RU2207596C2

RU2207596C2 - Measuring device for geological electric prospecting

Info

Publication number: RU2207596C2
Application number: RU2001120399A
Authority: RU
Inventors: А.И. Человечков; А.Д. Коноплин; Н.С. Иванов; П.Ф. Астафьев; В.С. Вишнев; А.Г. Дьяконова
Original assignee: Институт геофизики Уральского отделения РАН
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2003-06-27

Abstract

FIELD: frequency sounding with natural and artificial magnetic and electric excitation of electromagnetic field. SUBSTANCE: measuring device is predominantly intended for measurement of intensity of spectral components of series of harmonics of electromagnetic field utilized in investigation of upper part of the Earth's crust. Measuring device has five channels. Each channel includes transmitter, band-pass filter, attenuator and synchronous filter connected in series, interface connected with information inputs to control buses of attenuator, to bus setting frequency and to output of analog-to-digital converter and with output to input of information storage circuit, code-controlled frequency divider connected with information input to output of master generator, with control input to control input of band-pass filters and bus setting frequency and with output to control inputs of synchronous filters through first pulse counter, frequency divider, second pulse counter and analog commutator connected with output to information input of analog-to-digital converter, with information inputs to outputs of synchronous filters and with control input to output of second pulse counter connected with input to control input of analog-to-digital converter and to output of frequency divider connected with input to output of master generator. EFFECT: enhanced noise immunity and expanded functional potential of device. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительным устройствам для частотных зондирований с естественным и искусственным магнитным и электрическим возбуждением электромагнитного поля. Область преимущественного применения - измерения интенсивности спектральных составляющих ряда гармоник поля, используемых при исследованиях верхней части земной коры. The invention relates to measuring devices for frequency sounding with natural and artificial magnetic and electric excitation of an electromagnetic field. The field of predominant application is the measurement of the intensity of the spectral components of a number of field harmonics used in studies of the upper part of the earth's crust.

Известно измерительное устройство аудиомагнитотеллурического зондирования [1], в котором осуществляют измерения в узкой полосе частот. Достоинство этого устройства состоит в возможности настройки на частоты резонатора Земля - ионосфера, на которых уровень естественного электромагнитного поля относительно высок в узкой (несколько Гц) полосе частот. Однако известное устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что запись информации осуществляется на бумажный носитель с дальнейшей обработкой методом видимых амплитуд со значительными погрешностями и невозможностью определения временных соотношений декартовых составляющих электромагнитного поля. A known device for audiomagnetotelluric sounding [1], which carry out measurements in a narrow frequency band. The advantage of this device is the ability to tune the frequency of the Earth - ionosphere resonator, at which the level of the natural electromagnetic field is relatively high in a narrow (several Hz) frequency band. However, the known device has a significant drawback, namely, that information is recorded on paper with further processing by the method of visible amplitudes with significant errors and the inability to determine the temporal relationships of the Cartesian components of the electromagnetic field.

Известно также измерительное устройство для геоэлектроразведки [2], оснащенное микропроцессором и использующее запись поля в узкой полосе частот. Однако это устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что позволяет производить только модульные измерения без определения временных соотношений декартовых составляющих электромагнитного поля. Also known is a measuring device for geoelectrical exploration [2], equipped with a microprocessor and using field recording in a narrow frequency band. However, this device has a significant drawback in that it allows only modular measurements to be made without determining the temporal relationships of the Cartesian components of the electromagnetic field.

Наиболее близким техническим решением является измерительное (приемное) устройство для геоэлектроразведки, входящее в устройство для геоэлектроразведки [3] . В известное измерительное устройство входят последовательно соединенные блок фильтров, широкополосный усилитель, детектор с регистратором и последовательно соединенные градуировочный генератор, калибровочный делитель напряжения и приемник сигналов. В известном техническом решении повышается точность измерений за счет сравнения измеряемого сигнала с эталонным напряжением. Однако известное устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что позволяет осуществлять измерения только на одной частоте (гармонике) и при этом не определяются временные соотношения между декартовыми составляющими, т.е. осуществляются только модульные измерения. The closest technical solution is the measuring (receiving) device for geoelectrical exploration included in the device for geoelectrical exploration [3]. The known measuring device includes a series-connected filter unit, a broadband amplifier, a detector with a recorder and series-connected calibration generator, a voltage calibration divider and a signal receiver. In the known technical solution, the accuracy of measurements is improved by comparing the measured signal with a reference voltage. However, the known device has a significant drawback, namely, that it allows measurements to be made only at one frequency (harmonic), and at the same time, the time relationships between the Cartesian components are not determined, i.e. only modular measurements are made.

