Система обработки сигналов в низкочастотной электроразведке с искусственным источником

Актуальность. В настоящее время электромагнитные (ЭМ) методы с искусственным источником тока играют значительную роль при проведении геологоразведочных работ. Одной из существенных проблем при ЭМ-исследованиях является влияние электромагнитных шумов (промышленных, естественных, инструментальных). Основной задачей обработки данных является подавление шумов и выделение полезной составляющей из измеренных сигналов, при этом неуклонно возрастают требования к надежности полученных результатов, что влечет за собой повышение точности геофизического прогноза.

Разработанные на сегодняшний день схемы, алгоритмы и программный инструментарий обработки данных в большинстве случаев не предполагают возможности анализа промежуточных результатов в ходе процесса обработки и, таким образом, обработчик ограничен в своих возможностях в оперативной модификации схемы обработки сигнала. Более того, типичный программный комплекс ориентирован на работу с одной конкретной измерительной системой. Часто это подразумевает использование разработанной системы для работы только конкретными геофизическими методами, для которых разрабатывалась такая система, без возможности более широкого ее применения.

Кроме того, на пути создания новой аппаратуры и методик наблюдения специалисты сталкиваются с отсутствием подходящего программного обеспечения для обработки, и углубленного анализа данных измерений. Эта ситуация обуславливает необходимость разработки универсальной системы, легко адаптируемой к задачам обработки данных различных электроразведочных методов и допускающей (использование с различными аппаратурными комплексами.

Еще одной важной составляющей актуальности выполненного исследования является необходимость повышения эффективности алгоритмов обработки данных в условиях высокого уровня ЭМ-шумов. Существующие в настоящее время подходы к обработке данных не используют все свойства сигналов, применяемых в методах с искусственным источником тока.

Наконец, отдельным вопросом стоит проблема оценки качества (достоверности) полученных результатов, и этой проблеме зачастую уделяется недостаточное внимание. Действительно, при обработке важно получить не только некоторый результат, но и оценку его достоверности. Применение традиционных подходов, таких как оценка среднеквадратичного отклонения по выборке результатов, не всегда является достаточным.

Цели и задачи исследования. Целью работы является увеличение точности и надежности обработки данных, получаемых при проведении электроразведочных работ различными низкочастотными методами с искусственным источником тока с использованием различной аппаратуры. Для достижения этой цели решаются следующие задачи:

1. Задача выявления и анализа свойств сигналов, применяемых в низкочастотных методах с искусственным источником тока, которые не используются в традиционных схемах обработки. На основе результатов такого анализа — задача разработки новых алгоритмов, позволяющих повысить эффективность обработки данных при определенных видах помех.

2. Задача разработки способов оценки отношения сигнал/шум при проведении полевых работ, в ситуации, когда полезный сигнал неизвестен.

3. Задача разработки подхода к обработке данных, позволяющего проводить анализ промежуточных результатов в процессе обработки, допускающего модификацию алгоритма обработки для адаптации последнего к различным специфическим типам помех, позволяющего проводить обработку данных для различных видов аппаратуры и различных электроразведочных методов.

4. Задача исследования существующих алгоритмов обработки сигналов в низкочастотной электроразведке с искусственным источником. Модификация существующих алгоритмов с целью улучшения их характеристик.

5. Задача разработки многофункционального модульного программного комплекса обработки и анализа данных низкочастотной электроразведки, который бы обладал возможностями адаптации к работе с данными, полученными с использованием различных методов электроразведки и видов аппаратуры.

Автором защищаются следующие основные положения:

1. Построенная процедура обработки данных, использующая свойство антипериодичности полезного сигнала, эффективно подавляет низкочастотную помеху (тренд), не внося при этом искажений в полезный сигнал.

2. Отношение четных и нечетных гармоник измеренного сигнала позволяет достоверно оценить отношение сигнал/помеха (без знания истинного сигнала).

3. Разработанная система обработки данных, основанная на теоретико-групповом подходе и на построении графа обработки из элементарных процедур, позволяет подавлять помеху самого разного характера.

