Для решения геолого-разведочных задач, обнаружения и идентификации подповерхностных диэлектрических аномалий широко используются радиоволновые методы.
Круг задач, решаемых этими методами, постоянно расширяется, а именно, гидрологические, археологические, инженерно-геологические, геоэкологические, и гляционологические задачи, геодинамический мониторинг природных и искусственных сред и т. д. [1−15]. Для радиоволновой разведки диэлектрических аномалий (ДА) используют: возвратный, интерференционный и радиолокационный методы [15−20, 50]. Обнаружение заглубленных объектов системой подповерхностного зондирования (CJI3) осуществляется по данным обработки рассеянных аномалиями радиосигналов. Эффективность работы CJI3 существенно зависит от правильного выбора параметров сигнала и методов его обработки определяемых электрическими характеристиками грунта, местоположением, материалом, формой и размерами обнаруживаемых объектов [50]. В отличие от прохождения в атмосфере в грунте электромагнитные сигналы претерпевают существенные дисперсионные искажения из-за частотной зависимости скорости распространения (показателя преломления) в грунте и изменчивости его профиля с глубинной. Пространственные вариации диэлектрической проницаемости грунта более значительны, чем в атмосфере. Неоднородности грунта приводят к сильному рассеянию сигнала и, следовательно, к высокому уровню помех на выходе приемной антенны. CJI3 должны соответствовать взаимоисключающим требованиям при выборе длины волны по критериям минимума энергетических потерь и обеспечения предельной разрешающей способности. Работы Андреева Т. А. [1, 50], Шеммурина В. А. [40] позволили систематизировать теоретические и экспериментальные исследования по изучению особенностей распространения ЭМВ в слоистых средах и технологий радиоволнового зондирования подповерхностных аномалий (ППА). Достаточно детально изложено в работах Федынского В. В. Применение РВЗ в гидрогеологии и инженерной геологии представлено в работе [39] Черняка Т. Я. Интерес зарубежных авторов [2−35] к решению задач подповерхностного зондирования ДА подтверждает актуальность решения этих задач радиоволновыми методами. Однако, недостатком указанных работ является то, что эти методы предполагали извлечение информации о ППА лишь на основе измерения амплитуды и фазы одного элемента полной матрицы рассеяния.
Лишь с начала 1990;х годов появился интерес к радиоволновой поляриметрии [44−45] как самостоятельному методу наземной электроразведки. Поляризация сигнала вместе с его амплитудой, частотой, волновыми и угловыми характеристиками несет информацию о просвечиваемом пространстве, источнике и приемнике излучения, что повышает вероятность выявления аномалий и облегчает их идентификацию.
При этом используется отображение в поляризационных параметрах одной из важнейших характеристик сред и образованиианизотропии электромагнитных и волновых свойств. Изучению поляризационных характеристик земных покровов посвящено ряд работ [74−78,82−89] отечественных и зарубежных [100−105] авторов. Однако распространение задела представленного в этих работах на решение задач подповерхностного зондирования практически отсутствует. Недостаточная изученность применения методов радиоволновой поляриметрии к решению задач обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий, а также невозможность получения полных поляризационных характеристик (ПХ) без использования поляризационно-модулированных сигналов (ПМС) определяет актуальность задачи разработки поляризационных методов повышения контраста 1JJL1A и их идентификации на основе измерения поляризационных характеристик отраженных сигналов.
Недостаточная изученность применения методов радиоволновой поляриметрии к решению задач обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий, а также невозможность получения новых поляризационных характеристик (ПХ) без использования поляризационно-модулированных сигналов (ПМС) определяют актуальность научнотехнической задачи, заключающейся в разработке алгоритмов и устройств для информационно-измерительных систем, реализующих метод радиоволновой поляриметрии, для обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий.
Объект исследования представляет собой информационно-измерительную систему, предназначенную для решения задач обнаружения и идентификации подповерхностных диэлектрических аномалий.
Предметом исследования являются алгоритмы и устройства измерения поляризационных характеристик подповерхностных аномалий.