Цель предлагаемого изобретения - повышение помехоустойчивости и расширение функциональных возможностей. Поставленная задача достигается тем, что в измерительном устройстве для геоэлектроразведки, содержащем пять каналов, каждый их которых состоит из последовательной цепи датчика, полосового фильтра, аттенюатора и синхронного фильтра, интерфейс, подключенный информационными вводами к шинам управления аттенюаторов, шине задания частоты и выходу аналого-цифрового преобразователя, а выходом к входу накопителя информации, кодоуправляемый делитель частоты, соединенный информационным входом с выходом задающего генератора, входом управления со входом управления полосовых фильтров и шиной задания частоты, а выходом через первый счетчик импульсов ко входам управления синхронных фильтров, дополнительно введены делитель частоты, второй счетчик импульсов и диалоговый коммутатор, подключенный выходом к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, информационными входами к выходам синхронных фильтров, а входом управления к выходу второго счетчика импульсов, соединенного входом со входом управления аналого-цифрового преобразователя и с выходом делителя частоты, подсоединенного входом к выходу задающего генератора и к информационному входу кодоуправляемого делителя частоты. The purpose of the invention is to increase noise immunity and expansion of functionality. The task is achieved in that in the measuring device for geoelectrical exploration, containing five channels, each of which consists of a serial sensor circuit, a bandpass filter, an attenuator and a synchronous filter, an interface connected by information inputs to the control buses of the attenuators, the frequency reference bus and the analog output digital converter, and an output to the input of the information storage device, a code-controlled frequency divider connected by an information input to the output of the master oscillator, the control input with the control input of bandpass filters and the frequency reference bus, and the output through the first pulse counter to the control inputs of synchronous filters, an additional frequency divider, a second pulse counter and an interactive switch connected to the information input of the analog-to-digital converter, information inputs to the outputs of the synchronous filters and the control input to the output of the second pulse counter connected by the input to the control input of the analog-to-digital converter and the output of the frequency divider, p connected by an input to the output of the master oscillator and to the information input of a code-controlled frequency divider.

На фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства. На фиг.2 для примера дана возможная схема одного синхронного фильтра. Figure 1 shows the structural diagram of the proposed device. Figure 2 shows, for example, a possible circuit of one synchronous filter.

Устройство содержит датчики пяти Вx, By, Bz, Еx, Еу декартовых составляющих электромагнитного поля 1-1÷1-5, полосовые фильтры 2-1÷2-5, аттенюаторы 3-1÷3-5, синхронные фильтры (СФ) 4-1÷4-5, шины управления 5-1÷5-5, аналоговый коммутатор 6, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 7, интерфейс 8, накопитель информации 9 (например, персональный компьютер типа Note book), задающий генератор 10, кодоуправляемый делитель частоты (КУДЧ) 11, первый счетчик импульсов 12, шину управления 13, делитель частоты 14, второй счетчик импульсов 15. В синхронный фильтр входят резистор 16, коммутатор 17, конденсаторы 18÷33. The device contains sensors of five Bx, By, Bz, Ex, Eu Cartesian components of the electromagnetic field 1-1 ÷ 1-5, bandpass filters 2-1 ÷ 2-5, attenuators 3-1 ÷ 3-5, synchronous filters (SF) 4 -1 ÷ 4-5, control buses 5-1 ÷ 5-5, analog switch 6, analog-to-digital converter (ADC) 7, interface 8, information storage device 9 (for example, a personal computer of the Note book type), the master oscillator 10, code-controlled frequency divider (KUDCH) 11, first pulse counter 12, control bus 13, frequency divider 14, second pulse counter 15. The synchronous filter includes a resistor 16, commutation torus 17, capacitors 18 ÷ 33.

