Устройство для геоэлектроразведки

 

Изобретение относится к геофизике, в частности к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использовано при разведке полезных ископаемых, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в исследуемом подповерхностном слое земной поверхности. Устройство содержит передающий и приемный блоки. Передающий блок содержит генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, управляемый генератор с перестраиваемой частотой, амплитудный модулятор, перестраиваемый по частоте усилитель мощности и излучающую антенну. Приемный блок содержит приемную антенну, преселектор, первый узкополосный фильтр, фазоинвертор, первый сумматор, гетеродин, первый фазовращатель на + 90^o, первый и второй смесители, первый и второй усилители промежуточной частоты, второй фазовращатель на +90^o, второй сумматор, первый перемножитель, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор, ключ, избирательный усилитель, измеритель амплитуды, первый и второй амплитудные ограничители, второй перемножитель, третий узкополосный фильтр и фазометр. Технический результат - повышение помехоустойчивости и точности измерения амплитуды и фазы отраженного сигнала. 2 ил.

Устройство относится к геофизике, в частности к устройствам геоэлектроразведки с использованием электромагнитных волн высокой частоты, и может быть использовано при разведке полезных ископаемых, а также для поиска инженерных коммуникаций и других скрытых неоднородностей в исследуемом подповерхностном слое земной поверхности.

Известны устройства для геоэлектроразведки (авт. свид. NN 321.783, 344.391, 385.251, 455.307, 708.277, 746.370, 817.640, 1.092.453, 1.100.602, 1.151.900, 1.247.805, 1.300.396, 1.317.378, 1.420.574, 1.469.488, 1.553.933, 1.594.477, 1.721.566 (Петровский А.Д. Радиоволновые методы в подземной геофизике. М., 1971 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является "Устройство для поиска неоднородностей в массиве горных пород" (авт. свид. N 1.151.900, G 01 V 3/12, 1983), которое и выбрано в качестве прототипа.

Устройство содержит передающий и приемный блоки. Передающий блок содержит последовательно включенные генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, управляемый генератор с перестраиваемой частотой, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, перестраиваемый по частоте усилитель мощности, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, и излучающую антенну. Приемный блок содержит последовательно включенные приемную антенну измерительного сигнала, первый преселектор, второй вход которого соединен с первым выходом второго генератора пилообразного напряжения, первый преобразователь промежуточной частоты, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, избирательный усилитель и измеритель амплитуды, последовательно включенные приемная антенна опорного сигнала, второй преселектор, второй вход которого соединен с вторым выходом второго генератора пилообразного напряжения, преобразователь промежуточной частоты, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, второй избирательный усилитель и селектор тактовых импульсов. К выходам избирательных усилителей подключен фазометр.

Указанное устройство обеспечивает возможность поиска неоднородностей в горных массивах пород благодаря использованию цепей модуляции сигнала возбуждения по частоте и амплитуде, а также благодаря использованию цепи опорного сигнала в приемном блоке, связанной с цепью возбуждения передающего блока электромагнитным полем возбуждения, позволяющих неоднократно определять размеры и глубину залегания неоднородностей.

Для измерения фазы отраженного сигнала в приемном блоке используются измерительный и опорный каналы с общим гетеродином, частота которого перестраивается генератором пилообразного напряжения таким образом, чтобы частоты сигналов на выходах преобразователей частоты указанных каналов были постоянными.

Однако полная идентичность измерительного и опорного каналов не достигается и фаза отраженного сигнала измеряется с определенной погрешностью, которая определяется действием различных дестабилизирующих факторов.

Кроме того, данное устройство характеризуется низкой избирательностью и помехозащищенностью. Это объясняется тем, что одно и то же значение промежуточной частоты f_пр может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах f_е и f_з, т.е. f_пр = f_г - f_з и f_пр = f_с - f_г.

Следовательно, если частоту настройки f_с принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота f_з которого отличается от частоты 2f_пр на f_c и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина f_г (фиг. 2). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования K_пр, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехозащищенность устройства.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (канал прямого прохождения и комбинационные) каналы приема.

В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия: f_пр= |±mfкi±nf_г|, где f_кi - частота канала приема, i, n, m - целые положительные числа, включая n = 0.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третий и т.д.), так как чувствительность устройства по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, два комбинационных канала при n = 2 и m = 1 соответствуют частотам: f_к1 = 2f_г - f_пр и f_к2 = 2f_г + f_пр.

