Методика получения и обработки данных

Аппаратно-программный электроразведочный комплекс «Марс» состоит из аппаратной части (генератор, коммутатор, регистратор разности потенциалов и т.д.), а также программных модулей управления (управляющая программа, микропрограммы GPS-синхронизации и т.д.).

Рисунок 2.1. Схема работы электроразведочного комплекса

Схема работы аппаратной части (Рисунок 2.1). Поскольку работа коммутатора (генератора разнополярных импульсов) и регистраторов синхронизирована с помощью сигналов точного времени от GPS, то возможно произвольное положение питающих и приёмных линий, что даёт возможность выполнять работы как установкой срединного градиента, используя одновременно несколько регистраторов, так и дипольное электропрофилирование в различных модификациях.

В генераторном диполе AB используется провод ГПМП (геофизический провод медный с поливинилхлоридной оболочкой), заземляется железными электродами. Заземление приёмной линии производится медными или латунными электродами. В качестве приёмных линий MN используется пяти- или девяти-электродная коса (на схеме показана пятиэлектродная коса).

1.1. Аппаратная часть

Аппаратные средства аппаратно-программного электроразведочного комплекса «Марс» представлены двумя блоками:

1. Генератор разнополярных импульсов тока – устройство, формирующее заданную последовательность разнополярных импульсов тока. Состоит из источника тока, выпрямителя, коммутатора и блока управления. Возможно несколько режимов работы: с токовой паузой между импульсами и без неё. Токовая стабилизация предусмотрена для сравнительно небольших токов – до 4А для источника большей мощности предусмотрена непрерывная регистрация и запись генерируемой последовательности токовых импульсов;

2. Регистратор разности потенциалов электроразведочный – прибор, который осуществляет сбор данных и функционально состоит из АЦП, блока спутниковой синхронизации, модуля сохранения первичных данных на носитель, USB или WiFi интерфейсов для подключения ПК или КПК;

1. Блок генератора разнополярных импульсов тока состоит из:
   1. Источника тока;
      
      

      Рисунок 2.2. Дизель-генератор Hyundai DHY6000LE

      В АПЭК «Марс» используются два вида источника тока, например, дизельный генератор Hyundai DHY6000LE (Рисунок 2.2) и 12-ти вольтовые аккумуляторы, в зависимости от используемого коммутатора.
   2. Выпрямителя-коммутатора с блоком управления;
      На данный момент в АПЭК «Марс» используется два коммутатора: ВП-1000М (Рисунок 2.3) и ЭРГ-120 (Рисунок 2.4). Выпрямитель тока встроен в коммутатор ВП-1000М, так как запитывание идёт от переменного тока, в то время, как ЭРГ-120 в выпрямителе не нуждается по причине питания от постоянного тока.

Рисунок 2.3. Генератор-коммутатор «ВП-1000М»

Блок.управления встроен в каждый коммутатор. Электроразведочный генератор ВП-1000М предназначен для возбуждения в заземлённой линии прямоугольных разнополярных импульсов стабилизированного тока при съёмках методами ВП и сопротивлений. Возможна работа как в импульсном режиме со скважностью 2, так и в частотном режим е без пауз (РПИ-1).

Управление работой генератора осуществляется с помощью клавиатуры и жидкокристаллического индикатора (ЖКИ). На ЖКИ отображаются как заданные оператором рабочие параметры, так и текущее состояние генератора (отсутствие стабилизации тока, выходное напряжение, напряжение питания).

Предусмотрена защита генератора от короткого замыкания выхода, от перенапряжения в линии АВ, от перегрева, от выхода напряжения питания из допустимого диапазона. Технические характеристики представлены в таблице (Таблица 1).

(Таблица 1) Технические характеристики генератора ВП-1000М

Рисунок 2.4. Генератор-коммутатор ЭРГ-120

Электроразведочный генератор ЭРГ-120 предназначен для возбуждения в заземлённой линии прямоугольных разнополярных импульсов стабилизированного тока при съёмках методами ВП и сопротивлений. Возможна работа как в импульсном режиме со скважностью 2 (РПИ-2), так и в частотном режиме без пауз (РПИ-1). В генераторе предусмотрена возможность синхронизации с измерителем по сигналам GPS с помощью синхронизаторов GPS, входящих в комплект аппаратуры.