4. Созданный многофункциональный модульный программный комплекс обработки и анализа данных низкочастотной электроразведки обладает гибкими возможностями адаптации к работе с данными, полученными с использованием различных методов электроразведки и видов аппаратуры.

Научная новизна. В ходе проведенных исследований получены следующие новые научные результаты:

Исследовано свойство антипериодичности сигнала, присущее сигналам, применяемым при работе низкочастотными методами электроразведки с искусственным источником тока. На основании этого свойства разработан эффективный алгоритм подавления низкочастотной помехи, не искажающий полезный сигнал;

— Построена и изучена новая косвенная оценка отношения сигнал/шум, позволяющая отслеживать уровень полезного сигнала при полевых работах, а также проводить контроль качества на этапе интерпретации данных;

— Разработана новая концепция обработки данных, основанная на теоретико-групповом подходе. Концепция позволяет строить граф обработки из отдельных элементарных процедур, а также проводить промежуточный анализ данных в процессе обработки.

Практическая значимость. Разработанные и модифицированные алгоритмы, реализованные в рамках программного комплекса для обработки электроразведочных данных, как и сам комплекс, наши широкое применение при проведении работ по поиску и разведке месторождений полезных ископаемых. При этом были охвачены следующие методы электроразведки:

• методы постоянного тока (метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), метод срединного градиента (СГ), электротомография (ЭТ), непрерывные акваторные зондирования (НАЗ));

• низкочастотные методы (метод частотного зондирования (43);

• модификации этих методов, позволяющие оценивать вызванную поляризацию (ВП) ВЭЗ-ВП, СГ-ВП, ЭТ-ВП, ЧЗ-ВП, дифференциально-нормированный метод электроразведки (ДНМЭ)).

Программный комплекс был адаптирован для работы со следующей аппаратурой: ИМВП-8, МЭРИ-24 (ООО «Северо-Запад»), Phoenix MTU Station (Phoenix Geophysics, Ltd.), ЭРИД, ПИКЕТ (ЗАО «ИЭРП»), Полученные в результате применения системы данные легли в основу большого числа отчетов о проведенных геофизических работах.

Кроме того, было осуществлено внедрение разработанного комплекса в процесс обучения студентов на кафедре геофизических методов исследования земной коры геологического факультета Московского Государственного Университета им. М. В. Ломоносова в рамках геофизической практики.

Материалы и методы исследования. Проектирование и разработка программного комплекса велась преимущественно > с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio (версии .NET 2003, 2005, 2008 и 2010), платформы разработки .NET Framework и языка программирования С#. Кроме того, в процессе работы применялись и другие языки программирования, в том числе F#, С++, Assembler. Также использовались такие программные продукты, как Altova XMLSpy (проектирование XML документов), yEd (построение блок-схем) и некоторые другие (Red Gate’s .NET Reflector, JetBrains dotTrace).

При проведении большинства исследований (исследования типов помех, алгоритмов их подавления, эффективности этих алгоритмов и т. д.) использовалось программное обеспечение собственной разработки, ставшее позже частью разработанного программного комплекса. Исключением является программный пакет MatLab, который применялся в отдельных случаях.

При проведении полевых работ применялись программы регистрации, поставляемые вместе с аппаратурой. Исключением является программа регистрации измерителя ИМВП-8, разработанная автором и позже также ставшая частью рассматриваемого программного комплекса.

В качестве полевого материала использовались данные, получение в ряде полевых работ, проведенных в различных регионах России, и обладающие разнообразными типами шумов.

Личный вклад автора. Автором осуществлен анализ большого массива сигналов, измеренных в различных регионах России, и проведено исследование помех в этом наборе данных. На основании этого анализа автором разработаны как оригинальные алгоритмы, так и модификации традиционных алгоритмов, учитывающие особенности сигналов с искусственным источником, а также проведен (развернутый) анализ эффективности применения тех или иных алгоритмов в зависимости от искомой функции отклика и ее области (частотной или временной). Также автором предложен оригинальныйподход косвенного определения отношения сигнал/шум, не требующий знания истинного сигнала.