Если частота помехи близка или равна промежуточной частоте, то в этом случае образуется канал прямого прохождения, для которого преобразователь частоты выполняет роль простого усилителя.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения, зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и точности измерения амплитуды и фазы отраженного сигнала.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости и точности измерения амплитуды и фазы отраженного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее передающий и приемный блоки, при этом передающий блок содержит последовательно включенные генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, управляемый генератор с перестраиваемой частотой, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, перестраиваемый по частоте усилитель мощности, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, и излучающую антенну, приемный блок содержит фазометр, последовательно включенные приемную антенну, преселектор, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты, избирательный усилитель и измеритель амплитуды, последовательно включенные второй смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, и второй усилитель промежуточной частоты, введены три узкополосных фильтра, фазоинвертор, два сумматора, два фазовращателя на +90^o, два перемножителя, два амплитудных ограничителя, амплитудный детектор и ключ, причем между выходом преселектора и первым входом смесителя последовательно включены первый узкополосный фильтр, фазоинвертор и первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом преселектора, между вторым выходом гетеродина и вторым входом второго смесителя включен первый фазовращатель на +90^o, первый вход второго смесителя соединен с выходом первого сумматора, между выходом первого усилителя промежуточной частоты и входом избирательного усилителя последовательно включены второй сумматор, второй вход которого через второй фазовращатель на +90^o соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, к выходу ключа последовательно подключены первый амплитудный ограничитель, второй перемножитель, второй вход которого через второй амплитудный ограничитель соединен с выходом перестраиваемого по частоте усилителя мощности передающего блока, третий узкополосный фильтр и фазометр, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина.

Структурная схема устройства для геоэлектроразведки представлена на фиг. 1. Частотная диаграмма, поясняющая образование дополнительных каналов приема, изображена на фиг. 2.

Устройство содержит передающий 1 и приемный 2 блоки. Передающий блок 1 содержит генератор 3 тактовых импульсов, генератор 4 пилообразного напряжения, управляемый генератор 5 с перестраиваемой частотой, амплитудный модулятор 6, перестраиваемый по частоте усилитель 7 мощности и излучающую антенну 8. Причем к первому выходу генератора 3 тактовых импульсов последовательно подключены генератор 4 пилообразного напряжения, управляемый генератор 5, амплитудный модулятор 6, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора 3 тактовых импульсов, усилитель 7 мощности, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора 4 пилообразного напряжения, и излучающая антенна 8. Приемный блок 2 содержит приемную антенну 9, преселектор 10, первый узкополосный фильтр 11, фазоинвертор 12, первый сумматор 13, гетеродин 14, первый фазовращатель 15 на +90^o, первый 16 и второй 17 смесители, первый 18 и второй 19 усилители промежуточной частоты, второй фазовращатель 20 на +90^o, второй сумматор 21, первый перемножитель 22, второй узкополосный фильтр 23, амплитудный детектор 24, ключ 25, избирательный усилитель 26, измеритель 27 амплитуды, первый 28 и второй 29 амплитудные ограничители, второй перемножитель 30, третий узкополосный фильтр 31 и фазометр 32. Причем к выходу приемной антенны 9 последовательно подключены преселектор 10, узкополосный фильтр 11, фазоинвертор 12, сумматор 13, второй вход которого соединен с выходом преселектора 10, смеситель 16, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 14, усилитель 18 промежуточной частоты, сумматор 21, перемножитель 22, второй вход которого соединен с выходом сумматора 13, узкополосный фильтр 23, амплитудный детектор 24, ключ 25, второй вход которого соединен с выходом сумматора 21, избирательный усилитель 26 и измеритель 27 амплитуды. К выходу сумматора 13 последовательно подключены смеситель 17, второй вход которого через фазовращатель 15 на +90^o соединен с вторым выходом гетеродина 14, усилитель 19 промежуточной частоты и фазовращатель 20 на +90^o, выход которого соединен с вторым входом сумматора 21. К выходу ключа 25 последовательно подключены амплитудный ограничитель 28, перемножитель 30, второй вход которого через амплитудный ограничитель 29 соединен с выходом усилителя 7 мощности, узкополосный фильтр 31 и фазометр 32, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина 14.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 3 тактовых импульсов вырабатывает импульс для запуска генератора 4 пилообразного напряжения, который управляет частотой генератора 5 и настраивает усилитель 7 мощности на частоту управляемого генератора 5. Одновременно импульсы, вырабатываемые генератором 3, поступают на амплитудный модулятор 6, который модулирует напряжение управляемого генератора 5 по амплитуде тактовыми импульсами. На излучающую антенну 8 поступает сигнал переменной частоты, модулированный по амплитуде тактовыми импульсами, т.е. сигнал с комбинированной амплитудой и линейной частотной модуляцией (АМ-ЛУМ).

u_с(t) = U_с(t)·cos(2πfct+πγt²+ϕ_с), 0≅t≅T_с, где U_с(t) - модулированная амплитуда сигнала, f_с,ϕ_с,T_с- начальная частота, начальная фаза и период следования сигнала, который определяется периодом следования тактовых импульсов; скорость изменения частоты сигнала; Δfg - девиация частоты.

