RU2782902C1 - Мультиплицированный способ обнаружения подповерхностных электропроводящих объектов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области индукционного подповерхностного зондирования и может быть использовано для обнаружения и идентификации подповерхностных электропроводящих металлических и металлосодержащих объектов. Технический результат: повышение точности и чувствительности способа обнаружения скрытых электропроводящих объектов. Сущность: в окружающем пространстве посредством излучающей рамочной антенны, питаемой гармоническим сигналом, возбуждают первичное электромагнитное поле, которым наводят в подповерхностном объекте вихревые токи, создающие вторичное (переизлученное) электромагнитное поле. Посредством приемной ферритовой магнитной антенны регистрируют вторичное электромагнитное поле. Синхронизировано с временными параметрами питающего гармонического сигнала преобразуют основным измерительным каналом ЭДС-индукции, наведенной в приемной ферритовой магнитной антенне вторичным электромагнитным полем, в синфазный и квадратурный электрические сигналы. Одновременно с преобразованиями основного измерительного канала регистрируют и преобразуют посредством дополнительного измерительного канала реакцию импеданса излучающей рамочной антенны, вызванную электромагнитными свойствами подповерхностного объекта, в электрический сигнал дополнительного измерительного канала. Определяют отношение между сигналом основного измерительного канала U_ОИК и сигналом дополнительного измерительного U_ДИК канала Δ=U_ОИК/U_ДИК. Регистрируют значения этого отношения и при достижении этого значения заданной пороговой величины Δ≥Δ_П инициируют режим мультиплицированного усиления ферритовой магнитной антенны и процесс алгоритмического определения параметров ПО. Режим инициированного мультиплицированного усиления ферритовой магнитной антенны осуществляют путем реализации процедуры разделительной фильтрации, при которой производят намагничивание сердечника приемной ферритовой магнитной антенны до максимального значения его магнитной проницаемости посредством подачи на катушку ферритовой магнитной антенны через НЧ-фильтр в виде дросселя L постоянного масштабированного электрического сигнала. ЭДС индукции, наведенную в ферритовой магнитной антенне вторичным электромагнитным полем, регистрируют через ВЧ-фильтр в виде конденсатора. Процедуру алгоритмической обработки электрических сигналов измерительных каналов осуществляют с учетом погрешностей чувствительности. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Изобретение относится к области индукционного подповерхностного зондирования и может быть использовано для обнаружения и идентификации подповерхностных электропроводящих металлических и металлосодержащих объектов, в частности, для поиска подземных коммуникаций в виде электрических кабелей, трубопроводов и т.п., а также может применяться в качестве металлодетектора.

Известен способ обнаружения подповерхностных электропроводящих объектов, реализуемый посредством индуктивного преобразователя ме-таллодетектора, описанного в а.с. SU №1831697, A3, кл. G01V 3/11,. 30.07.1993), согласно которому в окружающем пространстве посредством излучающей рамочной антенны, питаемой гармоническим сигналом, возбуждают первичное электромагнитное поле, которым наводят в подповерхностном металлическом объекте вихревые токи, создающие вторичное переизлученное электромагнитное поле, посредством приемной антенны воспринимают вторичное электромагнитное поле, которое наводит в ней ЭДС индукции, преобразуют эту ЭДС основным измерительным каналом в выходной сигнал и по появлению этого сигнала судят о наличие подповерхностного объекта. При этом компенсацию ЭДС в приемной антенне от первичного электромагнитного поля осуществляют посредством выполнения излучающей рамочной антенны в виде двух дифференциально включенных идентичных рамочных секций, расположенных симметрично относительно генераторной оси, совпадающей с осью симметрии приемной антенны, и перемещения приемной антенны относительно излучающей рамочной антенны в направлении, перпендикулярном генераторной оси.

Недостаток известного способа обнаружения подповерхностных электропроводящих объектов заключается в том, что он обладает недостаточной точностью и чувствительностью. Для обеспечения высокой чувствительности необходимо подавить или значительно уменьшить наведенный в приемной катушке прямой сигнал от первичного поля. Для этого секции излучающей рамочной антенны необходимо выполнить полностью одинаковыми, что технологически достаточно сложно. Кроме того, например, при механических нагрузках и изменении температуры в процессе поисковых работ, между секциями возникает сигнал раскомпенсации, создающий дополнительную помеху. Все это в итоге приводит к появлению методических помех и увеличивает погрешность измерения. Наряду с этим, известный способ не позволяет определить глубину залегания скрытого объекта.

