автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод и средства компенсации температурных помех в системах геоэлектрического контроля

На правах рукописи

4848475

Цаплев Алексей Вячеславович

МЕТОД И СРЕДСТВА КОМПЕНСАЦИИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОМЕХ В СИСТЕМАХ ГЕОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

Специальность: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды,

веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ИЮН 2011

Орел 2011

4848475

Работа выполнена на кафедре «Информационные технологии в проектировании и управлении» Муромского института (филиала) Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Кузичкин Олег Рудольфович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Иванов Борис Рудольфович

кандидат технических наук Лунин Максим Викторович

Ведущая организация: Московский государственный

университет приборостроения и информатики, г. Москва

Защита состоится 21 июня 2011 г. в 16— на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 при Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Госуниверситет -УНПК».

Автореферат разослан 19 мая 2011г.

Отзывы на реферат, заверенные печатью, просьба отправлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Волков В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе развития общества значительно возрос интерес к обеспечению безопасности жизнедеятельности людей и защиты окружающей среды от воздействия техногенных и природных опасных факторов. В последнее время существует тенденция значительного увеличения размеров территорий, вновь вовлекаемых и используемых в промышленной и гражданской деятельности человека. Как следствие этого, происходит активизация опасных природ-но-техногенных процессов, связанных с изменением техногенной нагрузки на геологическую среду. Данные процессы могут протекать как медленно, постепенно накапливая изменения, так и быстро, скачкообразно приводя природно-технические системы к катастрофам.

Многочисленные примеры экологических аварий и кризисных предаварийных ситуаций, как на объектах жизнеобеспечения людей, так и в промышленных производственных зонах, возникающих вследствие постоянно растущей техногенной нагрузки на геологическую среду, служат убедительным доказательством серьезности проблемы и необходимости усовершенствование систем геодинамического контроля.

Современные системы геодинамического контроля, построенные на базе геоэлектрических методов зондирования, обеспечивают высокоточное слежение за экзогенной геодинамикой среды и позволяют предопределить возможные критические ситуации. Основные теоретические и методические положения организации геоэлектрического контроля подробно освещены в работах ученых: Жданова М.С., Уайта Д., Хмелевского В.К., Шевнина В.А., Светова Б.С., Страхова В.Н., Бердичев-ского М.Н., Кузичкина O.P., Спичака В.В., Огильви A.A., Иванова А.П., Шаманина C.B. и др.

Подобные системы эффективны при проведении долговременного геомониторинга и для реализации функции геодинамического контроля, предназначенного для оперативной реакции на критичные геодинамические изменения объекта. Высокая эффективность достигается увеличением чувствительности измерительной системы за счет начальной установки, оперативной подстройки и управления источниками зондирующих сигналов. Однако следует отметить, что повышение чувствительности приводит к возрастанию уровня помех, действующих на объект исследования и на саму измерительную систему. Как показал опыт эксплуатации геоэлектрических установок в системах геодинамического контроля основным помехообразующим фактором, ограничивающим возможности этих систем, является температурная помеха. На практике использования геоэлектрических систем контроля уровень температурных помех в некоторых случаях на порядок превосходит уровень полезного сигнала.

В этой связи, разработка новых методов и средств компенсации температурных помех в системах геоэлектрического контроля геодинамических объектов, позволит уменьшить их влияние на результаты контроля. Решение данной проблемы является актуальным и позволит существенно повысить эффективность работы систем геоэлектрического контроля.

Объектом исследования в данной работе являются геоэлектрические системы геодинамического контроля, построенные на базе многополюсных электроустановок.

В качестве предмета исследования рассматриваются принципы компенсации и модели влияния температурных помех в телеметрических системах геоэлектрического контроля геологических сред.

Целью диссертационной работы является уменьшение влияния температурных помех на результаты геоэлектрического контроля и улучшение характеристик обнаружения кризисных геодинамических изменений приповерхностных неодно-родностей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование влияния температуры на точность геодинамических оценок в системах геоэлектрического контроля геодинамики приповерхностных неодно-родностей и построение модели температурных помех.

2. Анализ и обоснование метода компенсации температурных помех в телеметрической системе регистрации и обработки геоэлектрических сигналов.

3. Исследование и разработка устройств компенсации температурного влияния в измерительных каналах телеметрических систем геодинамического контроля на базе многополюсных электроустановок.

4. Обоснование принципа регрессионной обработки временных рядов в телеметрической системе геоэлектрического контроля с температурной коррекцией полученных результатов.

5. Исследование и разработка устройств динамического позиционирования многополюсных электроустановок для повышения геодинамической чувствительности в системах геоэлектрического контроля.