Автором разработаны все программные компоненты (модули), входящие в состав рассматриваемого в работе многофункционального комплекса. К таким модулям относятся, в том числе, модуль, содержащий реализацию всех алгоритмов, рассматриваемых в работе, модуль визуализации данных и другие модули, подробно рассмотренные в работе. Также им разработана программная архитектура, позволяющая комбинировать разработанные модули в зависимости от решаемой задачи для быстрого и эффективного создания конечных приложений (компьютерных программ), обладающих необходимой для решения задач функциональностью. Кроме того автором разработаны все форматы данных, применяющиеся при взаимодействии модулей системы, а также используемые для хранения результатов обработки данных.

На основании разработанных программных модулей автором собрано' более 20 оригинальных компьютерных приложений как для решения задач по обработке данных, полученных при работе различными методами низкочастотной электроразведки с искусственным, источником тока, так и для решения различных исследовательских задач. Приложения обладают дружественным пользовательским интерфейсом, что в настоящее время является неотъемлемой частью качественного программного обеспечения.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались: на конференции «технологии Microsoft в теории и практике программирования» (Москва, 2007, диплом за лучший доклад в секции), на финале первого этапа студенческого конкурса «образовательная' программа Intel» (Москва, 2007, присуждена стипендия), на международном семинаре по электромагнитной индукции в земле (Испания, Эль Вендрель, 2006, Китай, Пекин, 2008, Египет, Каир, 2010), на VI международном геофизическом научно-практическом семинаре «Применение современных электроразведочных технологий при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых» (Санкт-Петербург, 2008), на геофизических семинарах ООО «Северо-Запад» (Калужская область, 2007, 2008), на международной конференции «Современное состояние наук о Земле» (Москва, 2011).

Публикации по теме диссертации.

Статьи по перечню ВАК:

• Гераськин А. И. Система сбора и обработки данных низкочастотной электроразведки с искусственным источником // Записки горного института. 2009 г. Т. 183. с. 228−230.

• Гераськин А. И. Подавление помех в низкочастотной электроразведке с искусственным источником тока. Пример применения на рудном месторождении в Магаданской области // Вестник МГОУ. 2010 г. № 3. с. 27−38.

• Гераськин А. И. К вопросу о косвенной оценке отношения сигнал/шум в низкочастотной электроразведке с искусственным источником тока // Вестник МГОУ, 2011. № 1.46−52 с.

Статьи в зарубежных реферируемых журналах:

• Pankratov О. V., Geraskin A. I. On processing of Controlled Source Electromagnetic (CSEM) Data // Acta Geologica. 2010. T. 8. № 1. c. 31−49.

Официально зарегистрированные программы для ЭВМ:

• Octopus Registrator (регистрационный номер 2 008 611 502).

• Octopus Pro (регистрационный номер 2 008 611 503).

Прочие публикации:

• О. Pankratov, A. Geraskin. Processing controlled source electromagnetic data // Abstracts of 18th EMI Workshop, 2006, El Vendrell, Spain. S2-E1.

• Гераськин А. И. Система комплексной обработки геофизических электроразведочных данных с контролируемым источником // Материалы четвертой всероссийской коференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования». 2007, Москва, с. 12−13.

• A. Geraskin, О. Pankratov. Controlled source electromagnetic data acquisition and processing system // Abstracts of 19th EMI Workshop, 2008, Beijing, China. S8-S06.

• A. Geraskin. O. Pankratov. Hardware-software system for CSEM measurement, processing, and interpretation: new advances // Abstracts of 20th EMI Workshop, 2010, Giza, Egypt. S3-P2.

• Гераськин А. И. Панкратов О. В., Яковлев А. Г. Обработка сигналов в низкочастотной электроразведке с икусственным источником тока // Материалы международной конференции «Современное состояние наук о земле» имени В. Е. Хаина, 2011, Москва, с. 420−424.

Объем и структура работы. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста, состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 78 рисунков, а также список литературы из 104 наименований.