Наиболее близким к заявляемому является способ обнаружения подповерхностных электропроводящих объектов, описанный в патенте RU №274349, C1, G01V 3/11, 19.02.2021). Согласно данному способу в окружающем пространстве посредством излучающей рамочной антенны, питаемой гармоническим сигналом, возбуждают первичное электромагнитное поле, которым наводят в подповерхностном объекте вихревые токи, создающие вторичное (переизлученное) электромагнитное поле, посредством приемной ферритовой магнитной антенны регистрируют вторичное электромагнитное поле, синхронизировано с временными параметрами питающего гармонического сигнала преобразуют основным измерительным каналом ЭДС-индукции, наведенной в приемной ферритовой магнитной антенне вторичным электромагнитным полем, в синфазный и квадратурный электрические сигналы, одновременно с преобразованиями основного измерительного канала регистрируют и преобразуют посредством дополнительного измерительного канала реакцию импеданса излучающей рамочной антенны, вызванную электромагнитными свойствами подповерхностного объекта, в электрический сигнал дополнительного измерительного канала, который совместно с электрическими сигналами основного измерительного канала подвергают процедуре алгоритмической обработки, причем процесс формирования первичного электромагнитного поля и регистрация вторичного электромагнитного поля осуществляют посредством пространственного совмещения излучающей рамочной антенны и приемной ферритовой магнитной антенны, прямая связь между которыми компенсируется расположением оси приемной ферритовой магнитной антенны в плоскости излучающей рамочной антенны.

Данный способ объединяет в себе два базовых метода обнаружения подповерхностных электропроводящих объектов:

1. Метод реакции параметров электромагнитного поля на импеданс среды при распространении электромагнитного поля соответственно в земле;

2. Метод реакции входного импеданса приемной антенны на электромагнитные свойства зондируемой среды.

Совместное использование указанных двух методов позволяет обнаруживать электропроводящие подповерхностные объекты, осуществлять их идентификации (по величинам удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости подповерхностного объекта), и определять глубину их залегания.

Недостаток данного способа обнаружения подповерхностных электропроводящих объектов заключается в том, что он обладает недостаточной точностью и чувствительностью.

Задача изобретения заключается в повышении точности и чувствительности способа обнаружения скрытых электропроводящих объектов.

Поставленная задача достигается тем, что в мультиплицированном способе обнаружения подповерхностных объектов, согласно которому в окружающем пространстве посредством излучающей рамочной антенны, питаемой гармоническим сигналом, возбуждают первичное электромагнитное поле, которым наводят в подповерхностном объекте вихревые токи, создающие вторичное (переизлученное) электромагнитное поле, посредством приемной ферритовой магнитной антенны регистрируют вторичное электромагнитное поле, синхронизировано с временными параметрами питающего гармонического сигнала преобразуют основным измерительным каналом ЭДС-индукции, наведенной в приемной ферритовой магнитной антенне вторичным электромагнитным полем, в синфазный и квадратурный электрические сигналы, одновременно с преобразованиями основного измерительного канала регистрируют и преобразуют посредством дополнительного измерительного канала реакцию импеданса излучающей рамочной антенны, вызванную электромагнитными свойствами подповерхностного объекта, в электрический сигнал дополнительного измерительного канала, который совместно с электрическими сигналами основного измерительного канала подвергают процедуре алгоритмической обработки, процесс формирования первичного электромагнитного поля и регистрация вторичного электромагнитного поля осуществляют посредством пространственно совмещенных излучающей рамочной антенны и приемной ферритовой магнитной антенны, прямая связь между которыми компенсируется расположением оси приемной ферритовой магнитной антенны в плоскости излучающей рамочной антенны, в отличие от прототипа, дополнительно определяют отношение между сигналом основного измерительного канала U_ОИК и сигналом дополнительного измерительного U_ДИК канала Δ=U_ОИК/U_ДИК регистрируют значения этого отношения и при достижении этого значения заданной пороговой величины Δ≥Δ_п инициируют режим

мультиплицированного усиления ферритовой магнитной антенны и процесс алгоритмического определения параметров ПО, причем режим инициированного мультиплицированного усиления ферритовой магнитной антенны осуществляют путем реализации процедуры разделительной фильтрации, при которой производят намагничивание сердечника приемной ферритовой магнитной антенны до максимального значения его магнитной проницаемости посредством подачи на катушку ферритовой магнитной антенны через НЧ-фильтр в виде дросселя L постоянного масштабированного электрического сигнала, а ЭДС индукции, наведенную в ферритовой магнитной антенне вторичным электромагнитным полем, регистрируют через ВЧ-фильтр в виде конденсатора С. При этом инициируемую процедуру алгоритмической обработки электрических сигналов измерительных каналов осуществляют с учетом существующих погрешностей чувствительности в соответствии со следующими выражениями:

где σ_ПО и μ_ПО - соответственно удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость подповерхностного объекта; h_ПО - глубина залегания подповерхностного объекта;

- синфазная и квадратурная составляющие сигнала основного измерительного канала; U_ДИК - сигнал дополнительного измерительного канала;

коэффициенты номинальных статических функций квадратурного и синфазного преобразовани ОИК ФМА; ξ_σ и ξ_μ - коэффициенты погрешности чувствительности соответственно по параметрам σ_ПО и μ_ПО; a ₃, b₃ - коэффициенты статической функции преобразования дополнительного измерительного канала излучающей рамочной антенны; ξ_σ и ξ_μ - погрешности чувствительности соответственно по параметрам σ_ПО и μ_ПО; μ_max - максимально возможная относительная магнитная проницаемость материала сердечника.

Сущность предложенного мультиплицированного способа обнаружения подповерхностных объектов интерпретируется структурной блок-схемой, представленной на фиг. 1; на фиг. 2 показан вариант технической реализации процедуры разделительной фильтрации информационного сигнала U_ОИК и постоянного масштабированного электрического сигнала U₀; на фиг. 3 показано распределение магнитных полей при наличии ПО; на фиг. 4 изображена схема ферритовой магнитной антенны (ФМА) в режиме мультиплицированного усиления; на фиг. 5 изображена основная кривая намагничивания ферритового сердечника ФМА; на фиг. 6 показана характеристика «вход-выход» ФМА; на фиг. 7 показана графическая интерпретация основных характеристик ФМА, где а и б - соответственно статическая характеристика и крутизна характеристики.

На блок-схеме, изображенной на фиг. 1, обозначено: 1 - приемоизлучающая рамочная антенна (РА); 2 - приемная ферритовая магнитная антенна (ФМА); 3 - процедура регистрации и синфазно-квадратурного преобразования информационного сигнала U_ОИК посредством основного измерительного канала (ОИК); 4 - процедура регистрации и преобразования реакции импеданса излучающей РА, вызванной электромагнитными свойствами подповерхностного объекта (ПО), в электрический информационный сигнал U_ДИК посредством дополнительного измерительного канала (ДИК); 5 - инициируемые процедуры регистрации информационных сигналов и алгоритмической обработки измерительной информации для определения параметров ПО; 6 - генератор гармонического сигнала U_Г для возбуждения первичного электромагнитного поля; 7 - вмещающая среда; 8 - ПО; 9 - вихревые токи; 10 - процедура логометрического преобразования двух информационных сигналов U_ОИК и U_ДИК, при котором результат преобразования является частным от деления Δ=U_ОИК/U_ДИК; 11 - процедура компарирования (сравнения) значений двух величин Δ и Δ_П, где Δ_П является пороговым минимальным значением Δ, определяющим факт наличия инородного ПО 8 во вмещающей среде 7; 12 - управляемый источник постоянного масштабированного электрического сигнала U₀ для подмагничивания сердечника ФМА 2; 13 - процедура разделительной фильтрации информационного сигнала U_ОИК и постоянного масштабированного электрического сигнала U₀; μ_ФМА - магнитная проницаемость стержня ФМА 2;

- соответственно синфазная и квадратурная составляющие информационного сигнала U_ОИК; I_PA - ток возбуждения РА; Н_П - магнитная компонента первичного электромагнитного поля; Н_В - поляризованная магнитная компонента вторичного электромагнитного поля; H_X и H_Y - горизонтальная и вертикальная составляющие поляризованной магнитной компоненты вторичного электромагнитного поля Н_В; R_Ш - измерительный токовый шунт; а ₁ и b₁ - коэффициенты статической функции ОИК для синфазного преобразования; а ₂ и b₂ коэффициенты статической функции ОИК для квадратурного преобразования; а ₃ и b₃ - коэффициенты статической функции преобразования ДИК;

- процесс инициирования режима мультиплицированного усиления ФМА 2 и алгоритмического определения параметров ПО 8; F(ω; ϕ; t) - процесс синхронизации процедуры преобразования ОИК с временными параметрами гармонического сигнала, возбуждающего первичное электромагнитное поле; σ_ПО и μ_ПО - соответственно удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость ПО; h_ПО - глубина залегания ПО 8.

ФМА 2 выполняют в виде катушки индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала, за счет которого обеспечивают увеличение магнитного потока, сцепленного с витками ФМА 2. Прямую электромагнитную связь между излучающей РА 1 и приемной ФМА 2 устраняют путем расположения оси ФМА 2 в плоскости РА 1.