Методы исследования Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы математической статистики, теории принятия решений, теории поля, вычислительной математики, регрессионного и спектрального анализа, математического и имитационного моделирования.

Научная новизна.

1. На основе проведенного исследования определено влияние температуры на точность геодинамических оценок в системах геоэлектрического контроля и построена модель температурных помех при регистрации геодинамики приповерхностных неоднородностей геоэлектрическими методами.

2. Предложен и обоснован метод компенсации влияния температурных помех при регистрации и обработке геоэлектрических сигналов, отличающийся совместным применением аппаратной и пространственной геодинамической температурной компенсации, позволяющий снизить влияния температурных вариаций на точность определения пространственно-временных геодинамических параметров.

3. Обоснован принцип регрессионной обработки регистрируемых данных на основе применения разработанной базовой геоэлектрической модели, учитывающей влияние температурных геодинамических помех.

4. Разработан принцип динамического позиционирования и компенсационного управления многополюсными электроустановками, отличающийся фазовым формированием зондирующих сигналов, позволяющий обеспечить частотную инвариантность и увеличить геодинамическую чувствительность систем контроля в условиях действия температурных помех.

Практическая ценность результатов заключается в следующем:

- разработанные и защищенные патентами устройства компенсации влияния температуры в измерительных каналах телеметрических систем геодинамического контроля на базе многополюсных электроустановок позволяют уменьшить температурные помехи в линиях связи телеметрических систем контроля геодинамических объектов;

- разработанные и защищенные патентами устройства формирования зондирующих сигналов и их фазового управления в многополюсной геоэлектрической установке, позволяют обеспечить оперативное позиционирование и изменение частоты зондирующего сигнала;

- применение разработанного метода и средств компенсации температурных помех при создании специализированных систем контроля приповерхностных экзогенных процессов, позволило увеличить геодинамическую чувствительность при контроле карстовых процессов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель влияния температурных помех в системах геоэлектрического контроля геодинамики приповерхностных неоднородностей.

2. Метод и устройства компенсации влияния температуры в измерительных каналах телеметрических систем геодинамического контроля, построенных на базе многополюсных электроустановок.

3. Принцип регрессионной обработки временных рядов в телеметрической системе геоэлектрического контроля с температурной коррекцией полученных результатов, основанный на регистрации температуры в среде и на использовании базовой геоэлектрической модели, учитывающей влияния температуры.

4. Фазовый принцип управления токами зондирующих сигналов многополюсной электроустановки и устройства обеспечения частотной инвариантности в системе геоэлектрического контроля.

Реализация и апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях и опубликованы в материалах и трудах: на международной молодежной научной конференции «XII Туполевские чтения» (г. Казань, 2004г.); в материалах 6-й международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (г. Владимир, 2005); на 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2004 - 2005 гг.); на 17-й международной конференции «СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии», (Севастополь, Украина, 2007); на 2-й международной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Ростов-на-Дону, 2008г.).

Результаты диссертационной работы внедрены:

- при организации геодинамического контроля карстовых процессов в Нижегородской области с ООО «Противокарстовая защита» г. Дзержинск Нижегородской обл.;

- в учебный процесс по специальностям «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», «Приборы и методы контроля качества и диагностики», «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» в Муромском институте (филиале) «ВлГУ имени А. Г. и Н. Г. Столетовых»;

- при создании экспериментальной электроустановки геодинамического контроля по гранту РФФИ «Разработка системы геомониторинга для обеспечения безопасности эксплуатации промышленных объектов на закарстованных территориях с использованием геоинформационных технологий».

Диссертационные исследования выполнялись в рамках: ГБ НИР МИ ВлГУ № 376/01 «Анализ и синтез электронных систем с применением компьютерных технологий» (Инв. № 02.2007.03232, № гос.рег. 01.200.108484); Грант РФФИ по поддержки молодых ученых «Исследование механо-электрических явлений в горных породах» (№ 600052/99), Грант РФФИ «Разработка системы геомониторинга для обеспечения безопасности эксплуатации промышленных объектов на закарстованных территориях с использованием геоинформационных технологий» (№ 08-0799032).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе 5 печатных работ в журналах перечня ВАК РФ, и получено 6 патентов на полезную модель.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы имеющего 114 наименований. Общий объем диссертации 132 е., в том числе списка использованных источников включающего 114 наименований. Таблиц 6, рисунков 42.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы и цель диссертации, формулируются основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная новизна полученных результатов, приводятся сведения об апробации и внедрения результатов работы.

