Диссертация (1103043), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Этиполя имеют естественную природу и несут информацию о глубинах от десятковметров до 100 км и более. Различные способы зондирования, использующиеполя длинноволновых и средневолновых радиостанций, расширяют диапазончастот почти до 1 МГц и позволяют изучать глубины от единиц до сотенметров. Методом, дополняющим электроразведку на плоских волнах в областиещеболеевысокихчастот(до100МГц),являетсярадиоволновоеинтерференционное зондирование (РВИЗ) [15].
При этом токи проводимости,связанные с перемещением заряженных частиц, и токи смещения, возникающиев результате поляризации среды, становятся сопоставимы, что позволяетразличать исследуемые объекты, как по электропроводности, так и подиэлектрической проницаемости. В методе РВИЗ регистрируется сигнал,получающийсяврезультатеинтерференциипрямойиотраженныхгармонических радиоволн.Для двухслойной модели среды существуют простые кинематическиеспособы интерпретации данных РВИЗ. Однако кинематическая интерпретацияоснована на лучевой теории распространения волн, возможность использованиякоторого обусловлена относительно короткими длинами волн.
В РВИЗ, гдедлины волн сопоставимы с глубиной разведки, лучевую теорию следуетприменять с осторожностью. Приближение плоских волн, используемое вметоде РВИЗ, которое предполагает значительное удаление источника,неопределённость в положении источника излучений и его характеристикограничивают применение метода РИВЗ.Для зондирования на значительную глубину, позволяющую сопоставлятьрезультаты с данными сейсмического зондирования, требовалось решитьтехническуюзадачусозданиямощныхконтролируемыхисточниковэлектромагнитных волн во всём используемом для зондирования диапазоне.Априорное знание параметров источника зондирующих электромагнитных17волн и его местоположение по отношению к исследуемым объектамсущественнооблегчаетрешениеобратнойзадачиэлектромагнитногозондирования.В последние 20 лет решена значительная часть технологических проблеми,насовременнойнизкочастотногоэлементнойбазе,электромагнитногосозданызондированияэффективныессистемыконтролируемымисточником даже для океанских акваторий [16].
Существенной проблемойостаётся создание эффективных излучающих и приёмных антенн в широкомдиапазоне длин волн.Быстрыми темпами, в течение последних десятилетий, развивалисьисследования и в высокочастотной части электромагнитного спектра 106-109герц. В этом диапазоне частот, в последнее десятилетие были достигнутытехнологическиипрактическиважныерезультатыприпроведениизондирования с земной поверхности и с поверхности пресноводных водоёмов[17]. На сегодняшний день,сравнивая технологии подповерхностногозондирования различными способами, можно утверждать, что из всех методовэлектромагнитного зондирования в верхней части разреза, одним из наиболееэффективныхпокритериюглубина-разрешающаяспособность-удобствоприменения-стоимость бита информации является метод георадиолокации.Георадиолокаторконструктивносостоитизгенератора(передатчика)импульсов электромагнитных волн, согласованного с передающей антенной, иприёмника, согласованного с приёмной антенной.
В некоторых конструкциях,прежде всего маломощных радаров приёмная и передающая антеннысовмещены и добавлен блок управления. Но в большинстве конструкцийсовременных георадаров используются два основных блока: передающий иприёмный, а блок управления либо совмещён с приёмником, либо его рольиграет внешний компьютер, соединённый с приёмником. Следует иметь в виду,что линейный размер антенн определяет диапазон частот, в котором передатчикнаиболее эффективно излучает, а приёмник принимает.
Поэтому выбор антенн18это всегда компромисс между желанием достичь максимальной глубинызондирования и при этом иметь достаточную разрешающую способность длярешения конкретной задачи.Из всех реализаций, лучшие для практической инженерной геофизики игеологоразведки результаты в настоящее время обеспечивают георадары,излучающие и принимающие мощные короткие импульсы без несущей, сдлительностьюпереднегосверхширокополосныйфронта,измеряемогомоноимпульсныйсигналнаносекундами.обладаетТакойтеоретическиоптимальными характеристиками для наземного георадиолокатора.
Крутизнапереднего фронта такого импульса формирует широкий спектр излучаемыхчастот, обеспечивая одновременно максимальную глубину зондирования, имаксимальное разрешение. Такой импульс, его еще называют видеоимпульсом,можно рассматривать как предельный случай трансформации обычного,квазимонохроматическогорадиолокации:уменьшениезондирования,и,обеспечиваетмаксимальноесигналачастотыодновременно,изклассической,несущейуменьшениеразрешение.«воздушной»увеличиваетдлительностиНесмотрянаглубинуогибающейвпечатляющиерезультаты, достигнутые в зондировании с использованием наносекундныхимпульсов, теория взаимодействия таких импульсов с реальными природнымисредами практически не развита. Численные эксперименты, проводимые присущественных упрощениях модели исследуемой среды и математическогоописания зондирующего сигнала, кардинально не приближают к пониманиюпроцессов взаимодействия зондирующих сигналов со средой и, в конечномитоге, не позволяют формализовать, а, следовательно, и автоматизироватьпроцесс интерпретации экспериментальных результатов.
Это затрудняет изначительно замедляет внедрение перспективной технологии импульсногосверхширокополосного электромагнитного зондирования.Современные теория, методика и способы интерпретации результатовгеорадиолокации верхней части разреза земной поверхности в основном19базируются на макроскопической электродинамике. Это предполагает, что вобозримомбудущем,основныминструментомулучшенияиразвитиятехнологии георадиолокации, будет адекватная физическая интерпретацияполучаемых результатов на основе решений уравнений Максвелла приусловиях максимально приближенных к реальной ситуации.Перед решением задачи в новой, более широкой постановке, с целью еёупрощения, без потери сути, необходимо наложить определенные ограниченияна пространственные и временные масштабы изучаемых явлений.