Процедура 13 осуществляет соответствующее разделение в ОИК информационного сигнала U_ОИК (ВЧ-фильтрации посредством конденсатора С) и электрического сигнала подмагничивания U_О (НЧ-фильтрация посредством дросселя в виде индуктивности L), т.е. через разделительный ВЧ-фильтр в ОИК поступает U_ОИК, а через разделительный НЧ-фильтр на катушку индуктивности ФМА 2 подают постоянный масштабированный электрический сигнал U₀ (фиг. 2).

Приемную ФМА 2 выполняют в виде катушки индуктивности с сердечником из ферромагнитного материала, за счет которого обеспечивают увеличение магнитного потока, сцепленного с витками этой катушки индуктивности. Прямую электромагнитную связь между приемоизлучающей РА 1 и приемной ФМА 2 устраняют путем расположения оси ФМА 2 в плоскости РА 1. Способ реализуется следующим образом.

Путем подачи на РА 1 сигнала U_Г рабочей частоты от генератора звуковых частот 6 в окружающем пространстве возбуждают первичное электромагнитное поле. Процессы формирования первичного электромагнитного поля и регистрации вторичного электромагнитного поля осуществляют посредством пространственного совмещения РА 1 и приемной ФМА 2. Поскольку РА 1 и ФМА 2 имеют взаимное ортогональное расположение, то при отсутствии ПО в исследуемой области суммарная ЭДС на выходе ФМА 2 будет равняться нулю, т.е. имеем U_ОИК=0. Таким образом, за счет описанного расположения РА 1 и ФМА 2 обеспечивают геометрическую компенсация первичного поля и, тем самым, повышают помехоустойчивость способа в целом. При этом выходной сигнал ДИК для данной величины U_Г будет максимальным U_ДИК=max. Таким образом, в случае отсутствия ПО 8 в зоне поиска отношение сигналов U_ОИК/U_ДИК=Δ будет равно нулю Δ=0.

При появлении ПО 8 во вмещающей среде 7 в нем первичным полем Н_П РА 1 наводится ЭДС, за счет которой появляются вихревые токи 9, которые создают вторичное (переизлученное) электромагнитное поле с поляризованной магнитной компонентой Н_В. Таким образом, при наличии во вмещающей среде ПО 8 появляется горизонтальная магнитная составляющая вторичного магнитного поля H_X, что приводит к нарушение начальной компенсации. Горизонтальная магнитная составляющая вторичного магнитного поля H_X воздействует на приемную ФМА 2 и наводит в ней ЭДС индукции в виде информационного сигнала U_ОИК ОИК, который подвергают процедуре разделительной фильтрации 13 (см. фиг. 2), а затем последующей регистрации и синфазно-квадратурному преобразованию 3.

Вихревые токи 9, наведенные в ПО 8, создают вторичное электромагнитное поле. Напряженность магнитной компоненты результирующего электромагнитного поля Н_В будет равна разности напряженностей магнитных компонент возбуждающего и вторичного электромагнитных полей. Таким образом, электромагнитное поле вихревых токов, при неизменном напряжении питания U_Г излучающей рамочной антенны 1, будет приводить к увеличению ее полного сопротивления и, как следствие, к уменьшению силы тока, протекающего в ней. Следовательно, полное сопротивление РА 1 будет зависеть от величины и характера распределения вихревых токов в ПО 8 во вмещающей среде, т.е. от удельной электрической проводимости а и глубины залегания h ПО 8. В этом случае информативным параметром является амплитуда тока возбуждения I_РА РА 1. Изменение импеданса излучающей РА 1, вызванное электромагнитными свойствами ПО 8, фиксируют посредством дополнительного измерительного канала (ДИК). Для этого с измерительного токового шунта R_ИШ ДИК снимают электрический сигнал в виде напряжения, пропорционального току возбуждения I_РА излучающей РА 1, и подвергают этот сигнал дальнейшему преобразованию. Полученный таким образом сигнал U_ДИК пропорционален вертикальной магнитной составляющей вторичного магнитного поля H_Y. Указанный электрический сигнал U_ДИК используют в качестве выходного информационного сигнала ДИК. Таким образом, при появлении ПО 8 в зоне поиска величина U_ДИК начинает уменьшаться, следовательно, отношение сигналов U_ОИК/U_ДИК=Δ будет увеличиваться.

Информационные сигналы U_ОИК и U_ДИК в процессе реализации способа подвергаются процедуре логометрического преобразования, при котором результат преобразования является частным от деления U_ОИК/U_ДИК=Δ. Значение величины Δ регулярно сопоставляется с заданным пороговым значением Δ_П, которое является фактором, надежно определяющим наличие инородного ПО 8 во вмещающей среде 7.

При выполнении условия Δ≥Δ_П формируют процесс инициирования

, посредством которого реализуют функционирование двух режимов: 1) - мультиплицированного усиления ФМА 2; 2) - алгоритмического определения параметров ПО 8.

