RU2793393C1

RU2793393C1 - Method for measuring the semi-axes of the full polarization ellipse of the magnetic field and a device for its implementation

Info

Publication number: RU2793393C1
Application number: RU2021132606A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Ратушняк; Алексей Дмитриевич Коноплин
Filing date: 2021-11-08
Publication date: 2023-04-03

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: inventions relate to measurements of semi-axes of a full polarization ellipse of a magnetic field and can be used in geophysical studies of the upper part of the earth's crust, when searching for objects of increased conductivity in the earth by air and ground methods of induction frequency sounding and dipole electromagnetic profiling. The amplitudes of the three components of the magnetic field and the phase values of the field components are measured relative to the phase of the reference signal generator. In this case, arbitrarily oriented mutually perpendicular magnetic field sensors are used. According to the measured values, the values of the semiaxes of the polarization ellipse are numerically determined. The measuring device consists of three or two identical measuring channels. Each channel includes an alternating magnetic field sensor, a preamplifier, a bandpass filter, an amplitude meter, a phase meter, an analog-to-digital converter common to all channels, and a reference signal generator common to the phase meters of all channels. In a two-channel device, the sensor system has the ability to rotate one of the sensors at an angle of 90° around an axis directed along the other sensor.

EFFECT: increasing the accuracy, reliability and reproducibility of the survey results, increasing the productivity and information content of the primary survey material.

3 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано при изучении строения верхней части земной коры и поисках месторождений полезных ископаемых методами электроразведки.The present invention relates to the field of geophysical research and can be used in studying the structure of the upper part of the earth's crust and searching for mineral deposits using electrical exploration methods.

Для изучения геоэлектрического строения среды широко применяется класс методов электроразведки, основанных на измерении характеристик переменного магнитного поля. Характеристики магнитного поля определяются по данным измерений пространственных составляющих (компонент) полного поля, что порождает определенные проблемы, связанные с необходимостью точной ориентировки измерительного датчика, причем, чем ближе проводится измерение к источнику поля, тем точнее должно быть ориентировка.To study the geoelectric structure of the medium, a class of electrical exploration methods based on measuring the characteristics of an alternating magnetic field is widely used. The characteristics of the magnetic field are determined from the measurement data of the spatial components (components) of the full field, which gives rise to certain problems associated with the need for accurate orientation of the measuring sensor, and the closer the measurement is to the field source, the more accurate the orientation should be.

Предметом настоящего изобретения является метод и устройство, позволяющие измерять инвариант поля - полный эллипс поляризации магнитного поля, чувствительный к неоднородностям электропроводности полупространства.The subject of the present invention is a method and device for measuring the field invariant - a complete ellipse of magnetic field polarization, sensitive to inhomogeneities in the electrical conductivity of the half-space.

Само появление эллиптической поляризации гармонического магнитного поля обусловлено наличием двух полупространств - верхнего непроводящего (воздух) и нижнего проводящего (земля), благодаря чему круговая поляризация магнитного поля, характерная однородной среде, деформируется в эллиптическую, причем тем больше, чем выше электропроводность подстилающего полупространства. Характеристикой, чувствительной к электропроводности среды, является отношение большой полуоси эллипса поляризации к малой.The very appearance of the elliptical polarization of a harmonic magnetic field is due to the presence of two half-spaces - the upper non-conductive (air) and the lower conductive (earth), due to which the circular polarization of the magnetic field, characteristic of a homogeneous medium, is deformed into an elliptical one, and the more, the higher the electrical conductivity of the underlying half-space. A characteristic that is sensitive to the electrical conductivity of the medium is the ratio of the major semiaxis of the polarization ellipse to the minor one.

Использование характеристик эллипса поляризации переменного магнитного поля, создаваемого гармоническим током стороннего источника с ориентацией измерительных катушек в плоскости его поляризации, известен достаточно давно [1].The use of the characteristics of the polarization ellipse of an alternating magnetic field created by the harmonic current of an external source with the orientation of the measuring coils in the plane of its polarization has been known for a long time [1].

