Теоретические основы применения фазометрических методов и устройств геодинамического контроля и управления в системах геоэкологического мониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Суржик Дмитрий Игоревич

• Суржик Дмитрий Игоревич
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Суржик Дмитрий Игоревич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К ОРГАНИЗАЦИИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

1.1 Влияние геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды на геоэкологическую безопасность природно-технических систем

1.1.1 Взаимосвязь геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды с геоэкологической безопасностью природно-технических систем

1.1.2 Опасные геодинамические процессы, вызванные природными факторами и их влияние на геоэкологическую безопасность природно-технических систем

1.1.3 Влияние антропогенных факторов на активизацию опасных геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды

1.2 Методы контроля приповерхностных геодинамических процессов и обеспечения геоэкологической безопасности геологической среды

1.2.1 Классические методы получения информации о состоянии приповерхностной части геологической среды

1.2.2 Структура организации геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды

1.2.3 Анализ методов и средств геодинамического контроля приповерхностной части геологической среды, применяемых при осуществлении ее геоэкологического мониторинга

1.2.4 Геоэкологический мониторинг приповерхностной части геологической среды на основе фазометрических методов и устройств геодинамического контроля и управления

1.3 Аппаратно-программное обеспечение современных систем геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды

1.3.1 Обзор методов и устройств формирования зондирующих сигналов в системах активного геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды

1.3.2 Анализ применимости негармонических зондирующих сигналов для повышения помехозащищенности систем активного геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды

1.3.3 Обзор методов и устройств приема и первичного преобразования измерительных сигналов в системах геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды

1.3.4 Обзор методов вторичной обработки измерительной информации в системах геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды

1.4 Выводы по главе, постановка цели и задач исследования

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ФАЗОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ГЕОДИНАМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМАМИ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

2.1 Методология применения фазометрических методов и устройств геодинамического контроля и адаптивного управления системами геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды

2.2 Метод формирования искусственного многофазового поля заданной структуры в контролируемой зоне приповерхностной части геологической среды

2.3 Метод регистрации фазовых параметров и характеристик многофазового поля единичным точечным полюсом-приемником

2.4 Метод регистрации фазовых параметров и характеристик многофазового поля дифференциальной парой точечных полюсов-приемников

2.5 Обоснование возможности обнаружения предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов на основе метода фазометрического контроля

2.6 Компенсационный метод динамического управления фазометрическими системами геоэкологического мониторинга

2.7 Применение алгоритмов параметрической аппроксимации для адаптивной подстройки амплитудно-фазовых параметров зондирующих сигналов

2.8 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ И ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ ФАЗОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

3.1 Анализ помехозащищенности методов модуляции зондирующих сигналов систем геоэкологического мониторинга

3.2 Разработка моделей генерации в контролируемой зоне приповерхностной части геологической среды помехоустойчивых зондирующих сигналов

3.3 Разработка метода формирования помехоустойчивых зондирующих сигналов для фазометрических систем геоэкологического мониторинга

3.4 Спектральные характеристики ЦВС формирователей помехоустойчивых зондирующих сигналов фазометрических систем геоэкологического мониторинга и методы их улучшения

3.5 Применение метода автоматической компенсации для повышения геодинамической чувствительности фазометрических систем геоэкологического мониторинга

3.6 Характеристики формирователей помехоустойчивых зондирующих сигналов фазометрических систем геоэкологического мониторинга

3.7 Выводы по главе

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ФАЗОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ РЕГИСТРАЦИИ И ВЫДЕЛЕНИЯ СЛАБЫХ ПРОЯВЛЕНИЙ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В КОНТРОЛИРУЕМОЙ ЗОНЕ ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

4.1 Метод обработки измерительных сигналов, регистрируемых точечными полюсами-приемниками фазометрических систем геоэкологического мониторинга

4.2 Моделирование этапов обработки измерительных сигналов, регистрируемых точечными полюсами-приемниками фазометрических систем геоэкологического мониторинга

4.3 Применение метода разностной функции для анализа переходных процессов в измерительных трактах фазометрических систем геоэкологического мониторинга

4.4 Метод автоматической компенсации трендовых составляющих фазовых изображений в измерительных трактах фазометрических систем геоэкологического мониторинга

4.5 Частотно-фазовая модификация метода фазометрического контроля и его многочастотная реализация

4.6 Выводы по главе

ГЛАВА 5 МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ФАЗОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ФАЗОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

5.1 Метод обнаружения геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды

5.2 Моделирование работы обнаружителя геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды

5.3 Метод и алгоритм пространственной локализации геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды

5.4 Метод прогнозирования динамики временных изменений геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды

5.5 Метод распознавания и классификации геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды

5.6 Выводы по главе

ГЛАВА 6 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ФАЗОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

6.1 Состав экспериментального образца фазометрической системы геоэкологического мониторинга

6.2 Формирование помехоустойчивых зондирующих сигналов средствами экспериментального образца фазометрической системы геоэкологического мониторинга

6.3 Предварительная обработка геоэлектрических сигналов в измерительном тракте экспериментального образца фазометрической системы геоэкологического мониторинга

6.4 Вторичная обработка геоэлектрических сигналов в измерительном тракте экспериментального образца фазометрической системы геоэкологического мониторинга

6.5 Сетевая организация геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды

6.6 Обеспечение автономности работы удаленных пунктов геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды

6.7 Выводы по главе

ГЛАВА 7 ЛАБОРАТОРНЫЕ И НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ФАЗОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ЧАСТИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

7.1 Тестовые характеристики экспериментального образца фазометрической системы геоэкологического мониторинга

7.2 Результаты лабораторных экспериментов по имитации, регистрации и локализации геодинамических процессов различных типов

7.3 Результаты лабораторных экспериментов по обнаружению предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов

7.4 Результаты натурных экспериментов по имитации, регистрации и

локализации геодинамических процессов различных типов

7.5 Результаты распознавания и классификации геодинамических процессов

7.6 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акты внедрения результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические основы применения фазометрических методов и устройств геодинамического контроля и управления в системах геоэкологического мониторинга»

Актуальность темы исследования.

В настоящее время в хозяйственную деятельность человека начинают активно вовлекаться территории со сложными и экстремальными условиями, длительное время признававшиеся непригодными для строительства и эксплуатации инженерно-технических объектов. К таким условиям относят северные природно-климатические зоны с вечномерзлыми грунтами, сейсмоопасные районы, а также территории с неустойчивыми геодинамическими структурами и природными аномалиями (просадочными, лессовыми и водонасыщенными грунтами, карстовыми породами и т.д.).

Ввиду повышенных требований безопасности, к сложным можно отнести условия эксплуатации инженерно-технических объектов с особыми технологическими процессами, а также важные технические и жизнеобеспечивающие объекты с продленными на основе контрольных мероприятий сроками эксплуатации. Особо следует выделить класс критически важных технических, инфраструктурных и жизнеобеспечивающих объектов повышенной группы ответственности (АЭС, ГЭС, объекты ТЭК и др.), для которых необходим более строгий подход к геотехническому контролю и снижению рисков техногенных аварий в течение всего жизненного цикла проектирования, строительства, эксплуатации и продления ее сроков.

Вследствие этого для территорий со сложными и экстремальными условиями строительства и эксплуатации инженерно-технических объектов значительно усложняется структура и взаимосвязь отдельных компонентов образующейся природно-технической системы, уменьшается ее устойчивость к возрастающей техногенной нагрузке, приводя к ограничению проектных сроков эксплуатации и увеличению вероятности возникновения запроектных аварий с неблагоприятными техногенными и экологическими последствиями.