Благодарности. Прежде всего, я хотел бы выразить благодарность научному руководителю П. Ю. Пушкареву. Также я искренне благодарен А. Г. Яковлеву, который явился инициатором создания системы обработки электроразведочных данных и оказывал всевозможную поддержку на протяжении всего времени работы над диссертацией. Отдельно я выражаю глубочайшую признательность за неизменное участие и консультации О. В. Панкратову, который по существу являлся соруководителем. Также хочу отдельно поблагодарить Д. А. Алексеева за поддержку и содержательные дискуссии. Значительную помощь оказывали мне В. К. Хмелевской, А. А. Булычев, И. Н. Модин, а также все мои коллеги из ООО «Северо-Запад», в тесном сотрудничестве с которыми получены многие результаты, представленные в диссертации.

Выводы.

1. Эффективные процедуры обработки записей электрического поля, содержащих отклики ВП, позволяют получать высокоточные (с погрешностью порядка первых тысячных долей градуса в терминах дифференциального фазового параметра) оценки ВП, допускающие разделение поляризующихся объектов по виду частотных характеристик ВП.

2. Лабораторные исследования на образцах показали, что форма частотной характеристики г|к, рассчитанная по дифференциальному фазовому параметру для различных пород, содержащих электронопроводящие включения, имеет вид параболы с нисходящими ветвями в области! низких и высоких частот. Максимум частотной характеристики г|к шунгита и графита приходится на более низкие частоты, чем у сульфидов и оксидов металлов.

3. Приведенные примеры полевых измерений показывают, что в пределах отдельных участков использование временных характеристик вызванной поляризуемости существенно помогает решать задачу по разделению аномалий ВП от углефицированных пород и рудных минералов. Используя простой и понятный.

116 V I I критерий разности кажущейся поляризуемости на двух частотах положительного результата удается добиться даже на очень узком частотном диапазоне.

4.3. Применение системы при малоглубинных электроразведочных исследованиях.

Геоэлектрические исследования ВЭЗ-ВП на правобережье р. Волга.

В 2010 г. исследования методом вертикального электрического зондирования с измерением вызванной поляризации (ВЭЗ-ВП) выполнялись на двух участках, расположенных на правобережье р. Волга, в пригороде г. Кимры. Основные задачи работ состояли в определении мощности и литологического состава четвертичных отложений, а также — в выделении водоупорных горизонтов, определении глубины залегания кровли водоносного кутузовско-ассельского карбонатного горизонта с выделением трещиноватых и разрушенных зон. Измерения методом ВЭЗ-ВП выполнялись с четырехэлектродной симметричной установкой Шлюмберже и предполагали измерение кажущегося сопротивления и параметров вызванной поляризации. Параметры установки: АВ = 2.7−520 м, МЫ = 2,10,50 мшаг по профилю — 200 м. Аппаратный комплекс состоял из генератора тока «АСТРА» и электроразведочного измерителя «МЭРИ-24», в котором реализовано применение разработанного в диссертации графа обработочных процедур в режиме реального времени. Общий объем измерений составил 135 фактических точек.

Рис. 4.9. Пример моделей распределения удельного сопротивления (вверху) и поляризуемости (внизу) по результатам интерпретации.

Количественная интерпретация данных ВЭЗ-ВП осуществлялась методом ручного подбора в рамках горизонтально-слоистых моделей (рис. 4.9).

С точки зрения решаемой задачи ключевой интерес представляли параметры (прежде всего, мощность), водоупорного горизонта, отвечающего юрским глинам (кимериджскийкелловейский ярусы). Слабая проявленность этого горизонта на кривых кажущегося сопротивления выразилась в пониженной устойчивости реконструкции параметров юрской толщи при решении обратной задачи ВЭЗ (рис. 4.10). В то же время, за счет присутствия в глинах электронопроводящих включений, юрские отложения ярко проявляются в поле кажущейся поляризуемости, что, в конечном итоге, позволило достоверно определить морфологию водупорной толщи по совокупности кажущегося сопротивления и кажущейся поляризуемости.

Рис. 4.10. Пример геолого-геофизического разреза по результатам интерпретации данных ВЭЗ-ВП.

Таким образом, использование портативной измерительной аппаратуры, в которой реализованы разработанные автором алгоритмы и процедуры, позволило провести высокоточные и высокопроизводительные наблюдения ВЭЗ-ВП, что дало возможность эффективно решить поставленную гидро-геологическую задачу.