В первой главе проведено исследование влияния температурных помех на метрологические и информационные характеристики телеметрических систем геоэлектрического контроля приповерхностных неоднородностей и на точность получения геодинамических оценок.

Климатические факторы определяют интенсивность температурных помех и уровень их изменения. Структурная схема влияния температурных факторов на систему геологического контроля и геодинамический объект представлена на рис 1.

Рис. 1 Структурная схема влияния помехообразующих температурных факторов

на геодинамический объект и систему геоэлектрнческого контроля. Температурное влияние по продолжительности воздействия можно разделить на многолетние, сезонные и короткопериодные (или суточные). Многолетние тем-

пературные вариации & являются хаотическими процессами, вызванными планетарными факторами, характер изменения имеет вид медленно изменяющего тренда и влияние на систему контроля пренебрежимо мало. Сезонные изменения & оказывают существенное влияние на геологическую среду и на телеметрическую систему геоэлектрического контроля при проведении долговременных наблюдений, они имеют вид трендовых изменений и требуют применения аппаратной коррекции и специальных математических алгоритмов обработки. Наибольшее влияние на метрологические и информационные характеристики телеметрических систем геоэлектрического контроля приповерхностных неоднородностей оказывают короткопери-одные и суточные вариации температуры о.

Математически эти помехи можно описать случайно-стационарными процессами:

((0 =^-sin(ü,t+<pa) + osin(Q,2t+<pa)+ Cr- (1)

где Qi -частота суточных температурных вариаций, Q2 -частота сезонных температурных вариаций, а ср^ - соответствующий фазовый момент. Средние величины температурных помех для различных частот Q согласно ГОСТ 16350-80 определяются климатической зоной, то есть зависят от месторасположения системы и варьируются в больших пределах. Например, суточная вариация температуры в макроклима-тических районах с умеренным и холодным климатом (Москва) составляет 27°С. Кроме этого, изменение температуры может быть вызвано выпадением атмосферных осадков: дождя, снега.

В ходе анализа и проведения экспериментов выявлено, что основное влияние на точность работы системы оказывает температурная помеха действующая на линию связи. Влияние сезонной помехи & на аппаратную часть системы контроля геодинамических объектов описывается медленно меняющимся трендом. Данная трендовая помеха при решении задач компенсации короткопериодных температурных помех будет устраняться автоматически. Основное влияние помеха оказывает на геодинамические и электромагнитные параметры геологической среды. Данная температурная геодинамическая помеха & требует применения дополнительной информационной обработки регистрируемых данных, с последующей коррекцией геодинамической модели контролируемого объекта.

Предложена расчетная схема для определения потенциалов геоэлектрического поля, на основании которой проведена оценка изменения глубины залегания и размеров приповерхностной неоднородности в виде шара. В качестве оценочных параметров использованы вероятности обнаружения р0 и вероятность ошибки контроля первого а и второго ß рода при использовании однополюсной зондирующей электроустановки с отношением сигнал/шум равным 10 (при среднем уровне индустриальных помех). При этом проведен сравнительный анализ ошибок первого (ап,ат) и второго (ßn,ßr) рода при действии индустриальных и температурных помех (таблица 1).

Из представленных данных анализа видно, что температурная помеха, на порядок меньшая уровня полезного геоэлектрического сигнала, существенно снижает вероятность обнаружения кризисных геодинамических ситуаций при развитии суф-фозионных процессов.

Таблица 1 Результаты модельных исследований и сравнительного анализа влияния температурных помех____

№ Грунт Геомеханические параметры грунтов Критические параметры полости Индустриальная помеха Температурная помеха

Г„ кНм'3 с,, кПа град А, м 2, м м Роп «/7 Рп Рот «г Рт

1 Глина 19,2 31 20 6,5 1,4 3,2 0,9907 0,0063 0,003 0,687 0,218 0,095

2 Суглинок 23,1 59 31 7 1,3 3,5 0,9924 0,0055 0,002 0,707 0,204 0,089

3 Доломит 24,6 198 38 8,5 1,5 3,5 0,9919 0,0062 0,0018 0,73 0,195 0,075

4 Гипс 23,3 515 32 15 5,2 5,3 0,9906 0,0064 0,0030 0,678 0,244 0,078

5 Мергель 22,2 114 35 19 4 6,6 0,9899 0,0070 0,0030 0,648 0,277 0,075

6 Гравий 18,2 2 40 6 1,5 3,2 0,9923 0,0062 0,0015 0,742 0,192 0,066

Во второй главе проведен анализ основных подходов к компенсации температурных помех в системах геодинамического контроля, предложен и обоснован метод компенсации и коррекции влияния температурных помех, отличающийся совместным применением аппаратной и пространственной геодинамической температурной компенсации, и позволяющий повысить точность регистрации пространственно-временных параметров геоэлектрических сигналов.

