phase system for determining inhomogeneities in the earth`s crust
реклама
ISSN 1310-3946 Year /Година ХXI “NDT days 2013”/“Дни на безразрушителния контрол 2013” Number/ Брой 2 (139) June/Юни 2013 PHASE SYSTEM FOR DETERMINING INHOMOGENEITIES IN THE EARTH'S CRUST ФАЗОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В ЗЕМНОЙ КОРЕ Доцент, к.т.н. Баженов В.Г., аспирант Ивицкая Д.К., магистрант Куксенко Д.М. Кафедра приборов и систем неразрушающего контроля, Национальный технический университет Украины ”Киевский политехнический институт” – Киев, Украина e-mail: kuksenko.dima@gmail.com Abstract: Consumption of natural resources poses a number of serious challenges humanity whose solution involves finding and exploration of new mineral deposits in the future. The given work is devoted to the method of electromagnetic exploration based on the differentiation of rocks by electromagnetic properties. Phased system with two modules, transmitter and receiver, which contains GPS modules, frequency synthesizers and multiplayers accordingly, has been proposed. KEY WORDS: GEOPHYSICAL METHOD, ELECTROMAGNETIC HETEROGENEITY OF THE EARTH'S CRUST, THE PHASE METHOD. 1. Введение Потребление природных ресурсов ставит перед человечеством ряд серьезных задач, решение которых в будущем связано с нахождением и разведкой новых месторождений полезных ископаемых. Существует множество методов для исследования внутреннего строения Земли и геологической среды, поиска полезных ископаемых на основе изучения различных естественных и искусственных полей. Один из методов – электромагнитная разведка, основанная на дифференциации горных пород по элетромагнитным свойствам. Характер электромагнитных полей, обусловленных как искусственными, так и естественными источниками, определяется геоэлектрическим строением изучаемого участка. PROSPECTING, MINERAL RESOURCES, В данной работе рассмотрено построение системы электромагнитного зондирования, которая, может быть использована для поиска жидких, газообразных и твердых полезных ископаемых [3]. Главной ее особенностью является возможность высокоточного измерения сдвига фазы сигнала электромагнитной волны при прохождении через слои земной коры с разнесением излучателя и приемника на довольно значительные расстояния, с использованием беспроводного опорного канала. Суть предлагаемого решения объясняется чертежем (Рис.1), где изображена структурная схема фазовой системы для определения неоднородностей в земной коре. 2. Постановка задачи Из теории радиолокации и навигации известно, что наиболее высокоточными являются измерения, в основу которых положено измерения сдвига фаз между сигналами [1]. В работах Хмелевского отмечается, что системы, построенные на измерении фазового сдвига, являются более информативными, поскольку в более полной мере отображают характер распределения полезных ископаемых в земной коре [2]. Однако, задача измерения фазового сдвига требует сложных аппаратурных затрат, что в существенной степени ограничивает использование фазовых систем в геодезии, где аппаратура должна быть достаточно мобильной. Бурное развитие электроники привело к появлению современных микросхем синтезаторов частоты с возможностью перестройки частоты в широком диапазоне и начальной фазы сигнала, а также появление микросхем умножителей частоты, позволяющих создавать из PPS сигналов (один тактовый импульс в секунду) GPS приемников высокостабильные опорные сигналы. Это дает возможность создать уникальную мобильную структуру системы измерений, состоящую из двух модулей. 3. Решение поставленной задачи Рис. 1. Структурная схема фазовой системы для определения неоднородностей в земной коре Структурная схема содержит передающий и приемный модули 1 и 2, в которых формирование двух когерентных синусоидальных сигналов выполняется на базе двух умножителей синхроимпульсов 5 и 11 (управляемых с помощью микроконтроллеров 4 и 12), входы синхронизации которых подключены к модулям GPS 3 и 10 соответственно. Выходы умножителей синхроимпульсов соединены с входами опорного сигнала синтезаторов частоты 6 и 15 соответственно, входы управления которых подключены к микроконтроллерам 351 4 и 12. Выход синтезатора частоты 6 подключен к входу усилителя мощности 7, к выходу которого подключена излучательная антенна 8. Выход синтезатора частоты 15 подключен ко второму входу преобразователя частоты 14, первый вход 5 которого соединен с приемной антенной 9. Выход преобразователя 14 подключен к одному из входов синхронного амплитудного детектора 18, второй вход которого подключен к выходу формирователя-делителя частоты синусоидального сигнала 16, вход которого соединен с выходом умножителя частоты синхроимпульсов 11. Выход синхронного амплитудного детектора 18 подключен через фильтр нижних частот 19 к аналоговому входу аналогоцифрового преобразователя 17 цифровые выходы которого подключены к входам микроконтроллера 12, причем вход управления аналого-цифрового преобразователя 17 также соединен с микроконтроллером 12. Система работает следующим образом. Модули GPS подают синхроимпульсы (PPS сигналы) на синхровходы умножителей с выходов которых синтезируются два когерентных сигнала. С умножителя синхроимпульсов передающего модуля сигнал поступает на вход синтезатора частоты. С синтезатора частоты сигнал заданной микроконтроллером частоты, через усилитель мощности подается на излучательную антенну. Сигнал, который