Многопрограммное цифровое приемное регистрирующее устройство для геофизических исследований

Использование: при изучении земной коры, поиске полезных ископаемых и прогнозе землетрясений. Технический результат: расширение функциональных возможностей. Сущность полезной модели: регистрация электромагнитных полей и мониторинг земной коры, поиск полезных ископаемых и прогнозировать развитие тектонической деятельности, ведущей к землетрясениям. 1 ил.

Полезная модель относится к области электрорадиотехники, а именно к радиотехническим комплексам крайне низких частот (КНЧ) и сверхнизких частот (СНЧ) и может быть использована для изучения строения земной коры, поиска полезных ископаемых и прогноза землетрясений путем регистрации электромагнитных полей, создаваемых излучающей системой КНЧ-СНЧ диапазона.

Известен способ сейсмической разведки - патент РФ №2029318, мки 6 01V 1/09, 1995 г. Этот способ заключается в возбуждении зондирующего сигнала и многоканального приема отраженных и дифрагированных волн от объекта, отработке с проведением селекции волн по направлению прихода и отображением результатов в виде размеров параметров на плоттере.

Недостатком такого способа является то, что способ использует приближенную интерполяцию данных, что приводит в ряде случаев к низкой достоверности результатов зондирования.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности решения вопроса является устройство по «способу электромагнитного зондирования земной коры с использованием нормированных источников поля» (патент РФ №2093863, мки 6 013/12, 1997 г.).

Данное устройство содержит два генератора синусоидального тока, которые нагружены на протяженные, низко расположенные, горизонтально ориентированные и заземленные на концах антенны. Регистрация же излучения, создаваемого СНЧ-радиоустановкой, осуществляется с помощью измерительного комплекса типа «Борок».

Однако, в связи с высокими требованиями, предъявляемыми геофизикой к точности измерений импеданса, необходимо изучение пространственных характеристик полей, что может быть реализовано только с помощью многоканального цифрового приемо-регистриующего устройства, которое отсутствует в прототипе.

Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей прототипа путем создания нового приемного устройства для КНЧ и СНЧ для изучения земной коры, поиска полезных ископаемых и прогноза землетрясений на основе измерения электромагнитных полей, создаваемых излучающей системой КНЧ-СНЧ диапазонов.

Поставленная цель достигается за счет того, что в известной системе измерительный комплекс выполнен в виде двух блоков: модуля аналоговой регистрации и обработки (МАРО) и персональной ЭВМ, причем блок МАРО

содержит электрическую и магнитную антенны, соединенные соответственно с антенными модулями электрического и магнитного каналов, каждый из которых через аналоговые модули усиления - фильтрации и режекторные фильтры соединен с аналого-цифровым преобразователем, первый выход которого соединен с модулем формирования калиброванных сигналов, а второй через делитель соединен с модулем формирования тактовой частоты, кроме того, персональная ЭВМ соединена с многофункциональным модулем аналогового ввода и цифрового ввода-вывода.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1.

В состав схемы входят:

- модуль аналоговой регистрации и обработки (МАРО);

- многофункциональная плата ввода-вывода ЛА-2, вставляемая в ISA-слот персонального компьютера;

- собственный персональный компьютер V-класса не ниже 486-DX/66;

- программное обеспечение (ПО), написанное на алгоритмических языках Фортран и Ассемблер.

МАРО предназначен для выравнивания амплитудно-частотных характеристик электрического и магнитного трактов усиления и фильтрации сигналов, согласование электрических параметров антенных устройств и аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

В состав МАРО входят:

- антенные модули электрического (МА _е) и магнитного (МА_м) каналов, обеспечивающие прием соответствующих горизонтальных компонент поля, выравнивание частотных характеристик в каналах и предварительное усиление сигналов;

- аналоговые модули усиления-фильтрации (УФНЧ) и режекторные фильтры (РФ₅₀) и (РФ ₁₅₀), осуществляющие низкочастотную фильтрацию-усиление сигналов и режекцию двух основных гармоник сетевой наводки с целью обеспечения нормальной работы АЦП;

- модуль формирования тактовой частоты (МФТЧ) для запуска АЦП с заданной частотой и временной стабильностью;

- модуль формирования калибровочных сигнала (МФКС), предназначенный для сквозной одновременной калибровки электрического и магнитного трактов.

Антенный модуль магнитного тракта (МА_м) содержит вынесенную магнитную антенну, выполненную в виде двухсекционной катушки, концы которой подключены к инвертирующим входам двух операционных усилителей (ОУ).