Геоэлектрические исследования методом НАЗ в районе крепости «Пор-Бажын» (Республика Тыва).

В 2007;2008 гг. в рамках национального проекта «Крепость Пор-Бажын», основной целью которого являлось сохранение уникального археологического памятника — крепости «Пор-Бажын» (VIII век н.э., Уйгурская культура), в составе комплекса археологических исследований, на озере Tepe-Холь, выполнялись акваторные наблюдения методом непрерывного акваторного зондирования (НАЗ) (Андреев, 2009; Модин и др., 2010). Методика наблюдений НАЗ предполагает проведение измерений на акваториях при использовании специальной плавающей косы, буксируемой с помощью судна. В качестве измерительной установки использовалась инверсная ассиметричная установка Шлюмберже с.

11 электродами, 2 из которых играли роль питающих. Максимальный разнос составил 38 метров, а расстояние от центра до удаленного электрода N составило 50 метров. Для привязки измерений к точкам поверхности акватории, использовался ОР8-приемник, установленный на судне. типизация геоэлектрического разреза и предложена палеогеографическая реконструкция района озера (Модин и др., 2010).

Следует отметить, что технологические особенности метода НАЗ обеспечивают возможность синхронного получения разнообразной геоэлектрической информации (данных по кажущемуся сопротивлению, поляризуемости и естественному полю) в непрерывном режиме. Авторами работы (Модин и др., 2010) была осуществлена модификация программного комплекса с целью его адаптации специально для непрерывных акваторных наблюдений: предусмотрена возможность включать в процесс обработки данные системы глобального позиционирования и получать интересующие исследователя функции отклика в режиме реального времени.

4.4. Анализ временной стабильности параметров электроразведочной аппаратуры.

На практике часто возникает задача оценки дрейфа частоты (как частоты оцифровки на измерителе, так и частоты следования импульсов тока в генераторном устройстве). Такой дрейф в той или иной степени присутвует всегда, его величина зависит от качества кварцевого генератора, установленного в соответствующем приборе. Поэтому необходимо.

Непрерывная регистрация сигнала на группе каналов осуществлялась с использованием многоканального измерителя ИМВП-8 и разработанной автором программы регистрации. В результате проведенной интерпретации данных НАЗ был построен ряд двумерных геоэлектрических моделей и получено представление о распределении сопротивления осадков озера V /.

Тере-Холь (рис. 4.11), выполнена литологическая / ^^г .¿-г ЛУ^.

Рис. 4.11. Карта распределения сопротивлений озерных отложений. Приводится из (Андреев, 2008) иметь возможность оценить его численно с тем, чтобы при выявлении недостаточной стабильности, провести модернизацию аппаратуры.

На основании модулей системы автором была разработана программа, позволяющая численно оценить частотный дрейф. Так как такой дрейф свойственен как генераторам, так и измерительным устройствам, то необходимо рассматривать совместную характеристику для пары «генератор-измеритель». При этом, в зависимости от того, чей дрейф необходимо оценить, его пара должна обладать заведомо большей стабильностью.

В качестве примера приводится анализ дрейфа частоты для измерительного прибора ИМВП-8 относительно абсолютного времени. Это значение составляет порядка 5 -10″ 6 (5 РРМ, от англ. parts per million — миллионных долей). Оно характеризует, на какую часть единицы времени уплывет частота за единицу времени.

Вид интерфейса программы оценки дрейфа представлен на рис. 4.12. Пользователю предоставляется возможность выбрать частоту генератора из стандартных списков частот и режим калькулятора. В «обычном» режиме калькулятора пользователю предоставляется возможность приблизительно оценить амплитуду сигнала или длительность выбранного фрагмента.

При выборе специализированного" калькулятора необходимо выбрать две реперные точки с точностью до одного отсчета АЦП. Эти точки должны быть на максимальном удалении друг от друга и соответствовать одному моменту з"" вас нксш 1С к.

U4 й"№.

•НОМ" ««>» .

Г1)1.

—Д О.

Рис. 4.12.Вид программы для анализа частоты генератора.