Целью работы является повышение эффективности ИИС для обнаружения и геометризации подповерхностных аномалий на основе измерения их поляризационных характеристик и физической интерпретации результатов измерений.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач, составляющих основные этапы исследования:
1. Формализация физико-геологической модели объектов исследования.
2. Разработка методики расчета электромагнитных полей (ЭМП) при зондировании подповерхностных аномалий.
3. Выбор и обоснование метода радиоволновой поляриметрии и целесообразности его применения для решения задач подповерхностного зондирования.
4. Анализ и выбор методов подавления мешающих отражений и повышения контраста подповерхностных объектов.
5. Обоснование требований к информационно измерительной системе и состава аппаратуры для решения задач идентификации подповерхностных аномалий методом радиоволновой поляриметрии.
6. Разработка методики натурных измерения и обработки их результатов для обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий.
7. Оценка достоверности разработанных методов радиоволновой поляриметрии на основе полевых испытаний.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Определена методика расчета электромагнитного поля при его распространении в слоистых средах.
2. Проведен теоретический анализ особенностей рассеяния ЭМП подповерхностными аномалиями.
3. Разработаны поляризационные методы повышения контраста подповерхностных объектов и компенсации мешающих отражений.
4. Разработаны принципы построения ИИС для подповерхностного зондирования.
5. Разработаны методики проведения полевых испытаний обработки результатов измерений для идентификации подповерхностных объектов.
Практическая ценность работы заключается:
1. В решении важной научно-технической задачи анализа полей рассеяния подповерхностными диэлектрическими аномалиями, что является основой при определении требований к разработке ИИС для подповерхностного зондирования.
2. В разработке подходов при построении ИИС для радиоволновой поляриметрии и методик проведения натурных измерений, обработки экспериментальных данных и физической интерпретации результатов измерений.
Достоверность получаемых результатов подтверждается:
— применением статистических методов радиолокационных измерений и электродинамических методов расчета электромагнитных полей рассеяния;
— обработка экспериментальных данных и сопоставлением их с теоретическими результатами проводилась при использовании методов математической статистики;
— публикацией основных положений работы в научно-технических изданиях.
Защищаемые положения и результаты.
На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
1. Методика и результаты расчета электромагнитного поля при решении задач подповерхностного зондирования.
2. Метод радиоволновой поляриметрии для обнаружения и идентификации подповерхностных аномалий.
3. Поляризационные методы повышения контраста подповерхностных аномалий и компенсации мешающих отражений.
— f.
4. Принципы построения информационно-измерительных систем для подповерхностного зондирования диэлектрических аномалий.
5. Методика проведения полевых испытаний и обработки результатов измерений.
6. Результаты анализа натурных измерений, их графическая и физическая интерпретация.
Методической основой выполненной работы служит реализация принципов геметрического частотного радиозондирования на свободной поверхности геометрической среды или искусственных сооружений ф бесконтактными способами.
Работа состоит из введения, 3-х разделов и заключения.
В первом разделе проведен анализ опыта, обоснование и разработки сисстем подповерхностного зондирования и проведена формализация физико-геметрических моделей объектов исследования. Проведен расчет электромагнитного поля системы излучателей расположенных на поверхности раздела двух сред. Представлена система дифференциальных уравнений и метод расчета ЭМП возбуждаемых излучателей в слоистых средах. На основе электродинамических методов дан анализ особенностей рассеяния ЭМП подземными аномалиями для рудной электроразведки и электромагнитном исследовании скважин. Даны рекомендации по определению глубины залегания верхней кромки пласта аномалии и выборы оптимальной длины зонда при исследовании скважин. Определены особенности распространения в грунте продольной и поперечной составляющей ЭМП в зависимости от частоты и диэлектрической проницаемости поглощающей среды и высоты подъема излучателя.
Во втором разделе дано обоснование требований к принципам построения информационно-измерительных систем. Обоснован метод радиоволновой поляриметрии, дана его электродинамическая и физическая интерпретация.
Предложен метод компенсации мощных отражений. Определены базовые выражения для оценки поляризационной анизотропии подповерхностных аномалий. Показаны возможности метода управления радиолокационным контрастом, метода ортогонализации и метода ~ компенсации для повышения отношения сигнал шум на входе приемной антенны информационно измерительной системы.
