В 2011 году в научной станции РАН были начаты исследования возможности применения шумоподобных сигналов (ШПС) в системах активной геоэлектроразведки.
На первом этапе (2011 – 2013 гг.) проводился анализ теоретических предпосылок для эффективного применения шумоподобных сигналов (ШПС) в геоэлектроразведочной аппаратуре применительно к задачам электромагнитного мониторинга напряженно-деформированного состояния земной коры. В течение этого времени был проведен комплекс работ по математическому моделированию работы геоэлектроразведочной аппаратуры с применением ШПС. Моделирование проводилось при помощи специально разработанной программы, которая в дальнейшем послужила прототипом программы обработки регистрационных данных геоэлектроразведочного измерительного комплекса с шумоподобными зондирующими сигналами. Для подтверждения теоретических предпосылок был изготовлен первый экспериментальный образец электроразведочного измерительного комплекса с шумоподобными сигналами (ЭРК ШПС) (рис. 1). Для проведения лабораторных и полевых испытаний макетного образца ЭРК ШПС, была проведена разработка специального программного обеспечения состоящего из двух программ: программы регистрации сигналов ЭРК ШПС (BBSRegistrator) и программы просмотра и первичной обработки сигналов ЭРК ШПС (BBSViewer).
Рис. 1 Схема структурно-функциональная и внешний вид электроразведочного измерительного комплекса с шумоподобными сигналами:
ИР – индукционная зондирующая рамка (7), ИДС – индукционный датчик сигналов (4); БУРС – блок управления и регистрации сигналов (1); БУФС – блок усиления и фильтрации сигналов (2); ГЗС – генератор зондирующих сигналов (5); БОТ – блок ограничения тока (6); ФГС –формирователь градуировочных сигналов (3); ПК – персональный полевой компьютер (Notebook, 8)
Результаты, полученные при математическом моделировании аппаратуры, показали, что применение шумоподобных сигналов многократно (в 100 раз и более) улучшает соотношение сигнал/(шум плюс помехи) на выходе измерительной системы с ШПС по сравнению с традиционными методами зондирования земной коры, использующими детерминированные зондирующие сигналы в виде последовательностей прямоугольных импульсов тока с постоянной длительностью и паузами между ними. Первые испытания изготовленного в 2012-2013 годах экспериментального образца ЭРК ШПС в полевых условиях в основном подтвердили результаты математического моделирования, но дальнейшие более тщательные исследования, выявили особенности применения ШПС в геоэлектроразведочной аппаратуре. После корреляционной обработки зарегистрированных полевых сигналов были обнаружены так называемые «структурные помехи» в виде импульсных сигналов очень малой амплитуды (на 3 – 5 порядков меньше максимального значения, получаемого после корреляционной обработки и накопления сигнала становления поля) располагаемые вдоль всей кривой становления поля (рис. 2).
Рис. 2 Пример «структурных помех» на участке кривой становления поля
Название эти сигналы получили благодаря тому, что их появление связано со структурой и типом используемых для зондирования шумоподобных биполярных М- последовательностей прямоугольных импульсов. Не смотря на малую величину «структурные помехи» могут стать ограничением при регистрации и обработке слабых сигналов становления поля, наблюдаемых на земной поверхности от объектов (слоев), расположенных на больших глубинах.
Дальнейшие исследования и разработки по теме были направлены на выявление предполагаемых причин появления «структурных помех» и изучение их свойств с целью нахождения способов снижения их влияния на результаты обработки сигналов. В 2014 – 2016 годах такие исследования были проведены на математических моделях и с помощью физического моделирования на специальном имитаторе сигналов. Для исследования природы возникновения обнаруженных помех и путей борьбы с ними потребовался пересмотр структуры и возможностей ранее разработанной математической модели электроразведочной системы с шумоподобными сигналами. В результате была разработана новая программа BBSViewerM для математического моделирования работы измерительного комплекса ЭРК ШПС. Усовершенствованная программа предназначалась для продолжения исследования возможности и особенностей применения шумоподобных зондирующих сигналов в системах активной электроразведки земной коры в сравнении с типовыми системами, использующими для зондирования детерминированные биполярные последовательности токовых импульсов с постоянной длительностью. В новой программе были реализованы математические модели электроразведочных систем с шумоподобными и детерминированными последовательностями зондирующих импульсов, обеспечена возможность тонкой настройки параметров моделей таких как: вид и характеристики зондирующих последовательностей импульсов; параметры внешних шумов и помех; вид и параметры импульсной и переходной характеристик зондируемой среды и др. В процессе разработки программы были созданы математические модели «структурных помех», действие которых хорошо согласовывалось с наблюдаемыми эффектами при корреляционной обработке реальных сигналов в измерительном комплексе ЭРК ШПС.