Наиболее простой способ заключается в непосредственных измерениях величин большой и малой полуосей эллипса магнитного поля при последовательной ориентации измерительной катушки в плоскости поляризации поля до нахождения экстремальных значений и является очень низко производительной операцией.The simplest method is to directly measure the values of the major and minor semiaxes of the magnetic field ellipse with the sequential orientation of the measuring coil in the plane of polarization of the field until extreme values are found and is a very low-performance operation.

Известен способ (аналог) измерений полуосей эллипса поляризации магнитного поля с фиксированной ориентировкой ортогональных измерительных катушек в вертикальной плоскости, проходящей по линии источник-приемник, с фазочувствительными измерениями двух декартовых составляющих магнитного поля Н_х, H_z и дальнейшим пересчетом квадратурных компонент поля Re и Im в величины большой и малой полуосей эллипса Н_а, H_b по известным формулам [2, 3].A known method (analogue) of measuring the semi-axes of the magnetic field polarization ellipse with a fixed orientation of orthogonal measuring coils in a vertical plane passing along the source-receiver line, with phase-sensitive measurements of two Cartesian components of the magnetic field H _x , H _z and further recalculation of the quadrature components of the field Re and Im into the values of the major and minor semi-axes of the ellipse H _a , H _b according to known formulas [2, 3].

Устройство для реализации данного способа требует применения фазочувствительной аппаратуры с передачей фазы от источника поля к измерителю, находящемуся в точке измерений.The device for implementing this method requires the use of phase-sensitive equipment with phase transfer from the field source to the meter located at the measurement point.

Известен способ и устройство для измерения угла и направления наклона эллипса поляризации и отношений его полуосей [4]. В устройстве использованы два ортогональных датчика и характеристики поля восстанавливаются по измеренным амплитудам и фазовым сдвигам между каналами. Недостатком этого способа является необходимость точной ориентировки измерительной системы в горизонтальной и вертикальной плоскостях.A known method and device for measuring the angle and direction of the inclination of the polarization ellipse and the ratio of its semiaxes [4]. The device uses two orthogonal sensors and the field characteristics are restored from the measured amplitudes and phase shifts between the channels. The disadvantage of this method is the need for precise orientation of the measuring system in the horizontal and vertical planes.

Известно устройство для электромагнитного зондирования и профилирования [5]. Устройство позволяет проводить амплитудные и фазовые измерения трех компонент поля вертикального магнитного диполя на 10 частотах. К недостаткам данного устройства следует отнести необходимость передачи опорного сигнала по проводу и необходимость точной ориентировки измерительной системы датчиков на месте измерений.A device for electromagnetic probing and profiling is known [5]. The device allows to carry out amplitude and phase measurements of three components of the vertical magnetic dipole field at 10 frequencies. The disadvantages of this device include the need to transmit the reference signal over the wire and the need for accurate orientation of the measuring system of sensors at the measurement site.

Известно устройство для электромагнитного профилирования в аэроварианте, включающее в себя генераторную рамку и трехкомпонентную систему датчиков магнитного поля [6]. Устройство позволяет выполнять амплитудные и фазовые измерения поля на нескольких частотах и по данным измерений определять параметры эллипса поляризации поля (отношение полуосей, угол и азимут наклона). При этом в самом устройстве использована сложная система определения относительных координат и углов наклона генераторной рамки и измерительной системы.A device for electromagnetic profiling in an aero version is known, which includes a generator frame and a three-component system of magnetic field sensors [6]. The device allows to perform amplitude and phase measurements of the field at several frequencies and to determine the parameters of the field polarization ellipse (ratio of the semiaxes, tilt angle and azimuth) from the measurement data. At the same time, the device itself uses a complex system for determining the relative coordinates and inclination angles of the generator frame and the measuring system.

Известен способ измерения полуосей эллипса поляризации магнитного поля с ориентировкой приемных катушек в вертикальной плоскости, проходящей по линии источник-приемник и устройство для его осуществления [7], который является прототипом предложенного способа. Сущность способа-прототипа заключается в применении двух взаимно-перпендикулярных датчиков магнитного поля, в котором сигнал, принятый одним датчиком, поворачивают по фазе на угол, равный четверти периода, а затем половине периода и после каждого поворота фазы складывают с сигналом, снимаемым со второго датчика; полученные два напряжения выпрямляются и определяют их полусумму и полуразность, которые численно пропорциональны большой и малой полуосям эллипса поляризации.A known method of measuring the semi-axes of the ellipse of polarization of the magnetic field with the orientation of the receiving coils in a vertical plane passing along the source-receiver line and a device for its implementation [7], which is the prototype of the proposed method. The essence of the prototype method is the use of two mutually perpendicular magnetic field sensors, in which the signal received by one sensor is rotated in phase by an angle equal to a quarter of the period, and then half of the period, and after each phase rotation is added to the signal taken from the second sensor ; the resulting two voltages are rectified and determine their half-sum and half-difference, which are numerically proportional to the major and minor semi-axes of the polarization ellipse.