На основе предложенного метода обоснован и разработан принцип температурной коррекции параметров линий при регистрации геоэлектрических сигналов. Блок-

Рис.2 Блок - схема устройства регистрации геоэлектрических сигналов Работа этого устройства основана на том, что измерительный преобразователь 1 с помощью линии передачи 3 и коммутаторов 2 и 5 подключен к устройству регистрации 7 через последовательно соединенное управляемое сопротивление 4. Для проведения температурной коррекции линия 3 через управляемое сопротивление 4 с помощью коммутаторов 2 и 5 подключается к эталонному сопротивлению Яэ. Если к моменту тестового контроля сопротивление линии 3 изменится, то изменится и значение тока, создаваемого источником номинального напряжения 8. В соответствии с этим на выходе датчика тока 9 появится сигнал, пропорциональный изменению сопротивления линии, который используется для корректировки значения управляемого сопротивления 4 сигналом с выхода устройства управления 6.

Использование устройств работающих по данному принципу позволяет аппа-ратно скомпенсировать влияние температурных помех на результаты измерения па-

раметров геоэлектрических сигналов при организации контроля геодинамических объектов.

При организации телеметрических систем пространственной регистрации геоэлектрических сигналов возникает необходимость динамически изменять количество подключаемых измерительных преобразователей для адаптации системы под конкретные условия измерений и контроля исследуемого объекта. Сложность реализации состоит в том, что в случае размещения датчиков многоканальной телеметрической системы в различных температурных условиях и на различном расстоянии влияние температурной помехи на отдельные линии связи будет неодинаковым. Это приводит к тому, что неравномерное влияние температурной помехи на линиях связи не позволяет с необходимой точностью провести эквипотенциальное позиционирование и соответственно провести регистрацию геоэлектрических сигналов при контроле.

Взяв за основу принцип работы устройства показанного на рис.2 для решения данной задачи разработано многоканальное телеметрическое устройство для регистрации геоэлектрических сигналов (рис. 3).

Рис. 3 Блок — схема многоканального устройства регистрации геоэлектрнческих сигналов В данном устройстве отдельные линии связи группируются в различные температурные группы по уровню температурных помех действующих на них. Выбор температурной группы осуществляется измерительным прибором 5 через блок управления 4 с помощью коммутатора температурных групп 6 Выбор контролируемой 1 - ой линии осуществляется измерительным прибором 5 с помощью блока управления 4. В момент проведения измерения сигнала на линии 31 осуществляется подсоединение измерительного преобразователя П к измерительному устройству через линию 31 согласно управляющему воздействию с блока управления 4. Оставшиеся линии передач при этом замкнуты на землю с помощью коммутаторов 21,...,2„, и сопротивления этих линий соединяются параллельно. Коэффициент деления образованный сопротивлениями линий не зависит от изменений температуры и может быть определен при

начальной установке системы. Допустимые значения коэффициента деления и сопротивление определены для каждой линии с учетом режима работы температурной группы линий и записаны в устройстве регистрации 5. В случае, когда коэффициент деления делителя выйдет за допустимое значение или при отсутствии сигнала измерительное устройство зафиксирует факт обрыва линии. Таким образом, применение данного устройства уменьшает влияние температурной помехи на линии связи при регистрации геоэлектрических сигналов, передаваемые через проводные линии. Также оно позволяет адаптировать количество подключаемых измерительных преобразователей под конкретные условия измерений и контроля над геодинамическим объектом.

В третьей главе определена параметрическая структура температурных помех и предложена базовая модель, учитывающая влияние температуры на результаты геодинамического контроля. Обоснован принцип регрессионной обработки регистрируемых данных на основе применения разработанной базовой геоэлектрической модели.

Для определения структуры температурных помех рассмотрен случай влияния температуры на результат регистрации поля точечного источника вблизи плоской границы двух сред.

Показано, что различие в электрических параметрах двух сред описывается коэффициентом контрастности и зависит от температуры:

К{р, Т) = р2 (Г) + р, (Т) + P(TiP2 (Т) + т2р, (Т)), (2)

где р - оператор Лапласа; pi(T), pi(T) - электрические параметры сред; т/, т2 - постоянные времени.

На основании проведенного анализа определено, что Т, и Г2 практически не зависят от температуры. Соответственно для полных удельных сопротивлений операторное выражение температурной зависимости имеет вид:

Р1(Р,Т) = ^1, РЛРЛ^1. (3)

1 + ртх 1 + рт2

Определено влияние коэффициента контрастности на поляризационную структуру поля и проведена оценка влияния температурных помех с помощью использования модели несовершенного диэлектрика. Рассмотрены варианты расположения источников с одной стороны раздела и по разные стороны раздела, особо выделен вариант произвольного расположения источников к разделу двух сред (рис.4).

