Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях

Диссертация: Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Актуальность работы. Проблема получения физических свойств и параметров строения сложнопостроенной среды по измеренным значениям эффективным физических полей — это одна из основных проблем геофизики. Яркой иллюстрацией этому может служить положение в сейсморазведке с проблемой определения петрофизических характеристик коллектора по измеряемым параметрам волнового поля. Аналогичные вопросы… Читать ещё >

Разработка и применение методики диэлектрических измерений с использованием полевого георадара в лабораторных условиях (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • Разработка и применение методики лабораторных диэлектрических измерений с использованием полевого георадара
  • Глава 1. Измерение диэлектрических свойств твёрдых и сыпучих веществ на высоких и сверхвысоких частотах в лабораторных условиях с использованием специализированной аппаратуры. Методика экспериментов
    • 1. 1. Методы, использующие направленные волны
    • 1. 2. Резонансные методы
    • 1. 3. Измерения в свободном пространстве (квазиоптические)
  • Выводы
  • Глава 2. Теоретические модели диэлектрических свойств сложнопостроенных (эффективных) сред. Эмпирические зависимости диэлектрической проницаемости пород и грунтов от их физических свойств и состава
    • 2. 1. Теоретические модели диэлектрических свойств сложнопостроенных (эффективных) сред
  • Выводы
    • 2. 2. Эмпирические зависимости диэлектрической проницаемости пород и грунтов от физических свойств и состава
  • Выводы
  • Глава 3. Методика диэлектрических измерений в лабораторных условиях с использованием полевого прибора
    • 3. 1. Размеры образца
    • 3. 2. Измерение динамических характеристик
  • Выводы
  • Глава 4. Измерение диэлектрических свойств двухкомпонентных сред слоистой и дисперсной структуры
    • 4. 1. Среда 1 (Контрастные свойства компонентов)
    • 4. 2. Среда 2 (Неконтрастные свойства компонентов)
  • Выводы
  • Глава 5. Результаты экспериментов
    • 5. 1. Среда 1. (контрастная)
    • 5. 2. Среда 2. (неконтрастная)
  • Выводы

Актуальность работы. Проблема получения физических свойств и параметров строения сложнопостроенной среды по измеренным значениям эффективным физических полей — это одна из основных проблем геофизики. Яркой иллюстрацией этому может служить положение в сейсморазведке с проблемой определения петрофизических характеристик коллектора по измеряемым параметрам волнового поля. Аналогичные вопросы возникают и в георадиолокации, когда по результатам измерения характеристик поля электромагнитных волн необходимо определить ряд физических параметров геологического разреза, например влажность. Причём простые и широко используемые аналитические зависимости между характеристиками поля и параметрами среды не дают удовлетворительных результатов или дают их только в частных случаях [3- 22- 36- 51].

Как и сейсморазведка, георадиолокация — волновой метод геофизики, но по сравнению с сейсморазведкой, относительно новый. Если в сейсмике с помощью лабораторных измерений, физического моделирования и акустического каротажа уже получено большое количество данных об упругих параметрах сред и их компонент для построения устойчивых корреляционных зависимостей между ними и кинематическими и динамическими характеристиками волновой картины, то в георадиолокации наблюдается острая нехватка данных прямых измерений. Наименее исследованными здесь являются вопросы дифференциации геологических сред по структуре (в частности, слоистых и дисперсных) с помощью георадиолокации. Причём динамическим характеристикам уделено существенно меньше внимания, чем кинематическим, подчас они даже не рассматриваются. Результаты, полученные с помощью методов электроразведки (диэлектрическая проницаемость и проводимость, отвечающая за потери), здесь неприменимы из-за сильной частотной дисперсии электрофизических свойств и в силу того, что у метода георадиолокации более высокий частотный диапазон.

