземлением.

В другом классе предпочтительных вариантов исполнения этот конденсатор имеет изменяемый импеданс, а способ этого изобретения содержит предварительный шаг согласования импеданса этого конденсатора с импедансом земли.

На фиг. 1 представлен вид в перспективе на предпочтительный вариант исполнения устройства согласно изобретению; на фиг. 2 - вид сверху на четыре различных конденсата, каждый из которых удобен для исполнения как в качестве передающего, так и принимающего конденсатора в варианте исполнения изобретения; на фиг. 3 - вид сбоку на поперечное сечение одного из конденсаторов, показанных на фиг. 2; на фиг. 4 - вид сверху на конденсатор, удобный для использования в качестве передающего или принимающего конденсатора в предпочтительном варианте исполнения этого изобретения; на фиг. 5 - блок-схема, представляющая вариант исполнения устройства передающего или принимающего конденсатора; на фиг. 6 - блок-схема, представляющая другой вариант исполнения устройства передающего или принимающего конденсатора; на фиг. 7 - упрощенная блок-схема, представляющая устройство на фиг. 6; на фиг. 8 - блок-схема, представляющая другой вариант исполнения устройства передающего или принимающего конденсатора; на фиг. 9 - блок-схема, представляющая другой вариант исполнения устройства передающего или принимающего конденсатора; на фиг. 10 - блок-схема, представляющая другой вариант исполнения устройства передающего или принимающего конденсатора; на фиг. 11 - набор графиков, представляющих альтернативные варианты исполнения устройства передающего или принимающего конденсатора, удобные для реализации изобретения.

Чтобы понять изобретение, полезно будет представить, что распространение электромагнитных сигналов в земле является гораздо более сложным явлением, чем в атмосфере. Когда электромагнитный импульс соединяется с землей, то кажется, что возвратные импульсы из глубин, больших чем несколько сотен футов (1 фут = 30,48 см) земли, стремятся к нулю. Однако считается, что земля обеспечивает распространение импульса на гораздо большие расстояния и для всех типов подземных конфигураций. Обычно происходит рассеивание импульса с тем результатом, что частотное окно возвратного импульса сдвигается к режиму нижних частот относительно частотного окна первоначально переданного импульса. Соответственно, если не сделаны наблюдения в надлежащем частотном окне, наблюдатель может ошибочно заключить, что возвратный импульс затерялся в шумах. Установлено, что обычно не имеет смысла детектировать и обрабатывать возвратный импульс в том же самом частотном окне, что и переданный импульс.

В соответствии с изобретением электромагнитные импульсы эффективно соединяются с землей в направлении сверху вниз для распространения с достаточной интенсивностью, значительно превышая местный уровень шумов. Возвратные импульсы (результирующиеся вследствие распространения этих переданных импульсов через землю) детектируются. Эти возвратные импульсы могут обрабатываться для отображения этой подповерхности земли. И наоборот, телекоммуникации могут осуществляться путем модуляции этих переданных импульсов. С другой стороны, также может быть выполнено позиционирование подповерхности путем использования передатчиков и приемников, распложенных на поверхности земли или в этой подповерхности.

Общее оборудование предпочтительного варианта исполнения обладающего признаками изобретения устройства показано на фиг. 1. На фиг. 1 пластины 10 передающего конденсатора и пластины 20 принимающего конденсатора расположены в непосредственном контакте с поверхностью 130 земли. Каждая из пластин 10 и 20 расположена своей плоской поверхностью, прижатой к поверхности земли 130. Пара пластин 10 имеет наибольший размер L в плоскости поверхности 130 земли. Хотя пластины 10 и 20 показаны как идентичные секциям диска на фиг. 1 (имеющими идентичный угол засветки F), они не должны быть идентичными. В одном классе предпочтительного варианта исполнения пластины 10 и 20 составлены из неизолированного металла, такого как медь или латунь. В другом классе варианта исполнения пластины 10 и 20 имеют тонкое изолирующее покрытие, такое как пластиковое покрытие, имеющее толщину в диапазоне от одного до двух миллиметров. Типичными значениями для L и F являются 0,5 м и 90^o соответственно. Как показано на фиг. 3, пластины 10 очень тонки в направлении, перпендикулярном к поверхности земли 130. Обычно пластины 10 отделены от пластин 20 расстоянием, приблизительно равным от двадцати до четырехсот футов.