Первичное электромагнитное поле переменной частоты, проходя через исследуемый массив подповерхностного слоя земной поверхности, индицирует вторичное поле, амплитуда и фаза которого зависят от электромагнитных свойств исследуемого массива подповерхностного слоя земной поверхности.

Вторичное электромагнитное поле улавливается приемной антенной 9, сигнал которой u_о(t) = U_о(t)·cos(2πfct+πγt²+ϕ_о], 0≅t≅T_с, через преселектор 10 и сумматор 13 поступает на первые входы смесителей 16 и 17, на вторые входы которых с выходов гетеродина 14 и фазоваращателя 15 на 90^o подают напряжения соответственно:
u_г1(t) = U_г·cos(2πf_гt+ϕ_г),
u_г2(t) = U_г·cos(2πf_гt+ϕ_г+90⁰),
где U_г,f_г,ϕ_г- амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина 14.

Так как в полосу пропускания узкоплосного фильтра 11, частота настройки f_н1 которого выбирается равной промежуточной частоте f_пр (f_н1 = f_пр), отраженный сигнал U_o(t) не попадает, то на втором входе сумматора 13 напряжение отсутствует. На выходах смесителей 16 и 17 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 18 и 19 выделяются только напряжения разностной (промежуточной) частоты:
u_пр1(t) = U_пр(t)·cos(2πf_прt+πγt²+ϕ_пр),

где U_пр(t) = 1/2K₁ · U_o(t) · U_г;
K₁ - коэффициент передачи смесителей;
f_пр = f_с - f_г - промежуточная частота;
ϕ_пр= ϕ_с- ϕ_г.
Напряжение u_пр2(t) с выхода усилителя 19 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 20 на +90^o, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения u_пр1(t) и u_пр3(t) поступают на два входа сумматора 21, на выходе которого образуется суммарное напряжение
u_Σ(t) = U_Σ(t)·cos(2πf_прt+πγt²+ϕ_пр), 0≅t≅T_с,
где U_Σ(t) = 2_пр(t).
Указанное напряжение подается на второй вход перемножителя 21, на первый вход которого поступает отраженный сигнал U_o(t) с выхода сумматора 13. На выходе перемножителя образуется амплитудно-модулированное (АМ) напряжение на частоте гетеродина 14
u₁(t) = U₁(t)·cos(2πf_гt+ϕ_г), 0≅t≅T_с,

где K₂ - коэффициент передачи перемножителя;
которое выделяется узкополосным фильтром 23, частота настройки f_н2 которого выбирается равной частоте f_г гетеродина (f₁₁₂ = f_г), и после детектирования в амплитудном детекторе 24 поступает на управляющий вход ключа 25, открывая его. В исходном состоянии ключ 25 закрыт. При этом напряжение u_Σ(t) с выхода сумматора через открытый ключ 25 одновременно поступает на входы измерителя 27, где измеряется амплитуда _Σ(t) отраженного сигнала, и амплитудного ограничителя 28, на выходе которого образуется напряжение
u₂(t) = U_огр·cos(2πf_прt+πγt²+ϕ_пр), 0≅t≅T_с.
Зондирующий АМ-ЛЧМ-сигнал U_с(t) с выхода усилителя мощности 7 подается на амплитудный ограничитель 29, на выходе которого образуется ЛЧМ-сигнал
u₃(t) = U_огр·cos(2πf_сt+πγt²+ϕ_с), 0≅t≅T_с,
где U_огр - порог ограничителя амплитудных ограничителей.

Напряжения u₂(t), u₃(t) поступают на два входа перемножителя 30, на выходе которого образуется гармоническое колебание на частоте гетеродина 14
u₄(t) = U₄·cos(2πf_гt+ϕ_г+Δϕ), 0≅t≅T_с,
где U₄ = 1/2K₂ · U_огр²;
Δϕ = ϕ_о-ϕ_с- разность фаз, определяющая свойства исследуемой породы.