Современный уровень развития науки и техники, передовых цифровых и интеллектуальных технологий, а также новых инновационных подходов

позволяет перейти к разработке и созданию интеллектуальных мониторинговых систем принципиально нового уровня, отличного от систем предыдущих поколений и предназначенных для обеспечения безопасности различных инженерно-технических объектов в сложных и экстремальных условиях их строительства и эксплуатации. В данном аспекте крайне актуальным становится решение задач обнаружения, пространственной локализации и прогнозирования предвестников начальной стадии проявления и развития геодинамических процессов, представляющих геоэкологическую опасность, их распознавания и классификации с целью принятия оперативных управленческих решений. Однако активно применяемые в современных мониторинговых системах модификации амплитудных методов геодинамического контроля направлены, в первую очередь, на обнаружение непосредственно активной фазы деструктивных процессов и не способны решать данные задачи ввиду ограниченной технологической чувствительности и помехозащищенности. Из актуальных геоэкологических оценок, выполненных для Российских городов с численностью населения более 100 тыс. человек и различными физико-географическими условиями, следует, что среднегодовой потенциальный ущерб для народного хозяйства от последствий пропуска опасных геодинамических процессов составляет 26,5 тыс. руб./га или 632 млн. руб./город.

При этом известно, что измерения фазовых параметров и характеристик обладают повышенной информативностью, точностью и помехозащищенностью. В частности, известны примеры успешного применения подобных фазометрических методов и устройств в задачах геотехнического контроля различных инженерно-технических объектов. Однако их использование основано на базовых принципах теории измерений и фактически прямом выделении фазы на основе простейших алгоритмов обработки регистрируемых сигналов, имеются обособленные и разрозненные результаты управления системами мониторинга на их основе, а также в должном объеме не решена задача обеспечения помехозащищенности.

В связи с этим для повышения эффективности геодинамического контроля

при обнаружении предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды в ходе осуществления геоэкологического мониторинга необходима разработка теоретических основ применения данной группы методов и устройств.

Степень разработанности темы исследования характеризуется достаточно развитым арсеналом методов и средств геодинамического контроля, применяемых при осуществлении геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды.

Вопросам геоэкологии посвящены работы Ж.Л. Агассица, В. Бланфорда, П.А. Кропоткина, Ч. Лайеля, И.И. Плотникова, Н.А. Карцева, Е.Ф. Шнюкова, О. Адаменко, В.И. Трухина, Г. Рудько, И.П. Гамеляка, А.И. Семячкова, М.М. Коржнева, В.Т. Трофимова, Д.Г. Зилинга, М.К. Бахтеева, И.И. Мазура, А.А. Шварца, А.П. Белоусова, А.Б. Лисенкова, М.Б. Шилина, А.А. Жорова, Е.В. Пиннекера.

Разнообразие и сложность «природы» протекания геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды сформировали отдельные большие научные направления, школы и коллективы. Значительный вклад в исследование геодинамических процессов, их классификацию, моделирование и построение систем мониторинга и геоэкологической безопасности внесли коллективы научных, научно-исследовательских и учебных заведений, а также известные ученые: Ю.А. Израэль, В.А. Королев, В.П. Хоменко, В.Т. Трофимов, А.Н. Боголюбов, Г.К. Бондарик, Б.И. Далматов, О.Ч. Реут, А.В. Аникеев, А.А. Музалевский, М.П. Федоров, Г.А. Голодковская, А.Г. Гамбурцев, Г.А. Максимович, В.К. Епишнин, М.Н. Бердичевский, Д.Н. Четаев, С.В. Шаманин, М.В. Графкина, М.Б. Шилин, П.Е. Марченко, Н.С. Огняник, С.Г. Герман, Ю.О. Кузьмин, И.И. Мазур, В.М. Шестаков, Р. Уильямс, Э.Дж. Хенли, А.С. Гринин, С.Ю. Дайман, М. Чартер, Л.Д. ДеСимон, М. Брудер и др.

Принципам и методам оценки геоэкологических опасностей и рисков геодинамических процессов посвящены работы В.И. Осипова, А.Л. Рогозина, Е.А. Вознесенского, В.С. Круподерова, А.И. Шеко, В.А. Акимова, А.С. Герасимовой,

Е.С. Дзекцера, А.А. Быкова, Е.Ю. Щетинина, Г.Л. Коффы, Л.В. Бахиревой и др.

Тематикой применения геофизических методов геодинамического контроля приповерхностной части геологической среды занимается ряд научных школ и организаций, в том числе: Институт Физики Земли РАН, Российский университет нефти и газа имени И.М. Губкина, Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, Берлинский технический университет, Санкт-Петербургский научно-исследовательский Центр экологической безопасности, Геотехнический институт (Германия), Геотехнический инженерный институт (Швейцария) и другие. Данной проблеме посвящено множество научных работ, среди которых можно выделить следующих авторов: В.К. Хмелевского, М.Ю. Абелева, Г.Я. Черняка, А.А. Бартоломея, Н.З. Готмана, А.А. Григоряна, В.А. Барвашову, Н.И. Мигунова, Г.А. Соболева, В.С. Вербу, С.А. Лизуна, А.Н. Боголюбова, Н.П. Боголюбову, В.Ф. Кондрата, Б.С. Светова, М.И. Финкельштейна, О.А. Агееву, А.Ю. Гринева, В.В. Агеева, О.Р. Кузичкина, А.Н. Камшилина, D. Patella, D. Fratta, Y. Uyeda, A.A. Kauffman и др.

Анализ известных работ показывает наличие следующих ограничений современных методов и средств геодинамического контроля в задачах геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды: низкую чувствительность к регистрации и обнаружению предвестников начальной стадии проявления опасных геодинамических процессов, а также недостаточную общую помехозащищенность, ограничивающие их технологическую эффективность в современных условиях.

Научная проблема исследования: недостаточная эффективность методов и средств геодинамического контроля при обнаружении предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды в ходе осуществления геоэкологического мониторинга. Решаемая в диссертационном исследовании научная проблема соответствует паспорту специальности 2.2.8. Методы и приборы контроля и диагностики материалов, изделий, веществ и природной среды.

Объект исследования: системы геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды.

Предмет исследования: методы и средства геодинамического контроля и управления системами геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды.

Цель исследования: повышение эффективности геодинамического контроля при обнаружении предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды в ходе осуществления геоэкологического мониторинга за счет использования методов и устройств фазометрического контроля и адаптивного управления.

Для достижения цели исследования решены следующие задачи:

- анализ условий, особенностей проведения и современных подходов к организации геоэкологического мониторинга природно-технических объектов посредством геодинамического контроля приповерхностной части геологической среды, а также применяемых при этом методов и средств;

- разработка теоретических основ применения фазометрических методов и устройств геодинамического контроля и адаптивного управления системами геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды, обоснование возможности обнаружения предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов на их основе;

- исследование и разработка методов повышения геодинамической чувствительности и помехозащищенности фазометрических систем геоэкологического мониторинга, моделей генерации в контролируемой зоне приповерхностной части геологической среды помехоустойчивых зондирующих сигналов, а также методов и устройств их формирования;

- разработка методов и устройств регистрации и выделения слабых проявлений геодинамических процессов в контролируемой зоне

приповерхностной части геологической среды на основе методов обработки фазометрических сигналов в системах геоэкологического мониторинга;

- разработка методов и алгоритмов интерпретации фазовых изображений в фазометрических системах геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды;

- проведение лабораторных и натурных исследований фазометрической системы геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды с применением разработанных положений.