Входной терминал 11 передающего трансформатора 30 (согласующего трансформатора радиочастотного импеданса) соединен с углом одной из пластин 10, а выходной терминал 12 передающего трансформатора 30 соединен с соседним, смотрящим внутрь углом другой пластины 10. Входной терминал 21 приемного трансформатора 40 (согласующего трансформатора радиочастотного импеданса) соединен с углом одной из пластин 20, а выходной терминал 22 приемного трансформатора 40 соединен с соседним, обращенным внутрь углом другой пластины 20. В предпочтительном варианте исполнения трансформаты 30 и 40 являются трансформаторами линии передачи.

Фиг. 2 является видом сверху на пару пластин 10 и на три альтернативных варианта исполнения пар (10a, 10b и 10c) передающих пластин, каждая из которых имеет наибольший размер L, и которые подходят для использования в качестве замены пластин 10 или 20 в устройстве на фиг. 1. Точки приложения входных терминалов этого передающего трансформатора к парам пластин 10a, 10b и 10c обозначены как 11a, 11b и 11c соответственно передающего трансформатора к парам пластин 10a, 10b и 10c обозначены как 12a, 12b и 12c соответственно. Пластины 10a имеют форму диска, пластины 10b имеют неправильную форму, а пластины 10c являются прямоугольными. Могут применяться также и другие альтернативные формы пластин (такие, например, как в варианте исполнения на фиг. 11, имеющие форму ромба).

Обратимся снова к фиг. 1. Терминалы 11 и 12 (и терминалы 21 и 22) электрически сбалансированы с землей, и этот баланс обычно обеспечивается трансформатором 30 (и трансформатором 40). Генератор импульсов 56 не сбалансирован с землей, и трансформатор 30 (присоединенный между генератором импульсов 50 и пластины 10) осуществляет преобразование несбалансировано - сбалансировано, позволяя генератору импульсов 50 прикладывать высокое напряжение к терминалам 11 и 12. Устройство 90 также не сбалансировано относительно земли и содержит усилитель, который соединен коротким коаксиальным кабелем 80 возвратного импульса с трансформатором 40. Трансформатор 40, который соединен между кабелем 80 и пластинами 20, выполняет преобразование сбалансировано - несбалансировано после приема пластинами 20 возвратного импульса (который прошел через узкую подземную конфигурацию 130a или же через обе конфигурации: узкую подземную 130a и более глубокую подземную конфигурацию 130b), чтобы обеспечить возможность для усилителя 90 усилить этот детектированный возвратный импульс.

Поскольку в общем конфигурация 130a имеет комплексную проницаемость и/или проводимость, а излучение передается в конфигурацию 130a после приложения короткого электрического импульса к пластинам 10,импеданс между терминалами 11 и 12 имеет как емкостные, так и резистивные компоненты. Поверхность 130 земли размещается таким образом в электрической схеме с генератором 50 импульсов, который обычно работает с уровнем импеданса (50 Ом) короткого кабеля 63, соединяющего трансформатор 30 и генератор 50. Таким образом, устройство на фиг. 1 способно соединять с землей импульсы исключительно высокого напряжения, например, для исследования геологической и тектонической структуры подземных конфигураций. Во многих приложениях отображения подповерхностей этого достаточно, чтобы соединять с землей импульсы низкого напряжения.

Источник питания напряжением постоянного тока и схема синхронизации 60 обеспечивают синхронизирующие импульсы для генератора 50 через короткий коаксиальный кабель 62, чтобы контролировать генерацию импульсов генератором 50. Схема 60 также обеспечивает энергию высокого напряжения постоянного тока для генератора через короткое силовое соединение 61.

Источник питания 110 энергией постоянного тока обеспечивает энергию постоянного тока через короткую силовую линию 112 к усилителю 90 (который содержит осциллоскоп и цифровой преобразователь) и к компьютеру и регистрирующему устройству 100. Силовой коаксиальный кабель 70 напряжения постоянного тока и синхронизирующего импульса соединяет устройство источника питания/таймера 60 с устройством 90. Портативный синхронный генератор источника питания 120 обеспечивает энергию переменного тока (обычно 110 В переменного тока) через силовую линию 121 к устройствам 90, 100 и 110.

