Система обработки сигналов в низкочастотной электроразведке с искусственным источником

ГЛАВА 2. Полезный сигнал и помеха в низкочастотной электроразведке.

Во второй главе рассматриваются механизмы возбуждения низкочастотного электромагнитного поля, обсуждаются понятия полезного регистрируемого сигнала и помехи, приводится их подробная классификация.

В рамках настоящей диссертации автор ограничивается рассмотрением сигналов, полученных путем измерения компонент(ы) электрического поля, возбужденного источниками гальванического типа (заземленные питающие линии). Однако, необходимо отметить, что разработанный автором программный комплекс не имеет ограничений по физическому типу измеряемых полей и позволяет добавлять алгоритмы, которые можно применять для обработки записей магнитного поля.

Полезный регистрируемый сигнал представляет собой пространственно-временной объект, характеризующийся интервалом времени записи и формой тока, а также расположением приемных и питающих электродов. В качестве зависимости формысигнала в источнике от времени чаще всего используется меандр или меандр с паузой (рис. 1). При обработке таких сигналов можно получить информацию о поведении поля на нескольких частотах (гармониках). Также могут использоваться и другиеформы сигнала, например синусоидальная форма. Однако синусоидальный сигнал является менее информативным, т.к. несет информацию только о единственной частоте.

Необходимо отметить одно важное свойство, которым обладают все вышеперечисленные полезные сигналы. Пусть S(t) - T-периодический полезный сигнал (с периодом T). Для сигналов типа меандр и меандр с паузой выполняется условие S(t) = - S(t + T/2), которое называется антипериодичностью сигнала с периодом T/2. Сигнал S(t) в таком случае является T/2-антипериодическим. При прохождении через геологическую среду и приемную установку, сигнал источника преобразуется с сохранением свойства T/2-антипериодичности.

В измеренных данных полезный сигнал осложнен присутствием помех: M(t) = S(t) + D(t) + N(t), где M(t) - измеренный сигнал, S(t) - полезный сигнал, D(t) - искажения полезного сигнала, связанные с несоответствием пространственно-временной структуры ЭМ поля и ее модели, используемой в данном методе, N(t) - шумы (беспорядочные колебания различной физической природы, случайная погрешность измерений).Таким образом, под помехой понимается комбинация искажений и шумов.

Задачей обработки является подавление помех, выделение полезной составляющей и устойчивое получение информативных характеристик сигнала, отражающих геоэлектрическое строение среды. Для эффективной борьбы с помехами необходимо обладать сведениями об их природе и их свойствах. Если положить в основу классификации причину возникновения помех, то помехи можно разделить на методические помехи, помехи сторонних источников и аппаратурные помехи. Аппаратурные помехи можно, в свою очередь, разделить на помехи, вызванные генераторным устройством, измерительным устройством и генераторно-измерительным взаимодействием.Такая классификации(Грановский, Сирая, 1990) интересна сама по себе, но не подходит для задачи обработки сигналов, т.к. многие помехи, разнесенные в разные классы, имеют сходные свойства, вид и поведение, хотя созданы разными источниками. Поэтому в настоящей диссертации приводится также классификация, основанная на сходных свойствах помех и их поведении.

Одним из основных типов помех является тренд -низкочастотная помеха (точнее говоря, плавно и медленно меняющаяся помеха). Тренд может возникать из-за плавно меняющегося во времени естественного поляэлектрохимической природы, магнитотеллурическогополя, низкочастотных техногенных помех, а также - при работе с заземленной линией из-за процессов поляризации электродов и из-за изменения состояния заземления. Пример тренда приведен на рис. 2.

Стандартные приемы борьбы с трендом основаны на аппроксимации тренда сплайнами, либо полиномами различных степеней. Однако такие подходы могут неконтролируемо исказить полезный сигнал, кроме того, они плохо работают, когда тренд обладает характерными временами изменения, близкими к периоду несущего сигнала. Автором разработан алгоритм подавления низкочастотного тренда, лишенный указанных недостатков.

Электроразведочные работывсе чаще проводятся в районах, находящихся в непосредственной близости от различных индустриальных объектов. В таких условиях измерения всегда осложнены наличием гармонической (с частотой 50 или 60 Гц) индустриальной помехи (рис. 3).

Подавлять промышленную помеху можно как с помощью аналоговых фильтров, так и с помощью цифровой обработки. Обаподхода обладают своими достоинствами и недостатками. В настоящее время в основном применяются методы, основанные на цифровой обработке. При выборе способа борьбы с промышленной помехой необходимо учитывать его свойства, а также особенности поведения самой помехи при оцифровке (например, эффект утечки спектра, который заключается в перераспределении энергии компонент спектра по всем выходным отсчетам быстрого преобразования Фурье (БПФ) вследствие особого вида собственной амплитудно-частотной характеристики БПФ).

Часто при работе с искусственным источником при близком расположении проводов питающей и приемной линий в момент переключения источника на измеренном сигнале виден дельтавидный всплеск (рис. 4). Этот эффект вероятнее всего связан с индукционными и емкостными эффектами в цепи источник - Земля - приемник. Отличительной чертой этого искажения является то, что оно удовлетворяет свойству антипериодичности так же, как и полезный сигнал. Этот вид искажения требует особо детального изучения. Автор отмечает, что данный вид искажений наблюдается при работе с сигналом типа меандр или меандр с паузой, но отсутствует при работе с сигналом типа синусоида.

Еще одним типичным видом помех являются спорадические помехи (атмосферные разряды, техногенные источники, человеческий фактор). Обычно для борбы с такими помехами применяются различные робастные процедуры.

Кроме вышеописанных помех, при электроразведочных работах с искуственным источником могут возникать специфические искажения. Например, при работе с генераторами, не стабилизированными по току, может возникать проблема дрейфа ("уплывания") амплитуды регистрируемого сигнала.

Таким образом, учитывая существеное влияние помех на результаты измерений, принципиальным направлением в обработке является повышение точности оценивания изучаемых функций отклика, что в контексте некорректности обратных задач геоэлектрики, позволило бы повысить надежность результатов интерпретации. Переход на современные цифровые системы сбора электроразведочных данных с многоразрядными АЦП открывает пути к повышению точности измерений. Для реализации этого требуется повышение эффективности алгоритмов подавления электромагнитных помех.