Основным недостатком способа-прототипа и других применяемых способов является то, что в условиях неоднородной проводящей среды плоскость поляризации магнитного поля может существенно отклоняться от плоскости, проходящей через источник и приемник поля. Для точного определения полуосей эллипса поляризации в пространстве необходимы измерения трех составляющих магнитного поля. Вторым недостатком способа-прототипа является необходимость выполнения процедуры двух поворотов фазы измеряемого сигнала на определенные углы с последующими вычислениями полуосей эллипса поляризации по измеряемым сигналам.The main disadvantage of the prototype method and other methods used is that under conditions of an inhomogeneous conductive medium, the plane of polarization of the magnetic field can deviate significantly from the plane passing through the source and receiver of the field. To accurately determine the semi-axes of the polarization ellipse in space, it is necessary to measure three components of the magnetic field. The second disadvantage of the prototype method is the need to perform the procedure of two phase rotations of the measured signal at certain angles, followed by calculations of the semiaxes of the polarization ellipse from the measured signals.

Цель предлагаемого решения - определение параметров полного эллипса поляризации магнитного поля в пространстве.The purpose of the proposed solution is to determine the parameters of the complete ellipse of magnetic field polarization in space.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе с помощью стороннего источника в окружающем пространстве возбуждают гармоническое электромагнитное поле и в точках наблюдений измеряют три ортогональные составляющие магнитного поля без какой-либо ориентации измерительной системы в пространстве. При этом регистрацию составляющих поля выполняют с относительными измерениями сдвигов фаз составляющих поля относительно фазы генератора опорного сигнала измерителя.This goal is achieved by the fact that in the proposed method, using a third-party source, a harmonic electromagnetic field is excited in the surrounding space and three orthogonal components of the magnetic field are measured at observation points without any orientation of the measuring system in space. In this case, the registration of the field components is performed with relative measurements of the phase shifts of the field components relative to the phase of the reference signal generator of the meter.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что являясь пространственным инвариантом, величины полуосей эллипса поляризации не зависят от пространственной ориентации датчиков трех декартовых составляющих поля.The essence of the proposed method lies in the fact that being a spatial invariant, the values of the semi-axes of the polarization ellipse do not depend on the spatial orientation of the sensors of the three Cartesian field components.

Повороты измерительной системы координат в пространстве на произвольные углы (ориентация трех ортогональных датчиков) не влияют на величину определяемых полуосей эллипса поляризации.Rotations of the measuring coordinate system in space by arbitrary angles (orientation of three orthogonal sensors) do not affect the value of the determined semi-axes of the polarization ellipse.

Фиг. 1. Эллипс поляризации магнитного поля и его проекции в основной XY и смещенной X'Y' системах координат.Fig. 1. Magnetic field polarization ellipse and its projections in the main XY and shifted X'Y' coordinate systems.

Фиг. 2. Пространственно-временная развертка эллипса поляризации магнитного поля.Fig. 2. Spatio-temporal unfolding of the magnetic field polarization ellipse.

Фиг. 3. Устройство для измерения пространственного эллипса поляризации магнитного поля.Fig. 3. A device for measuring the spatial ellipse of magnetic field polarization.

