Система электромагнитного зондирования земной коры

Внедрение: 2015 г.

Модуль E14-440 был применён в составе измерительной станции КВВН-7, позволяющей выполнять измерения напряженности электрического и магнитного полей естественных и контролируемых источников в широком частотном диапазоне 0,1–2000 Гц. Согласно публикации [1], станция КВВН-7, входящая в состав генераторно-измерительный комплекса «Энергия-Зонд», использовалась для зондирования земной коры в СНЧ-диапазоне электромагнитных волн. Авторы публикации — группа ученых из Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН и Геологического института КНЦ РАН.

Регистрация сигналов осуществляется по семи каналам (три магнитных и четыре электрических). Запись сигналов в станции КВВН-7 осуществляется в «открытом» канале с подавлением помех только на краях заданного частотного диапазона и на нечетных гармониках промышленной частоты (до 9-ой гармоники). Это позволяет одновременно производить регистрацию сигналов естественных и контролируемых источников. 

Станция КВВН-7 включает в себя систему электрических и магнитных датчиков, измерительный блок, внешний 14-ти разрядный АЦП E14-440 и полевой портативный компьютер (рисунок 1).

Рисунок 1. Структурная схема станции КВВН-7: БУиФ – блок усиления и фильтрации, БПЗЧ – блок подавления зеркальных частот, БП – блок питания, АЦП – аналого-цифровой преобразователь E14-440, ПК – персональный компьютер.

Частотный диапазон исследования электрического и магнитного поля составляет 0.01-2000 Гц. При этом сигнал в большей его части состоит из промышленных помех. В частности, это первая и высшие гармоники промышленной частоты 50 Гц. Источниками этих частот являются линии электропередач, электрифицированные заземленные установки и прочие источники. Следует отметить, что из высших гармоник наибольший вклад вносят только нечетные гармоники. Исследования показали, что в условиях удаленности от линий электропередач и электрифицированных железных дорог на расстояние более 10 км амплитуды гармоник промышленной частоты, лежащих в диапазоне выше 450 Гц, сравнимы с невозмущенным полем. В то же время величина гармоник частотой 50, 150, 250, 350 и 450 Гц (1, 3, 5, 7 и 9-я гармоника промышленной частоты), как правило, оказываются выше амплитуды полезного сигнала.

АЧХ элементов аналогового тракта приведены на рисунках 2а, 2б и 3а. На рисунке 3б приведена сквозная АЧХ, реализующая требования задачи. 

Рисунок 2: а) АЧХ заградительного фильтра на частоту 50 Гц; б) АЧХ заградительного каскада фильтров измерительных каналов.

Рисунок 3: а) АЧХ блока подавления зеркальных частот при частоте дискретизации 5 кГц; б) сквозная амплитудно-частотная характеристика канала измерительного блока станции КВВН-7.

Датчики магнитного поля представляют собой индукционные катушки. В корпус каждого датчика встроены регулируемый предусилитель, активные заградительные фильтры четвертого порядка на частоту 50 и 150 Гц, а также цепь индикации перегрузки. На рисунке 6 представлена сводная диаграмма спектральных характеристик собственных шумов магнитных датчиков станции КВВН-7 и некоторых современных МТ станций. Оценка собственных шумов станции КВВН-7 получена путем измерения и сложения ЭДС датчиков, установленных параллельно и навстречу друг другу. Можно видеть, что практически во всем частотном диапазоне собственные шумы станции КВВН-7 находятся ниже минимального уровня шумов естественного МТ поля (заштрихованная полоса). Это позволяет использовать станцию одинаково эффективно как для измерения сигналов контролируемых источников, так и для измерения естественного электромагнитного поля с целью аудиомагнитотеллурического (АМТ) зондирования в диапазоне частот 0,1-2000 Гц.
 

Рисунок 4. Собственные шумы датчиков магнитного поля станции КВВН-7 в сопоставлении с некоторыми известными отечественными и зарубежными аналогами.

С измерительного блока сигнал поступает на 14-разрядный АЦП E14-440. Обработка данных производится в полевых условиях с помощью портативного компьютера и пакета программ PowerGraph. Обработка включает процедуры фильтрации, вычисление спектральных характеристик методом БПФ со скользящим окном с заданной функцией окна, децимация сигнала, простейший статистический анализ и детектирование сигнала. 

Пример спектрограммы записи естественного поля на полевой точке «Светлый» (Кольский полуостров) станцией КВВН-7 приведен на рисунке 5. Можно видеть, что на всех семи каналах отчетливо (вплоть до четвертой гармоники) прослеживаются шумановские резонансы, кратные частоте 7.5 Гц, а также сигналы от антенны сверхнизкочастотного излучения генератора «Зевс». 
 

Рисунок 5. Запись АМТ поля, полученная с помощью станции КВВН-7, в пункте Светлый Кольского полуострова 17.08.2009 г.

Внешний вид всех блоков станции КВВН-7 приведен на рисунке 6. Станция является портативной, переносной. Аккумулятор питания напряжением 12 В и емкостью 17 А·ч размещен внутри измерительного блока. 

Рисунок 6. Внешний вид семиканальной цифровой измерительной станции КВВН-7: 1 – измерительный блок; 2 – индукционные датчики; 3 – АЦП Е14-440 и кабели к нему; 4 – GPS-приемник BT-359; 5 – фидера магнитных индукционных датчиков; 6 – фидера электрических каналов.

Применение станции КВВН-7 позволяет исследовать электропроводность и флюидный режим верхней части земной коры для решения, как геологических задач, так и задач электромагнитного мониторинга сейсмоактивных зон в комплексе с сейсмическими методами. 

Комментарий от L-Card: Данная система является ярким примером использования аналоговой предобработки сигнала с элементами согласованной и антиалайзинговой фильтрации сигнала, которые повышают качество преобразования сигнала.

Источник:
1. Колобов В.В., Куклин Д.В., Баранник М.Б., Шевцов А.Н. Многофункциональная цифровая измерительная станция КВВН-7 в составе комплекса «Энергия-Зонд» для электромагнитных исследований с использованием антенной системы СпецЛЭП «ЗЕВС» // Взаимодействие электромагнитных полей КНЧ-СНЧ диапазона с ионосферой и земной корой. Материалы I Всероссийского (с международным участием) научно-практического семинара. – Апатиты. – 2015. – Т. 2. - С. 101-104.

Разработчик: Колобов В.В., Куклин Д.В., Баранник М.Б., Шевцов А.Н.