Научная новизна состоит в развитии научных основ, методов, моделей и алгоритмов геодинамического контроля при обнаружении предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды в ходе осуществления геоэкологического мониторинга за счет использования методов и устройств фазометрического контроля и адаптивного управления. Основное содержание научной новизны:

1. Метод контроля геодинамических процессов при осуществлении геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды, отличающийся формированием искусственного многофазового поля заданной структуры и регистрацией геодинамических вариаций его фазовых параметров и характеристик.

2. Компенсационный метод динамического управления фазометрическими системами геоэкологического мониторинга, отличающийся формированием амплитудно-фазовых параметров зондирующих сигналов на основе применения алгоритмов параметрической аппроксимации для их адаптивной подстройки.

3. Модели помехоустойчивых зондирующих сигналов для фазометрических систем геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды, базирующиеся на модели М-арного сигнала с полосовой цифровой манипуляцией, отличающиеся расширением спектра на основе случайного переключения временных интервалов и скачков фазы.

4. Метод формирования помехоустойчивых зондирующих сигналов для

фазометрических систем геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды, базирующийся на возможности динамического управления кодами амплитуды, частоты и фазы цифровых вычислительных синтезаторов, отличающийся возможностью преобразования частоты опорного тактового генератора и управлением амплитудно-фазовыми параметрами зондирующих сигналов по каждому каналу формирования.

5. Метод обработки измерительных сигналов, регистрируемых точечными полюсами-приемниками фазометрических систем геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды, отличающийся формированием разностного сигнала, являющегося информационным для фазового детектирования.

6. Метод автоматической компенсации трендовых составляющих фазовых изображений в измерительных трактах фазометрических систем геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды, отличающийся подстройкой фазы опорного колебания для фазового детектирования в автоматическом режиме в масштабе реального времени.

7. Метод обнаружения геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды, базирующийся на корреляционном приеме детерминированных сигналов, отличающийся наличием порогового устройства для фазового изображения и порогового устройства для его производной с трехальтернативными гипотезами по каждому измерительному каналу, а также подходами к определению порогов обнаружения на основе адаптации статистики, формируемой корреляционным приемником и вычисления априорных значений статистических характеристик фазовых изображений.

8. Метод и алгоритм пространственной локализации геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды, базирующиеся на принципах распределенной обработки измерительной информации, отличающиеся совместным анализом характера изменений фазовых изображений с каждого измерительного канала фазометрической системы геоэкологического мониторинга во времени по результатам работы обнаружителей.

Теоретическая значимость работы:

- проанализировано влияние опасных геодинамических процессов естественного и искусственного происхождения в приповерхностной части геологической среды на безопасность природно-технических систем; определена необходимость решения задач обнаружения, пространственной локализации, прогнозирования, распознавания и классификации предвестников начальной стадии их проявления и развития;

- по результатам анализа современных методов и средств геодинамического контроля приповерхностной части геологической среды выявлены проблемы, связанные с низкой чувствительностью измерений и недостаточной общей помехозащищенностью; показана необходимость организации геоэкологического мониторинга на основе методов и устройств фазометрического контроля и адаптивного управления;

- изложены теоретические основы и методология применения фазометрических методов и устройств геодинамического контроля и адаптивного управления системами геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды, их развития и адаптации; введена терминология «фазовых изображений», «эквифазовых изолиний» и «эквифазовой поверхности» распределения многофазового поля в зоне контроля;

- осуществлено развитие теории помехоустойчивости, формирования сигналов и теории автоматического управления в части разработки моделей помехоустойчивых зондирующих сигналов, моделей оценивания потенциальной структурной скрытности, устройств формирования помехоустойчивых зондирующих сигналов с управляемыми амплитудно-фазовыми параметрами, методов и алгоритмов автоматической компенсации.

Практическая значимость работы состоит в реализации теоретических результатов на практике для повышения эффективности геодинамического контроля при обнаружении предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды в ходе осуществления геоэкологического мониторинга за

счет использования методов и устройств фазометрического контроля и адаптивного управления. Разработанные инструментальные средства позволили решать комплекс задач: формирования помехоустойчивых зондирующих сигналов; оценивания частотных, динамических и шумовых свойств их формирователей на этапе проектирования; адаптивного управления параметрами помехоустойчивых зондирующих сигналов и позиционированием систем геоэкологического мониторинга; сбора и обработки измерительных сигналов; заблаговременного обнаружения, пространственной локализации и прогнозирования предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов, их распознавания и классификации.

Разработанные на основе результатов исследований программы для ЭВМ автоматизируют задачи геодинамического контроля при осуществлении геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды. Полученные в ходе исследования результаты использованы в работе ряда предприятий и организаций, что подтверждается соответствующими актами о внедрении результатов диссертационного исследования. Результаты диссертационного исследования успешно внедрены в рамках деятельности АО «НПП «Звукотехника», ООО «Монолит», ООО «СКБ ИТ», ООО «ИТ Концепт», МИ ВлГУ.

Методология и методы диссертационного исследования: для решения поставленных задач в работе использованы методы вычислительной математики, векторного анализа, теории функции комплексного переменного, операционного исчисления, аппроксимации, математической статистики, спектрального анализа, теории обнаружения и фильтрации сигналов, статистического синтеза, теории принятия решений, теории автоматического управления, математического, имитационного и компьютерного моделирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод фазометрического контроля геодинамических процессов при осуществлении геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды.

2. Компенсационный метод адаптивного динамического управления фазометрическими системами геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды.

3. Модели помехоустойчивых зондирующих сигналов для фазометрических систем геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды.

4. Метод формирования помехоустойчивых зондирующих сигналов для фазометрических систем геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды.

5. Метод обработки измерительных сигналов, регистрируемых точечными полюсами-приемниками фазометрических систем геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды.

6. Метод автоматической компенсации трендовых составляющих фазовых изображений в измерительных трактах фазометрических систем геоэкологического мониторинга приповерхностной части геологической среды.

7. Метод обнаружения геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды фазометрическими системами геоэкологического мониторинга.

8. Метод и алгоритм пространственной локализации геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды по результатам обработки фазовых изображений.

Степень достоверности результатов диссертационного исследования обусловлена глубоким анализом состояния исследуемой предметной области, корректностью вводимых допущений, адекватностью применяемого математического аппарата, отсутствием противоречий с известными положениями теории и практики и подтверждается результатами математического моделирования и экспериментальных исследований.