Рис. 4.13.Выделение реперной точки относительно переключения полярности генератора (т.е. одной и той же задержке). Благодаря использованию удобного компонента визуализации произвести такое выделение не представляет труда (рис. 4.13).

После установки реперных точек и выбора частоты генератора, автоматически рассчитываются числовые значение дрейфа и другая информация, необходимая, в том числе, для обработки данных с искаженной частотой. Кроме того, можно провести визуальный анализ дрейфа, для чего производится сдвиг сигнала относительно самого себя на целое число периодов. На рис. 4.14 можно видеть, как это происходит. Красным изображен исходный сигнал, а зеленым — сигнал, сдвинутый на 45 периодов. На графике видно, что расхождение составляет порядка двух отсчетов.

4.5.

Заключение

к четвертой главе.

Разработанная система была применена для обработки большого объема полевых электроразведочных данных, полученных различными методами (ВП, ДНМЭ) при решении нефтяных и рудных задач в различных геологических условиях и при различном уровне электромагнитных помех. В результате обработки были получены материалы высокого качества, позволившие обеспечить высокий уровень надежности результатов интерпретации и эффективно решить поставленные геологические задачи.

Эффективные процедуры обработки записей электрического поля, содержащих отклики ВП, позволяют получать высокоточные (с погрешностью порядка первых тысячных долей градуса в терминах дифференциального фазового параметра) оценки ВП, допускающие разделение поляризующихся объектов по виду частотных характеристик ВП.

Программный комплекс регистрации и обработки электроразведочных данных и его отдельные компоненты активно используются рядом производственных геофизических организаций. Кроме того, разработанное автором программное обеспечение также используется в рамках учебной геофизической практики студентов Геологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Защищаемое положение. Созданный многофункциональный модульный программный комплекс обработки и анализа данных низкочастотной электроразведки обладает гибкими возможностями адаптации к работе с данными, полученными с использованием различных методов электроразведки и видов аппаратуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты настоящей диссертационной работы позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Построенная процедура обработки данных, использующая свойство антипериодичности полезного сигнала, эффективно подавляет низкочастотную помеху (тренд). Важным свойством данной процедуры является то, что полезный сигнал не претерпевает искажений при ее применении.

2. Предложенный в работе параметр OER (Отношение четных и нечетных гармоник измеренного сигнала) позволяет косвенно, то есть без знания истинного полезного сигнала, оценивать отношение сигнал/шум. Этот параметр может вычисляться непосредственно в процессе измерения и использоваться для контроля качества получаемых данных. В процессе обработки данных подобная оценка также может быть полезна при предобработке записанных временных рядов и выборе оптимального алгоритма обработки данных.'.

3. Разработанная система обработки данных, основанная на теоретико-групповом подходе и на построении графа обработки из элементарных процедур, позволяет эффективно подавлять электромагнитные помехи разных типов и характеризующиеся различным соотношением сигнал/шум.

4. Создан многофункциональный модульный программный комплекс обработки и анализа данных низкочастотной электроразведки, обладающий гибкими возможностями адаптации к работе с данными, полученными с использованием различных методов электроразведки и видов аппаратуры. Этот комплекс подтвердил свою эффективность успешным применением при обработке большого объема полевых электроразведочных данных, полученных различными методами (ВП, ДНМЭ) при решении нефтяных и>рудных задач в различных географических и геологических условиях и при различном уровне электромагнитных помех. В результате обработки были получены, материалы высокой точности, позволившие обеспечить надежность и достоверность результатов интерпретации.

Программный комплекс регистрации и обработки электроразведочных данных и его отдельные компоненты активно используются рядом производственных геофизических организаций. Кроме того, разработанное автором программное обеспечение также используется в педагогическом процессе в рамках учебной геофизической практики студентов Геологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Подводя итог, следует отметить, что разработанный комплекс обеспечивает эффективную обработку больших объемов разнородных электроразведочных данных, гибко настраивается под конкретный метод, и реализован в виде удобной в использовании среды, предусматривающей возможность автоматизации выполнения обработочных процедур. Таким образом, создан эффективный инструмент, обеспечивающий значительное повышение точности и производительности электроразведочных исследований, столь важное на современном этапе развития этих технологий.