Сигнал с входа этих усилителей поступает на входы третьего ОУ, выход которого через кабель длиной до 50 метров подключен к находящемуся в помещении модулю аналогового усиления фильтрации. Дифференциальное включение магнитного датчика обеспечивает эффективное (до 60 дб) подавление синфазных наводок.

Параметры катушки составляют: L=25 Гн, r=105 Ом. Схема обеспечивает равномерную частотную характеристику в рабочем диапазоне и предварительное регулируемое усиление в тракте от 10 до 1000 в зависимости от подключения соответствующего сопротивления R_s в цепи обратной связи ОУ. Рамка вместе с вынесенным усилителем размещается в контейнере на глубине 1 метра от поверхности земли для уменьшения вибрационных наводок на датчик магнитного поля.

Антенный модуль электрического тракта (МА_е ), подключенный с помощью кабеля к модулю аналоговой фильтрации, состоит из симметричного горизонтального вибратора и входного дифференциального каскада, практически аналогичного МА _м. Отличие от последнего состоит в наличии на входах электрического тракта диодов, защищающих входы от воздействия мощных импульсных помех от мощных РЛС и близких молниевых разрядов. Коэффициент усиления электрического тракта составляет 1200.

Возможно использование нескольких типов датчиков электрического поля:

- отрезков кабеля, центральные жилы которых непосредственно или через согласующие повторители соединены с закопанными в землю латунными или медными электродными стержнями длиной 50 см;

- равных отрезков изолированных проводников (кабелей со снятой оплеткой), подключенных к дифференциальному входу операционного усилителя.

Как сами кабели, так и входные повторители или усилители закапываются на некоторую глубину в землю для исключения возможных наводок вертикальной электрической составляющей поля. Переходное сопротивление электродов R_с, обратно пропорциональное проводимости окружающей их почвы, подвержено значительным сезонным вариациям вследствие изменения влажности почвы или ее промерзания.

Аналоговые модули усиления - фильтрации, схемы которых одинаковы в электрическом и магнитном трактах, но отличаются величиной коэффициента усиления, содержат фильтры-усилители низких частот с частотами среза 200 Гц на уровне 3 дБ и асимптотическим затуханием 48 дБ на октаву и активные режекторные фильтры, осуществляющие подавление на 35 дБ основных гармоник сети 50 и 150 Гц. Максимальное усиление в полосе пропускания фильтров регулируется подбором R_S в цепи обратной связи ОУ и может достигать 1000 раз.

Параметры ФНЧ выбраны исходя из необходимости обеспечения эффективного подавления зеркальных частот вне рабочей полосы пульта управления (ПУ) и обеспечения усиления полезных сигналов до уровней, примерно соответствующих первым двум градациям АЦП.

Модуль формирования калибровочных сигналов реализован на базе счетчика таймера 1 платы ЛА-2, работающего в режиме генератора меандра и управляемого программно персональным компьютером. Сигнал с выхода платы поступает на калибровочную катушку, намотанную на общем каркасе с сигнальной катушкой.

Многофункциональный модуль аналогового вывода и цифрового ввода-вывода ЛА-2 выполняет важнейшие функции в центральном пульте управления (ЦПУ) и содержит:

- аналого-цифровой канал, состоящий из входного мультипликатора, полного инструментального усилителя с коэффициентом усиления, изменяемым от 2 до 100, 12-разрядного АЦП с УВХ с диапазоном входных напряжений до 10 В.

- трехканальный счетчик таймер, цифровой порт с 8-ю линиями на вход и 8-ю линиями на выход. Мультиплексор позволяет вводить до 8 сигналов с симметричным входом.

Модуль цифровой обработки (МЦО) представляет собой программный модуль, выполняющий основные функции в ПУ и содержащий два основных блока: блок - подпрограмм ввода - фильтрации и блок - подпрограмм вычисления импеданса.

Программный блок ЦПУ.

Программы, реализующие функции ЦПУ, содержатся в файлах «FIL2S.ASM», «IMPEDAS.FOR» и «FILHF.FOR».

По истечении времени анализа текущая информация, выводимая на экран монитора, выводится в файл в корневой каталог жесткого диска с указанием отдельной строкой времени приема и длины реализации в секундах.