На фиг. 1 изображен эллипс поляризации магнитного поля, его образующие полуоси Н_а, Н_ь и составляющие магнитного поля Н_х, H_z в основной XY и

смещенной X'Y' системах координат. Поворот системы координат, т.е. изменение ориентации датчиков поля, приводит к изменению угла наклона большой полуоси эллипса поляризации в и величин составляющих магнитного поля, при этом величины полуосей эллипса поляризации Н_а, Н_ь не изменяются.In FIG. 1 shows the ellipse of polarization of the magnetic field, its semi-axes forming H _a , H _b and the components of the magnetic field H _x , H _z in the main XY and

shifted X'Y' coordinate systems. Rotation of the coordinate system, i.e. a change in the orientation of the field sensors leads to a change in the angle of inclination of the major semi-axis of the polarization ellipse β and the magnitudes of the components of the magnetic field, while the magnitudes of the semi-axes of the polarization ellipse H _a , H _b do not change.

Эта инвариантность поля сохраняется в случае пространственного изменения ориентации трех взаимоортогональных датчиков магнитного поля.This field invariance is preserved in the case of a spatial change in the orientation of three mutually orthogonal magnetic field sensors.

Второй особенностью является временная инвариантность поля. Она заключается в том, что величины полуосей эллипса не зависят от абсолютных значений сдвига фаз каждой из трех составляющих магнитного поля относительно фазы тока в источнике поля и достаточно ограничиться относительными измерениями сдвигов фаз составляющих поля.The second feature is the time invariance of the field. It lies in the fact that the values of the semi-axes of the ellipse do not depend on the absolute values of the phase shift of each of the three components of the magnetic field relative to the phase of the current in the field source and it is enough to restrict ourselves to relative measurements of the phase shifts of the field components.

На фиг. 2 изображена пространственно-временная развертка эллипса поляризации магнитного поля в системе координат xzt, где в качестве одной из осей является время. Временная развертка вектора магнитного поля представляет собой дискретное положение конца вектора магнитного поля, ортогонального оси t и вращающегося в плоскости xz по поверхности цилиндра с эллиптическим основанием, в заданный момент времени t и представляет собой винтовую линию. Измерения величин составляющих магнитного поля Н_х, H_z за период Т могут быть выполнены как при синхронизации начала фаз измеряемого сигнала относительно фазы тока в источнике относительно времени t₀ (что реализуется в фазочувствительной аппаратуре), так и за тот же период T относительно времени t₀+dt, если за начало отсчета принять фазу сигнала внутреннего генератора измерителя или одного из датчиков поля. За период Т вектор магнитного поля описывает эллипс, начиная с произвольного момента времени, если проецировать его на плоскость xz. Эта инвариантность поля сохраняется в случае произвольной ориентации ортогональных датчиков магнитного поля.In FIG. 2 shows the space-time scan of the magnetic field polarization ellipse in the xzt coordinate system, where time is one of the axes. The time base of the magnetic field vector is a discrete position of the end of the magnetic field vector, orthogonal to the t axis and rotating in the xz plane on the surface of a cylinder with an elliptical base, at a given time t and is a helix. Measurements of the values of the components of the magnetic field H _x , H _z for the period T can be performed both by synchronizing the beginning of the phases of the measured signal relative to the phase of the current in the source relative to time t ₀ (which is implemented in phase-sensitive equipment), and for the same period T relative to time t ₀ +dt, if the phase of the signal of the internal generator of the meter or one of the field sensors is taken as the origin. For a period T, the magnetic field vector describes an ellipse, starting from an arbitrary point in time, if projected onto the xz plane. This field invariance is preserved in the case of an arbitrary orientation of the orthogonal magnetic field sensors.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

Гармоническим током в источнике (заземленной линии или незаземленном контуре), питаемым силовым генераторным устройством, в окружающем пространстве создают электромагнитное поле. В точках наблюдений, удаленных от источника поля, выполняют регистрацию амплитуд трех составляющих поля, ориентированных произвольным образом, и сдвигов фаз составляющих поля относительно фазы сигнала внутреннего генератора измерителя. Величины полуосей пространственного эллипса поляризации по декартовым составляющим магнитного поля H_x, Н_у, H_z и относительным фазам ϕ_х, ϕ_у, ϕ_z определяются по формуламHarmonic current in the source (grounded line or ungrounded circuit), fed by the power generating device, creates an electromagnetic field in the surrounding space. At observation points remote from the field source, the amplitudes of the three field components, arbitrarily oriented, and the phase shifts of the field components relative to the signal phase of the internal generator of the meter are recorded. The values of the semiaxes of the spatial polarization ellipse according to the Cartesian components of the magnetic field H _x , H _y , H _z and the relative phases ϕ _x , ϕ _y , ϕ _z are determined by the formulas

где угол α определяется из соотношенияwhere the angle α is determined from the relation

За нулевую (начальную) фазу можно принять любую из фаз трех составляющих поля.Any of the phases of the three field components can be taken as the zero (initial) phase.