Данное колебание выделяется узкополосным фильтром 31, частота настройки f_н3 которого выбирается равной частоте f_г гетеродина (f_н3 - f_г), и поступает на первый вход фазометра 32, на второй вход которого подается напряжение гетеродина u_г1(t). Следовательно, разность фаз Δϕ, определяющая свойства исследуемой породы, измеряется на постоянной частоте f_г гетеродина 14, стабилизированной, например, кварцем.

Описанная выше работа приемного блока 2 соответствует случаю приема полезного отраженного АМ-ЛЧМ-сигнала на частоте f_с основного канала.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по каналу прямого прохождения на частоте f_пр, то он поступает на первый вход сумматора 13, выделяется узкополосным фильтром 11, инвертируется фазоинвертором 12 на 180^o и подается на второй вход сумматора 13, на выходе которого он компенсируется. Следовательно, указанной цепочкой ложный сигнал (помеха), принимаемый по каналу прямого прохождения на частоте f_пр, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте f_з, то он компенсируется в сумматоре 21 с помощью внешнего кольца, состоящего из смесителей 16 и 17, гетеродина 14, фазовращателей 15 и 20 на +90^o, усилителей 18 и 19 промежуточной частоты.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому комбинационному каналу на частоте f_к1 или по второму комбинационному каналу на частоте f_к2, то на выходе перемножителя 22 образуется напряжение на частоте 2f_г, которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 23, ключ 25 не открывается и указанный ложный сигнал (помеха) подавляется. Для этого предназначено внутреннее кольцо, состоящее из перемножителя 22, узкополосного фильтра 23, амплитудного детектора 24 и ключа 25.

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает повышение помехоустойчивости и точности измерения амплитуды и фазы отраженного сигнала. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам. Причем ложные сигналы (помехи), принимаемые по каналу прямого прохождения на частоте f_пр и по зеркальному каналу на частоте f_з, подавляются фазокомпенсационным методом. А ложные сигналы (помехи), принимаемые по комбинационным каналам на частоте _к1 и f_к2, подавляются методом узкополосной фильтрации.

Повышение точности измерения фазы отраженного сигнала достигается за счет ее сравнения с фазой зондирующего сигнала на постоянной частоте f_г гетеродина, стабилизированной кварцем. Поэтому нестабильность и другие изменения несущей частоты зондирующего и отраженного АМ-ЛУМ-сигналов не оказывают влияния на результаты измерений. При этом повышается чувствительность устройства. Это объясняется тем, что ширина спектра используемых сигналов определяется девиацией частоты Δf_g(Δf_l≈Δf_g), а ширина спектра гармонического колебания u₄(t) определяется его длительностью, т.е. много меньше ширины спектра используемых сигналов. Это обстоятельство позволяет выделить гармоническое колебание u₄(t) с помощью узкополосного фильтра 31, отфильтровывать при этом значительную часть шумов и помех, т.е. повысить реальную чувствительность устройства.

Повышение точности измерения амплитуды достигается также путем повышения чувствительности измерителя за счет увеличения амплитуды в 2 раза на выходе сумматора 21.

Формула изобретения

Устройство для геоэлектроразведки, содержащее передающий и приемный блоки, при этом передающий блок содержит последовательно включенные генератор тактовых импульсов, генератор пилообразного напряжения, управляемый генератор с перестраиваемой частотой, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора тактовых импульсов, перестраиваемый по частоте усилитель мощности, второй вход которого соединен с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, и излучающую антенну, приемный блок содержит фазометр, последовательно включенные приемную антенну и преселектор, последовательно включенные гетеродин, первый смеситель и первый усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные второй смеситель и второй усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные избирательный усилитель и измеритель амплитуды, отличающееся тем, что в него введены три узкополосных фильтра, фазоинвертор, два сумматора, два фазовращателя на +90^o, два перемножителя, два амплитудных ограничителя, амплитудный детектор и ключ, причем между выходом преселектора и вторым входом первого смесителя последовательно включены первый узкополосный фильтр, фазоинвертор и первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом преселектора, между вторым выходом гетеродина и вторым входом второго смесителя включен первый фазовращатель на +90^o, первый вход второго смесителя соединен с выходом первого сумматора, между выходом первого усилителя промежуточной частоты и входом избирательного усилителя последовательно включены второй сумматор, второй вход которого через второй фазовращатель на +90^o соединен с выходом второго усилителя промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, к выходу ключа последовательно подключены первый амплитудный ограничитель, второй перемножитель, второй вход которого через второй амплитудный ограничитель соединен с выходом усилителя мощности передающего блока, третий узкополосный фильтр и фазометр, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2