излучается, создает в окружающем пространстве электромагнитное поле. Это поле, проходя через структуру земной коры, индуцирует в ней вихревые токи, которые, в свою очередь, создают вторичное электромагнитное поле, амплитуда и фазовый сдвиг которого зависит как от электрических свойств земли, так и от имеющихся в ней неоднородностей. После прохождения сквозь земную кору электромагнитное поле принимается измерительной антенной, сигнал с которой поступает на преобразователь частоты. На второй вход этого же преобразователя поступает сигнал с синтезатора частоты заданной микроконтроллеро (причем разница между значениями частот с синтезаторов приемного и передающего модулей всегда фиксированная). На вход синтезатора частоты подается сигнал с умножителя синхроимпульсов. Момент изменения частот синтезаторов передающего и приемного модулей определяется микроконтроллерами соответствующих модулей, благодаря соответственным модулям GPS. Затем преобразователь выделяет сигнал промежуточной частоты (частота которого остается постоянной во всем диапазоне изменения сетки частот сигналов, излучаемых антенной передающего модуля), который подается на первый вход синхронного амплитудного детектора, на второй вход которого подается синусоидальный сигнал такой же частоты, поступающий с формирователя-делителя частоты. На выходе синхронного амплитудного детектора с помощью фильтра выделяем постоянную составляющую сигнала, значение которой будет пропорционально амплитуде и фазе измерительного сигнала. Полученный аналоговый сигнал постоянного напряжения с фильтра преобразуется в цифровой с помощью аналого-цифрового преобразователя, управляемого микроконтроллером и подается на его цифровой вход. Поскольку сигнал пропорционален амплитуде и фазе, то для измерения амплитуды этого сигнала с помощью микроконтроллера выполняется подстройка по фазе синтезатора частоты, пока на выходе фильтра 19 не будет максимальная амплитуда сигнала. При этом значение кода на выходе аналого-цифрового преобразователя будет соответствовать амплитуде сигнала, а значение кода подстройки фазы синтезатора, обеспечиваемое микроконтроллером, при котором наступил максимум амплитуды, будет отвечать сдвигу фаз измерительного сигнала. Особо следует отметить, что для повышения точности вычисления фазового сдвига представляется целесообразным фиксировать не максимум амплитуды сигнала на выходе фильтра 19, а минимум, поскольку в районе нулевого перехода синусоидального сигнала скорость изменения амплитуды при подстройке фазы значительно выше. 4. Результаты экспериментальных данных При помощи программного продукта Lab VIEW была промоделирована фазовая система поиска неоднородностей в земной коре. Предложенная математическая модель использует DDS синтезаторы без применения GPS модулей, так как вносимая погрешность при использовании последних является минимальной. Устройство и принцип работы показано на фронтальной панели и блок-диаграмме рис.2 и рис.3 соответственно. В ходе проведения моделирования было исследовано влияние шумов на погрешность измерения фазового сдвига сигналов при прохождении сквозь земную кору. В качестве контролируемого объекта был использован фазовращатель, а также сумматор, на один из входов которого имелась возможность подавать различные виды шумов (белый шум, гауссовский шум, биномиальный шум, гамма шум, периодический случайный шум и другие). Результаты моделирования показали, что определения сдвига фаз рассматриваемым методом с погрешностью не хуже 10 возможно при соотношении сигнал/шум на уровне -20 дБ. Рис. 2. Фронтальная панель виртуального прибора в среде Lab VIEW Рис. 3. Блок-диаграмма виртуального прибора в среде Lab VIEW 5. Выводы Таким образом, фактически, будет реализовываться наиболее точный в измерительной технике компенсационный метод измерения разности фаз. Следует также отметить, что рассматриваемое устройство имеет повышенную помехоустойчивость благодаря тому, что используется синхронное амплитудное детектирование (детектор 18) для выделения информации, при этом на один из входов детектора поступает сигнал низкой фиксированной частоты 16, а на второй вход поступает измерительный сигнал с выхода смесителя 14, поэтому информационный сигнал на выходе фильтра 19 будет пропорционален только первой гармонике. Все побочные и высшие гармоники будут отфильтрованы. Это позволяет реализовать метод оптимального обнаружения сигнала, согласно [1]. Следует также отметить, что прецизионное измерение сдвига фазы принятого сигнала выполняется без использования отдельного дорогостоящего прибора - фазометра, так как результат измерения сдвига фаз получаем как побочный продукт при измерении амплитуды. А также использование умножителей синхроимпульсов, 352 синхронизированных модулями GPS, как опорного сигнала синтезаторов частоты, значительно повышает точность измерения и упрощает аппаратурную реализацию системы, уменьшает габариты и энергопотребление, что в свою очередь делает устройство мобильным. 5. Литература 1. Пестряков В. Б. Фазовые радиотехнические системы (Основы статистической теории), – М: Советское радио, 1968. – 468 с., с. 7 - 49 2. Основы геофизических методов: учебник для вузов/ В.К. Хмелевской, В.И. Костицын; Перм. ун-т. – Пермь, 2010. – 400 с.: ил., c.153 - 228 3. Баженов В.Г., Якимчук М. А., Худецький М. С., Система електромагнітного зондування земної кори // Патент на винахід UA 98698, Липень, 06 - 2012 р. 353