В предлагаемом устройстве пять последовательных цепей, каждая из которых состоит из датчика 1-к, полосового фильтра 2-к, аттенюатора 3-к и синхронного фильтра 4-к, где к=1, 2, 3, 4, 5 - номер канала. Информационные входы аналогового коммутатора 6 соединены с выходами синхронных фильтров 4-к. Информационные входы интерфейса 8 подключены к выходу АЦП 7, к шинам управления 5-к и ко входам управления цифрового аттенюатора 3-к, к шине управления 13 и ко входам управления полосовых фильтров 2-к, а вход управления - к выходу второго счетчика импульсов 15 и ко входу управления аналогового коммутатора 6. Накопитель информации 9 подсоединен к выходу интерфейса 8. КУДЧ 11 установлен между задающим генератором 10 и первым счетчиком импульсов 12, подключенным выходом ко входам управления синхронных фильтров 4-к. Делитель частоты 14 установлен между задающим генератором 10 и входом второго счетчика импульсов 15 и входом упражнения АЦП 7. АЦП 7 информационным входом подсоединен к выходу аналогового коммутатора 6. In the proposed device, five serial circuits, each of which consists of a 1-k sensor, a 2-k bandpass filter, a 3-k attenuator, and a 4-k synchronous filter, where k = 1, 2, 3, 4, 5 is the channel number. The information inputs of the analog switch 6 are connected to the outputs of the synchronous filters 4-k. The information inputs of interface 8 are connected to the output of the ADC 7, to the control buses 5-k and to the control inputs of the digital attenuator 3-k, to the control bus 13 and to the control inputs of the bandpass filters 2-k, and the control input to the output of the second pulse counter 15 and to the control input of the analog switch 6. The information storage device 9 is connected to the output of the interface 8. KUCH 11 is installed between the master oscillator 10 and the first pulse counter 12, connected by the output to the control inputs of the synchronous filters 4-k. A frequency divider 14 is installed between the master oscillator 10 and the input of the second pulse counter 15 and the input of the ADC exercise 7. The ADC 7 is connected to the output of the analog switch 6 by the information input.

Устройство работает следующим образом. Положим измеряемые декартовые составляющие Вх, By, Вz, Ех, Еу электромагнитного поля, без учета электромагнитных помех, определяются следующими выражениями:

где B_bx;i, B_by;i, B_bz;i - соответственно амплитуды магнитной индукции декартовых составляющих х, у и z гармоники - i полезного сигнала частоты Ω, E_ex;i, E_ey;i - соответственно амплитуды электрической напряженности составляющих х, у гармоники - i полезного сигнала частоты Ω, φ_bx,i, φ_by,i, φ_bz,i, φ_eх,i, φ_ey,i - начальные фазы гармоники - i полезного сигнала частоты Ω, n₂ - целое положительное число.The device operates as follows. We put the measured Cartesian components Bx, By, Bz, Ex, Eu of the electromagnetic field, excluding electromagnetic interference, are determined by the following expressions:

where B _{bx; i} , B _{by; i} , B _{bz; i} are the amplitudes of the magnetic induction of the Cartesian components x, y and z of the harmonic are i of the useful signal of frequency Ω, E _{ex; i} , E _{ey; i} are the amplitudes of the electric intensity of the components x, the harmonics - i of the useful signal of frequency Ω, φ _{bx, i} , φ _{by, i} , φ _{bz, i} , φ _{ex, i} , φ _{ey, i} - the initial phases of the harmonic - i of the useful signal of frequency Ω, n ₂ - integer positive number.