В третьем разделе обоснованы требования к выбору характеристик приемо-передающих устройств информационно-измерительной системы для подповерхностного измерения параметров подповерхностных аномалий.
Разработана методика натурных измерений и методика обработки экспериментальных данных. Приведены экспериментальные измерения в интересах решения гидрогеологических задач и дана графическая и физическая интерпретация результатов натурных измерений.
Основные результаты работы коротко охарактеризованы в заключении, там же приведены результаты по их практическому применению.
Основные результаты работы коротко охарактеризованы в заключении, там же приведены результаты по их практическому применению.
Работа выполнена на кафедре «Электронно-вычислительные машины и АСУ» в Тульском артиллерийском инженерном институте, в соответствии с плановыми научно-исследовательскими работами.
Реализация полученных результатов.
Алгоритмы, методы и устройства для расчета ЭМП рассеяния подповерхностными аномалиями и полевых измерений ПХ подповерхностных объектов внедрены в ОАО ЦКБА, г. Тула, ФГУП КБП, г. Тула.
В учебном процессе по кафедре «Радиолокационных средств» Тульского АИИ реализована методика расчета ЭМП излучения линейными антеннами и их распространение в поглощающих средах.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на НТК ТАИИ (2003г), НТК Тул. ГУ (2002г.), научно-технических конференциях НТО РЭС им. А. С. Попова в период с 2000 по 2005 г.
Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 16 печатных работах.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 164 страниц, 35 рисунков и 17 таблиц.
Список литературы
включает 105 наименований.
ВЫВОДЫ.
1. В результате анализа задач решаемых радиоволновым методом и особенностей распространения ЭМП в земной поверхности определен диапазон рабочих частот аппаратуры (0,06 — 60) МГц. Установлено, что глубинность исследований подповерхностных аномалий должна быть до (60 — 70) м во вмещающих средах с усредненным значением электропроводности.
2 4.
2−10″ - 10″) сим/м и относительной диэлектрической проницаемостью (5 -15).
Разрешающая способность РВМ по глубине должна быть: в интервале до 5м — не хуже 0,5мдо 20м — не хуже 2мдо 70м — не хуже Юм.
2. Учитывая, что одновременное выполнение указанных требований невозможно в одном составе аппаратуры. Предложены три варианта ее исполнения: для диапазона частот (0,06 — 1,25) МГцдля — (1,25), (2,25 — 18) МГцдля — (18), (31 — 62) МГц. Эти варианты могут использоваться для геометризации геологических разделов для глубин 60 м, 20 м и 5 м соответственно.
3. Особенности вариантов исполнения аппаратуры следующие. Антенны: для первого варианта — электрический диполь в виде многоэлементной стелящейся антенной решетки (приемная антенна магнитная) — для второго варианта — соответствует первому варианту и для третьего варианта — электрический диполь в виде 3-х элементной стелящейся решетки.
4. Чувствительность приемника, приведенная к 1мкВ входного напряжения при отношении сигнал/шум >20 дБ равна соответственно 500, 300 и 100 условных единиц отсчетного устройства.
5. разработаны структурные схемы приемо-передающих и антенных устройств для 3-х вариантов аппаратуры РЧ1-РЧЗ и определены варианты их исполнения.
6. Разработана методика поляриметрических измере5ний характеристик подповерхностных аномалий. Для этого применительно к каждой задаче исследований установлены: способы измерений, тип аппаратуры, технология наблюдений, расстояние между профилями и шаг измерений.
Методика предусматривает поляриметрические измерения в точке наблюдения как двух взаимно-ортогональных поляризационных базисах, так и для 2-х ортогональных ПБ.
7. Разработаны технологические схемы поляриметрических радиоволновых наблюдений позволяющих на основе измерения параметров характеризующих анизотропию подповерхностных аномалий определить их форму и глубину залегания.