Управление работой генератора осуществляется с помощью клавиатуры и жидкокристаллического индикатора (ЖКИ). На ЖКИ отображаются как заданные оператором рабочие параметры, так и текущее состояние генератора (отсутствие стабилизации тока, выходное напряжение, напряжение питания).

Предусмотрена защита генератора от короткого замыкания выхода, от перенапряжения в линии АВ, от обрыва линии АВ, от перегрева. Технические характеристики представлены в таблице (Таблица 2).

Фактически, генератор ЭРГ-120, является маломощным аналогом генератора ВП-1000М. Основные отличия – уменьшенные рабочие характеристики (максимальные значения мощности, выходного тока и выходного напряжения) и аккумуляторное питание.

(Таблица 2) Технические характеристики генератора ЭРГ-120

2. Блок регистратора разности потенциалов состоит из:
   1. 

      Рисунок 2.5. Аналогов-цифровой преобразователь

      Аналого-цифрового преобразователя с USB или WiFi интерфейсом для подключения ПК или КПК;
      АЦП AD7691 (Рисунок 2.5) – это 18-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) последовательного приближения с перераспределением заряда, работающий с однополярным напряжением питания, VDD, от 2.3 В до 5 В. Он включает в себя быстродействующий, малопотребляющий 18-разрядный АЦП с внутренней выборкой без пропуска кодов, внутренний генератор тактового сигнала преобразования и универсальный последовательный порт. Рабочий температурный диапазон составляет от −40°C до +85°C

Ниже представлены основные технические характеристики регистратора разности потенциалов (Таблица 3).

(Таблица 3) Основные технические характеристики регистратора разности потенциалов

2. Блока спутниковой синхронизации (Рисунок 2.6);
   
   

   Рисунок 2.6. Блок спутниковой синхронизации

   Данный блок синхронизирует работу коммутатора и регистраторов разности потенциалов, получая со спутников точное время, что позволяет избежать использования проводов. Таким образом возможна синхронизация работы измерителей, удалённых от генератора разнополярных импульсов. Технические характеристики представлены в таблице (Таблица 4)
   

(Таблица 4) Технические характеристики устройства синхронизации

3. Модуля сохранения первичных данных на носитель.
   
   

   Рисунок 2.7. Ноутбук Panasonic Toughbook CF-30

   В качестве данного модуля может выступать ноутбук или КПК с установленной программой сбора, подключаемый через USB интерфейс к регистратору разности потенциалов. В качестве устройства сбора испольльуется ноутбук Panasonic Toughbook CF-30 (Рисунок 2.7). Ноутбук данного класса способен выдерживать все превратности полевой работы без ущерба для функциональности и работоспособности. Модель имеет индекс защищённости IP54 – 5-ый уровень защищённости от пыли и 4-ый – от влаги.
   

1.2 Программная часть

Программный комплекс АПЭК «Марс» состоит из нескольких частей:

1. В программе планирования полевых работ производится заполнение необходимой информации по географической привязке профилей, пикетов, в соответствии с выбранной измерительной установкой и сохранение этой информации в реляционную базу данных (БД).
2. Программа сбора данных – осуществляет управление регистратором и имеет следующие функции:
   1. Производит регистрацию разности потенциалов на всех имеющихся каналах по сигналу блока GPS синхронизации.
   2. Имеет возможность анализа входящего сигнала на его наличие, подстройку коэффициента усиления для оптимального динамического диапазона регистрируемого сигнала.
   3. Сохраняет все полученные данные на флэш носитель без потери информации.
3. Файловая база данных представляет собой хранилище для необработанных файлов данных с приёмной линии и служебной информации.
4. Блок обработки полевых материалов предназначен для повышения уровня сигнал/шум путём применения современных методов обработки с использованием робастной статистики и процедур многомерного статистического анализа.
5. Реляционная база данных содержит в себе данные о проведении работ, процессе и результатах обработки и моделирования и т.д.
6. Интерфейсное приложение для БД предназначено для отображения записанных в БД данных, создания различных отчётных таблиц, анализ и выборка необходимых данных.
7. Блок интерпретации позволяет проводить инверсию полученных данных посредством решения обратной задачи электроразведки для поляризующихся сред в рамках одномерных моделей.