По результатам математического моделирования было выявлено, что поляризационная структура поля точечного источника в присутствии раздела сред имеет четко выраженную температурную зависимость:

£-1 _ 'Pi t х K(x-2dcosy), ■, _ /р,, у К(у - 2dsm\jf)

—?——?—(4)

где г = ^(2d cosy - xf + (2d smy - у)2 .

Коэффициенты, определяющие положение раздела по отношению к выбранной системе координат определяются как функциональные зависимости геодинамических параметров раздела сред:

I.

'•V

* А, +а2Р

'2, ¿Д +Ь2ру1 ' параметры раздела сред,

(5)

а1,а2,Ь1,Ь2 -

Рис. 4 Расчетная схема для определения структуры температурных геодинамических помех

ьА^ъф,.

где рх^р ,рх,ру- геодинамичесь пространственные параметры электроустановки.

Доказано, что полученные соотношения позволяют однозначно осуществлять геодинамический контроль за разделом двух сред. Однако применение описанной процедуры возможно только после применения регрессионной температурной коррекции геодинамических данных.

Обоснован принцип регрессионной обработки временных рядов в телеметрической системе геоэлектрического контроля с температурной коррекцией полученных результатов на основании данных измерений температуры в среде. Он основан на том, что общее время регистрации коэффициента передачи среды разбивается условно на N геодинамически стабильных интервалов (т.е геодинамическое изменение коэффициента передачи стационарно и равно АН ¡(со)). В результате

имеем линейное регрессионное соотношение, объединяющее интервалы времени, и позволяющее выделить геодинамический тренд, которое имеет следующий вид:

Н(ш, Г) = Н (а,Г0) + атГ + Д#, (си) (6)

где / -интервал измерений, яг-температурный коэффициент.

Для каждого интервала времени геодинамика среды полностью определяется вариациями коэффициента передачи:

Д, = Я(й>,Г0) + ДЯ,(ш) (7)

Регрессионное соотношение формируется исходя из целевой функции:

¿(Я,(«,Г)-аг7-.-Д,.)2, (8)

где N -количество интервалов контроля геодинамического процесса; М - количество точек измерений в интервале контроля. Минимизация соотношения (8) приводит к системе из N+1 уравнений:

V Л/ Л' ,4 N И

.»I м ы У-1 ¡=1 ^

аг£7;.+д,м = |х, (< = 1,.^)

/=1 у=1

В соответствии с (9) геодинамический тренд с учетом температурной коррекции:

А, = Н„

Е2ВД

1-1 У=1

-тм)

1=1 У-1

Iй _ 1 А/

77£я.;> г<< =

Л/

(Ю)

Применение рассмотренных выше регрессионных соотношений (6-10) на основе регистрации температуры в среде, позволило уменьшить температурную помеху на 12,4 дБ на суточной частоте по результатам спектральной оценки экспериментальных данных.

В четвертой главе проведено исследование методов повышения геодинамической чувствительности в системе геоэлектрического контроля, за счет динамического позиционирования многополюсных электроустановок в условиях действия температурной помехи.

Обосновано, что повышение чувствительности геодинамического контроля исследуемого объекта производится за счет управления параметрами зондирующих сигналов при одновременной регистрации фазовых характеристик поля и компенсации текущего температурного тренда геоэлектрических сигналов в точках наблюдения. Возможность балансировки результирующего поля в точке наблюдения, позволяет компенсировать действие температуры при долговременных наблюдениях. Балансировку проводят начальным размещением точек зондирования и за счет управления зондирующими сигналами с целью задания амплитудно-фазовых соотношений между этими сигналами. Это позволяет уменьшить влияние искажений мультипликативного типа (температурных помех) на фазовые характеристики регистрируемого поля и обеспечить более высокую чувствительность системы к геодинамическим изменениям объекта.

Предложен подход компенсационного управления и разработаны устройства фазового формирования зондирующими сигналами в многополюсных электроустановках. Они базируются на принципе использования одного опорного эталонного сигнала с фазовым управлением для формирования зондирующих сигналов всех полюсов установки, что значительно упрощает систему и алгоритм ее управления. В этом случае принцип работы устройства управления параметрами зондирующего сигнала основан на формировании выходного сигнала путем суммирования двух различающихся по фазе сигналов с одинаковой амплитудой (рис.5).