В результате были выявлены три причины появления «структурных помех»:
1) нелинейность передаточной характеристики измерительного тракта, включая объект исследования – земную кору;
2) импульсные помехи от работы цифровых схем измерительного комплекса, проникающие через паразитные цепи в измерительный тракт;
3) дискретность получаемых регистрационных данных.
Среди трех выше указанных причин появления «структурных помех» дискретность регистрационных данных вносит наименьший вклад и «структурные помехи» вызванные этой причиной могут быть значительно снижены за счет повышения разрядности используемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП). С пролезающими в измерительный канал сигналами от работы силовой зондирующей установки и цифровых схем измерительного комплекса также существуют способы защиты (максимальное разнесение в пространстве силовой части зондирующей установки и приемно-регистрирующего измерительного канала, использование для передачи управляющих сигналов гальвано и опторазвязывающих линий связи). Влияние нелинейности измерительной и зондирующих частей аппаратуры на уровень «структурных помех» также можно снизить, используя для ее реализации электронную элементную базу, обладающую минимальной нелинейностью передаточных характеристик. А вот повлиять на нелинейный характер объекта исследования (земной коры) не представляется возможным.
В 2015 году был разработан малогабаритный, термостабильный индукционный датчик, предназначенный для измерения потока магнитной индукции, обладающий высокой чувствительностью в диапазоне частот от 0,1 Гц до 80 кГц (рис. 3).
Рис. 3 Конструкция индукционного датчика:
1 – ферромагнитный сердечник, 2 – секции измерительной катушки, 3 – резиновый уплотнитель, 4 – градуировочная катушка, 5 – предварительный усилитель, 6 – разъем, 7 – внешний корпус, 8 –внутренний корпус (экран), 9 – фиксирующий цилиндр, 10 – заглушка, 11 – дополнительная безиндуктивная катушка
Технический результат разработки заключается в значительном повышении постоянной интегрирования при сохранении высокой температурной стабильности коэффициента преобразования датчика. Изготовлен макетный образец датчика, который был включен в состав изготовленного измерительного комплекса ЭРК ШПС. Разработанный датчик может быть применен в любой геоэлектроразведочной аппаратуре, основанной на измерении искусственных и естественных электромагнитных полей. Выполненная разработка защищена патентом РФ № 168302 от 30.01.2017 г. на полезную модель «Широкополосный термостабильный измеритель индукции магнитного поля».
В 2017 году был изготовлен второй экспериментальный образец измерительного комплекса с улучшенными техническими характеристиками (рис. 4).
Рис. 4 Внешний вид измерительного канала нового макетного образца ЭРК ШПС:
1 - индукционный датчик сигналов (ИДС); 2 - формирователь градуировочных сигналов (ФГС); 3 – блок питания индукционного датчика сигналов (БПИДС); 4 - блок фильтрации сигналов (БФС); 5 - блок управления и регистрации сигналов (БУРС); 6 - блок питания БУРС (БПБУРС)
Практически полной переработке подвергся блок управления и регистрации сигналов (БУРС), пересмотрены также и другие схемотехнические решения, позволяющие улучшить технические параметры измерительного комплекса. Работа БУРС осуществляется под управлением программы регистрации сигналов ЭРК ШПС – BBSRegistrator. Основной целью программы является управление режимами работы БУРС и обеспечение регистрации и сохранения в памяти микроконтроллера оцифрованных данных с дальнейшей передачей их во внешний компьютер для последующей обработки. Изменение режимов работы и логической структуры управляющих сигналов нового БУРС потребовали разработки новой программы регистрации сигналов. Изменения также коснулись программы обработки зарегистрированных данных ЭРК ШПС. Основной задачей программы является получение кривой становления поля путем прямого вычисления взаимной корреляционной функции (ВКФ) между зарегистрированным на приемной стороне откликом среды на зондирующие импульсные шумоподобные последовательности (М–последовательность) и зондирующей одиночной М-последовательностью. С целью получения возможности оперативного сравнения результатов лабораторных и полевых экспериментов с наиболее приближенными к ним результатами математического моделирования было решено объединить программу обработки зарегистрированных данных и программу математического моделирования. Новая программа получила название “программа математического моделирования и обработки данных ЭРКШПС” - BBS_ViewerM_NR.