Выходные сигналы датчиков 1-1÷1-5 определяются следующими выражениями:

где S_x, S_y, S_z соответственно эффективные площади датчиков 1-1÷1-3, l_x, l_y - эффективные длины датчиков 1-4÷1-5, U_m1,i = S_xiΩ•B_bx,i, U_m2,i = S_yiΩ•B_by,i, U_m3,i = S_ziΩ•B_bz,i, U_m4,i = l_x•E_ex,i, U_m5,i = l_y•E_ey,i - амплитуды выходных напряжений i - гармоники датчиков 1-1÷1-5.The output signals of the sensors 1-1 ÷ 1-5 are determined by the following expressions:

where S _x , S _y , S _z, respectively, the effective area of the sensors 1-1 ÷ 1-3, l _x , l _y are the effective lengths of the sensors 1-4 ÷ 1-5, U _{m1, i} = S _x iΩ • B _{bx, i} , U _{m2, i} = S _y iΩ • B _{by, i} , U _{m3, i} = S _z iΩ • B _{bz, i} , U _{m4, i} = l _x • E _{ex, i} , U _{m5, i} = l _y • E _{ey, i} - amplitudes of output voltages i - harmonics of sensors 1-1 ÷ 1-5.

Выходные напряжения датчиков 1-1÷1-5 поступают на полосовые фильтры 2-1÷2-5, имеющих коэффициенты усиления k_2-1÷k_2-5, в полосе частот от Ω до n₂Ω/2. Полоса частот задается кодом, поступающим на входы управления полосовых фильтров 2-1÷2-5 с шины управления 13. Выходные напряжения полосовых фильтров 2-1÷2-5 через аттенюаторы 3-1÷3-5 с коэффициентами ослабления k_3-1÷k_3-5 подаются на информационные входы синхронных фильтров 4-1÷4-5. Коэффициенты ослабления k_3-1÷k_3-5 аттенюаторов задаются кодами, поступающими на входы управления с шин управления 5-1÷5-5.The output voltages of the sensors 1-1 ÷ 1-5 are supplied to the bandpass filters 2-1 ÷ 2-5, having gains k _2-1 ÷ k _2-5 , in the frequency band from Ω to n ₂ Ω / 2. The frequency band is set by the code supplied to the control inputs of the bandpass filters 2-1 ÷ 2-5 from the control bus 13. The output voltages of the bandpass filters 2-1 ÷ 2-5 through the attenuators 3-1 ÷ 3-5 with attenuation coefficients k _3-1 ÷ k _3-5 are fed to the information inputs of synchronous filters 4-1 ÷ 4-5. The attenuation coefficients k _3-1 ÷ k _3-5 attenuators are set by codes received at the control inputs from control buses 5-1 ÷ 5-5.

В синхронных фильтрах 4-1÷4-5 осуществляется выделение гармоник частоты полезного сигнала. Для этого на управляющие входы синхронных фильтров 4-1÷4-5 поступает переменный код N₁(t) (фиг.1 и 2). Переменный код изменяется с частотой n₂Ω и в результате каждый конденсатор (18÷33) последовательно подключается на интервал времени Δt = 2π/n₂Ω к резистору 16. В примере, приведенном на фиг.2, n₂ = 16, a k - номер канала (k = 1, 2, 3, 4, 5). Через интервал времени T = 2π/Ω процесс повторяется и т.д. В результате на конденсаторах в установившемся режиме образуются напряжения, равные, без учета погрешности, мгновенным значениям входного сигнала.In synchronous filters 4-1 ÷ 4-5, the harmonics of the frequency of the useful signal are extracted. For this, the control inputs of synchronous filters 4-1 ÷ 4-5 receive an alternating code N ₁ (t) (Figs. 1 and 2). The variable code changes with a frequency of n ₂ Ω and as a result, each capacitor (18 ÷ 33) is connected in series for a time interval Δt = 2π / n ₂ Ω to the resistor 16. In the example shown in figure 2, n ₂ = 16, ak - channel number (k = 1, 2, 3, 4, 5). After a time interval T = 2π / Ω, the process repeats, etc. As a result, voltages are formed on the capacitors in the steady state, equal, without taking into account the error, to the instantaneous values of the input signal.

На выходах синхронных фильтров 4-1÷4-5 снимаются напряжения, пропорциональные мгновенным значениям измеряемых декартовых составляющих электромагнитного поля. Эти напряжения поступают на информационные входы аналогового коммутатора 6, на управляющий вход которого подается переменный код N₂(t) с выхода второго счетчика импульсов 15.At the outputs of synchronous filters 4-1 ÷ 4-5, voltages are proportional to the instantaneous values of the measured Cartesian components of the electromagnetic field. These voltages are fed to the information inputs of the analog switch 6, to the control input of which an alternating code N ₂ (t) is supplied from the output of the second pulse counter 15.