Будемпредполагать, что минимальные размеры областей пространства настолькобольше атомных и молекулярных размеров, что параметры, описывающиесреду, являются статистически осредненными. Такими параметрами являютсяпроводимость, диэлектрическая и магнитная проницаемость, с помощьюкоторых формулируются материальные связи с электромагнитным полем.
Вгеорадиолокации ограничения, накладываемые на размеры изучаемых сред,определяютсяразмераминеоднородностейипараметрамигеорадара,формирующими источник электромагнитного излучения и его регистрацию.Атомно-молекулярныеразмерыопределяютвпределах10-10-10-7м.Минимальные размеры кристаллических включений 10-6 м. Наряду сразмерами, ограничивающую роль в макроскопической электродинамикеиграет время. Различные виды диэлектрической поляризации устанавливаютсяза время 10-15-10-7 с. Предполагается, что при более медленных процессахвзаимодействиядиэлектрическаяпроницаемостьсовпадаетсосвоимистатическими значениями.В проводящих средах, в растворах электролитов – главных проводникахэлектричества в горных породах минимальные времена: 10-9- 10-7 с.Следуетучитыватьиприсутствиенеоднородностейвреальныхгеологических средах, наличие жидких и твердых фаз, проводников и т.д.,которые приводят к эффектам вызванной поляризации, времена установления20которой намного превышают атомно-молекулярные и достигают миллисекунди секунд [8].Очевидно, что для адекватной интерпретации георадарных данных, вчастности, да и вообще для данных любых систем электромагнитногозондирования, необходимо учитывать характерные времена взаимодействияполей с исследуемой средой и возникающие при этом эффекты, подобныеявлениям, сопровождающим взаимодействие электромагнитных импульсов сплазмой.Вработеобсуждаетсявлияниепараметров,характеризующихраспространение сверхширокополосных сигналов на основе классическихпредставленийобэлектрофизическихпараметрахвеществаитеориираспространения электромагнитных волн в средах под земной поверхностью нахарактеристики георадара и качество георадиолокационных данных, вчастности на глубину зондирования и разрешающую способность.
Дляиллюстрациитеоретическихрезультатовмоделированияпредставленыисследованияподповерхностныхпромышленности:ирезультатовэкспериментальныегеологоразведкигрунтоввместорожденийданныечисленногогеорадарногоразличныхобластяхтвёрдыхполезныхископаемых, экологического мониторинга, инженерной геологии и т.
д. спомощью георадаров модельного ряда «ГРОТ».Рабочий диапазон частот различных моделей георадаров «ГРОТ» обычнолежит в пределах 15-2000 МГц (МГц = 106 Гц), что соответствует во временномдиапазоне периодам электромагнитных волн 10-6- 10-9с. При этом характерныедлительности импульса передающей системы составляют 1-50 нс (1нс=10-9с).Очевидно, что для реальных горных пород диэлектрическая проницаемость длятаких частот не будет совпадать со своим стационарным значением [8] и всехарактерныезначения,определяющиеамплитуды,крутизнуфронтов,длительность импульсов и частоту их следования, находятся во временном21диапазоне процессов, оказывающих влияние на электрофизические параметрыисследуемой среды.Из сопоставления приведенных выше оценок электрофизических свойствсреды и характерных параметров зондирующих импульсов ясно, что приинтерпретации данных измерений необходимо уметь разделять и учитывать,во-первых, влияние конструктивных особенностей прибора на формированиеимпульса и во-вторых, факторы, влияющие на формирование и изменениеимпульса при распространении через исследуемую среду.Вышеприведённые оценки показывают, что для адекватного описанияпроцесса зондирования использование стационарных значений коэффициентадиэлектрической проницаемости допустимо только в виде приближения [18].Основная задача, которая ставится в работе, это учёт в теоретическихисследованиях естественных механизмов формирования диэлектрическойпроницаемости исследуемой среды и оценка их влияния на формирование ихарактеристики зондирующего импульса при распространении, а такжеиспользование полученных результатов при интерпретации экспериментальныхданных.22Глава1.Исследованиесверхширокополосногораспространенияимпульсногосигналавдиэлектрике с дисперсией1.1.
Постановка задачиОсобенностьюзадачиисследованияизмененияхарактеристикзондирующего сверхширокополосного импульсного сигнала в зависимости отдисперсии среды по сравнению с традиционным подходом является то, чтоспектрзондирующегоимпульсапринципиальнонеограничен,причемочевидно, что чем он шире, тем выше будет качество получаемой информации.Неограниченность спектра есть следствие ограниченности сигналов во времени(под ограниченностью по времени понимается отсутствие сигналов до началаработы передатчика, т.е.
при t 0 ). Действительно, предположим обратное, т.е.допустим, что сигнал с ограниченным спектром равен нулю при t 0 . Тогда длянего существует преобразование Лапласа, которое является аналитическойфункцией. Ограниченность спектра означает, что на мнимой оси (оси частот),начиная с некоторого значения частоты, эта функция равна нулю. Но из этогоследует, что она равна нулю везде, т.е. такого сигнала быть не может.Ограниченность сигналов во времени, наличие фронтов сигналов – одно изосновных положений при эмпирической интерпретации данных зондирования,которое пока значительно эффективней, чем численное моделирование.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