В зависимости от установки управляющего переключателя 111 устройство 90 посылает управляющий сигнал к устройству 60, заставляющий устройство 60 либо переключиться, либо прекратить генерацию импульсов генератором импульсов 50, в то же время поддерживая передачу импульса синхронизации от устройства 60 к устройству 90 (т.е. к осциллоскопу и к оцифровывателю в устройстве 90) с целью осуществления выборки шума в условиях приемника. Таким образом, кабель 70 передает энергию постоянного тока, обеспечивает синхронизацию осциллоскопа и цифрового преобразователя и обеспечивает управляющую информацию включено/выключено (ON/OFF) для генератора импульсов 50, для обеспечения сбора данных синхронизированного шума.

Пластины 10 передающего конденсатора инжектируют короткий электромагнитный импульс в конфигурацию 130a в момент синхронизации с импульсом, поданным к трансформатору 30 от генератора импульсов 50, через короткий коаксиальный кабель 63. Этот инжектированный импульс вызывает генерацию возвратного импульса. В зависимости от интенсивности спектра амплитуд частот этого инжектированного импульса (и разделения пластин 10 и 20) этот возвратный импульс может содержать электромагнитные волны, которые распространились через конфигурацию 130a к пластинам 20, или от конфигурации 130a в конфигурацию 130b и затем обратно, через конфигурацию 130a, к пластине 20. Это разделение между устройством (10, 11, 12 и 30) передачи импульса и устройством (20, 21, 22 и 40) приема импульса обычно бывает в диапазоне 6 - 100 м.

Устройство 90 примет отражение волны возвратного импульса после того, как они будут соединены пластинами 20 с трансформатором 40. Отраженные волны возвратного импульса преобразуются в цифровую форму в устройстве 90, и затем они обрабатываются и регистрируются в компьютере и устройстве 100 регистрации. Устройство 100 запоминает обработанные данные в цифровой форме (например, на гибких дисках) для последующей обработки. Устройства 90, 100 и 110 могут быть удобно размещены на средстве передвижения, имеющем двигатель.

В альтернативном варианте исполнения этот передающий конденсатор содержит пару пластин 10d с большими потерями такого типа, как показано на фиг. 4. Этот вариант исполнения особенно полезен для передачи импульсов в землю с формой импульсов, подходящей для зондирования с малой глубиной. Каждая пластина 10d содержит части 13 проводящей пластины, разделенные диффузными резистивными элементами 14. Каждая из частей 13 пластины сформирована в виде отрезка плоского кольца (имеющего угол F засветки), за исключением того, что самые отдаленные радиальные части 13 пластины (с которыми соединены входные и выходные терминалы 11d и 12d трансформатора) имеют форму части диска. Для многих типичных геофизических приложений каждый резистивный элемент 14 должен иметь сопротивление, изменяющееся в диапазоне значений 50 - 100 Ом. Каждый резистивный элемент 14 может состоят из равномерно распределенного резистивного материала или может состоять из нескольких резисторов, присоединенных к соседним частям 13 пластины, для получения в результате желаемого импеданса этого терминала.

Эти самые отдаленные радиально части 13 пластины соединяются с передающим трансформатором 30, когда пластины 10d используются как передающий конденсатор, и с принимающим трансформатором 40, когда пластины 10d используются как приемный конденсатор.

Теперь будут описаны схематические представления нескольких вариантов исполнения устройства передающих (или принимающих) конденсаторов этого изобретения со ссылками на чертежи, представленные на фиг. 5 - фиг. 10. Элемент конденсатора, показанный на каждой из чертежей на фиг. 5 - фиг. 9, может быть использован как передающий конденсатор 10 в устройстве на фиг. 1 (в случае чего он соединяется через передающий трансформатор 30 и коаксиальный кабель 63 с генератором импульсов 50) или как принимающий конденсатор 20 в устройстве на фиг. 1 (в случае чего он соединяется через принимающий трансформатор 40 и коаксиальный кабель 80 с блоком 90). Для упрощения последующего описания чертежей на фиг. 5 - фиг. 9 этот элемент конденсатора в каждом из чертежей на фиг. 5 - фиг. 9 (который может содержать как резистивные, так и емкостные компоненты) будет именоваться как передающий конденсатор, а трансформатор, соединенный с этим элементом конденсатора, будет именоваться как передающий трансформатор.