Рисунок 2.8. Схема информационного потока

1. Передача сигнала точного времени со спутников GPS/ГЛОНАСС;
   На данном этапе со спутников GPS/ГЛОНАСС на блоки спутниковой синхронизации времени передаётся точное время для синхронизированной работы генератора разнополярных импульсов и блока приёмной установки.

2. Возбуждение прямоугольных токовых импульсов в геологической среде;
   Генератор разнополярных импульсов посредством генераторной линии возбуждает в геологической среде прямоугольные токовые импульсы разной полярностью с определённой длиной тока и паузой.

3. Приём изменённых токовых импульсов из геологической среды;
   Приёмная линия улавливает токовые импульсы разной полярности, изменённые в геологической среде и отправляет их в блок регистрации разности потенциалов;

4. Преобразование аналогового сигнала в цифровой;
   Полученный аналоговый сигнал преобразуется в цифровой для дальнейшей работы.
   Тип данных: структурированный тип данных в программе.

5. Визуализация сигнала;
   На форме пользовательского интерфейса программы строятся графики по полученным данным.

6. Настройка параметров программы сбора;
   С помощью пользовательского интерфейса изменяются настройки параметров сбора данных такие, как: коэффициенты усиления сигнала, балансировка.

7. Сохранение всей совокупности массовых данных;
   Записанные в структурный тип данные сохраняются в формат файловой базы данных, основанный на формате PCM Wave.
   Тип данных: *.gdf.

Блок обработки полевых материалов представлен двумя программами:

1. GDF Slicer

GDF Slicer – авторская программа-конвертер, обрабатывающая первичные данные, полученные с программы сбора «DiuExceptData». Программа нарезает из первичных данных формата *.gdf переходные процессы, формируя файлы формата *.ad1. Формат *.gdf является бинарным форматом.

В главном окне программы (Рисунок 2.9) основную часть интерфейса занимает список файлов, указанных пользователем. В верхней части интерфейса располагается панель управления. В нижней правой части рабочего стола располагается лог программы (Рисунок 2.10), в которой программа фиксирует действия пользователя.

Рисунок 2.9. Главное окно программы «GDF_Slicer»

Рисунок 2.10. Окно ведения лога программы

Каждый файл можно просмотреть. Для этого достаточно сделать двойной клик левой кнопкой мыши.

Откроется следующее окно (Рисунок 2.11). График отображает исходный сигнал – ряд разнополярных импульсов, который необходимо «порезать», чтобы выделить переходный процесс. Для этого надо выделить начало токового спада. Здесь выделено начало переходного процесса ~25000 отчётов АЦП.

Рисунок 2.11. Визуализатор первичных данных

Рисунок 2.12. Форма ввода настроек обработки

Теперь при нажатии кнопки запуска нарезки файлов, нужно указать длину импульса и начало первого токового спада (Рисунок 2.12). Длина импульса (Pulse length) задаётся на коммутаторе разнополярных импульсов, а начало первого спада (First decay sample) определяется из визуализатора первичных данных.  Плавающее начало первого спада (Decay d rifting) – указывается в том случае, если GPS-синхронизация коммутатора или программа сбора дала сбой. Тогда каждое последующее измерение будет иметь некоторое смещение. First positive – галочка стоит, если первый переходный процесс положительный, как в данном случае.

После прохождения алгоритмов нарезки сигнал делится на пары переходных процессов (Рисунок 2.13).

Рисунок 2.13. Пара переходных процессов после нарезки

2. SequencedRun
   SequencedRun – программа, осуществляющая пакетную обработку данных. Для работы программы необходимо составить список файлов из нарезанных исходных данных (*.ad1), предназначенных к обработке (Рисунок 2.14). Далее формируется список пакета программ, применяемых к каждому файлу исходных данных (Рисунок 2.15).