Результаты лабораторного эксперимента по измерению соотношения сигнал-помеха Ас/Ап (рис. 5) для двух макетных образцов ЭРК ШПС показали повышенное на 22 дБ (в 12,6 раза) соотношения сигнал-помеха измеренное для нового макета ЭРК ШПС по сравнению с ранее изготовленным.
Рис. 5 Фрагменты выходного сигнала после корреляционной обработки (графики накопленной ВКФ, масштаб по вертикальной оси 1:130000): a) для ранее изготовленного макета ЭРК ШПС; б) для нового макета ЭРК ШПС
В результате математического моделирования нелинейностей передаточных характеристик земной коры и измерительной аппаратуры, применительно к создаваемому в НС РАН новому электроразведочному измерительному комплексу с шумоподобными сигналами (ЭРК ШПС), получена линейная зависимость между амплитудой так называемой «структурной помехи», появляющейся на выходе измерительного комплекса после корреляционной обработки зарегистрированных сигналов и коэффициентом нелинейных искажений сигналов в измерительной системе, включающей модель земной коры и измерительную аппаратуру. Поэтому возникла идея наряду с наличием отрицательного влияния «структурных помех» (снижение динамического диапазона регистрируемых сигналов) использовать положительные их свойства, а именно, измеряя уровень этих помех проводить оценку нелинейности объекта исследования (передаточной характеристики земной коры) и применить эту характеристику в дополнение к кажущемуся электрическому сопротивлению горных пород, получаемому при электромагнитном мониторинге напряженно-деформированного состояния земной коры. Идея была математически смоделирована. Результаты такого моделирования показали, что на фоне больших (1%), но стабильных (фиксированных) нелинейных искажений сигналов в аппаратурной части измерительного тракта возможно контролировать очень малые вариации (0,001%) нелинейных искажений сигналов в земной коре. Этот факт требует подтверждения на аппаратуре с использованием физического моделирования нелинейностей и в реальных полевых условиях регистрации сигналов становления поля. В дальнейшем эту работу планируется продолжить.
В 2018 году работы по разработке и изготовлению экспериментального образца измерительного комплекса были приостановлены из-за появившейся возможности приобретения и использования современных технологий (новая элементная база: высокоскоростные многоразрядные модули АЦП, программируемые логические модули на базе программируемых логических микросхем) позволяющих сократить на порядок сроки разработки и изготовления аппаратуры.
В 2018 году были проведены доработки аппаратуры измерительного комплекса ЭРК ШПС, направленные на повышение его технических и эксплуатационных характеристик. Изменения коснулись индукционного датчика, блока управления и регистрации сигналов. В результате доработки блока управления и регистрации сигналов потребовалась существенная переработка программного кода программы регистрации сигналов – BBSRegistrator. В 2018 году на данную программу было получено свидетельство Российской Федерации о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018614565.
В конце 2018 года удалось выполнить лабораторные и полевые испытания частично переделанной аппаратуры измерительного комплекса. Была выполнена серия сеансов по регистрации сигналов становления поля в трех различающихся по геологии точках на поверхности земной коры. По данным регистрации для выбранных точек на поверхности земной коры построены зависимости кажущегося удельного электрического сопротивления горных пород от времени становления поля ρτ(t) (рис. 6). Выявлены существенные отличия полученных зависимостей ρτ(t) для разных точек на земной поверхности, свидетельствующие о различии электрической структуры земной коры в точках измерения, что позволяет использовать ρτ(t) в качестве основного контролируемого параметра при проведении электромагнитного мониторинга земной коры с помощью нового измерительного комплекса.
Рис. 6 Результирующие графики кривых кажущегося удельного сопротивления для трех точек земной поверхности с различной геологией: «Полигон», «Панорама» и «Беш‑Кунгей»
Проведение в 2018 году лабораторных и полевых экспериментов с макетным образцом измерительного комплекса ЭРК ШПС по определению контролируемых параметров для осуществления электромагнитного мониторинга земной коры потребовало добавления новых возможностей в программу обработки данных модельных, лабораторных и полевых экспериментов - BBS_ViewerM_NR. Для оперативной обработки и анализа данных в программу была добавлена возможность вычисления кривой кажущегося удельного сопротивления земной коры. В 2018 году на данную программу было получено свидетельство Российской Федерации о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018614566.
В 2019 году были разработаны и изготовлены новые генератор зондирующих сигналов, блок ограничения тока и новая приемная индукционная рамка.