8. Предложена методика обработки и интерпретации результатов измерений. Для этого, в зависимости от выбранной технологической схемы, определен перечень измеряемых поляризационных параметров и вычисляемых на основе измерений. В качестве параметров менее подверженных погрешности аппаратуры выбраны относительные поляризационные параметры. Эти параметры определяют соотношение между ЭВМ поперечной и продольной поляризации, взаимодействующих с исследуемой средой. Определен состав дополнительных информационных параметров.
9. При графической обработке результатов измерений и их интерпретации строились графики измеренных величин при профилировании и кривые изменения этих величин в зависимости от разноса установки при зондировании. Информационные параметры использовались для построения разделов (много-разностное профилирование, профильное зондирование) и планов.
Разделы и планы изолиний поляризационных отношений и коэффициентов поглощений являются наиболее наглядной и информированной формой информирования результатов исследований.
10. Интерпретация результатов измерений базировались на априорных представлениях о физико-геологических моделей излучаемых моделей. Аномалии поглощения ЭМВ распознаются в полях продольной и поперечной волн по кривым зондирования и графикам напряженности сигнала при профилировании.
11. Проведены экспериментальные измерения и обработка результатов измерений позволяли установить, что с помощью радиоволновой поляриметрии может производиться:
— выявление и определение глубин залегания горизонта грунтовых вод и нижележащих водоносных горизонтов, залегающих в породах осадочного чехля, а также оценка продуктивности водоносных горизонтов;
— выявление, геометрация и оценка продуктивности скоплений подземных вод трещинного типа;
— оценка степени минерализации подземных вод;
— определение примерного литологического состава пород зоны водоносной и водоупорной толщи;
— картирование элементов структурного и литологического контроля водонасменности разреза (западин в рельефе водоупоразол трещноватости, фациальной изменчивости пород).
Решение указанных задач позволяют производить поиск и разведку эрозионных явлений, определять возможные пути миграции промышленного и радиационного загрязнения подземных вод.
12. Предложена методика и интерпретация результатов РВЗ при обнаружении и распознавании малоразмерных подповерхностных аномалий при использовании поляризационных методов повышения контраста ДА.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Решение задач исследования особенностей расположения подповерхностных аномалий и их идентификации бесконтактным способом приводит к необходимости разработки информационно-измерительных систем подповерхностного зондирования, а их применение основано на использовании метода радиоволновой поляриметрии, который позволяет получить информацию как о структуре, так и форме подповерхностного объекта. Поэтому решение задач подповерхностного зондирования этим методом позволяет существенно повысить эффективность СПЗ. В результате теоретических и экспериментальных исследований при решении актуальной научно-технической задачи, направленной на разработку информационно-измерительной системы подповерхностного зондирования, включая методы измерения и обработки информационных параметров, получены следующие результаты:
1. Проведена формализация физико-геологических моделей ДА, в основу которой положены явления, касающиеся характерных форм, размеров, условий залегания объектов и сведения об электрических параметрах объектов и вмещающей среды — удельном электрическом сопротивлении и диэлектрической проницаемости;
2. Предложена методика расчета электромагнитных полей в слоистых средах с границами раздела сложной формы в виде определенных интегралов, как модификация операторного метода. На основе метода решены задачи определения поля бесконечности длинного кабеля с током, расположенного в двухслойной среде и определения поля диполя с током, расположенного в 2-х слойной следе со сложной поверхностью раздела;
3. Проведен расчет поля системы подповерхностного зондирования, для антенны в виде однородной линии вблизи поверхности земли. При этом определены продольное и поперечное волновых чисел. Вещественная и мнимая части Кх определяют соответственно фазовую характеристику волны и характеристику ее затухания и влияют на выбор длины провода и чувствительности приемных устройств. Вещественная линия части К связаны с фазой и ослаблением поля в направлении перпендикулярном направлению распространению волны в линии и среде, что влияет на оценку максимальных глубин ДА, обнаруживаемы в среде с параметром, высоты провода и потенциала установки;
4.Рассмотрено решение задач рассеяния ЭМП подземными аномалиями для рудной электроразведки и для электромагнитного метода исследования скважин. В первом случае была принята модель слоистой среды, исследовались аномальные поля от пластовых тел конечных размеров с различной проводимостью, с учетом: глубины погружения верхней кромки пласта, относительной мощности пласта, относительного размера по падению, относительного расстояния профиля наблюдения от дневной поверхности, относительного горизонтального смещения вдоль профиля, относительной электропроводности пласта и т. д.;
5.Получены базовые выражения для расчета ЭМП с учетом указанных параметров, проведены соответствующие расчеты, анализ которых показал, что индуктивные методы обладают достаточно большой разрешающей способностью по определению глубины залегания верхней крошки пласта для сравнительно небольших глубин погружения и относительной проводимости т<500. Искажения формы и величины аномалии, вызванные наличием дневной поверхности малы для слабоконтрастных слоев (т<10) и резко возрастают с увеличением у. Под плохо проводящим пластом аномалия.