Устройство для реализации предложенного способа содержит две основных части - генераторную и измерительную. Генераторная часть представляет собой типовое устройство, применяемое в электроразведке, включающее в себя силовой блок, создающий периодический ток постоянной частоты и источник поля (заземленную линию или незаземленный контур). Измерительная часть представляет собой устройство для амплитудно - фазовых измерений магнитного поля по трем пространственным составляющим.The device for implementing the proposed method contains two main parts - generating and measuring. The generator part is a typical device used in electrical exploration, including a power unit that creates a periodic current of constant frequency and a field source (grounded line or ungrounded circuit). The measuring part is a device for amplitude - phase measurements of the magnetic field in three spatial components.

Измерительное устройство для реализации способа измерения пространственного эллипса поляризации магнитного поля представлено фиг. 3. В структурную схему измерительного устройства входят следующие узлы и блоки: три идентичных измерительных канала составляющих магнитного поля Н_х, Н_у, H_z в измерительном устройстве, каждый из которых включает в себя компонентный датчик магнитного поля 1, предварительный усилитель 2, полосовой фильтр 3, измеритель амплитуды сигнала 4, измеритель фазы сигнала 5, общий для всех каналов генератор сигнала опорной частоты 6, аналого-цифровой преобразователь 7 и устройство анализа и хранения данных 8.The measuring device for realizing the method for measuring the spatial ellipse of magnetic field polarization is shown in Fig. 3. The block diagram of the measuring device includes the following nodes and blocks: three identical measuring channels of the magnetic field components H _x , H _y , H _z in the measuring device, each of which includes a component magnetic field sensor 1, a preamplifier 2, a bandpass filter 3, a signal amplitude meter 4, a signal phase meter 5, a reference frequency signal generator common to all channels 6, an analog-to-digital converter 7, and a data analysis and storage device 8.

Устройство для измерения пространственного эллипса поляризации магнитного поля работает следующим образом. Сигнал от датчика магнитного поля 1 поступает на вход предварительного усилителя 2, где усиливается, далее поступает на вход полосового фильтра 3, настроенного на частоту измеряемого сигнала. С выхода фильтра сигнал поступает на измеритель амплитуды 4 и измеритель фазы 5 сигнала. Опорный сигнал для измерения фазы задается генератором 6, имеющим частоту генерации равной частоте измеряемого сигнала. Опорный сигнал является общим для всех трех каналов, что обеспечивает общую начальную точку отсчета во времени для всех каналов при определении фазы. Далее аналоговые значения амплитуды и фазы подаются на вход многоканального аналого-цифрового преобразователя 7, с выхода которого в виде цифрового кода поступают в устройство анализа и хранения данных 8, на котором уже производятся вычисления значений полуосей эллипса по формулам (1)-(2) и основанных на этих значениях характеристик геоэлектрического разреза.Device for measuring the spatial ellipse of the polarization of the magnetic field works as follows. The signal from the magnetic field sensor 1 is fed to the input of the pre-amplifier 2, where it is amplified, then it is fed to the input of the band-pass filter 3 tuned to the frequency of the measured signal. From the filter output, the signal is fed to the amplitude meter 4 and the phase meter 5 of the signal. The reference signal for measuring the phase is set by the generator 6, which has a generation frequency equal to the frequency of the measured signal. The reference signal is common to all three channels, which provides a common starting point in time for all channels in determining the phase. Next, the analog values of the amplitude and phase are fed to the input of the multichannel analog-to-digital converter 7, from the output of which they are sent in the form of a digital code to the data analysis and storage device 8, on which the values of the semiaxes of the ellipse are already calculated using formulas (1) - (2) and based on these values of the characteristics of the geoelectric section.

Трехканальное измерительное устройство наиболее универсально и может использоваться, в том числе для выполнения измерений в движении.The three-channel measuring device is the most versatile and can be used, among other things, for measurements on the move.