На фиг. 5 импеданс терминала передающего конденсатора имеет действительный компонент (имеющий сопротивление R_g на заданной частоте) и мнимый компонент (имеющий емкость C_g на заданной частоте), значения которых предпочтительно определяются свойствами земли, в которую этот электромагнитный импульс должен быть передан (т.е. эти действительный и мнимый компоненты импеданса передающего конденсатора предпочтительно должны быть согласованы с соответствующими компонентами земли). Передающий трансформатор на фиг. 5 состоит из четырех катушек линий передачи 31, 32, 33 и 34. Типовой трансформатор линии передачи состоит из тороида с магнитной проницаемостью 250, с двумя бифилярными обмотками по восемь витков из провода с внешним диаметром 2,62 дюйма (≈ 66 мм), марки 14 - gauge H emideze. Этот трансформатор одет в трубку со стенкой 17-мил. из тефлона.

Передающий конденсатор, показанный на фиг. 6, соответствует конденсатору на фиг. 4. Сопротивление R1 и емкость C1 соответствуют аналогичным компонентам наиболее близкой к центру пары частей 13 пластины, сопротивление R2 и емкость C2 соответствуют аналогичным компонентам следующей, отдаленной от центра пары частей 13 пластины, сопротивление R3 и емкость C3 соответствуют аналогичным компонентам следующей, отдаленной от центра пары частей 13 пластины, сопротивление R4 и емкость C4 соответствуют аналогичным компонентам следующей, отдаленной от центра пары частей 13 пластины, и сопротивление R5 и емкость C5 соответствуют аналогичным компонентам наиболее удаленной от центра пары частей 13 пластины. Сопротивление RS1 соответствует сопротивлению радиально наиболее близкого к центру резистивного элемента 14, сопротивление RS2 соответствует сопротивлению следующего, отдаленного от центра резистивного элемента 14, сопротивление RS3 соответствует сопротивлению следующего, отдаленного от центра резистивного элемента 14, и сопротивление RS4 соответствует сопротивлению наиболее удаленного от центра резистивного элемента 14. Предпочтительно, чтобы все эти значения определялись свойствами земли, в которую должен быть передан этот электромагнитный импульс (т.е. предпочтительно, чтобы резистивные и емкостные компоненты импеданса передающего конденсатора были бы согласованы с соответствующими компонентами земли).

Схема фиг. 7 эквивалентна схеме на фиг. 6 так, что передающий конденсатор фиг. 7 также соответствует конденсатору на фиг. 4. Сопротивление R_t и емкость C_t на фиг. 7 представляют соответственно полное сопротивление и емкость схемы, показанной на фиг. 6.

Передающий трансформатор на фиг. 8 представляет собой общепринятый трансформатор сцепления потока, который является намного менее эффективным в части нижних частот спектра передаваемого импульса, чем трансформатор, представленный на фиг. 5.

Передающий трансформатор на фиг. 9 является трансформатором линии передачи, идентичным трансформатору на фиг. 5, за исключением того, что он содержит изменяемый фильтр верхних частот (для управления шириной полосы частот узкого импульса, прикладываемого к этому передающему конденсатору). Этот изменяемый фильтр верхних частот может быть реализован путем введения в трансформатор средства для передвижения сердечника по отношению к обмоткам линии передачи.

Генератор импульсов 50 варианта исполнения на фиг. 10 содержит средство для введения одновременно двух импульсов напряжения. Эти импульсы напряжения являются идентичными, за исключением того, что они имеют противоположную полярность. Трансформатор 40 (между коаксиальными кабелями 63 и передающим конденсатором) является линией передачи, несбалансированной по отношению к несбалансированному трансформатору (иногда именуемому как "unun"), а не трансформатором, как в вариантах исполнения на фиг. 5 - фиг. 9.

В вариантах исполнения на фиг 8, фиг. 9 и фиг. 10 импеданс передающего конденсатора имеет действительный компонент (содержащий сопротивление R_g), как на фиг. 5, мнимый компонент (содержащий емкость C_g), как на фиг. 5, или емкость C_t, как на фиг.7.