Традиционно в лабораторных условиях диэлектрические свойства измеряются с помощью специализированной аппаратуры, на образцах, много меньших, чем структурные единицы разреза, и зачастую на более высоких частотах, чем диапазон георадиолокации [12- 14- 18]. Отсутствие промышленно выпускаемых специализированных приборов для диэлектрических измерений на образцах геологических сред в лабораториях заставляет исследователей пользоваться разнообразными собственными разработками и действующими макетами устройств.

Альтернативой этим методам является метод измерения диэлектрических свойств стандартным георадаром, выпускаемым серийно, используемым в полевых работах. Причём для минимизации размеров измерительной установки, измерения можно вести с помощью самой высокочастотной антенны из набора антенн любого неспециализированного георадара (ОКО-2, Зонд-12Е, Sir-2000). Такой способ измерений применялся в зарубежных исследованиях, но методика остаётся недоработанной: измеряется только время прихода отражённой волны, не обсуждаются размеры образцов.

Таким образом, актуальным вопросом является не только определение диэлектрических характеристик (как кинематических, так и динамических) различных геологических сред, но и разработка методики измерений.

Целью работы явилась разработка методики лабораторных диэлектрических измерений с использованием полевого георадара и применение этой методики при диэлектрических измерениях на физических моделях дисперсных и слоистых 2х-компонентных сред.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработка методики:

1.1. Определение оптимальных размеров образцов для измерения кинематических (скорости распространения электромагнитных волн или действительной части диэлектрической проницаемости) и динамических (изменение амплитуды и спектра сигналазатухания и поглощения в среде) характеристик.

1.2. Разработка способов измерения динамических характеристик: измерения на разных базах, использование кратных волн.

2. Диэлектрические измерения (скорости распространения электромагнитных волн и затухания) на моделях 2х компонентных слоистых (вдоль и поперёк напластования) и дисперсных сред:

2.1. Состоящих из компонентов с близкими значениями диэлектрической проницаемости.

2.2. Состоящих из компонентов с и различающимися в несколько раз значениями диэлектрической проницаемости.

2.3.Измерения на слоистых средах, состоящих из слоёв мощностью от 0,1 до 1,5 длин волн.

3. Построение эмпирических зависимостей и их сравнение с широко используемыми теоретическими:

3.1. Построение зависимостей скорости, диэлектрической проницаемости и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой и дисперсной среды в зависимости от процентного содержания компонентов;

3.2. Построение зависимостей скорости, диэлектрической проницаемости и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой среды в зависимости от мощности прослоев;

3.3. Сравнение эмпирических зависимостей скорости и диэлектрической проницаемости (действительной части) с существующими теоретическими.

Защищаемые положения.

1. Предложенная методика диэлектрических лабораторных измерений с использованием полевого георадара эффективна при измерении как кинематических, так и динамических характеристик геологических сред.

2. Полученные зависимости скорости электромагнитных волн для двухкомпонентных сред слоистой и дисперсной структуры, состоящих из контрастных и неконтрастных по диэлектрическим свойствам компонентов, позволяют определить скорость электромагнитных волн двухкомпонентной среды по известным диэлектрическим свойствам компонентов, если известна их пропорция, и пропорцию, если известна скоростьдля контрастной среды — дифференцировать по структуре.

3. Скорость электромагнитных волн в слоистой среде остаётся постоянной в пределах погрешности 4% при изменении толщины прослоев от ОД 5 — до 1,5 длины волны, затухание возрастает с уменьшением толщины слоев. По изменению затухания можно определить изменение мощности прослоев.

4. Для слабоконтрастных сред различия в структуре (слоистая или дисперсная) не отражаются на динамических характеристиках записи в пределах 10% точности измерений.

Научная новизна.

1. Обоснована и доработана методика измерения диэлектрических свойств на высоких частотах с помощью полевого прибора в лабораторных условиях.

2. Впервые данная методика применена для измерения динамических характеристик на физических моделях реальных сред.

3. Впервые проведены эксперименты по изучению влияния структуры на характеристики высокочастотного поля электромагнитных волн.