Описанный способ измерения полуосей может быть реализован более простым двухканальным измерительным устройством при дискретных наземных измерениях. Для выполнения измерений полуосей эллипса двухканальным измерителем необходимо, чтобы один из датчиков имел возможность поворота на 90° вокруг оси, в направлении которой ориентирован другой датчик. Тогда за два измерения можно получить значения амплитуд и относительных фаз поля по трем пространственным компонентам.The described method for measuring semiaxes can be implemented with a simpler two-channel measuring device for discrete ground measurements. To perform measurements of the semiaxes of an ellipse with a two-channel meter, it is necessary that one of the sensors be able to rotate 90 ° around the axis in the direction of which the other sensor is oriented. Then two measurements can be used to obtain the values of the amplitudes and relative phases of the field from three spatial components.

Источники:Sources:

1. Заборовский А.И. Электроразведка. М.: ГНТИ, 1963. 424 с.1. Zaborovsky A.I. Electrical exploration. M.: GNTI, 1963. 424 p.

2. Светов Б.С. Теория, методика интерпретация материалов низкочастотной индуктивной электроразведки. М.: Недра. 1973. 254 с.2. Svetov B.S. Theory, methodology, interpretation of materials of low-frequency inductive electrical prospecting. M.: Nedra. 1973. 254 p.

3. Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л. Электроразведка. М.: Недра, 1988. 395 с.3. Yakubovsky Yu.V., Lyakhov L.L. Electrical exploration. M.: Nedra, 1988. 395 p.

4. Yamashita М., Hirano K., Thai N.D. Method and apparatus for measuring ellipse parameters of electromagnetic polarization in geophysical exploration // Pat. US 4100482, 1978.4. Yamashita M., Hirano K., Thai N.D. Method and apparatus for measuring ellipse parameters of electromagnetic polarization in geophysical exploration // Pat. US 4100482, 1978.

5. PROMIS Multi-frequency multi-spacing 3 component EM system for sounding & profiling. URL: https://www.iris-instruments.com/Pdf_file/Promis.pdf.5. PROMIS Multi-frequency multi-spacing 3 component EM system for sounding & profiling. URL: https://www.iris-instruments.com/Pdf_file/Promis.pdf.

6. Система низкочастотной индуктивной аэроэлектроразведки ЕМ-4Н. URL: https://geotechnologies.ru/ads/brochures/EM-4H_ru.pdf.6. EM-4N low-frequency inductive airborne electrical survey system. URL: https://geotechnologies.ru/ads/brochures/EM-4H_ru.pdf.

7. Светов Б.С. Способ измерения полуосей эллипса поляризации магнитного поля и устройство для его осуществления. А.С. №132345. БИ №12, 1960.7. Svetov B.S. A method for measuring the semi-axes of a magnetic field polarization ellipse and a device for its implementation. A.S. No. 132345. BI No. 12, 1960.

Claims

1. A method for measuring the semi-axes of the full polarization ellipse of the magnetic field in electrical exploration using mutually perpendicular magnetic field sensors, characterized in that, in order to determine the semi-axes of the polarization ellipse in space, the amplitudes of three components of the magnetic field are measured, and the phase values of the field components are determined relative to the phase of the reference signal generator and numerically determine the values of the semi-axes of the polarization ellipse.

2. A device for implementing the method according to claim 1, consisting of three identical measuring channels, each of which includes an alternating magnetic field sensor, a preamplifier, a bandpass filter, an amplitude meter, a phase meter, an analog-to-digital converter common to all channels, a reference signal generator and an information analysis and storage device, wherein the magnetic field sensors are mutually orthogonal, characterized in that the reference signal generator is common to the phase meters of all three channels.

3. A device for implementing the method according to claim 1, consisting of two identical measuring channels, each of which includes an alternating magnetic field sensor, a preamplifier, a bandpass filter, an amplitude meter, a phase meter, an analog-to-digital converter common to all channels, a reference signal generator and a device for analyzing and storing information, wherein the magnetic field sensors are orthogonal, characterized in that the reference signal generator is common to the phase meters of both channels, and the sensor system itself has the ability to rotate one of the sensors at an angle of 90 ° around an axis directed along another sensor.