Введение к работе
Актуальность работы. При решении ряда важных народнохозяйственных задач, таких как: выявление зон тектонических нарушений при изыскании площадок для строительства крупных предприятий и плотин, контроль за состоянием насыпных плотин, изыскание трасс под строительство дорог, мостовых переходов, нефте- и газопроводов, экспресс-оценка степени засоленности почв при орошаемом земледелии и др. необходимы контроль и измерение электрического сопротивления среды, которое может быть выполнено бесконтактным косвенным образом с помощью электромагнитных методов. Одним из них является метод дипольного индуктивного профилирования (ДИП), характеризующийся высокой оперативностью и производительностью выполняемых посредством его работ.
Исследованию электромагнитных методов посвящены работы Ю. В. Якубовского, Ф. М. Каменецкого, А. В. Вешева, Л. Б. Гасаненко, Г. В. Молочнова, В. Г. Ивочкина и других учёных. Большую роль во внедрении метода ДИП сыграли аппаратурные разработки коллективов, возглавляемых Г. Ф. Игнатьевым и В. Ф. Лебедевым. Тем не менее, в известных работах не освещены вопросы зависимости погрешности измерения эффективного электрического сопротивления среды от погрешностей измерения параметров сигналов. Кроме того, используемые в системах ДИП методы измерения не удовлетворяют возросшим требованиям по точности и помехоустойчивости измерений.
Эффективное сопротивление среды может быть определено по любой компоненте электромагнитного поля (ЭМП), что определяет значительное число косвенных методов его измерения. Основным критерием выбора наиболее перспективных из них являются чувствительность измеряемой компоненты ПОЛЯ к эффективному сопротивлению среды, которая определяет требуемую точность измерения компонент поля и соответствующих им амплитуд сигналов и сдвига фаз между ними.
Реальные измерения параметров сигналов систем ДИП выполняются в условиях воздействия шумов и разного рода помех. Поэтому актуальной задачей является исследование их влияния на результаты измерения и возможностей его уменьшения.
Решение означенных задач лежит в области совместного измерения амплитуды и начальной фазы (разности фаз) гармонических сигналов с помощью наиболее отвечающих им спектрально-весовых методов измерения. Применение данных методов наряду со случайной погрешностью требует исследования и поиска путей уменьшения и присущей им методической погрешности, возникающей вследствие явления наложения (просачивания спектра).
Необходимыми являются и исследования по решению задач реализации систем ДИП, и в первую очередь измерительного приемного устройства. Здесь представляют интерес современные измерительные технологии, основывающиеся на цифровой обработке сигналов (ЦОС). Эффективно в системах ДИП могут быть использованы и доступные в настоящее время готовые решения на базе навигационных приемников ГЛОНАСС, GPS.
Решение поставленных задач позволит повысить точность измерения параметров сигнала и, соответственно, точность и информативность контроля и измерения характеристик среды.
Объект исследований. Приборы для контроля и измерения электропроводящих свойств среды по принимаемым сигналам систем ДИП.
Предмет исследований. Методы построения и повышения точности и информативности приборов для контроля и измерения электропроводящих свойств среды в составе систем ДИП.
Цель работы. Разработка методов и приборов, обеспечивающих контроль и измерение электрических характеристик среды, для систем ДИП повышенной точности и информативности.
Задачи исследования. Достижение поставленной цели включает следующие решаемые в работе задачи:
-
Исследование методов и погрешностей измерения эффективного сопротивления среды и связи их с погрешностью измерения параметров сигналов, определяющей требования к приборной части (измерительным средствам) системы.
-
Обоснование использования спектрально-весовых методов измерения параметров сигналов систем ДИП, исследование присущих им методических погрешностей и разработка способов уменьшения их.
-
Исследование случайных погрешностей измерения, вызываемых шумами, определение порогового соотношения сигнал-шум для оценок параметров сигналов.