Апробация результатов диссертационного исследования:

Полученные в рамках работы результаты проверены в ходе практической деятельности и в рамках научных исследований при разработке систем

геодинамического контроля различных классов. Основные положения и результаты работы представлены на международных и всероссийских научных конференциях:

- Международная научно-техническая конференция «Автоматизация» RusAutoCon-2023, Сочи, РФ, 10-16 сентября 2023, «Method of formation of an artificial multiphase field of a specified structure during phase-metric technological control»;

- IX Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (ИТНОП-2023), Белгород, РФ, 31 мая - 2 июня 2023, «Прогнозирование развития геодеформационных процессов в земляном полотне железной дороги»;

- XXII International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM 2022), Albena, Bulgaria, 2-11 июля 2022, «Simulation of the geodynamic event detector operation in the upper part of the geological environment section implemented on the basis of the phase-measuring geoelectric control method»;

- XXI International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM 2021), Albena, Bulgaria, 14-22 августа 2021, «Investigation of the sensitivity of the phasometric method for monitoring oil product leaks»;

- XX International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM 2020), Albena, Bulgaria, 8-11 декабря 2020, «Method for predicting the geotechnical stability based on the selection and analysis of bifurcation features of soft transitions»;

- XVIII Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (ИТНОП-2020), Белгород, РФ, 24-25 сентября 2020, «Разработка геодинамической геоэлектрической модели контроля нефтешламового пролива с использованием фазометрического метода контроля»;

- Международная научно-техническая конференция «Автоматизация»

RusAutoCon-2019, Сочи, РФ, 8-14 сентября 2019, «Using Method Frequency Scanning Based on Direct Digital Synthesizers for Geotechnical Monitoring of Buildings»;

- 2019 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon 2019), Vladivostok, Russian Federation, 1-4 октября 2019, «The compensation method of the selection of trend geoelectric signals in the system of the geodynamic monitoring»;

- International Science and Technology Conference on Earth Science (ISTC Earth Science 2019), Russky Island, Russian Federation, 10-12 декабря 2019, «The modeling of the phase-metric method of the geoelectrical control of oil sludge straits»;

- XVIII International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management (SGEM 2018); Albena, Bulgaria, 2-8 июля 2018, «Methods and algorithms of joint processing of geoelectric and seismoacoustic signals in real time»;

- 2018 2nd International conference on functional materials and chemical engineering (ICFMCE 2018), Abu Dhabi, UAE, 23-25 ноября 2018, «The method of the phase control of the electrical installation during geodynamic monitoring»;

- XVII Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (ИТНОП-2018), Белгород, РФ, 17-19 октября 2018, «Алгоритмы предварительной обработки данных стационарных наблюдений в локальных зонах карстологического мониторинга».

Связь с научными и инновационными программами: результаты диссертационного исследования были использованы при выполнении ряда инновационных исследований:

1. Грант РНФ 24-29-20224 «Разработка научно-технических основ автоматизированного мониторинга утечек нефтепродуктов на объектах ТЭК с применением оперативного контроля геологической среды».

2. Грант РНФ 23-29-10126 «Интеллектуальная система контроля целостности земляного полотна железной дороги».

3. Грант президента МД-1800.2020.8 «Исследование переходных процессов в геотехнических системах и повышение эффективности автоматизированных систем геотехнического мониторинга».

4. Грант президента №МК-2159.2020.8 «Моделирование и экспериментальное исследование беспроводной мобильной самоорганизующейся сети ультрафиолетовой связи».

5. Государственное задание №FZWG-2020-0034 (2019-1497) «Исследование и разработка комплексных энергосберегающих охлаждающих и термоэлектрических регенеративных систем».

6. Грант РФФИ №19-29-06030-мк «Исследование и разработка технологии беспроводной самоорганизующейся сети между БПЛА и диспетчерскими центрами «умного города» на основе адаптации параметров режима передачи на различных уровнях сетевого взаимодействия».

7. Грант в рамках конкурса «УМНИК-Нефтегаз» .№133ГУЦЭС8-03/56254 «Разработка интеллектуальной системы контроля и локализации утечек нефтепродуктов на основе фазометрического метода».

8. Федеральная целевая программа по заказу Министерства образования и науки Российской Федерации № 075-02-2018-203 «Разработка цифровых модулей связи мобильных устройств, функционирующих на основе ультрафиолетовых каналов передачи данных для построения беспроводных самоорганизующихся сетей специального назначения».

9. Грант администрации Владимирской области №266 на проведение научных исследований по приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники Владимирской области на тему «Повышение тактико-технических показателей современных радиолокационных станций путем улучшения спектральных характеристик их формирователей сигналов».

10. Грант РФФИ А_Инициативный 15-08-05542 «Исследование цифровых вычислительных и гибридных синтезаторов частот с автокомпенсацией помех на основе обобщенной схемы амплитудно-фазового преобразователя сигналов».

11. ХД НИР МИ ВлГУ по контракту №62 от 29.02.2016 «Разработка

формирователей сигналов и алгоритмов цифровой обработки сигналов радиолокационных станций».

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 144 статьи, в том числе 28 статей в журналах перечня ВАК, 54 статьи, проиндексированные в международной реферативной базе Scopus, 33 статьи, проиндексированные в международной реферативной базе Web of Science. Получено 4 патента на изобретения, 7 патентов на полезные модели и 35 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Суржик Дмитрий Игоревич, 2024 год

источников А и В

Также, как и ранее, предположим, что:

- зондирующие сигналы, подаваемые на точечные изучающие полюса-источники, будут иметь одинаковую форму и частоту, но отличаться по амплитуде и фазе;

- формируемое многофазовое поле обладает «нормальной» структурой.

Исходя из пространственного расположения точечных полюсов-источников

и точечных полюсов-приемников, произвольно изобразим векторную диаграмму распределения пары регистрируемых сигналов и соответствующий им разностный сигнал на комплексной плоскости, иллюстрирующей связь между амплитудно-фазовыми соотношениями их параметров - рисунок 2.4.2. В данном случае и далее на рисунках не обозначены проекции векторов на действительную

и мнимую оси диаграмм.

Рисунок 2.4.2 - Векторная диаграмма распределения сигналов на комплексной плоскости при «нормальной» структуре многофазового поля

В данном случае также, как и в п. 2.3, каждый из точечных изучающих полюсов-источников формирует в точечных полюсах-приемниках М и N результирующий сигнал, характеризующийся модулем и фазой и определяемый собственным вкладом на основе принципа суперпозиции полей. Тогда разностный сигнал дифференциальной пары точечных полюсов-приемников М и N многофазового поля можно представить вектором:

EMN ЕМ Е N '

Его амплитуда Еш и начальная фаза (рш в соответствии с правилом вычитания векторов сигналов одной частоты в общем случае определяются как:

EMN = ,

ЕМ ^п((м ) + EN ^П(р )

(мт = агс^

где рЫпр = ры + я - фаза вектора - Ёы, противоположного вектору Ёы, (рщ,пр = Рм -<Ршр = Рм -(Ры + я) = Рм -я, ёмм - амплитудные характеристики поля, рм- фазовые характеристики поля.

Опишем исследуемые вектора с использованием комплексных чисел. Тогда регистрируемые сигналы можно представить как:

Ём = ЁЫх + -¡ЁЫу , ЁЫпр = ЁШрх + }ЁШру = -ЁЫх - .¡ЁЫу , С2.4.1)

где Ёмх = Ём ), Ёму = Ём ^П(Рм ) , ЁЫпрх = -ЁЫ С™(Ры ) , ЁЫпру = -ЁЫ §1П(Ры ) .

В показательной форме данные сигналы имеют следующий вид:

Ём = Ёме]Рм и ЁШр = ЁШреР*

Ё,

(2.4.2)

где Ём =д/ё1 + Ё2Му , Рм = агщ , ЁШр =^Ё2Шрх + Ё2Шт , Рипр = агщ

Ёмх

Ё

Ыпру

Ё

Ыпрх

По аналогии с (2.4.1) и (2.4.2) выходной сигнал дифференциальной пары точечных полюсов-приемников может быть записан как:

Ё мы = ЁЫЫх + jЁMNy , где Ёмых = Ёмх + Ёыпрх , Ёмыу = Ёму + Ёы

или Ё = Ё е}Рмы

где

Рмы = агс^

Ё = 1Ё2

+Ё* =

'мЫх мЫу

(Ёмх + ЁЫпрх ) + (Ёму + ЁЫпру )

Ё ~ мЫу = аг^ Ё му + Ё ^ Ыпру

Ё _ мЫх _ Ё ^ мх + Ё ^ Ыпрх

Далее рассмотрим случаи регистрации фазовых параметров и характеристик дифференциальной парой точечных полюсов-приемников, когда структура формируемого многофазового поля вследствие нарушений однородности приповерхностной части геологической среды или протекания в ней геодинамических процессов из «нормальной» становится «аномальной».