Hf в 4 раза меньше и дает минимум на фоне нормального поля. Форма аномалии при т<1 более сложная за счет интерференциальных явлений;
6. Проведено электродинамическое решение задачи расчета ЭМП на оси скважины для модели «скважина-пакет конечной мощности» и дана оценка влияния скважины на величину поля в экстремальных точках. Для зондов небольшой длины это влияние велико (порядка 90%), с увеличением длины зонда достигает минимума (1−5)% и снова растет. Оптимальная длина зонда зависит от частоты поля. Необходимо выбирать оптимальный рабочий диапазон частот с учетом влияния скважины;
7. Рассмотрен и математически описан процесс формирования ЭМП в ближней зоне и сформирован виртуальный образ стелющихся антенн для анализа продольных и поперечных волн. Определенные поляризационные параметры ЭМП, позволяющие описывать поляризационные свойства подповерхностных аномалий. Определены условия связи приемной и передающей антенны через породный массив и проведена оценка искажения величины поляризационных параметров за счет изменения формы поверхности;
8. Приведена совокупность поляризационных параметров для идентификации ДА и показано, что при изменении взаимного положения антенны, исследуемого объекта и частоты зондирующего сигнала каждому подповерхностному объекту будет ставиться в соответствие четыре функции, зависящие от параметров поляризации и частоты. Изменение ортогональных компонент в четырех базисах позволяет получить поляризационную характеристику породного массива как в плане, так и в разделе;
9.Показано что, радиолокационный контраст отраженно сигнала, несущего полезную информацию на фоне аналогичного помехового сигнала, неполяризованных составляющих помехи и сигнала, а также собственных шумов приемника определяется отношением их мощностей и функционально зависит как от доли мощности поляризованной составляющей помехового сигнала в общей мешающей мощности, так и от угла между изображениями поляризованных составляющих сигнала и помехи на сфере Пуанкаре. При малых значениях мощности поляризованной составляющей помехового сигнала среднее значение выигрыша, который может быть реализован вследствие правильного выбора поляризации, близко к отношению мощности, приходящейся на информационную часть полезного сигнала к общей мощности вредных сигналов. С ростом мощности поляризованной составляющей помехи названное отношение уменьшается в два раза. Данный щ вывод относится к случаю равномерного распределения угла между поляризованными составляющими сигнала и помехи. При гауссовом характере такого изменения упомянутый средний выигрыш при малой мощности помехи остается таким же. При увеличении мощности скорость падения выигрыша происходит несколько быстрее, однако предельное значение остается прежним;
10. Суть метода поляризационной компенсации состоит в том, чтобы подавая в противофазе сигнал из второго канал в первый и, изменяя Ф коэффициент усиления передаточного тракта добиться уменьшения помехи в основном канале. Однако при этом одновременно с упомянутым уменьшением помехи происходит рост шумов в основном канале. Этот метод наиболее эффективен для помех, у которых поляризованная составляющая близка к ортогональной по отношению к такой же составляющей у полезного сигнала. Предельный выигрыш, получаемый при использовании поляризационно-компенсационного метода поляризационной селекции тождественен выигрышу, получаемому при правильном выборе антенны. Для компенсации затухания ЭМВ, отраженных от подповерхностного объекта предложена ввести временную автоматическую регулировку усиления, а для ф обеспечения требуемой разрешающей способности по глубине использование сложных сигналов. Проводится выбор и обоснование типов сложных сигналов;
11. В результате анализа задач решаемых радиоволновым методом и особенностей распространения ЭМП в земной поверхности определен диапазон рабочих частот аппаратуры (0,06 — 60) МГц. Установлено, что глубинность исследований подповерхностных аномалий должна быть до (60 — 70) м во вмещающих средах с усредненным значением электропроводности (2−10″ 2 — 10″ 4) сим/м и относительной диэлектрической проницаемостью (5 -15).