1) Режим мультиплицированного усиления ФМА 2 осуществляют следующим образом. Под воздействием процесса инициирования

источник постоянного масштабированного электрического сигнала 12 формирует напряжение U₀ необходимой величины. Данное напряжение, после осуществления процедуры разделительной фильтрации 13 через НЧ-фильтр (дроссель L), подают на катушку ФМА 2. За счет этого по катушке ФМА 2 начинает протекать соответствующий постоянный ток подмагничивания, которым осуществляют процедуру намагничивания сердечника ФМА 2. При этом обеспечивают необходимую амплитуду этого тока, а также надежное разделение информационных переменных сигналов с катушки ФМА 2 от источника постоянного масштабированного электрического сигнала U₀.

Кроме того, в процессе разделительной фильтрации 13 посредством ВЧ-фильтра (конденсатор С) осуществляют разделение электрического сигнала U₀ от вторичных преобразовательных цепей ОИК и передачу информационных переменных сигналов с катушки ФМА 2 в эти цепи.

Процедуры 12 и 13 фактически обеспечивают намагничивание ферромагнитного стержня ФМА 2 постоянным (подмагничивающим) магнитным полем при наличии ПО 8 во вмещающей среде 7, создавая тем самым условия возникновения в этом случае режима мультиплицированного усиления для ФМА 2, что приводит к значительному увеличению информационного сигнала ДИК U_ОИК и, тем самым, к повышению точности и чувствительности способа обнаружения скрытых электропроводящих ПО 8.

Процедура регистрации и синфазно-квадратурного преобразования информационного сигнала U_ОИК посредством основного измерительного канала (ОИК) заключается в разложении этого информационного сигнала на синфазный

и квадратурный

электрические сигналы, причем процедуру синфазно-квадратурного преобразования синхронизируют с временными параметрами гармонического сигнала U_Г генератора синусоидального напряжения 6, возбуждающего первичное электромагнитное поле, соответствующим процессом синхронизации F(ω; ϕ; t). При этом получаемый сигнал

пропорционален удельной электропроводности σ_П ПО 8, а сигнал

пропорционален магнитной восприимчивости μ_П ПО 8. Указанные синфазный и квадратурный электрические сигналы используют в качестве выходных сигналов ОИК.

2) Режим алгоритмического определения параметров ПО 8 осуществляют следующим образом. При выполнении условия Δ≥Δ_П инициируется процедура 5 регистрации и совместной алгоритмической обработки выходных информационных сигналов

по результатам которой определяют глубину залегания h_П подповерхностного ОП 8 в зоне поиска, а также осуществляют его идентификацию путем определения значений его магнитной проницаемости μ_П и электропроводности σ_П. Все необходимые компоненты для алгоритма обработки информационных сигналов определяют на стадии предварительной подготовки путем воздействия на ФМА 2 определенным набором образцовых физических величин.

Следует отметить, что если задать при поиске электропроводящего ПО 8 заранее высокую чувствительность ОИК путем перевода ФМА 2 в режим мультиплицированного усиления, то это может привести к возникновению ложных срабатываний от незначительных аномалий вмещающей среды, например, от геоэлектрических неоднородностей верхних слоев земной коры. Это вызовет появление состояния информационной неопределенности при реализации способа в целом.

Для объяснения сути предлагаемого мультиплицированного способа обнаружения подповерхностных объектов рассмотрим физические процессы, положенные в его основу.

Как показано в прототипе [патент RU №2743495], система уравнений измерений имеет следующий вид

где

- квадратурная и синфазная составляющие сигнала основного измерительного канала; U_ДИК - сигнал дополнительного измерительного канала; а ₁, b₁ и. а ₂, b₂ - коэффициенты реальных статических функций квадратурного и синфазного преобразования основного измерительного канала ферритовой магнитной антенны; a ₃, b₃ - коэффициенты реальной статической функции преобразования дополнительного измерительного канала излучающей рамочной антенны; σ_ПО и μ_ПО - соответственно удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость металлического объекта; h_ПО - глубина залегания подповерхностного объекта.

При этом в (1) не учитывались существующие ограничения, связанные с наличием реального порога чувствительности ФМА 2, который, в свою очередь, приводит к появлению погрешности чувствительности. Проявление данного фактора существенно повышает вероятность возникновения таких ситуаций, как «пропуск цели» или «ложное срабатывание».

Численно погрешности процедуры измерения можно учесть путем представления коэффициентов реальных статических функций квадратурного и синфазного преобразования ОИК в следующем виде

где

- коэффициенты номинальных статических функций квадратурного и синфазного преобразования ОИК ФМА 2; ξ_σ и ξ_μ - коэффициенты погрешности чувствительности соответственно по параметрам σ_ПО и μ_ПО.