Рассмотрим первый характерный пример. Пусть геодинамические процессы в приповерхностной части геологической среды происходят между точечным изучающим полюсом-источником А и точечным полюсом-приемником м (в т.1 в соответствии с рисунком 2.4.1). Это приведет к положительному сдвигу фаз рм и

ры на Ари и Ары, причем из-за особенностей расположения т.1 Ари >Ар рисунок 2.4.3.

N

+] Е +Ар

-Е -АР

Рисунок 2.4.3 - Векторная диаграмма распределения сигналов на комплексной плоскости при «аномальной» структуре многофазового поля (геодинамические

процессы происходят между А и и)

Исследуемые вектора в данном случае также можно представить как сумму их нормальных и аномальных составляющих:

Е*м= Еи + АЕи 5 РтР = Ртр + АРтр 5 Кы = Еиы + АЕиы 5

где Еи, ЁШр и ЕиЫ - нормальные составляющие векторов, АЕи, АЁШр и аеш -

аномальные составляющие векторов,

или на основе принципа суперпозиции полей как:

Ем = Ем - Ем

^иы и ^ы ■

Амплитуда Е^ и начальная фаза разностного сигнала

дифференциальной пары точечных полюсов-приемников и и N многофазового

поля в соответствии с правилом сложения векторов сигналов одной частоты в данном случае определяются как:

Е* =

I т—г* 2 т—'М 2 л 7—г* 7—г* / * \

УЁМ +Еы +2ЁUЁN

Рим = агс^

Т~? * • / * | 7—? * • / * |

и

вт рм) +

Ыпр рыпр)

т—? * / * \ 7-1М I * \

и

СОБ рРи + Ыпр

где рМЫпЫ =рМ- ФЫпр =Ри + АРи - (Рыпр + А РЫпр ) = РиЫпр + АРиЫпр ~ начальная фаза

разностного сигнала дифференциальной пары; р, РшР и Риыпр = Ри - РшР -

нормальные составляющие начальных фаз; АрМ, АрЫпр и АриЫпр = АрМ - АрЫпр -

аномальные составляющие начальных фаз.

Сигналы с точечных полюсов-приемников Ми N в комплексной форме

можно представить как:

ЕМ = ЁМх + 3ЁМу и ЕШг, = ЁШт + jЁNnpv = ЁШ ]ЁЩ

(2.4.3)

где ЁМх = ЁМх + АЁМх 5 ЕМу = Ему + АЕиу 5 ЁМх = ЁМ СО8(< )5 рМу = ЕМ 81п(Рм ) 5 Рм=Ри + АРи

(<РМ) 5 Е1пру =-ЕМ 31п(РрМ)5

Е^прх = ЁШрх + АЁ

ЁМпру = ЁNnpy + АЁ

Г"? * Г"? * I

Ё*прх = -(

(p'N=РN + АР .

В показательной форме данные сигналы имеют следующий вид:

е* = р* р]Ри и Е* = р* е]р1*,р

(2.4.4)

где

ЁМ = л/ЁМ2 + К,..2 =](Еих + АЁМх )2 + (ЁМу + АЁМу )2 5

'и у Мх Му

Е * = , IЕ * 2 + Е * 2

^ тр у ^ Шрх ^ ^ тру

^^Шрх + АЕ трх ) + (Ётру + АЁNnpy)

Ри = агс^

р *

^Му р *

= аг^

ЁМу + АЕМу

Е + АЕ

Р*пр = аГСШ

р *

-^Шру Е *

^прх

= аг^

Е + АЕ Е + АЕ

По аналогии с (2.4.3) и (2.4.4)5 разностный сигнал дифференциальной пары точечных полюсов-приемников Ми N многофазового поля может быть записан как:

Е * = Е * + е *

где

Ё * = р * + р * = Е + АЕ + Е + АР

^МЖ - Мх трх Мх^^'^Мх ^Шрх^ 1Л11'трх ■

Е* — ЕМ + Е' — ЕМ„ + АЕ,„. + + АЕ

^ММу Му Ыпру Му

'Му Ыпру

^ Ыпру

или Е* - Е *

где

Е * —,/Е * 2 + Е * 2

МЫ \ МЫх МЫу

: -\1{ЕМх + АЕМх + ЕЫпрх + АЕЫпрх) + {ЕМу + АЕМу + ЕЫпру + АЕЫпру )

Рмы — агс^

Е

МЫу

Е

'МЫх

— аг^

ЕМу + АЕМу + ЕЫпру + АЕЫпру ЕМх + АЕМх + ЕЫпрх + АЕЫпрх

Рассмотрим второй характерный пример. Пусть геодинамические процессы в приповерхностной части геологической среды происходят между точечным изучающим полюсом-источником В и точечным полюсом-приемником Ы (в т.2 в соответствии с рисунком 2.4.1). Это приведет к отрицательному сдвигу фаз рМ и <рЫ на АрМ и АрЫ, причем из-за особенностей расположения т.2 АрЫ > АрМ -рисунок 2.4.4.

' +1

еы +аы

X, + АЕ

I М М

_Е -АЕ

еы ы

Рисунок 2.4.4 - Векторная диаграмма распределения сигналов на комплексной плоскости при «аномальной» структуре многофазового поля (геодинамические

процессы происходят между В и Ы)

Математические выражения, описывающие сигналы с точечных полюсов-приемников М и Ы многофазового поля и их разность на выходе дифференциальной пары, аналогичны представленным выше для первого примера.

Сравнивая векторные диаграммы, представленные на рисунках 2.4.2-2.4.4, очевидно, что формирование разностного сигнала дифференциальной пары точечных полюсов-приемников М и Ы многофазового поля позволяет повысить чувствительность измерений и, анализируя характер аномальной составляющие фазы разностного сигнала, решать задачи пространственной локализации геодинамических процессов в зоне контроля.

2.5 Обоснование возможности обнаружения предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов на основе

метода фазометрического контроля

Для апробации предложенного метода фазометрического контроля проведем моделирование многофазового поля в приповерхностной части геологической среды и результата регистрации его фазовых параметров и характеристик на примере осуществления геоэлектрического контроля [259, 260]. При этом примем, что комплексный вектор напряженности электрического поля в исследуемой однородной среде с удельным сопротивлением р создается двумя точечными излучающими полюсами-источниками комплексного тока I — 1в]р и определяется как:

Е — (2.5.1)

2лт г

где гиг - расстояние и радиус-вектор от точечного излучающего полюса-источника поля до точечного полюса-приемника.

Модуль вектора напряженности электрического поля в приповерхностной

части геологической среды Е — Ех + Еу определим, складывая отдельно

действительные и мнимые части проекций вектора поля на координатные оси х и

у (без учета оси направленной вглубь среды):

е = л/еех)2 + Ке(ееу)2 + ^ 1т(еех)2 + 1т(ееу)2 . (2.5.2)

Фазовую составляющую данного вектора определим как арктангенс

отношения мнимои и действительном компонент:

(p(É) = atan

^Im(É )Л

Re(É X

(2.5.3)

Схема геоэлектрической установки для проведения моделирования представлена на рисунке 2.5.1, где ОЫО - точечный полюс-заземление.