Сигнал с задающего генератора £sin(fttf) поступает на два устройства управления фазой, в которых происходит изменение фазы по законам:

<pl=<p + axccos^^ <fl =<р- arceos ■ (И)

Таким образом, на выходе сумматора формируется сигнал с заданной амплитудой U и фазой <р. Физическая реализуемость управления параметрами сигнала сохраняется только при условии U <2Е.

Сложность реализации предложенного на рис. 5 метода фазового управления параметрами зондирующих сигналов состоит в том, что большинство схем устройств управления фазой колебаний чувствительно к изменениям частоты. Это ограничивает возможности применения подобных схем и предполагает наличие частотной коррекции фазового сдвига. Подобные меры усложняют структуру системы сбора и схему управления фазой колебаний, а так же требуют дополнительных затрат аппаратных ресурсов на частотную коррекцию.

Зондирующий сигнал E2=Esin(ü)í+füi)

Ei=Esin(ü>í+pj)

' Опорный сигнал

Рис.5 Принцип фазового формирования зондирующего сигнала

Предложен принцип управления фазой колебаний, реализующий фазовое управление инвариантное к изменению частоты входного сигнала, и позволяющий с высокой точностью управлять фазой источника зондирующего сигнала. Структурная схема устройства управления фазой сигнала, разработанного в соответствии с предложенным принципом, приведена на рис. 6.

Вход

соэСф)

а 5ш со Ь

1 IX

1 2 8

51П(<

10

Выход а Нтр)

Рис. 6 Структурная схема устройства управления фазой сигнала При этом в блоке 8 происходит задержка сигнала. С помощью дифференциатора 4, интегратора 5, инвертора 6, умножителя 7 и устройства извлечения корня 9 формируется квадратурная составляющая сигнала той же частоты и амплитуды. В блоке 1 задается фаза <р, из которой с помощью косинусно-синусного преобразователя 11 формируются сигналы соз(<р) и Бт((р). При изменении величины амплитуд квадратурных составляющих сигналов путем их усиления в управляемых усилителях 2 и 3 в соз(<р) и раз соответственно, с последующим их суммированием в блоке 10, обеспечивается управление фазой сигнала.

Реализация устройства может быть выполнены как на аналоговых элементах, так и на базе микропроцессора, алгоритм функционирования которого реализует рассмотренную на рис.6 структуру. Кроме того, данное устройство можно использовать для подстройки (юстировки) фазы с целью устранения температурного тренда в системах геодинамического контроля.

Проведена оценка фазовых искажений в линиях регистрации геоэлектрических сигналов, которые необходимо учитывать при обработке данных регистрации геоэлектрических сигналов.

На основании проведенного анализа эквивалентной схемы определено выражение для коэффициента передачи линий:

IV (IV + 1) + 2(^ + 2)(1/<огэ)2

;1 т5(®) = -

IV

1Гсот,

г, (12)

2 (IV+ 1)1 +(1Г + 2)2(1/®ь)2 г (№ + \)г+(иг + 2)г(\1<ат3У

где ¿, - длина /- ой линии; тэ = /сд, - эквивалентная постоянная времени линии;

/=1 /

IV = в/,,/ - отношение проводимости измерительной линии к суммарной прово/ |=1,<*ЛГ

димости.

На рис.7 приведены зависимости модуля коэффициента измерительной линии (рис.7а) и фазовых смещений Ар (рис.7б) регистрируемого геоэлектрического сигнала от нормированной частоты <игэ. Из приведенных графиков видно, что применение компенсационных методов на основе использования управляемых сопротивлений, приводит к дополнительных фазовым искажениям, которые вызываются температурными вариациями проводимостей. В данном случае они являются неустранимыми и варьируются от долей до десятка градусов в зависимости от температурных изменений и выбранных частот зондирования.

1,0

0,5

И

Дер,град

IV-10 )

м-да N /

»-10 X

ютэ

!

»50 * Ьч7

>0 /| ч Т~ к

V к \

\\\

\\

2,5

7,5

10 О 2,5 5 7,5 10

а) 6)

Рис.7 Теоретические частотные характеристики эквивалентной схемы линии При использовании методов температурных компенсаций на основе делителей, образованных самими линиями регистрации геоэлектрических сигналов, фазовые искажения определяются операторным выражением коэффициента передачи измерительного тракта:

= ^--• (13)

КИ ' (IV+ 2) + 2Щ>тэ ( '

В данном случае параметр № в соотношении не зависит от температуры, а температурные вариации эквивалентной постоянной времени гэ приводят лишь к незначительным фазовым искажениям регистрируемых геоэлектрических сигналов.