Установлено, что эффективность передачи энергии от передающего конденсатора к земле может быть повышена за счет повышения отношения площади поверхности конденсатора, находящейся в непосредственном контакте с землей, к общей площади этого конденсатора. Таким образом, отношение "мощности, рассеиваемой в земле, к мощности, рассеиваемой в воздухе", передающего конденсатора, расположенного на поверхности земли, повышается при повышении отношения площади поверхности конденсатора, находящейся в непосредственном контакте с землей, к общей площади поверхности этого конденсатора.

На фиг. 11 представлен вид сверху на альтернативный вариант исполнения передающего конденсатора и принимающего конденсатора, который может быть использован для реализации этого изобретения. Пластина 210 передатчика может быть изготовлена из неизолированного металла (такого, как латунь) или из металла, имеющего изолирующее покрытие (такое, как тонкий слой пластика). Входной терминал 211 передающего трансформатора присоединен к углу пластины 210, а выходной терминал 212 этого передающего трансформатора заземлен. Эти роли входного и выходного терминалов передающего трансформатора могут реверсироваться. Пластина 210 имеет наибольший размер L, который достаточно мал, чтобы удовлетворялось неравенство Re[kL] < 1, где k есть волновое число в земле излучения, передаваемого в землю этим передающим конденсатором (т.е. комбинацией пластины 210 и терминалов 211 и 212).

Аналогично пластина 210 приемника может быть из неизолированного или из изолированного металла и иметь наибольший размер L, который достаточно мал, чтобы удовлетворялось неравенство Re[kL] < 1, где k есть длина волны в земле излучения, передаваемого в эту землю передающим конденсатором. Входной терминал 221 принимающего трансформатора присоединен в углу пластины 220, а выходной терминал 222 принимающего трансформатора заземлен. Эти роли входного и выходного терминалов принимающего трансформатора могут быть изменены на обратные.

В этом, имеющем признаки изобретения устройстве (например, в устройстве фиг. 1) все линии передачи и кабели, использованные для передачи сигналов радиочастот, должны быть настолько короткими, насколько возможно (чтобы минимизировать влияние фазовых искажений, в особенности на нижних частотах), и должны быть соединены с другими компонентами системы высококачественными соединениями с высокой точностью выполнения. Менее критично минимизировать длину кабеля 70 синхронизирующего импульса, но предпочтительно, чтобы длина это кабеля также была минимизирована в качестве хорошей инженерной практики. Расположение компонентов системы, как на фиг. 1, позволяет минимизировать длину всех линий передачи и кабелей, использованных для передачи сигналов радиочастот.

Длина L передающего конденсатора в каждом варианте исполнения изобретения должна быть достаточно мала, чтобы удовлетворить неравенство Re[kL] < 1, где k есть волновое число в земле излучения, переданного в эту землю этим конденсатором. Волновое число k зависит как от собственных свойств среды, так и от частоты излучения, которое распространяется в земле в ответ на импульс напряжения. Поскольку такое излучение будет содержать широкий диапазон частотных компонентов, это неравенство Re[kL] < 1 должно удовлетворяться для каждого частотного компонента передаваемого излучения. Если длина L будет слишком мала, сопротивление излучения передающего конденсатора может быть слишком малым, чтобы эффективно передавать излучение в землю.

В предпочтительном варианте исполнения импульс напряжения, прикладываемый к передающему конденсатору (предпочтительно имеющему размер порядка 0,5 метра), имеет частотные компоненты, располагающиеся в широком диапазоне частот, изменяющемся от значений, меньших чем 1 МГц, до значений около 100 МГц, а единственные частотные компоненты детектированного электромагнитного излучения, которые обрабатываются для отображения этой подповерхности, имеют частоту, лежащую в диапазоне значений от примерно 500 кГц до 25 МГц. Этот низкий частотный предел (детектированных частотных компонентов излучения, которые обрабатываются) зависит от свойств (таких, как диэлектрическая постоянная), конфигурации земли, находящейся в контакте с этим передающим конденсатором, но 500 кГц является типовым значением. Верхний частотный предел (детектированных частотных компонентов излучения, которые обрабатываются) также зависит от свойств конфигурации земли, находящейся в контакте с передающим конденсатором, хотя 25 МГц является типовым значением. Предпочтительно, чтобы этот верхний частотный предел был экспериментально определен как максимальная частота, которая будет распространяться через землю от передающего конденсатора к принимающему конденсатору. Частота выборки, ассоциированная с цифровым преобразователем в устройстве 90, должна быть по крайней мере вдвое выше этого высокочастотного предела, чтобы избежать проблем наложения.