Для рассматриваемого случая под номинальными статическими функциями преобразования понимаются статические функции преобразования с коэффициентами, количественные значения которых установлены для определенного рабочего состояния и конкретных условий эксплуатации, а также являющиеся исходными для отсчета возможных отклонений.

В силу существующих особенностей функционирования и конструктивного исполнения приемоизлучающей РА 1, коэффициенты реальной статической функции преобразования ее ДИК можно считать равными коэффициентам номинальной статической функции преобразования этого ДИК, т.е.

Тогда, с учетом сделанных замечаний, исходная система уравнений (1) измерений примет вид:

Очевидно, что чувствительность ФМА 2 в значительной степени зависит от параметров (магнитной проницаемости) ее ферромагнитного сердечника.

Рассмотрим возможность минимизации коэффициентов погрешности чувствительности ξ_σ и ξ_μ, т.е. понижения порога чувствительности ФМА 2.

Фактически вторичное (переизлученное) магнитное поле Н_В представляет собой некоторый вариант масштабированного поляризованного первичного магнитного поля Н_П, что в итоге и предопределяет наличие во вторичном магнитном поле Н_В наряду с вертикальной магнитной компонентой H_Y еще и горизонтальной магнитной компоненты H_X (фиг. 3):

Учитывая, что U_ДИК=F(H_Y) и U_ОИК=F(H_X), можем констатировать справедливость следующих логических утверждений:

(U_ОИК/U_ДИК)=(H_X/H_Y)=Δ.

В свою очередь, наличие во вмещающей среде 7 ПО 8, резко контрастирующего на ее фоне своими физическими свойствами, приведет к соответствующему перераспределению существующего соотношения Δ между компонентами H_X и H_Y в составе вторичного магнитного поля Н_В, т.е. в общем случае величину Δ можно считать величиной вариативной, которая при наличии ПО 8 и четко выраженных его поляризующих свойствах принимает определенное численное значение. Таким образом, можно утверждать, что в случае появления устойчивой локальной неоднородности в виде ПО 8 во вмещающей среде Δ примет некоторое пороговое значение Δ_П, которое является фактором, надежно определяющим наличие или отсутствие инородного ПО 8 во вмещающей среде 7. В этом случае будет фиксироваться заметное увеличение компоненты H_X и соответствующее изменение H_Y, т.е. существенное увеличение Δ до условного порогового значения Δ_П.

Для повышения точности идентификации ПО 8 и глубины его залегания, после определения факта возможного наличия ПО 8 во вмещающей среде, т.е. в момент реализации условия Δ≥Δ_П, вводится режим мультиплицированного усиления для ФМА 2.

Для полного понимания сути предлагаемого технического решения более подробно рассмотрим особенности работы ОИК, датчиком которого является ФМА 2 с приемной катушкой.

Рассмотрим условия, при которых ФМА 2 можно рассматривать в режиме мультиплицированного усиления (фиг. 4).

В случае функционирования ФМА 2 в режиме мультиплицированного усиления ее ферритовый сердечник фактически является магнитопроводом с управляемым посредством дополнительного постоянного подмагничивающего поля Н_под параметром μ→μ_max. При этом, измерительная катушка ФМА 2 используется в качестве управляющей обмотки, последовательно с которой со стороны источника управляющего опорного входного сигнала U₀ включен НЧ-фильтр, выполненный в виде дросселя с индуктивностью L, имеющий небольшое активное сопротивление для сигнала постоянного тока, но представляющий собой большое реактивное сопротивление для переменной э.д.с, индуцируемой в измерительной обмотка ФМА 2 измеряемым переменным магнитным полем H_X и являющейся выходным сигналом

ФМА 2.

При подаче на измерительную обмотку ФМА 2, управляющего постоянного опорного напряжения U₀ в ней возникнет постоянный ток I₀, который создаст в ферритовом сердечнике ФМА 2 постоянное подмагничивающее магнитное поле Н_П, которое вследствие нелинейного характера кривой намагничивания ферромагнитного сердечника вызовет соответствующие изменения его нормальной магнитной проницаемости μ_Н(Н_под) и магнитного сопротивления:

Таким образом, в ФМА фактически реализуется режим одновременного намагничивания ее ферромагнитного сердечника переменным (измеряемым) и управляющим постоянным (подмагничивающим) магнитными полями.

Для рассматриваемого случая все электродинамические процессы, определяющие особенности режима функционирования рассматриваемой ФМА 2, можно представить соответствующим образом на графике основной кривой намагничивания материала ферромагнитного стержня (фиг. 5).