Рисунок 2.5.1 - Схема геоэлектрической установки для проведения

моделирования

В данном случае фазовый сдвиг между токами, поступающими на точечные излучающие полюса-источники А и В, составляет 90°, Ь = 15 м, й = 3,5 м, для регистрации фазовых параметров и характеристик поля используется восемь точечных полюсов-приёмников Ми Ы, образующих четыре дифференциальные пары МЫ. Амплитуды токов точечных излучающих полюсов-источников и удельное сопротивление приповерхностной части геологической среды р влияют только на амплитудную составляющую формируемого многофазового электрического поля, поэтому для них заданы нормированные значения.

Тогда напряженность электрического поля в соответствии с (2.5.1) для заданной геоэлектрической установки определяется как:

ё (гт) =

11 (А - гт)

■ + ■

12 (В - гт)

(11 +12)(GND - гт)

2ж(\ А - гт) А - гт 2ж(\В - гт\) В - гт 2ж(\GND - гт\) \GND - гт

. (2.5.4)

Первое слагаемое (2.5.4) - вклад электрического поля5 вызванный точечным излучающим полюсом-источником А в точке с радиус-вектором тт., второе слагаемое - вклад точечного излучающего полюса-источника В^ третье слагаемое - вклад точечного полюса-заземления GND. Расстояния от каждого точечного излучающего полюса-источника до точек приема гт определены как модули векторов.

Распределение фазы электрического поля в приповерхностной части однородной геологической среды по координатам х и у, представленное в градусной мере и полученное на основе выражений (2.5.3) и (2.5.2) с учетом множителя 180/^5 показано на рисунке 2.5.2 относительно точечного излучающего полюса-источника А.

Рисунок 2.5.2 - Распределение фазы электрического поля в приповерхностной

части однородной геологической среды

При таком подходе контролируемая зона приповерхностной части геологической среды представляет собой «эквифазовую поверхность» (по аналогии с эквипотенциальной поверхностью)5 иллюстрирующую распределение

фазы того или иного поля совокупностью «эквифазовых изолиний», создаваемых каждым точечным излучающим полюсом-источником. На рисунке эквифазовые изолинии многофазового электрического поля построены с шагом 10°, расстояние по координатным осям выражено в дециметрах.

По результатам моделирования определено, что фазы на точечных полюсах-приемниках относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают следующие значения: фМ1 = 21,11°, фш = 27,586°, фМ3 = 45°, фМ4 = 62,414°, ф^ = 68,89°, фю = 62,368°, фш = 45°, фМ4 = 27,632°.

На рисунке 2.5.3 приведено семейство кривых, показывающих изменения регистрируемой фазы электрического поля при перемещении точечного полюса-приемника по координатным осям (x,y) относительно точечного излучающего полюса-источника А, причем шаг по оси ординат принимает дискретные значения у = 0, 2, 5, 10 м.

Фаза пепя в течке (х.у) стноситепьнз течки А (у=0 2 5 10:

30

0)т] 70

—г _ 60

.Ф- 2>TJ 50

5 Л 4,;

1

20 :.о о

-ю о ю

л_

M

Рисунок 2.5.3 - Графики изменения регистрируемой фазы электрического поля при перемещении точечного полюса-приемника по координатным осям (x,y) относительно точечного излучающего полюса-источника А

Красная кривая на рисунке 2.5.3 (при у = 0 м) соответствует перемещению точечного полюса-приемника вдоль линии AB и дает наибольшую вариацию фазы

от 0° до 90°. При сдвиге точечного полюса-приемника по вертикали вверх или вниз на равное расстояние фаза поля в точке приема изменяется одинаково.

На рисунке 2.5.4 приведено аналогичное семейство кривых, показывающих изменения регистрируемой фазы электрического поля при перемещении точечного полюса-приемника вдаль от центра установки по координате х. Так как графики симметричны относительно начала координат, то на рисунке показана только их правая часть для положительных значений координаты х.

Ф_[(х_ 0)Т_

Ф_[(х_ 2)Т]

5)Т] ^

*!(*_ 20)Т; 40

_Фг[(х_ 50>Т;

Ф_[(х_ 100)Т)» 10

20 40 60

х= ы

Рисунок 2.5.4 - Графики изменения регистрируемой фазы электрического поля при перемещении точечного полюса-приемника вдаль от центра установки по

координате х

Из рисунка видно, что даже при удалении точечного полюса-приемника на расстояние 100 м по вертикали (черная кривая, длинный пунктир) вариации фазы при изменении координаты х составляют около 7° (и 14° с учетом отрицательных значений х).

Вычисление модуля от (2.5.2) позволяет дополнительно к анализу фазовых характеристик построить распределение амплитуды электрического поля в приповерхностной части однородной геологической среды - рисунок 2.5.5. На

рисунке расстояние по координатным осям также принято в дециметрах, амплитуда электрического поля выражена в дБ по отношению к 1 В/м с учетом введенных нормировок.

ДМ 280260" ¡8.568

-585 ¡8

240220- _

-5 2.356 _ 52.356

200- 143 ■46 143

180- 556 _ ЯШ

160— ■ _ Ж

140"* ■ лл 143 „„ (Ж)1 II 46,143" ¡9.931 мш л

-39. '11 с Г

120- "556"— -46 143 . 1 ■■■,

100-

6040— 2.356 -52^ 6

568

20- П- 58.568

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

ДМ

Рисунок 2.5.5 - Распределение амплитуды электрического поля в приповерхностной части однородной геологической среды

Рассмотрим аналогичный пример для другого масштаба геоэлектрической установки. В данном случае положим, что фазовый сдвиг между токами, поступающими на точечные полюса-источники А и В также составляет 90°, Ь = 110 см, d = 60 см.

Распределение фазы электрического поля в приповерхностной части однородной геологической среды для данного случая показано на рисунке 2.5.6. Размерность осей на данном и последующих рисунках - сантиметры.

Усложним задачу, рассматривая случай внесения неоднородности в контролируемую зону приповерхностной части геологической среды. Распределение фазы электрического поля в данных условиях показано на рисунке 2.5.7, а изменения фазовой составляющей поля - на рисунке 2.5.8.

Рисунок 2.5.6 - Распределение фазы электрического поля в приповерхностной

части однородной геологической среды

Рисунок 2.5.7 - Распределение фазы электрического поля в неоднородной

геологической среде

В качестве неоднородности в данном случае введен дополнительный точечный полюс-заземление, расположенный слева от центра геоэлектрической установки (в направлении точечного излучающего полюса-источника А) с пространственным положением хожд = -75 см и ускод = -20 см. Ток точечного

полюса-заземления принят равным /А+/в), где К^в - коэффициент

ослабления тока точечного полюса-заземления в приповерхностной части геологической среды (Кокп=0,03). На рисунке 2.5.8 эквифазовые изолинии соответствуют десятичному логарифму отклонения фазы от 1 (сдвиг фазы 10°) до -4 (сдвиг фазы 0,0001°).

О 20 40 (50 S0 100 120 140 160 ISO 200

Рисунок 2.5.8 - Изменения фазовой составляющей электрического поля в

неоднородной геологической среде

Из рисунка 2.5.8 видны изменения фазы по области моделирования более чем в 0,1°, что доказывает возможность обнаружения предвестников начальной стадии проявления и опасного развития геодинамических процессов за счет применения разработанного фазометрического метода контроля.

Рассмотрим влияние пространственного положения точечного полюса-заземления на регистрируемые фазовые характеристики электрического поля. Примем L=76 см, d=37,5 см, Хожд = 75 см и уошд = 63 см.

