3.4 Теоретические основы метода зондирования становлением поля

Решение задачи о становлении поля в однородном горизонтально слоистом разрезе было получено на основе квазистационарной модели распространения электромагнитного поля (т.е. без учета токов смещения в системе уравнений Максвелла). Полученные аналитические выражения для напряженности магнитного и электрического поля переходных процессов зависят от:

- расстояния от приемника до источника (r);

- времени становления (t);

- электрических свойств разреза (сопротивление).

Рассмотрим еще одну особенность процесса становления поля, которая относится к механизму распространения поля вторичных токов.

Для этого введем понятие ближней и дальней зоны неустановившегося электромагнитного поля. Это разделение производиться с использованием параметра становления

τ = 2⋅π ⋅107 ⋅ρ ⋅t и приведенного расстояния r/τ .

Условие дальней зоны : r/τ >>1,

Условие ближней зоны : r/τ << 1.

После мгновенного переключения тока в источнике возбуждение в каждую точку среды передается двумя способами:

1) По воздуху с мгновенной скоростью, без поглощения (т.к. воздух – изолятор). При этом механизме амплитуда поля убываетс удалением от источника за счет геометрического затухания. Поле с плоским фазовым фронтом проникает вертикально в землю одновременно во всех точках, поэтому можно считать, что распространяется плосконеоднородная волна. На достаточно большом расстоянии от источника или на очень малых временах задержки этот механизм является преобладающим.

2) По земле с поглощением и конечной скоростью, определяемыми проводимостью разреза. Этот механизм можно описать как процесс диффузионного распространения вторичных вихревых токов, которые равномерно распределяются в пространстве с течением времени. При этом интенсивность вторичных вихревых токов с удалением от источника убывает. Наглядным примером данного механизма распространения поля может слу-

жить растворение капли чернил в воде. Таким образом, две части поля оказываются разнесенными во времени и пространстве. Первый механизм распространения является определяющим для дальней зоны, а второй механизм – для ближней зоны.

Рассмотрение поля становления в дальней и ближней зонах позволяет сделать ряд упрощений в формулах для напряженностей магнитного и электрического полей. Для этого переходят к пределам:

при t→0 и r→∞ , для дальней зоны

при t→∞ и r→0 , для ближней зоны.

Использование упрощенных формул дает значительные методические преимущества, но при измерениях необходимо достаточно точно соблюдать условия ближней и дальней зоны. При этом, надо учитывать, что некоторые диапазоны времен и расстояний попадают на промежуточную зону, где использование приближений дальней и ближней зон является некорректным.

3.5 Аппаратура применяемая к методу зсдз

Электроразведочная аппаратура ЦЭС-М

Особенности цифровой обработки сигнала.

Важный вопрос при цифровой обработке сигнала – выбор периода опроса (величина обратная периоду опроса называется частотой дискретизации). Согласно теореме Котельникова-Шеннона достаточно двух отсчетов на период исследуемого гармонического сигнала чтобы восстановить его при обработке. Однако в реальных условиях (наличие помех, сложная форма сигналов) лучше исходить из необходимости десяти отсчетов на период, чтобы качественно обработать сигнал. Таким образом, если, например частота

исследуемого сигнала – 10 Гц, то частота дискретизации должна быть не менее

100Гц (период опроса не более 0,01с).

Второй важный момент состоит в том, что цифровой сигнал дискретен не только по времени, но и по амплитуде. Поэтому при обработке необходимо знать соответствие одного дискретного отсчета физической единице измеряемого поля. Это соответствие называется единицей станции (ценой деления). Например, если при измерении разности потенциалов, на вход аналогового усилителя подавался сигнал с амплитудой 10мВ, на выходе цифровой части аппаратуры этот сигнал соответствовал 10000 отсчетов, то

единица станции в данном канале равна 1мкВ.

Некоторые особенности аналоговой обработки сигнала.

Практически любой аналоговый усилитель в силу особенностей

элементной базы не может иметь одинакового коэффициента усиления в

широкой области частот. Кроме того, при введении в канал аналоговых

фильтров (например, для подавления помех) неравномерность усиления на

разных частотах увеличивается. Поэтому при измерениях в широкой частотной области полученную на определенной частоте единицу станции (цену деления) необходимо нормировать на некоторый поправочный коэффициент для рабочей частоты.

Зависимость коэффициента усиления от частоты называется

амплитудно-частотной характеристикой аппаратуры (АЧХ). Обычно, для снятия АЧХ на вход аппаратуры подается сигнал одинаковый по амплитуде, но меняющийся по известному закону по частоте (свип-сигнал). Затем, строится график отношения цены деления на данной частоте к цене деления на основной частоте. График может быть построен в зависимости как от частоты, так и от периода. На рис.2 приведен пример АЧХ станции ЦЭС-М. Все графики построены от периода.

Рис.2 Пример амплитудно-частотной характеристики в трех частотных

диапазонах для разных типов датчиков. Станция ЦЭС-М.

Еще одним важным вопросом является определение полярности

аппаратуры. Дело в том, что при измерении фазовых характеристик

электромагнитного поля, неправильное определение полярности приведет к

сдвигу фаз на 180 градусов. Задача заключается в правильной маркировке

входных разъемов аппаратуры. Например, если из двух электродов электрод с

большим потенциалом подключен к входной клемме со знаком «плюс», а

второй соответственно к клемме со знаком «минус», то на выходе аппаратуры должно наблюдаться положительное приращение показаний относительно нуля аппаратуры.

В полевых условиях полярность для электрических каналов

определяется созданием электрического поля в земле известной полярности

(рис.3). Направление вектора напряженности электрического поля Е – от

плюса к минусу.

Полярность магнитных каналов удобнее определять с помощью

небольшой одновитковой петли. К петле кратковременно подключается

источник тока и определяется знак приращения показаний аппаратуры.

Направление поля в петле определяется по правилу буравчика (рис.4).