Из фиг. 5 видно, что при изменении Н_П в диапазоне infН_П≤Н_П≤supН_П материал сердечника выходит из своего возможного начального состояния (рабочие точки 2 или 5) и переходит в рабочее состояние, т.е. в область рабочей точки 3, в которой нормальная (эффективная) магнитная проницаемость μ_Н материала ферромагнитного стержня достигает своего максимального значения:

Из анализа характеристика ФМА вход-выход, представленной на фиг. 6, следует, что при I₀ выходной сигнал

ФМА 2 в виде уже существенно усиленной переменной э.д.с. подается в измерительный канал через конденсатор С, препятствующий проникновению напряжения опорного сигнала U_вх в этот измерительный канал (см. фиг. 2).

Таким образом, если использовать ФМА 2 в режиме дополнительного подмагничивания ее ферритового стержня, то на выходе катушки индуктивности для вторичного (переизлученного) магнитного поля Н_В с горизонтальной составляющей H_X, меняющейся по гармоническому закону с циклической частотой со и являющейся функцией физических параметров σ_ПО и μ_ПО, напряжение U_ФMA будет определяться следующим соотношением:

где j - мнимая единица; μ₀=4π⋅10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума; w - количество витков в катушке индуктивности МА 2; S=πd²/4 - площадь сечения сердечника ФМА 2, d - диаметр сердечника ФМА 2;

- напряженность горизонтальной магнитной компоненты вторичного электромагнитного поля; σ_ПО и μ_ПО - величины соответственно удельной электрической проводимости и магнитной проницаемости ПО; μ_max=F(H₀) - максимально возможная относительная магнитная проницаемость материала сердечника, характеризующий уровень повышения чувствительности ФМА 2 для конкретного материала ферритового стержня ФМА 2 за счет постоянного подмагничивающего поля Н_П=Н₀.

Из уравнения (5) следует, что функционирование ФМА 2 в режиме мультиплицированного усиления при соответствующих условиях (Н_под=Н₀) существенно снижает погрешность реального процесса преобразования входной величины H_X основным измерительным каналом и обеспечивает максимальную чувствительность самой ФМА 2.

Переключение обычного режима ФМА 2 в режим мультиплицированного усиления и реализация функции алгоритмического определения параметров ПО 8 осуществляется под управлением специального процесса инициирования

формируемого при выполнении условия Δ≥Δ_П

Обобщая, можно констатировать, что первичное магнитное поле Н_П возбуждает в проводящем ПО 8 вихревой электрический ток, который, в свою очередь, создает вторичное магнитное поле Н_В, горизонтальная компонента которого H_X воздействует на функционирующую в режиме подмагничивания ФМА 2, и индуцирует в ее приемной катушке соответствующую ЭДС, которая в соответствии с (5) в результате последующих измерительных преобразований в ОИК трансформируется к виду:

где К_ОИК - коэффициент преобразования ОИК.

Очевидно, что внутри диапазона измерения связь между сигналами на выходе и входе ФМА 2 определяется функциональной зависимостью

U_ФМА=ƒ{H_X),

которая является статической характеристикой ФМА (фиг. 7, а). В этом случае величину, определяемую соотношением:

можно считать чувствительностью ФМА 2, а применительно к графической интерпретации - крутизной характеристики (фиг. 7, б).

На фиг. 7 графики 1' и 1'' соответствуют нормальному режиму работы ФМА 2, зависимости 2' и 2'' соответствуют функционированию ФМА 2 в режиме мультиплицированного усиления, а величины H'_min и H''_min являются порогами чувствительности ФМА 2 соответственно при ее нормальном режиме работы и в режиме мультиплицированного усиления.

Из анализа графиков на фиг. 7 следует, что именно за счет соответствующего варьирования магнитной проницаемости сердечника ФМА 2, появилась реальная возможность заметного снижения (в несколько раз) порога чувствительности ФМА 2, как датчика электромагнитного поля.

С учетом изложенного, для мультиплицированного режима усиления ФМА 2, уравнения измерений можно записать в виде:

Решая систему алгебраических уравнений (8), получим следующие аналитические выражения для расчета параметров ПО 8:

В соответствии с полученными алгоритмами (9) блок 5 осуществляет процесс окончательной идентификации ПО 8, т.е. определяет глубину h_ПО залегания ПО 8 и его идентификацию по величинам σ_ПО и μ_ПО.