При xGND = 0 см и yGND = 0 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-

источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,012°, Дфмжг = 1,1777°, Дфмзш = 8,861°, Дфшж = 0,085°.

При Хож = 40 см и уеш = 0 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,21°, Дфмжг = -0,183°, Дфмзш = 2,452°, Дфм4ж = 0,114°.

При = 70 см и уеш = 0 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = 0,129°, Дфмжг = 1,114°, Дфмзш = 10,146°, ДфМ4№4 = -3,704°.

При Хода = 0 см и уеш = 20 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = 0,143°, Дфмжг = 1,226°, Дфмзш = 8,971°, ДфМ4№4 = -4,028°.

При хо:ш = 0 см и уеш = 35 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = 0,13°, Дфмжг = 1,105°, Дфмзш = 10,388°, ДфМ4Ж = -3,744°.

При Хода = 70 см и уеш = 35 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1№ = 0,134°, Дфшш = 1,31°, Дфмзш = 9,319°, Дфшж = -3,668°.

Таким образом, наибольшая чувствительность геоэлектрической установки, соответствующая наибольшей разности фаз между точечными полюсами-приемниками, получена при максимальном удалении точечного полюса-заземления от центра установки, как по горизонтали, так и по вертикали. Аналогичные результаты получены и при других расположениях дополнительного источника в виде точечного полюса-заземления, моделирующего неоднородности и геодинамические процессы в

приповерхностной части геологической среды.

Проведена оценка влияния пространственного положения точечных излучающих полюсов-источников и приемников и расстояний между ними на качество регистрации геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды. При этом принято: хо:ш = 70 см, = 34 см, хо:Шд = 75 см и .Уожд = 63 см.

При Ь = 40 см и й = 37,5 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,0002°, Дфмжг = 1,107°, Дфмзш = 1,331°, ДфМ4ж = -0,862°.

При Ь = 50 см и й = 37,5 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,0005°, Дфмжг = 1,181°, Дфмзш = 3,341°, ДфМ4ж = -1,603°.

При Ь = 76 см и й = 37,5 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,134°, Дфмжг = 1,305°, Дфмзш = 9,338°, ДфМ4ш = -3,669°.

При Ь = 76 см и й = 10 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,141°, Дфмжг = 2,485°, Дфмзш = -4,011°, ДфМ4ж = 2,139°.

При Ь = 76 см и й = 20 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,313°, Дфмжг = 3,604°, Дфмзш = -8,589°, Дфшш = 1,675°.

При Ь = 76 см и й = 30 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,245°, Дфмжг = 2,912°, Дфмзш = -8,041°, Дфшш =

1,364°.

При Ь = 76 см и й = 40 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,103°, Дфмжг = 0,657°, Дфмзш = 19,572°, Дфшш = -4,23°.

При Ь = 76 см и й = 50 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,025°, Дфмжг = -1,662°, Дфмзш = -0,365°, Дфмщ4 = -5,343°.

При Ь = 76 см и й = 60 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = -0,003°, Дфмжг = -2,787°, Дфмзш = -27,663°, ДфМ4ш = -5,398°.

Таким образом, наибольшая чувствительность геоэлектрической установки получена при максимальном расстоянии Ь = 75 см и й от 30 до 40 см, когда разности фаз на всех четырех дифференциальных парах точечных полюсов-приемников больше 0,1°.

Проведена оценка влияния количества точечных полюсов-заземлений на качество регистрации геодинамических процессов в приповерхностной части геологической среды. При этом принято: Ь = 76 см, й = 37,5 см, х<щд = 75 см и УоКБД = 63 см.

При хода = 70 см и уеш = 34 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = 0,134°, Дфмжг = 1,305°, Дфмзш = 9,338°, ДфМ4№4 = -3,669°.

При = 70 см, уе^ = 34 см, хемп2 = -70 см и у<жо2 = -34 см отклонения фазы между точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМ1ш = 0,13°, Дфмжг = 1,27°, Дфм3ш = 9,981°, Дф^ж = -3,736°.

При = 70 см, = 34 см, х^нга = 70 см, ^нт = -34 см, = -70 см, усш3 = 34 см, = -70 см и уо^м = -34 см отклонения фазы между

точечными полюсами-приемниками относительно фазы точечного излучающего полюса-источника А принимают значения: ДфМШ1 = 0,124°, Дфшш = 1,124°,

Афм3К3 = 11,043°, Дфм4К4 = -3,806°.

Для выбранных параметров пространственных положений точечных полюсов-заземлений изменение чувствительности геоэлектрической установки при варьировании их количества является несущественным. Однако, при удалении от центра установки дополнительного точечного полюса-заземления, моделирующего неоднородности и геодинамические процессы в приповерхностной части геологической среды, установка с четырьмя точечными полюсами-заземлениями показывает лучший результат (например, при хещд = 102 см и уошд = 50 см). При этом, как показано ранее, каждый точечный полюс-заземление целесообразно также располагать на максимальном удалении от центра геоэлектрической установки.

2.6 Компенсационный метод динамического управления фазометрическими системами геоэкологического мониторинга

Для обеспечения повышенной чувствительности измерительных трактов систем геоэкологического мониторинга на основе методов и устройств фазометрического контроля к слабым геодинамическим изменениям приповерхностной части геологической среды необходимо провести их начальную калибровку и сбалансировать по регистрируемым векторам поля в точках наблюдения с целью устранения геодинамического тренда в виде постоянных составляющих сигналов, присутствующих на входах точечных полюсов-приемников поля и зависящих от амплитудно-фазовых параметров зондирующих сигналов, подаваемых на точечные излучающие полюса-источники и комплексной передаточной функции приповерхностной части геологической среды между выбранными точечными полюсами. Так при наличии в

контролируемой зоне приповерхностной части геологической среды I точечных излучающих полюсов-источников с координатами (х., у) и J точечных полюсов-приёмников поля с координатами (х/, у) получаем следующие комплексные сигналы в точках наблюдения:

^(® = Н,0»)$^С/®) = Н, О»)^^™ = [у/ + Н(>)£ Д/ ,

г=1

¿V, (/»)=Нх/ с®)^» о)=Н, о)^'*- = ^+Н (7»)^ ду , (2.6.1)

г=1

где Нх, (Ну/ (- комплексные передаточные функции геологического

разреза контролируемой зоны приповерхностной части геологической среды между .-ми и /-ми полюсами; £исп., риспг - амплитуда и фаза .-го точечного

излучающего полюса-источника зондирующего сигнала; Н(/ю) - комплексная передаточная функция, характеризующаяся коэффициентом контрастности параметров поля контролируемой зоны приповерхностной части геологической среды (по отношению к параметрам наблюдаемых геодинамических процессов и приповерхностных неоднородностей); у/, у/ - пространственные функции

(характеризуют взаимное расположение точечных полюсов); д/, д/ -

пространственные функции (характеризуют взаимное расположение 1-го мнимого точечного излучающего полюса-источника поля относительно /-го базиса системы мониторинга, определяющие аномальную геодинамику контролируемой зоны приповерхностной части геологической среды).