В заключении сформулированы основные теоретические и практические результаты, полученные в ходе работы над диссертацией:

- в результате проведенного исследования выяснено, что наибольшее влияние на метрологические и информационные характеристики телеметрических систем геоэлектрического контроля приповерхностных неоднородностей оказывают коротко-периодные и суточные вариации температуры;

- на основании моделирования доказано, что при появлении температурной помехи сравнимой с уровнем полезного геоэлектрического сигнала резко снижает вероятность обнаружения кризисных геодинамических ситуаций при развитии суффози-онных процессов (с 0,99 до 0,65 - 0,74);

- предложен и обоснован метод компенсации и коррекции влияния температурных помех, а также на его основе разработаны устройства: компенсации влияния температуры на линии связи, многоканальное устройство пространственной регистрации геоэлектрических сигналов, позволяющие повысить точность регистрации пространственно-временных параметров геоэлектрических сигналов;

- применение устройства компенсации влияния температуры на линии связи дает возможность уменьшить температурную помеху до уровня, определяемого погрешностью эталонных и добавочных сопротивлений;

- разработана базовая геоэлектрическая модель, построенная на основе раздела двух сред, для описания моделей более сложных геодинамических объектов, учитывающая влияния температуры;

- обосновано применение регрессионной обработки временных рядов в телеметрической системе геоэлектрического контроля с температурной коррекцией полученных результатов, позволяющее уменьшить температурную помеху на 12,4 дБ на суточной частоте по результатам спектральной оценки экспериментальных данных;

- обоснованы принципы компенсационного управления и разработаны устройства фазового формирования зондирующими сигналами в многополюсных электроустановках, позволяющие увеличить геодинамическую чувствительность систем контроля до 10"3 (абсолютное значение 10см при базе 100 м) на глубинах до 5 м;

- проведена оценка фазовых искажений в линиях регистрации геоэлектрических сигналов и доказана их незначительность при применении разработанных устройств компенсации.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах перечня ВАК

1. Цаплев, А.В. Поляризационные характеристики электро-локационных сигналов и их анализ в системе геомониторинга [Текст]/ А.В Цаплев, O.P. Кузичкин // Радиотехника. -2006. -№11. - С. 86-90. (Личное участие 1,5 с.)

2. Кузичкин, O.P. Температурная коррекция результатов геомониторинговых исследований на основе параметрических моделей сред [Текст] / O.P. Кузичкин, А.В. Цаплев // Проектирование и технология электронных средств. 2007. №2. - С.39-43. (Личное участие 2 с.)

3. Кузичкин, O.P. Исследование влияния климатических помех в многоканальных устройствах измерения параметров геоэлектрических сигналов [Текст] / O.P. Кузичкин, А.В. Цаплев, А.Н. Камшилин И Радиотехника, 2008. - №9. - С. 42-44. (Личное участие 0,7 с.)

4. Кузичкин, O.P. Применение локальных первичных преобразователей электрического поля в системах мониторинга геодинамических объектов [Текст]/ O.P. Кузичкин, В.Т. Еременко, А.В. Цаплев // Приборы и системы. Управление, контроль и диагностика. - 2008. - № 9. - С. 50-54. (Личное участие 1,4 с.)

5. Цаплев, А. В. Алгоритм параметрической температурной коррекции результатов геоэлектрического зондирования [Текст] / А. В. Цаплев, O.P. Кузичкин // Вопросы радиоэлектроники, сер. ОТ, 2010, вып.1. -С.128-133. (Личноеучастие2 с.)

Публикации в рецензируемых журналах и сборниках международных и всероссийских конференциях

6. Цаплев, АВ. Фазовая подстройка параметров зондирующего сигнала д ля геоалектрической измерительной системы [Текст] / АВ. Цаплев // ХП Тупсшевские чтения: Международная молодежная научная конференция, Казань, Материалы конференщш. Том IV, Казань: Изд-во Казань. Гос.тех.ун-та, 2004.-С. 125.

7. Цаплев, АВ. Предварительная обработка данных распределенной системой геомониторинга карстовых зон [Текст] / АВ Цаплев, ОР. Кузичкин //Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций, 13-я Международная научно-техническая конференция. Материалы конференции, Рязань, - 2004. - С. 205-207. (Лтноеучастие 50%)

8. Цаплев, АЛ. Анализ фазовых изображений алеюрического поля при многополюсном элек-тропрофшшрованш (Текст] / АВ. Цаплев, ОР. Кузичкин, М.Н. Благов // Перспективные технологии и средства передачи информации: Материалы 6-ой международной научно-технической конференции / Владим. гос. университет, редкоп.: АГ.Самойлов (и др.), - Владимир: РОСТ, 2005. - С. 203-205. (Личное участие 30%)