Из анализа полученных выражений (9) следует, что при Δ≥Δ_П ФМА 2 переводится в режим мультиплицированного усиления, при котором ξ_σ/μ_max→0 и ξ_μ/μ_max→0, т.е. реальная статическая функция преобразования ФМА 2 приближается к ее номинальному виду. Следовательно, использование управляемого мультиплицированного режима усиления ФМА 2 обеспечивает заметное повышение чувствительности способа в целом, что существенно минимизирует вероятность возникновения ситуаций типа «пропуска цели» или «ложное срабатывание», т.е. при меньших возможных значениях измеряемых σ_ПО и μ_ПО обеспечивается режим устойчивого процесса обнаружения и идентификации ПО 8.

Предложенное решение повышения чувствительности способа обнаружения подповерхностных объектов за счет изменения физических свойств чувствительного элемента ферритовой магнитной антенны (датчика магнитного поля), непосредственно участвующего в первичном измерительном преобразовании информационного сигнала, уже после предварительного определения наличия электропроводящего подповерхностного объекта, выводит решение проблемы идентификации и вычисления глубины залегания различных подповерхностных объектов на качественно иной уровень.

Таким образом, предложенный способ можно рекомендовать к использованию для оперативного обнаружения и точного определения месторасположения различного рода электропроводящих подповерхностных объектов при строительстве и земляных работах, при проведении аварийно-спасательных и ремонтных работ и т.п.

Claims (4)

1. Мультиплицированный способ обнаружения подповерхностных объектов, согласно которому в окружающем пространстве посредством излучающей рамочной антенны, питаемой гармоническим сигналом, возбуждают первичное электромагнитное поле, которым наводят в подповерхностном объекте вихревые токи, создающие вторичное переизлученное электромагнитное поле, посредством приемной ферритовой магнитной антенны регистрируют вторичное электромагнитное поле, синхронизировано с временными параметрами питающего гармонического сигнала преобразуют основным измерительным каналом ЭДС-индукции, наведенной в приемной ферритовой магнитной антенне вторичным электромагнитным полем, в синфазный и квадратурный электрические сигналы, одновременно с преобразованиями основного измерительного канала регистрируют и преобразуют посредством дополнительного измерительного канала реакцию импеданса излучающей рамочной антенны, вызванную электромагнитными свойствами подповерхностного объекта, в электрический сигнал дополнительного измерительного канала, который совместно с электрическими сигналами основного измерительного канала подвергают процедуре алгоритмической обработки, процесс формирования первичного электромагнитного поля и регистрация вторичного электромагнитного поля осуществляют посредством пространственно совмещенных излучающей рамочной антенны и приемной ферритовой магнитной антенны, прямая связь между которыми компенсируется расположением оси приемной ферритовой магнитной антенны в плоскости излучающей рамочной антенны, отличающийся тем, что дополнительно определяют отношение между сигналом основного измерительного канала U_ОИК и сигналом дополнительного измерительного U_ДИК канала Δ=U_ОИК/U_ДИК, регистрируют значения этого отношения и при достижении этого значения заданной пороговой величины Δ≥Δ_П инициируют режим мультиплицированного усиления ферритовой магнитной антенны и процесс алгоритмического определения параметров ПО, причем режим инициированного мультиплицированного усиления ферритовой магнитной антенны осуществляют путем реализации процедуры разделительной фильтрации, при которой производят намагничивание сердечника приемной ферритовой магнитной антенны до максимального значения его магнитной проницаемости посредством подачи на катушку ферритовой магнитной антенны через НЧ-фильтр в виде дросселя L постоянного масштабированного электрического сигнала, а ЭДС индукции, наведенную в ферритовой магнитной антенне вторичным электромагнитным полем, регистрируют через ВЧ-фильтр в виде конденсатора С.

2. Мультиплицированный способ обнаружения подповерхностных объектов по п. 1, отличающийся тем, что инициируемую процедуру алгоритмической обработки электрических сигналов измерительных каналов осуществляют с учетом существующих погрешностей чувствительности в соответствии со следующими выражениями:

где σ_ПО и μ_ПО - соответственно удельная электрическая проводимость и магнитная проницаемость подповерхностного объекта; h_ПО - глубина залегания подповерхностного объекта;

- синфазная и квадратурная составляющие сигнала основного измерительного канала; U_ДИК - сигнал дополнительного измерительного канала;

- коэффициенты номинальных статических функций квадратурного и синфазного преобразования ОИК ФМА; ξ_σ и ξ_μ - коэффициенты погрешности чувствительности соответственно по параметрам σ_ПО и μ_ПО; а ₃, b₃ - коэффициенты статической функции преобразования дополнительного измерительного канала излучающей рамочной антенны; ξ_σ и ξ_μ - погрешности чувствительности соответственно по параметрам σ_ПО и μ_ПО; μ_max - максимально возможная относительная магнитная проницаемость материала сердечника.

Images