Интенсивность короткого импульса напряжения, прикладываемого к передающему конденсатору, может быть управляемой, чтобы варьировать глубину проникновения в землю этого передаваемого электромагнитного излучения. Больших глубин проникновения можно достигнуть, если использовать импульсы напряжения, имеющие большую интенсивность.

Различные модификации и изменения в структуре и способе работы этого изобретения будут очевидны для специалистов в этой отрасли техники без отступления от объема и смысла этого изобретения. Хотя это изобретение было описано в связи со специфическими предпочтительными вариантами исполнения, необходимо понимать, что это изобретение не должно ограничиваться этими специфическими вариантами исполнения.

Формула изобретения

1. Способ передачи электромагнитного сигнала через конфигурацию земли, включающий расположение передающего излучателя в непосредственном контакте с землей и приложение к нему короткого импульса напряжения для передачи электромагнитного сигнала излучения в конфигурацию земли, детектирование электромагнитного излучения, которое распространилось через конфигурацию земли в ответ на приложение короткого импульса напряжения с последующей обработкой продетектированного излучения, отличающийся тем, что передающий излучатель выполнен в виде пары емкостных пластин, образующих совместно с прилежащей к ним областью земли конденсатор, с наибольшим размером L, удовлетворяющим условию Re [k · L] < 1, где k - волновое число в конфигурации земли каждого частотного компонента электромагнитного излучения; Re - обозначение действительной части неравенства, а при обработке продетектированного электромагнитного излучения осуществляют идентификацию частотных компонентов в диапазоне, соответствующем излучению, которое распространилось в конфигурацию земли на глубину большую, чем несколько сот футов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют управление интенсивностью короткого импульса напряжения, приложенного к емкостным пластинам для передачи этого электромагнитного излучения на желаемую глубину проникновения в конфигурацию земли.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что осуществляют идентификацию только частотных компонентов детектированного электромагнитного излучения, имеющих частоту более 500 кГц.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждая из пластин имеет плоскую поверхность, находящуюся в контакте с конфигурацией земли.

5. Устройство для передачи электромагнитного сигнала через конфигурацию земли, содержащее передающий излучатель, расположенный в непосредственном контакте с конфигурацией земли, к которому подсоединено средство для подачи короткого импульса напряжения, средство для детектирования электромагнитного излучения, которое прошло через конфигурацию земли в ответ на приложение короткого импульса напряжения, включающее средство для соответствующей обработки этого излучения, отличающееся тем, что передающий излучатель выполнен в виде пары емкостных пластин, образующих совместно с прилежащей к ним областью земли конденсатор, с наибольшим размером L, удовлетворяющим условию Re [k · L] < 1, где k - волновое число в конфигурации земли соответствующего частотного компонента, находящегося в диапазоне частот 1 МГц - 100 МГц, Re - обозначение действительной части неравенства, при этом средство для обработки детектированного электромагнитного излучения включает средство для идентификации только частотных компонентов с верхней частотой менее 25 МГц и распространившихся в конфигурацию земли на глубину большую, чем несколько сот футов.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для детектирования электромагнитного излучения содержит принимающий излучатель, расположенный вблизи от конфигурации земли, в месте, удаленном от комплекта конденсатора.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что содержит средство обработки детектированного электромагнитного излучения для отображения этой конфигурации земли.

8. Устройство по п.5, отличающееся тем, что передающий излучатель содержит пару емкостных проводящих пластин, находящихся в непосредственном контакте с конфигурацией земли, а средство для приложения короткого импульса напряжения присоединено своими выходами к этим пластинам.

9. Устройство по п.5, отличающееся тем, что передающий излучатель содержит одну емкостную проводящую пластину, находящуюся в непосредственном контакте с конфигурацией земли, а средство для приложения короткого импульса напряжения подсоединено одним своим выходом к этой пластине, а другим выходом - к земле.