Такое построение ЦПУ позволяет использовать его для решения целого ряда прикладных геофизических задач, в частности:

- исследование структуры электрических параметров земной коры по данным регистрации сигналов навигационных и связных радиостанций КНЧ-СНЧ диапазонов, сигналов естественного происхождения, магнитно-теллурических полей, шумовых полей КНЧ-СНЧ диапазонов грозового и космического происхождения, широкополосных электромагнитных импульсов от отдельных мощных грозовых разрядов;

- поиск полезных ископаемых на основе анализа наблюдаемых локальных аномалий значений модуля и фазы приведенного поверхностного импеданса в исследуемых районах.

Столь широкий диапазон прикладных задач, которые могут быть решены с помощью рассматриваемого комплекса, определяется функциональными возможностями блока цифровой обработки регистрируемых сигналов, представляющих собой набор подпрограмм для реализации различных функций, легко перестраиваемых в зависимости от конкретной решаемой задачи. Аналоговые элементы комплекса, включающие антенны электрического и магнитного трактов, предварительные усилители, полосовые и режекторные фильтры, высокостабильные генераторы тактовой частоты, аналого-цифровые преобразователи - также выбираются в соответствии с типом прикладной задачи.

В существующем варианте устройство может быть использовано для проведения одновременных многокомпонентных измерений импеданса, поскольку аналого-цифровая плата ЛА-2, входящая в комплект, обеспечивает независимый прием сигналов по 16 несимметричным или по 8 дифференциальным каналам.

Возможность использования электромагнитного излучения в КНЧ-СНЧ диапазоне в интересах прикладной геофизики основана на измерении приведенного поверхностного импеданса

D=E_t/(H_t*Z ₀), где

Е_t и H _t - касательные компоненты электрического и магнитного полей на земной поверхности;

Z₀=120 Ом - волновое сопротивление свободного пространства.

В общем случае импеданс D является комплексной величиной.

D=R_E(D)+iI_m(D)=/D/exp[iarg(D)]

Причем -/2arg(D)/2

Если источник КНЧ-СНЧ поля находится достаточно далеко от точки наблюдения, то поле в окрестности этой точки обладает свойствами плоской волны. В этом случае при известной структуре подстилающей среды импеданс может быть сравнительно легко вычислен. Если подстилающее полупространство однородно и бесконечно, то

/D/=10^-5-{f/(1,8)}^1/2; arg(D)=/2, где f - частота Гц,

- удельная проводимость подстилающей среды, См/м.

Если подстилающая среда неоднородна, например слоистая, то аргумент импеданса принимает какое-то значение из интервала

-/2arg(D)/2.

На практике обычно ограничиваются рассмотрением 2-3-х-слойной модели подстилающей среды с различными проводимостями для каждого

слоя, которые хорошо описывают реальные характеристики геологических структур. По измеренным значениям импеданса методом минимизации невязок подбираются наиболее вероятные параметры исследуемых структур. По полученным электрическим свойствам слоев делается вывод о характере геологической структуры. Априорные сведения о параметрах слоев задаются на основе исследований другими геофизическими методами (сейсмическими, контрольным бурением и т.п.). При использовании КНЧ-СНЧ диапазонов имеются уникальные возможности электромагнитного зондирования глубин до нескольких десятков километров.

Положительный эффект состоит в том, что приемное устройство КНЧ-СНЧ частот позволяет решить следующие задачи:

- производить разработку новых экспериментальных методов исследования строения земной коры, основанных на измерениях электромагнитных полей, создаваемых излучателями КНЧ-СНЧ диапазонов;

- предсказывать сейсмическую активность в различных районах земного шара на основе мониторинга вариаций приведенного поверхностного импеданса, обусловленных изменениями проводимости отдельных слоев земной коры, связанных с тектонической деятельностью;

- осуществлять поиск полезных ископаемых на основе анализа наблюдаемых аномалий значений модуля и фазы приведенного поверхностного импеданса в исследуемых районах.

Многопрограммное цифровое приемное регистрирующее устройство для геофизических исследований, содержащее измерительный комплекс для регистрации излучений КНЧ-СНЧ диапазонов, отличающееся тем, что комплекс выполнен в виде двух блоков модуля аналоговой диагностики и обработки (МАРО) и персональной электронно-вычислительной машины, причем МАРО содержит электромагнитную и магнитную антенны, соединенные соответственно с антенными модулями электрического и магнитного каналов, каждый из которых через аналоговые модули усиления - фильтрации и режекторные фильтры соединен с аналого-цифровым преобразователем, первый выход которого соединен с модулем формирования калиброванных сигналов, а второй через делитель соединен с модулем формирования тактовой частоты, кроме того, персональная электронно-вычислительная машина соединена с многофункциональным модулем аналогового ввода и цифрового ввода-вывода.