Комплексные передаточные функции геологического разреза [261] контролируемой зоны приповерхностной части геологической среды из (2.6.1) можно представить в виде:

Н, (/») = а, + /Ь, , Ну, (/») = а, + /Ь/, ,

а; = у; + ReН(/»)£ ДХ, ЬХ = у; + 1тНД.Х; ,

;=1 ;=1

а/ = у/ + ReН0)£Д/; , ЬУ = У + 1тНДД1 . (2.6.2)

;=1 ;=1

Условия начальной калибровки и балансировки системы геоэкологического мониторинга, исходя из представленных выражений, в общем случае

определяются из соотношения 8прху (у®) = ¿пруР (у®) = 0 при нормировании зондирующих сигналов по амплитудно-фазовым параметрам первого точечного излучающего полюса-источника 8испЛ = $ист*Жстх = 0-

При отсутствии в контролируемой зоне приповерхностной части геологической среды геодинамических процессов и неоднородностей данное соотношение определяется как:

I I

0®) = Е ^ С® =К + К ^ист0 + Е К + Щ ^ист, СОВ^ст,) + Яттг ^ист,)) = 0, 1=1 1=2

I I

(у®) =Е ^пруи (у®) =К + Жу )$ист0 К + Щ^ист, СОв(Рисшг) + Яист, В1п(^ист,)) = 0- (2-6-3)

1=1 1=2

При наличии в контролируемой зоне приповерхностной части геологической среды геодинамических процессов и неоднородностей происходят вариации передаточных функций йху(у®) и йуу(у®) на соответствующие дйу(у®).

Вследствие этого наблюдается нарушение начальной калибровки и балансировки, проявляемое в регистрации точечными полюсами-приемниками сигналов рассогласования дчпру (у®) и дчпря (у®) вида:

I . I

^ прху (у®) = Е ^прхну (у®) =ДЙЙ х1у (.®)8ист0 + Е ДйЙ ху (У ист, СОв(Р исш ) + £ йот Вт(Фисш )) ,

1=1 1=2

I . I

№пруу (У®) = Е ^пруу (У®) =ДЙЙу1 у (у®)$ист0 + Е ДЙЙУУ (У®)(8ист1 СОв(Р исш ) + ^ист, исш )) •

1=1 1=2

(2.6.4)

Для компенсации данных сигналов рассогласования требуется осуществление динамического управления системой геоэкологического мониторинга в соответствии со следующими уравнениями:

Е ДЙху (у®)Д8ист1 (у®) =-ДЙху (у®)^, Е ДЙуу (у®)Д8ист1 (у®) =-ДЙуу (у®)^ • (2.6.5)

1=2 1=2

Решение данной задачи требует подстройки амплитудно-фазовых параметров зондирующих сигналов с целью создания поля, обратного геодинамическому изменению исходного поля в контролируемой зоне приповерхностной части геологической среды. Причем в сложных условиях

мониторинга, а также при определенном пространственном расположении точечных полюсов-источников и приемников поля как относительно друг друга, так и относительно объекта контроля для повышения точности компенсации могут быть использованы дополнительные точечные излучающие полюса-источники с собственными амплитудно-фазовыми параметрами зондирующих сигналов.

В результате подбор амплитудно-фазовых параметров зондирующих сигналов позволяет устранить влияние геодинамического тренда, а также аддитивной помехи, вызванной неточной начальной установкой точечных полюсов или изменением структуры поля, вызванным геодинамикой контролируемой зоны приповерхностной части геологической среды в процессе функционирования системы геоэкологического мониторинга. Таким образом, удается существенно повысить ее чувствительность к слабым геодинамическим вариациям объектов контроля.

Рассмотрим пример осуществления подбора амплитудно-фазовых параметров зондирующих сигналов для случая геоэлектрического контроля неоднородности, залегаемой в контролируемой зоне приповерхностной части геологической среды.

В целом в малоглубинной геофизике традиционно пользуются стандартными моделями для описания неоднородностей и их геодинамических вариаций. Обычно применительно к геоэлектрике на небольших расстояниях и глубинах, характерных для задач приповерхностного геодинамического контроля, в качестве исследуемой модели геоэлектрического разреза может быть выбран раздел двух сред с плоской границей, проиллюстрированный рисунком 2.6.1 [67].

Здесь точечный излучающий полюс-источник тока силой 10 располагается

на поверхности полупространства в начале координат (т. А ), ось £ направлена вглубь геологической среды. Расстояние от точечного излучающего полюса-источника А до границы раздела двух сред равно ^ . Соответственно зеркальное изображение точечного излучающего полюса-источника А' имеет координаты

(2ё; 0; 0). С учетом граничных условий потенциалы поля на границе земля-воздух в точке с координатами (х, у) первой и1 и второй и2 среды определяются выражениями:

и1( х, у, ё) =

ДА

2ж

1

+

Н ( ую)

х - 2ё )2 + у2

II2 (х, у, ё) =

Л> А

2^

1 + Н (ую)

(2.6.6)

(2.6.7)

где н (ую)

Р 2(7ю) - Л( 7ю)

комплексный частотно-зависимый коэффициент

Р2 (7ю) + Л(7ю)

контрастности, определяемый удельным сопротивлением р и диэлектрической

Л,2

проницаемостью ^ первой и второй среды: Д,2( ую) =

1 + ую^1,2 А,:

Рисунок 2.6.1 - Модель раздела двух сред с плоской границей при использовании одного точеного полюса-источника электрического поля

В (2.6.6) и (2.6.7) первые слагаемые определяют нормальную составляющую электрического потенциала, обусловленную влиянием действительного точечного излучающего полюса-источника А, а вторые слагаемые - аномальную составляющую электрического потенциала, описывающую воздействие приповерхностной неоднородности и вызванную мнимым точечным излучающим полюсом-источником А.

В соответствии с полученными выражениями для электрических

потенциалов, соотношения для комплексных векторов напряженности электрического поля в первой и второй среде принимают вид [249]:

Ё (X, у, d) = -

да1(X, у, сI) _ I 0Р1

дх

2л

х

Ё (х, у, I) = -

ди1( х у,d) = Да

ду

2л

(р+т)3 у

+

Н (х - 21)

х - 21 )2 + у2

х2 + у2

)

+

Ну

7.

х - 21 )2 + у2

Ё2х (х, у, с) = -ди 2( х,у,С) = ЬА (1+Н ) дх 2л

22 х2 + у2

Ё2( х, у, I) = -

ди 2( х, у, I) = I оР?

ду

2л

(1 + Н )

У

22 х2 + у 2

(2.6.8)

(2.6.9)

(2.6.10)

(2.6.11)

Исходя из принципа стационарности и линейности геоэлектрического разреза, изменение напряженности под влиянием текущих геодинамических вариаций объекта контроля при условии начальной калибровки и балансировки системы геоэкологического мониторинга можно определить выражением:

АЁгх2у (х, у, I ,а) =

дЁ*% (х, у, I ,а0)

1=1 да1

.0 , Л „о , Л ~ \ тт —0 / 0 0>

Аа,

(2.6.12)

где а= (а" + Аа1,...,а" +Ааь) и а = (а",...,а") - текущее и номинальное значение вектора геодинамических параметров размерностью Ь.

В простейшем случае геодинамика приповерхностной части геологической среды с достаточной степенью точности описывается изменением одного параметра. В частности, для рассматриваемой плоской границы раздела двух сред таким параметром может выступать сдвиг границы раздела Аd. В других случаях изменяемыми параметрами могут быть поворот или наклон плоской границы или коэффициенты аппроксимирующих плоскостей, являющихся фрагментами кусочно-линейной границы.

Таким образом, изменение напряженности электрического поля при вариации АI (схематично показано на рисунке 2.6.2) принимает вид:

•ху дЁ^ (х, у, I)

АЁ1хх2у (х, у, I, А!) = —и V ;

' дd

Аd

(2.6.13)

X

Для первой среды данное выражение преобразуется следующим образом:

(х, у, d) _ /о ДЯ

дd

2ж

6( х - 2d )2

2

х - 2d )2 + у2

х - 2d )2 + у2

Т