4. Получены зависимости скорости, диэлектрической проницаемости и затухания электромагнитных волн в моделях слоистой и дисперсной среды в зависимости от процентного содержания компонентов и мощности прослоев (для случая слоистой структуры).

Практическая значимость.

1. Использованная в данной работе методика открывает возможность массовых диэлектрических измерений с использованием полевого прибора как для физического моделирования, так и для измерений на образцах реальных грунтов.

2. Сделанные выводы о зависимости диэлектрических свойств 2-х компонентного композита слоистой или дисперсной структуры могут быть использованы в дальнейшем как для решения прямой, так и обратной задач.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научные работы.

Апробация. Основные результаты работы доложены на научных конференциях: международной научно-практической конференции по инженерной и рудной геофизике «Инженерная и рудная геофизика-2007» (Геленджик-2007), российской конференции студентов и аспирантов «Планета Земля глазами молодых учёных» (Москва, 2009).

Объём. Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения, списка литературы. Материалы диссертации изложены на 128 страницах машинописного текста, содержат 56 рисунков, 3 таблицы, 13 фотографий.

Список литературы

содержит 54 источника, в том числе 11 на иностранных языках.

Благодарности.

Автор глубоко благодарен своему научному руководителю, доктору физико-математических наук, M.JI. Владову, за непрекращающуюся помощь в работевыражает признательность всему коллективу кафедры сейсмометрии и геоакустики за консультации, поддержку и вниманиеа также благодарит свою маму, кандидата геолого-минералогических наук, Судакову Т. А., за ценные рекомендации.

Основные результаты работы можно свести к следующему:

1. Доказана эффективность предложенной методики диэлектрических лабораторных измерений с использованием полевого георадара эффективна при измерении как кинематических, так и динамических характеристик геологических сред.

2. Получены зависимости скорости электромагнитных волн (диэлектрической проницаемости) для двухкомпонентных сред, состоящих из контрастных и неконтрастных по диэлектрическим свойствам компонентов. Данные зависимости позволяют определить скорость электромагнитных волн двухкомпонентной среды по известным диэлектрическим свойствам компонентов, если известна их пропорция, и пропорцию, если известна скорость.

3. Для контрастной среды доказана возможность дифференциации по структуре с помощью кинематических характеристик, методом георадиолокации.

4. Показано, что скорость электромагнитных волн в слоистой среде остаётся постоянной в пределах погрешности 4% при изменении толщины прослоев от 0,15 — до 1,5 длины волны, а затухание линейно возрастает с уменьшением толщины слоёв. Таким образом, по изменению затухания можно определить изменение мощности прослоев.

5. Не удалось рассчитать формальную аппроксимирующую зависимость затухания электромагнитного сигнала от пропорции компонентов в двухкомпонентной среде. Но определена общая тенденция: затухание возрастает с увеличением доли более поглощающего компонента. Измерение затухания может быть дополнительным параметром при определении пропорции компонентовзависимость затухания может быть оценена как линейная.

6. Показано, что неконтрастные двухкомпонентные среды с точностью меньше 10% не дифференцируются по структуре как по кинематическим, так и по динамическим характеристикам.

Результаты данной работы могут быть использованы в дальнейшем, как при решении прямой задачи в лабораторных условиях, так и при решении обратной в условиях полевых.

