Система обработки сигналов в низкочастотной электроразведке с искусственным источником

ГЛАВА 1. Краткий обзор современного состояния обработки сигналов с искусственным источником.

К настоящему времени в электроразведке разработано большое количество методов, основанных на измерении тех или иных компонент электромагнитного (ЭМ) поля и последующем вычислении т.н. функций отклика - информативных характеристик, отражающих геоэлектрическое строение изучаемой геологической среды. Теория электромагнитного поля и электроразведки подробно рассмотрена в большом количестве работ (Стрэттон, 1948; Тамм, 1949; Жданов, 1986; Кауфман, 2000; Светов, 2008).

В современной электроразведкеважнейшую роль играют методы цифровой обработки сигналов (ЦОС). Цифровая обработка сигналов как направление в науке зародилась в 1950-х гг. и в настоящее время является хорошо изученной областью, имеющей обширное практическое применение. Общие принципы ЦОС детально обсуждаются, например, в книгах (Фрэнкс, 1974; Айфичер, Джервис, 2004; Оппенгейм, Шафер, 2009; Vaseghi, 2000; Хемминг, 1987; Сергиенко, 2005).

Исследования статистических свойств сигналов также можно отнести к области ЦОС. Классические методы математической статистики хорошо работают в тех случаях, когда данные удовлетворяют строгим статистическим моделям. При работе с реальными данными, это условие в большинстве случаев нарушается. Робастные методы статистической обработки, устойчивые к нарушениям строгости моделей, также являются на сегодняшний день достаточно хорошо разработанными (Хьюбер, 1984; Хампель, и др., 1989; Грановский, Сирая, 1990).

Развитие систем обработки электроразведочных данных тесно связано с развитием самой электроразведочной аппаратуры. В развитии измерительных систем для низкочастотной электроразведки выделяется 4 этапа (Жамалетдинов, 2011). В аппаратуре первого поколения регистрация сигнала велась в аналоговой форме, а обработка данных выполнялась вручную с применением логарифмических линеек. Второе поколение - цифровые системы регистрации с записью на магнитную ленту. Обработка данных проводилась с использованием вычислительных комплексов "Мир", "БЭСМ", "ЕС". Третье поколение систем регистрации и обработки представляет собой многоканальные цифровые измерительные комплексы с записью на цифровые магнитные носители, с возможностью синхронизации по кварцевым часам, обработкой результатов в реальном времени с применением портативных полевых компьютеров.

Современные системы (4-е поколение), отличаются многоканальностью, высокой степенью автоматизации, высокой чувствительностью, низким уровнем собственных шумов, широким динамическим диапазоном (24 и более разрядов) в широком спектре частот от 10 до 104 Гц, синхронизацией по мировому времени (GPS), полностью компьютеризированными системами обработки с возможностью оперативного анализа результатов наблюдений непосредственно на полевой точке.

Создание и развитие аппарата обработки электроразведочных данных в методах с естественным источником поляотражают работы (Безрук и др., 1964; Бердичевский, etal., 1969; Семенов, 1985; Нарский, 1994; Варенцов и др., 2003). Существенное развитие методы обработки получили также в рамках проектов по глубинным исследованиям земли с помощью магнито-гидродинамического (МГД) генератора (Велихов, 1989; Лисин, и др., 2009).

В созданном в ФГУГП "Иркутскгеофизика" комплексе обработки данных ЗСБ "Fast-Snap" (Агафонов, и др., 2001; Буддо, 2009), реализован метод подавления промышленной помехи на основе синтеза синусоидальных гармоник соответствующих частот и их последующего вычитания из измеренного сигнала. Такой подход оказывается достаточно эффективным в условиях оцифровки сигнала с постоянным шагом по времени. Разработанные в Новосибирском государственном техническом университете А.К. Захаркиным и Б.П. Балашевым системы "Цикл-5", "Цикл-7", применяемые для исследований методом ЗСБ, обеспечивают препроцессинг регистрируемого сигнала непосредственно в приемнике, что позволяют получать результирующие кривые становления на логарифмической сетке времен. Для подавления промышленной периодической помехи применяются аналоговые фильтры и последующий корректирующий фазовый сдвиг (Захаркин, и др., 1990; Захаркин, 1998; Захаркин, 2000). В программно-измерительных комплексах для метода ДНМЭ, разработанных в ООО "Сибирская геофизическая научно-производственная компания" (Легейдо, 1998; Давыденко, 2005), реализуется вычисление нормированных параметров непосредственно во время пропускания тока. Для повышения точности результата измерений этими авторами активно применяются методы робастной статистики, в том числе - M-оценка (Хампель и др., 1989). Алгоритмы обработки морских данных ДНМЭ, предложенные Л.Ф. Московской ("СевМорГео"), основаны на модифицированном методе наименьших квадратов, в котором для задания весов используется экспоненциальная функция (Московская, 2000; Московская, 2003).

В области систем для малоглубинных электроразведочных исследований уместно отметить комплекс TEM-Fast для зондирования становлением поля (Барсуков, и др., 2006). При обработке данных авторами комплекса применяется аппроксимация кривых ЗС методом экспоненциальных спектров (Барсуков, и др., 1982), а для подавления помех промышленной частоты специальным образом подбираются длительности импульсов и пауз при пропускании тока.Также широкий круг вопросов, связанных с обработкой данных ЗС подробно рассматривается в работах П.А. Дубинина (Дубинин, 1994; Дубинин, 1995).

Работа измерителя "МЭРИ-24" (ООО "Северо-Запад"), в доработке которого автор также принимал участие, основана на Фурье-разложении сигнала (оценки амплитуд и фаз гармоник сигнала) непосредственно во время измерения, накоплении и осреднении этих оценок.

Среди зарубежных программных комплексов для низкочастотной электроразведки заслуживают внимания европейская система LOTEM и американская система UTEM (Butler etal., 1993; Macnae etal., 1984; Strack etal., 1989; Efferso etal., 1999; Stephan etal., 1991).

Таким образом, к настоящему времени достаточно полно разработан технологический аппарат различных электроразведочных методов и математический аппарат интерпретации получаемых данных. Повышение производительности измерений, достигаемое с использованием современных систем сбора данных, обуславливает существенное увеличение объемов данных. Отмечается также некоторая тенденция к универсализации регистрирующего оборудования, т.е. возможности его применения в различных методах электроразведки. Обработка больших объемов разнородных электроразведочных данных требует создания высокопроизводительных, гибко настраиваемых под конкретный метод (т.е. позволяющих оценивать функции отклика конкретного типа) и удобных в использовании программных инструментов, предусматривающих возможность автоматизации выполнения обработочных процедур.

Современное состояние парка программно-аппаратных измерительных комплексов обнаруживает выраженную привязанность программных комплексов обработки данных к конкретным моделям измерительной аппаратуры. Это предопределяет многие ограничения, с которым сталкиваются геофизики при необходимости провести обработку данных, полученных с помощью конкретной аппаратуры, с использованием сторонних программных инструментов. Эти ограничения связаны с несоответствием форматов входных и выходных данных, частот оцифровки, разрядности АЦП, параметров децимации временных рядов и т.д. В этой связи представляется чрезвычайно актуальной задача создания универсального многофункционального программного комплекса, позволяющего эффективно проводить обработку данных, не ограничиваясь рамками конкретных программно-аппаратных измерительных комплексов.