Разработка новых блоков ГЗС и БОТ позволила увеличить максимальную коммутируемую мощность в индукционной зондирующей рамке на три порядка (с 80 Вт до 90000 Вт). Разработка методики расчета технических характеристик и параметров приемной индукционной рамки позволила изготовить новую усовершенствованную рамку, шумовое сопротивление которой уменьшено в 300 раз по сравнению с образцом, разработанным в 2012-2013 годах.
Выполнена доработка программной части измерительного комплекса ЭРК ШПС, включающая корректировку программы регистрации сигналов BBS_Registrator и программы обработки данных модельных, лабораторных и полевых экспериментов BBS_ViewerM_NR а также разработку новых версий данных программ (BBS_RegistratorADD, BBS_ViewerM_NR_ADD) предназначенных для работы с новым алгоритмом синхронного накопления регистрируемых данных в режиме реального времени реализованным в программе BBS_RegistratorADD.
Реализация нового алгоритма накопления данных позволила увеличить частоту дискретизации примерно в 4,7 раза (с 350 КГц до 1638,4 КГц). Новый алгоритм позволяет существенно снизить объем получаемых данных с сохранением длительности регистрации (и количества накоплений) что позволяет повысить оперативность обработки и анализа регистрируемых данных в полевых условиях при сохранении минимальных системных требований к полевому компьютеру.
В течение 2018 – 2019 гг. была разработана новая эскизная техническая документация на все блоки измерительного комплекса с учетом приобретенной новой элементной базы.
Согласно разработанной эскизной технической документации в 2019 году был изготовлен один экспериментальный образец измерительного комплекса с шумоподобными зондирующими сигналами (ЭРК ШПС) (рис. 7), обладающий техническими характеристиками, позволяющими проводить отработку новой технологии глубинной активной электроразведки земной коры применительно к электромагнитному мониторингу ее напряженно-деформированного состояния при низких энергозатратах на зондирование (порядка 300 Вт).
Рис. 7 Новый макетный образец ЭРКШПС. В комплект ЭРК ШПС входят:
1 – зондирующая индукционная рамка (показана в смотанном виде); 2 – индукционный датчик; 3 – генератора зондирующих сигналов; 4 – ноутбук со специально разработанным программным обеспечением (BBS_RegistratorADD и BBS_ViewerADD); 5 – блок управления и регистрации сигналов; 6 – блок градуировки измерительного канала; 7 – блок ограничения тока; приемная индукционная рамка с предварительным усилителем (на фотографии не показана)
В результате использования современной элементной базы и новых технологий при разработке аппаратуры значительно повышены технические и эксплуатационные характеристики измерительного комплекса. Увеличен с 90 до 110 дБ динамического диапазона регистрируемых сигналов. Расширен частотный диапазон принимаемых сигналов с 1 Гц до 0,25 Гц в области низких частот и с 20 кГц до 130 кГц в области высоких частот, что увеличило возможности аппаратуры по контролю динамических процессов протекающих как на малых так и на больших глубин земной коры. Расширились функциональные и улучшились эксплуатационные возможности создаваемой аппаратуры. Сократилось количество блоков в составе измерительного комплекса, в десять раз снизилась мощность, потребляемая измерительным каналом ЭРК ШПС от аккумуляторных батарей.
В 2019 году были проведены полевые испытания с изготовленным экспериментальным образцом ЭРК ШПС на ближайшей к НСРАН испытательной точке «Полигон» и проведено сравнение с результатами полученными на этой точке в 2018 году. Не смотря на не очень хорошую помеховую обстановку на экспериментальной точке был получен эффект повышения соотношения сигнал - помеха в 16,5 раз на новом полностью доработанном экспериментальном комплексе по сравнению с данными полученными в конце 2018 год.
Проведена серия полевых экспериментов с новым макетным образцом ЭРК ШПС по отработке новой технологии активной электроразведки земной коры с применением шумоподобных зондирующих сигналов применительно к электромагнитному мониторингу ее напряженно-деформированного состояния.
Проведенные эксперименты показали, что среднеквадратичный уровень шумов на кривой становления поля превышает среднеквадратичный уровень шума измерительного канала в 4,75 раза. На фоне помех и шумов визуально четко выделяется кривая становления поля вплоть до больших времен (больших глубин), что позволит в дальнейшем применяя алгоритмы аппроксимации данной кривой повысить качество получаемых кривых кажущегося удельного сопротивления земной коры.