Переменный код N₂(t) изменяется по времени с частотой Ω₂ = ω₀/N_g, где ω₀ - частота задающего генератора 10, N_g - коэффициент деления делителя частоты 14 и процесс повторяется с частотой Ω_H = Ω₂/N_c2, где N_c2 - емкость второго счетчика импульсов 15.The variable code N ₂ (t) changes in time with a frequency of Ω ₂ = ω ₀ / N _g , where ω ₀ is the frequency of the master oscillator 10, N _g is the division coefficient of the frequency divider 14, and the process is repeated with the frequency Ω _H = Ω ₂ / N _c2 , where N _c2 is the capacity of the second pulse counter 15.

В результате аналоговый коммутатор 6 осуществляет периодическое подключение с частотой Ω_H каждого из выходов синхронных фильтров 4-1÷4-5 ко входу аналого-цифрового преобразователя 7 на интервал времени Δt₂ = 2π/Ω₂. Перепадами напряжения с выхода делителя частоты 14 осуществляется синхронизация аналого-цифрового преобразователя 7. За интервал времени Δt₂ = 2π/Ω₂ в АЦП 7 осуществляется преобразование мгновенного значения одного выходного напряжения синхронных фильтров 4-1÷4-5 в цифровой код N_k,p, где k - номер канала, а р - номер выхода синхронных фильтров 4-1÷4-5, 0≤p≤n₂-1. Выходные коды АЦП 7, коды шин управления 5-1÷5-5 и 13, a также переменный код N₂(t) через интерфейс 8 записываются в устройство накопления 9.As a result, the analog switch 6 carries out a periodic connection with a frequency Ω _{H of} each of the outputs of the synchronous filters 4-1 ÷ 4-5 to the input of the analog-to-digital converter 7 for a time interval Δt ₂ = 2π / Ω ₂ . The voltage drops from the output of the frequency divider 14 synchronizes the analog-to-digital converter 7. For the time interval Δt ₂ = 2π / Ω ₂ in the ADC 7, the instantaneous value of one output voltage of the synchronous filters 4-1 ÷ 4-5 is converted into a digital code N _{k, p} , where k is the channel number, and p is the output number of synchronous filters 4-1 ÷ 4-5, 0≤p≤n ₂ -1. The output codes of the ADC 7, the codes of the control buses 5-1 ÷ 5-5 and 13, as well as the variable code N ₂ (t) are written to the storage device 9 through interface 8.

Полоса частот задается колом шины управления 13, поступающим на входы управления полосовых фильтров 2-1÷2-5 и кодоуправляемого делителя частоты 11. Переменный код изменяется с частотой n₂Ω, где n₂ _- емкость первого счетчика импульсов 12, равной ω₀/N_k, где N_k - коэффициент деления КУДЧ 11.The frequency band is set by the stake of the control bus 13, which is input to the control inputs of the bandpass filters 2-1 ÷ 2-5 and the code-controlled frequency divider 11. The variable code changes with a frequency n ₂ Ω, where n ₂ _{is the} capacity of the first pulse counter 12, equal to ω ₀ / N _k , where N _k is the division coefficient KUCH 11.

В накопителе информации 9 производится расшифровка поступающей цифровой информации. Мгновенные значения полезного сигнала k - канала и р - номера выхода синхронных фильтров 4-1÷4-5 определяется следующим выражением
U_k,p=N_k,p/k_2-k•k_3-k•k_4-k•k_A,
где k_2-k, k_3-k, k_4-k - соответственно коэффициенты передачи и усиления блоков 2, 3 и 4 каналов, k_A - коэффициент преобразования АЦП 7. В дальнейшем полученная информация в виде цифровых отсчетов U_k,p обрабатывается по алгоритму спектрального анализа на основе дискретного преобразования Фурье и определяются синусные и косинусные составляющие гармоник частоты Ω полезного сигнала из следующих выражений