Разрешающая способность РВМ по глубине должна быть: в интервале до 5м — не хуже 0,5мдо 20м — не хуже 2мдо 70м — не хуже 1 Ом. Учитывая, что одновременное выполнение указанных требований невозможно в одном составе аппаратуры. Предложены три варианта ее исполнения: для диапазона Ф частот (0,06 — 1,25) МГцдля — (1,25), (2,25 — 18) МГцдля — (18), (31 — 62) МГц. Эти варианты могут использоваться для геометризации геологических разделов для глубин 60 м, 20 м и 5 м соответственно;
12. Разработаны структурные схемы приемо-передающих и антенных устройств для 3-х вариантов аппаратуры РЧ1-РЧЗ и определены варианты их исполнения;
13. Разработана методика поляриметрических измере5ний характеристик Щ' подповерхностных аномалий. Для этого применительно к каждой задаче исследований установлены: способы измерений, тип аппаратуры, технология наблюдений, расстояние между профилями и шаг измерений;
Методика предусматривает поляриметрические измерения в точке наблюдения как двух взаимно-ортогональных поляризационных базисах, так и для 2-х ортогональных ПБ.
14. Разработаны технологические схемы поляриметрических радиоволновых наблюдений позволяющих на основе измерения параметров характеризующих анизотропию подповерхностных аномалий определить их форму и глубину залегания;
15. Предложена методика обработки и интерпретации результатов измерений. Для этого, в зависимости от выбранной технологической схемы, определен перечень измеряемых поляризационных параметров и вычисляемых на основе измерений. В качестве параметров менее подверженных погрешности аппаратуры выбраны относительные поляризационные параметры. Эти параметры определяют соотношение между ЭВМ поперечной и продольной поляризации, взаимодействующих с исследуемой средой. Определен состав дополнительных информационных параметров;
16. При графической обработке результатов измерений и их интерпретации строились графики измеренных величин прт* профилировании и кривые изменения этих величин в зависимости от разноса установки при зондировании. Информационные параметры использовались для построения разделов (много-разностное профилирование, профильное зондирование) и планов;
Разделы и планы изолиний поляризационных отношений и коэффициентов поглощений являются наиболее наглядной и информированной формой информирования результатов исследований. Интерпретация результатов измерений базировались на априорных представлениях о физико-геологических моделей излучаемых моделей. Аномалии поглощения ЭМВ распознаются в полях продольной и поперечной волн по кривым зондирования и графикам напряженности сигнала при профилировании;
17. Проведены экспериментальные измерения и обработка результатов измерений позволяли установить, что с помощью радиоволновой поляриметрии может производиться:
— выявление и определение глубин залегания горизонта грунтовых вод и нижележащих водоносных горизонтов, залегающих в породах осадочного чехля, а также оценка продуктивности водоносных горизонтов;
— выявление, геометрация и оценка продуктивности скоплений подземных вод трещинного типа;
— оценка степени минерализации подземных вод;
— определение примерного литологического состава пород зоны водоносной и водоупорной толщи;
— картирование элементов структурного и литологического контроля водонасменности разреза (западин в рельефе водоупоразол трещноватости, фациальной изменчивости пород).
Решение указанных задач позволяют производить поиск и разведку эрозионных явлений, определять возможные пути миграции промышленного и радиационного загрязнения подземных вод;
18. Предложена методика и интерпретация результатов РВЗ при обнаружении и распознавании малоразмерных подповерхностных аномалий при использовании поляризационных методов повышения контраста ДА.