Рисунок 2.14 Главное окно программы «SequencedRun» с загруженным списком файлов

Рисунок 2.15. Окно настройки очерёдности программ к обработке

В настройках можно сформировать список программ, которые будут принимать участие в обработке, конвертации, записи и прочих операциях. Следует учесть, что программы запускаются в строгом соответствии со списком в настройках.

Блок интерпретации

MARS1d (Рисунок 2.16) – программа для автоматической и полуавтоматической одномерной интерпретации профильных данных электромагнитах зондирований в рамках одномерной модели с учётом частотной дисперсии электропроводности. Под одномерной моделью понимается, что горизонтально расположенные слои с мощностью h имеют бесконечное простирание, а физические параметры слоя неизменны в его пределах.

Рисунок 2.16. Главное окно программы «MARS1d»

Программа позволяет производить автоматический или ручной подбор удельных сопротивлений и мощностей слоёв. При этом имеется возможность фиксировать параметры и задавать пределы их изменений и определять «веса» отдельных значений.

Рисунок 2.17. Главное окно программы MARS1d converter

Программа MARS1d использует свой собственных формат данных (*.mrsdb) и для того, чтобы использовать данную программу, необходимо привести данные электромагнитных зондирований к нужному формату данных с помощью модуля конвертации MARS1d (MARS1d converter) (Рисунок 2.17).

Для учёта частотной дисперсии используется зависимость Cole-Cole, которая позволяет определить поляризационные характеристики разреза:

где ω — частота, i— мнимая единица, ρ— удельное электрическое сопротивление, ρ₀ — сопротивление на постоянном токе, η— коэффициент поляризуемости, τ-время релаксации и c — показатель степени.

Рис. 2.18. Зависимость эффективного удельного сопротивления от частоты соответствующая формуле Коула-Коула

Принципиальный вид зависимости УЭС от частоты для модели Cole-Cole показана на рис.3.

Высокая скорость расчетов обеспечивается использованием в коде прямой задачи, фильтров Андерсона. В результате появляется возможность использования интерактивного режима; редактирования параметров разреза во время подбора кривой, как это делается в стандартных пакетах при подборе для кривых ВЭЗ без учёта частотной дисперсии электропроводности. При решении обратной задачи используется набор алгоритмов минимизации, что для верно подобранной опорной модели позволяет устойчиво находить положение глобального минимума в многомерном признаковом пространстве при высокой скорости подбора. Наличие корреляционных зависимостей, которые неизбежно возникают в результате инверсии в рамках модели с множеством раскреплённых параметров, оценивается с помощью корреляционных матриц. В результате с использованием априорной геолого-геофизической информации, можно закрепить часть параметров и вторично выполнить подбор наблюдённых кривых. С целью подавления профильных аномалий и повышения качества сходимости на «крестах» профилей используется оригинальный подход, кривые осреденяются в эллипсе с заданными осями. При осреднении используется робастная процедура, при этом вес кривой в центре эллипса задается выше, чем веса соседних кривых. У программы «MARS1d» интуитивно понятный интерфейс, что делает ее удобным средством интерпретации кривых зондирований.

Программа позволяет производить автоматический или ручной подбор удельных сопротивлений и мощностей слоев. Режим автоматического подбора используется для инверсии данных как единичного пикета, так всех пикетов профиля или площади. При автоматическом подборе происходит минимизация среднеквадратичного отклонения или его робастного аналога между модельными и полевыми кривыми. В случае, когда при инверсии требуется уменьшить влияние или исключить интервал кривой переходного процесса, для такого интервала имеется возможность задавать веса меньшие единицы.

Решение обратной задачи является неоднозначным (т.к. расчётные кривые могут быть одинаковы для нескольких моделей), поэтому, при автоматическом подборе при задании модели, необходимо учитывать априорную информацию о геоэлектрическом разрезе (параметрические измерения у скважин, или комплексирование с другими методами геофизики). Существует возможность закрепления значений известных параметров или ограничения пределов минимума и максимума параметров модели.