Заключение

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. А.Н., Лабутин С. А. Исследования зависимости диэлектрической проницаемости древесины от влажности резонаторным СВЧ методом // Межвуз. сб.: Радиоэлектронные и телекоммуникационные системы и устройства. Нижний Новгород, 1999, вып. 5.
  2. Аки К., Ричарде П., Количественная сейсмология, М., Мир, 1993. Том. 1, 104с.
  3. П., Галеев О., Исследование метода определения диэлектрической проницаемости почв по модулям коэффициента отражения и прохождения, Естественные науки и экология, Межвузовский сборник научных трудов, Вып. 6 Омск: Изд-во ОмГГУ, 2001. с.7−10
  4. Д.А., Тихонов В. В. Влияние связанной воды на диэлектрическую проницаемость влажных и мерзлых почв- М., Ин-т косм, исслед. (ИКИ) РАН, 2003 (Рот. ИКИ РАН)
  5. А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматлит, 1963. — 400с.
  6. М.Л., Судакова М. С., Диэлектрические измерения в лабораторных условиях с использованием георадара // Геофизика, № 3 2009 г. М.: 2009, с. 10−19.
  7. М.Л., Судакова М. С., Изучение возможностей георадиолокации при расчленении разреза на слои с разной степенью льдистости // Международная научно-практическая конференция «Инженерная геофизика-2007», Тезисы докладов, Геленджик, 2007 г., с. 80−82.
  8. М.Л., Судакова М. С., Опыт диэлектрических измерений с использованием георадара в лабораторных условиях // Вестник МГУ. Геология. Москва, 2009, № 5 (сентябрь-октябрь), в печати.
  9. П. Теория электрических свойств молекул / Пер. с нем. М. — Л., 1936.
  10. Ю.Достовалов Б. Н. Электрические характеристики мёрзлых горных пород. Тр. Ин-та мерзлот. АН СССР, М. 1947. Т.5. с. 18−35
  11. , М.Л.- Старовойтов, А.В. Введение в георадиолокацию, Москва, изд-во МГУ, 2004 г, с. 18−25.
  12. А., Физика диэлектриков, М.: Высшая школа, 1971. Том 2., с. 5356.
  13. Ю.Н. Диэлектрическая проницаемость мёрзлых рыхлых отложений на частотах 1−100МГц и температурах — 1 -16 градусов С. Автореф. Канд. Дисс.
  14. А., Измерение диэлектрической проницаемости в свободном пространстве, Методические указания, Томск-2000, Томский государственный университет, 12с.
  15. , Б. П. Проектирование СВЧ устройств: Сборник лабораторных работ/ Ульяновск: УлГТУ, 2005.
  16. В., Слободчикова С., Эткин В., Лабораторные исследования электрофизических характеристик мёрзлых песчаных почв. М., ИКИД994, с. 8−10.
  17. Исследование комплексной диэлектрической проницаемости твёрдых диэлектриков при радиочастотах. Методические рекомендации, ГОУ ВПО ИГУ, Иркутск 2005.
  18. В. Н., Петрофизика. Учеб. для вузов по спец. «Геофиз. методы поисков и разведки месторождений полез, ископаемых», 2-е изд., М., Недра, 1986. с. 141−185.
  19. С.А., Лопаткин А. В. Резонаторная система СВЧ измерений комплексной диэлектрической проницаемости материалов // Приборы и техника эксперимента, 1998, № 3, с. 166−167.
  20. Ю., Дробышев А., Электрические параметры песчаноглинистых грунтов в диапазоне УКВ и СВЧ в зависимости от влажности и122температуры, Проблемы распространения и дифракции электромагнитных волн, М, МФТИ, 1995, с. 4−28.
  21. В. В. Современные методы экспрессного измерения влажности сельсхохозяйственных материалов. Вести национальной академии наук Белоруссии, № 2, 2006, стр. 102−107
  22. Методическое руководство к лабораторным работам по курсу электродинамика и антенно-фидерные устройства, Новосибирский технический университет, Новосибрск-2001.
  23. Разработка методики определения и экспериментальные исследования диэлектрических параметров газового гидрата в области высоких частот. Нефтегазовое дело, 2006
  24. В. В., Новик Г. Я. Основы физики горных пород. Изд. 3-е. перераб. и доп. М., «Недра», 1978.