-
Разработка способов уменьшения влияния сосредоточенных по спектру помех на точность измерения параметров сигналов.
-
Разработка компьютерных средств моделирования систем ДИП и реализации их измерительного обеспечения.
Методы исследования. Для выполнения поставленных задач в работе использованы методы математического анализа, теории вероятностей, математической статистики, теории дискретных сигналов и систем, математического моделирования и экспериментальных исследований, программно-аппаратные средства National Instruments.
На защиту выносятся:
-
Полученные функциональные зависимости требуемой точности измерения параметров сигналов по заданной точности оценки эффективного электрического сопротивления среды.
-
Алгоритмы однократной и многократной коррекции спектральной оценки параметров сигналов по их считанной реализации конечной длины, обеспечивающие уменьшение погрешности, вызываемой спектральной утечкой, до 10 — 100 раз относительно базовой оценки.
-
Алгоритмы обработки считанной реализации сигнала в частотной области, уменьшающие в 5 — 7 раз погрешность, вызываемую сосредоточенной по спектру помехой с измерением и без измерения её частоты.
-
Аналитические оценки случайной погрешности измерения параметров сигналов и порогового отношения сигнал-шум.
Научная новизна состоит в следующем:
-
Разработаны алгоритмы коррекции погрешности, вызываемой спектральной утечкой, обеспечивающие её значительное уменьшение путём вторичной обработки считанной реализации сигнала.
-
Получена оценка порогового отношения сигнал-шум при спектральном измерении параметров сигналов в шумах, позволяющая по его измеряемому со-
вместно с сигналом значению определить достоверность оценок параметров сигнала и требуемое время измерения.
-
Разработаны алгоритмы спектрально-весового измерения параметров сигналов, значительно снижающие погрешность от сосредоточенных по спектру помех неизвестной частоты.
-
Получены функциональные зависимости погрешности измерения эффективного сопротивления среды от погрешности измеряемых параметров сигналов, позволяющие создавать системы ДИП с прогнозируемой и управляемой точностью.
Практическая значимость работы и реализация результатов. Применение спектрально-весовых измерений для совместного определения частоты, амплитуды и начальной фазы (разности фаз) сигнала позволяет повысить точность, информативность и достоверность результатов измерений при ДИП. Предложенный способ подавления влияния сосредоточенных по спектру помех позволяет проводить измерения в условиях сложной помеховой обстановки.
Результаты проведенных исследований использованы при создании опытных образцов комплекса аппаратуры низкочастотных электромагнитных методов (КАН-ЭММ), разработанной на кафедре «Радиоэлектронные системы» (РЭС) ИИФиРЭ СФУ совместно с отделом геофизики ОАО «Алмаззолотоавто-матика», который внедрен в народное хозяйство, а также в разработанном исследовательском аппаратно-программном комплексе системы ДИП, внедренном в Сибирском федеральном университете.
Достоверность. Достоверность основных научных и практических результатов работы подтверждается корректностью выполненных расчётов, использованием апробированного математического аппарата, удовлетворительным совпадением полученных аналитических результатов, экспериментов и математического моделирования.
Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» в г. Красноярске (2004, 2005, 2009 г.г.), на 33-й сессии международного семинара им. Д. Г. Успенского «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и элек-
7 трических полей» в г. Екатеринбурге (2006 г.), на Всероссийской научной конференции «Современные проблемы развития науки, техники и образования» в г. Красноярске (2009 г.), на международной конференции «Современные проблемы геологии и разведки полезных ископаемых» в г. Томске (2010 г.), на международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments» в г. Москве (2010 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 21 печатной работе, из которых 9 в изданиях по списку ВАК, защищены тремя авторскими свидетельствами на изобретения и одним патентом.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения, списка литературы из 98 наименований, приложения, актов об использовании результатов диссертационной работы. Общий объем работы составляет 154 страницы и иллюстрируется 38 рисунками.