где C_k,i, S_k,i - соответственно косинусные и синусные составляющие гармоник - i канала - k. Из найденных значений C_k,i и S_k,i легко определяются модули декартовых составляющих, а также их фазовые соотношения.The information storage device 9 decrypts the incoming digital information. The instantaneous values of the useful signal of the k-channel and p are the output numbers of the synchronous filters 4-1 ÷ 4-5 is determined by the following expression
U _{k, p} = N _{k, p} / k _2-k • k _3-k • k _4-k • k _A,
where k _2-k , k _3-k , k _4-k are the transmission and gain coefficients of

blocks

2, 3 and 4 of the channels, k _A is the ADC conversion coefficient 7. In the future, the received information in the form of digital samples U _{k, p is} processed according to the algorithm of spectral analysis based on the discrete Fourier transform, the sine and cosine components of the harmonics of the frequency Ω of the useful signal are determined from the following expressions

where C _{k, i} , S _{k, i} are the cosine and sine components of the harmonics - channel _i - _k, respectively. From the found values of C _{k, i} and S _{k, i} , the modules of the Cartesian components and their phase relationships are easily determined.

Изменяя код на шине управления 13, осуществляют изменение частоты первой гармоники Ω и полосы исследуемых сигналов в полосовых фильтрах 2-1÷2-5. Changing the code on the control bus 13, carry out a change in the frequency of the first harmonic Ω and the band of the studied signals in the bandpass filters 2-1 ÷ 2-5.

Таким образом, в предлагаемом устройстве значительно расширены функциональные возможности, а именно производят измерения на ряде частот (гармоник) и в то же время измерения осуществляются в узкой полосе на каждой гармонике, что позволяет значительно повысить помехоустойчивость к воздействию электромагнитных помех. Thus, the proposed device has significantly expanded functionality, namely, it measures at a number of frequencies (harmonics) and at the same time, measurements are carried out in a narrow band at each harmonic, which can significantly increase the noise immunity to electromagnetic interference.

Предлагаемое устройство было положено в основу аппаратуры "Гроза", работающей в диапазоне частот 10-2000 Гц в качестве измерительного устройства аудиомагнитотеллурических сигналов. Полевые испытания показали высокую помехоустойчивость измерений в условиях высоких электромагнитных помех техногенного происхождения при значительном расширении функциональных возможностей. The proposed device was the basis of the equipment "Thunderstorm", operating in the frequency range 10-2000 Hz as a measuring device for audiomagnetotelluric signals. Field tests have shown high noise immunity of measurements under conditions of high electromagnetic interference of technogenic origin with a significant expansion of functionality.

Источники информации
1. Савельев А.А. Геоэлектрическое строение земной коры Среднего Урала и Балтийского щита по данным АМТ-зондирований. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Ленинград, 1986, 13 с.Sources of information
1. Savelyev A.A. Geoelectric structure of the Earth's crust of the Middle Urals and the Baltic Shield according to AMT sounding. Abstract of dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences, Leningrad, 1986, 13 pp.

2. Электроразведка. Справочник геофизика. - М.: Недра, 1986, с. 262. 2. Electrical exploration. Handbook of geophysics. - M .: Nedra, 1986, p. 262.

3. А.с. СССР 1073726, G 01 V 3.08, 1984 6 (прототип). 3. A.S. USSR 1073726, G 01 V 3.08, 1984 6 (prototype).

Claims

A geoelectrical exploration measuring device containing five channels, each of which consists of a serial sensor circuit, a bandpass filter, an attenuator and a synchronous filter, an interface connected by information inputs to the attenuator control buses, the frequency reference bus and the output of the analog-to-digital converter, and the output to to the input of the information storage device, a code-controlled frequency divider connected by an information input to the output of the master oscillator, the control input to the control input of bandpass filters the frequency reference bus, and the output through the first pulse counter - to the control inputs of synchronous filters, characterized in that it additionally includes a frequency divider, a second pulse counter and an analog switch connected by an output to the information input of an analog-to-digital converter, information inputs - to the outputs synchronous filters, and the control input to the output of the second pulse counter connected to the input to the control input of the analog-to-digital converter and to the output of the frequency divider connected the first input to the output of the master oscillator and to the data input of the frequency divider kodoupravlyaemogo.