10. Устройство по п.5, отличающееся тем, что передающий излучатель содержит по крайней мере одну неизолированную проводящую пластину, находящуюся в прямом контакте с конфигурацией земли.

11. Устройство по п.5, отличающееся тем, что передающий излучатель содержит по крайней мере одну изолированную проводящую пластину, имеющую электрически изолированную пластину, находящуюся в прямом контакте с конфигурацией земли.

12. Устройство по п.5, отличающееся тем, что передающий излучатель содержит по крайней мере одну пластину с большими потерями, находящуюся в прямом контакте с конфигурацией земли.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что пластина с большими потерями содержит по крайней мере две проводящие части пластины и одну резистивную часть, присоединенную между парой проводящих частей пластины.

14. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для отображения конфигурации земли содержит средство для обработки только частотных компонентов детектированного электромагнитного излучения, имеющих частоту, большую чем приблизительно 500 кГц.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что средство для приложения короткого импульса напряжения к конденсатору содержит генератор импульсов и трансформатор линии передачи, присоединенный между генератором импульсов и конденсатором.

16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что трансформатор линии передачи содержит средство изменяемого фильтра верхних частот для управления шириной полосы частот короткого импульса напряжения, прикладываемого к передающему излучателю.

17. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для приложения короткого импульса напряжения к передающему излучателю содержит генератор импульсов и линию передачи, несбалансированную по отношению к несбалансированному трансформатору, присоединенному между генератором импульсов и передающим излучателем, в которой генератор импульсов содержит средство для одновременного приложения двух сигналов напряжения противоположной полярности к линии передачи, несбалансированной по отношению к несбалансированному трансформатору.

18. Способ передачи электромагнитного сигнала через конфигурацию земли, включающий расположение передающего излучателя в непосредственном контакте с землей и приложение к нему короткого импульса напряжения для передачи электромагнитного сигнала излучения в конфигурации земли, детектирование электромагнитного излучения, которое распространилось через конфигурацию земли в ответ на приложение короткого импульса напряжения с последующей обработкой продетектированного излучения, отличающийся тем, что передающий излучатель выполнен в виде емкостной пластины, образующей совместно с прилегающей к ней областью земли конденсатор, наибольший размер которого L удовлетворяет неравенству
Re [k · L] < 1,
где k - волновое число в конфигурации земли частотного компонента, лежащего в диапазоне частот 1 МГц - 100 МГц,
а короткий импульс напряжения приложен между емкостной пластиной и землей, при этом при обработке детектированного электромагнитного излучения осуществляют идентификацию частотных компонентов в диапазоне, имеющем верхнюю частоту меньше 25 МГц, которые распространились в конфигурацию земли на глубину проникновения большую, чем L.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что при обработке продетектированного электромагнитного излучения осуществляют идентификацию частотных компонентов, распространившихся в конфигурацию земли на глубину проникновения большую, чем несколько сот футов.

20. Устройство для передачи электромагнитного сигнала через конфигурацию земли, содержащее передающий излучатель, расположенный в непосредственном контакте с конфигурацией земли, к которому подсоединено средство для подачи короткого импульса напряжения, средство для детектирования электромагнитного излучения, которое прошло через конфигурацию земли в ответ на приложение короткого импульса напряжения, включающее средство для соответствующей обработки этого излучения, отличающееся тем, что передающий излучатель выполнен в виде пары емкостных пластин, образующих совместно с прилежащей к ним областью земли конденсатор, с наибольшим размером L, удовлетворяющим условия
Re [k · L] < 1,
где k - волновое число в конфигурации земли соответствующего частотного компонента;
Re - обозначение действительной части неравенства, при этом средство для обработки продетектированного электромагнитного излучения включает средство для идентификации тех частотных компонентов, которые распространились в конфигурацию земли на глубину проникновения большую, чем несколько сот футов, при этом введен трансформатор линии передачи, присоединенный между генератором импульсов и образованным конденсатором.

21. Устройство по п.20, отличающееся тем, что трансформатор линии передачи содержит средство изменяемого фильтра верхних частот для управления шириной полосы частот узкого импульса напряжения, приложенного к передающему излучателю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11