  25. Н., Помозов В., Георадары «ОКО». Сравнение возможностей АБ-1700 и АБ-1700Р (рупорный) по зондированию дорожного покрытия, http://geotech.ru/index.php?page=23
  26. А.Д., Даев Д. С. О структурном механизме частотной дисперсии электрических свойств гетерогенных горных пород. Физика Земли, № 8, 1996, с. 56−66.
  27. В.В.Тихонов, Д. А. Боярский, Г. М. Чулкова, А. Р. Макавейнос, Т. В. Башлыкова. Экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия микроволнового излучения с гетерогенной средой- М. ИКИ, 2003
  28. П., Дмитриев Д., Воробьёв А., Чернышов В., Микроволновая термовлагометрия, М., Изд-во машиностроение-1, 2004, стр.4−6.
  29. М.И., Карпухин В. И., Кутев В. А., Метелкин В. Н. Подповерхностная радиолокация. М., Радио и Связь, 1994.
  30. А., Электрические и упругие свойства мёрзлых пород и льдов, Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1998, с.127−262, 336−367.
  31. Р., Гелдарт JL Сейсморазведка, Том1, Москва, Мир, 1987, с.229 234.
  32. В., Яцук П., Методы измерения диэлектрической проницаемости на сверхвысоких частотах. Успехи физических наук, 1961 г. Август Т. LXXIV, вып. 4, стр. 721−755
  33. Л., Карнаков В., Марчук С., Исследование комплексной диэлектрической проницаемости твердых диэлектриков при радиочастотах: Методические рекомендации, Иркутск: ИГУ, 2005. 15 с.
  34. ФГУП «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии», сайт организации, http://sniim.siberia.net/, http://sniim.siberia.net/departs/05/index.html.
  35. Эме Ф. Диэлектрические измерения для количественного анализа и для определения химической структуры. М.: Химия, 1967. — 223с.
  36. , A. P., 1996, Ground-penetrating Radar: Workshop Notes, Sensors and Software, Inc., Misissauga, Ontario, 106 p.
  37. Arcone, S.A.and Delaney, A J., 1982, Measurement of ground dielectric properties using wide-angle reflection and refraction: U.S.Army CRREL Report 82−6, 18p.
  38. Arcone S.A., Delaney A.J. Investigation of dielectric properties of some frozen. Materials using cross borehole radiowave pulse transmissions USA CRREL, Rep. 89−4, 1989, 19 p.
  39. Daniels J .J., Roberts R., Vendl M. Ground penetrating radar for the detection of liquid contaminants. Journal of applied geophysics 33 pp. 195−207.
  40. Delaney A.J., Arcone S.A. Laboratory measurements of soil electric properties between 0,1 and 5 GGz. USA CRREL. Rep. 82−10. 1982. 8p.
  41. L., Delaney A., Lawson D. & Les Davis, Downhole GPR for high-resolution analysis of material properties near Fairbanks, Alaska. Ground prnrtrating radar in Sediments. Geological society, London, Special Publication, 2003, pp.275−285.
  42. Jackson Т., O’Neill P. Microwave dielectric model for aggregated soils. //IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1986. V. GE-24. № 6. P.920−929
  43. Maxwell C. Treatise on electricity and magnetism. Vol. 1. Oxford Univ. press, London, 1892.
  44. Martinez A. and Byrnes A., Modeling Dielectric-constant values of Geologic Materials: An Aid to Ground-Penetrating Radar Data Collection and Interpretation, Current Research in Earth Sciences, Bulletin 247, part 1, 2001.
  45. Near-Surface Geophysics, ed. Dwain K., Society of exploration geophisycs, Tusla, Oklahoma, U.S.A., 2005.
  46. Saintenoy A., Tucholka P., Bailleul J., Costard F., Elie F., Labbeye M., Monitoring permafrost thawing using GPR, IWA GPR 2005, 2−4 mai 2005, Delft, The Netherlands, submitted, 2005.
  47. Wang, J.R., The dielectric properties of soil-water mixtures at microwave frequencies: Radio Sci., 1980, v. l5, p.977−985.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!