9. Цаплев, А.В. Метод фазового управления зондирующими сигналами в телеметрической системе геомоншоринга [Текст] / АВ. Цаплев, ОР. Кузичкин // Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекомммуникаций: Материалы 14-й Международной н>ач.-тех. конфер. Рязань: Рязанская государственная радиотехническая академия, 2005. - С. 202 (Пгмюеучастш 4ЕР/4

Ю.Цаплев, А.В. Обеспечение стабильности характеристик измерительного тракта в алеюроло-кационной системе при геомогаггоринге [Текст] / Цаплев АВ, Кузичкин ОР. // Методы и устройства пе-

редачи и обработки информации: межвуз. сб. науч. тр. - Вып.8 / Под ред. ВВ. Ромашова - М.: «Радиотехника», 2007, - С. (Личноеучастие 40%)

11 .Кузичкин, ОР. Информационная система анализа пространственных спеюров при геоолек-трической локации карста [Текст] / ОР. Кузичкин, АЛ. Цаплев, И.С. Терентьев // Материалы 17-й международной конференции «СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь. Украина, 2007.-С. 277-278. (Личноеучастие ЗСР/о)

12.Цаплев, А.В. Фазовое управление многопотосной электралокационной установкой в геомо-ншоринговых измерительных системах (Текст] / А.В. Цаплев, ОР. Кузичкин // Методы и средства передачи и обработки информации. - Вып.9. - М: Изд-во Радиотехника, 2007. - С. 122-129. (Личноеучастие 3,5с.)

13 .Кузичкин, О.Р. Система векторной обработки данных при геомоншоринге [Текст] / ОР. Кузичкин, А.В Цаплев // Математическое и программное обеспечение вычислительных систем: Межвуз. Сб. науч. Тр. /Под ред. АН Пылькина-М.: Горячая линия-Телеком, 2007. -С. 44-49. (Литое участие 40%)

14.Кузичкин, ОР. Алгоришы геодинамической оценки пространственных вариаций приповерхностных неоднородаостей (Текст] / ОР. Кузичкин, АЛ. Цаплев // Современные проблемы радиоэлектроники. - Вып. 2. -Росгов-иа-Дону. Изд-во РГПУ, 2008. -С. 86-90. (Личноеучастие 40%)

15.Цаплев, А.В. Многоканальное устройство регистрации сигнала геоэлеюрическош поля (Текст] / АВ. Цаплев, ОР. Кузичкин // Современные проблемы радиоэлектроники. - Вып. 2 - Ростов-на-Дону: —Изд-во РГПУ, 2008. - С. 425 - 429(Личноеучастие 2 с.)

16-Кузичкин, ОР. Метода повышения стабильности измерительного тракта в многоканальных геоалекфических системах [Текст] / АВ. Цаплев, ОР. Кузичкин, МН Кулигин // Метода и устройства передачи и обработки информации: Межвуз. Сб. науч. Тр. - Вып. Ш Под ред ВВ. Ромашова, ВВ. Булкина. -М: «Радиотехника», 2008. - С. 123-128. (Личноеучастие 2,5 с.)

Патенты на полезные модели

17 Патент на полезную модель 54206 (РФ) G 01R17/02. Устройство для измерения параметров сигнала [Текст] / ОР. Кузичкин, АВ. Цаплев (РФ). -200610М88/22, заявл. 10.01.06.; опубл. 10.062006, Бюл. № 16. (Личноеучастие 50%)

18.Патент на полезную модель 55232 (РФ) Н 03 Н 11/04. Мюгодаапазонный активный фильтр (Текст] / ОР. Кузичкин, МЛ. Кулипш, АВ. Цаплев, МН Блашв (РФ). - 2006103635/22, заявл. 7.02.06.; оп>6л. 27.07.2006, Бюл. № 21. (Личноеучастие 25%)

19.Патентна полезную модель 56031 (РФ) G 06 G 7/18. Фазовый модулятор [Текст]/МП. Кулигин, ОР. Кузичкин, АВ. Цаплев (РФ). -2006108218/22, заявл. 15.03.06.; опубл. 27.08.2006, Бюл. № 24. (Личноеучастие 33%)

20Лагент 59349 (РФ) Н 03 Н11/00. Устройство дтя управления фазой колебаний [Текст] / ОР. Кузичкин, АВ. Цаплев (РФ). - 200612478622, заявл. 10.07.06.; оп>6л. 10.12.2006, Бюл. № 34. (Личное участие 50%)

21.Паггент на полезную модель 64384 (РФ) G 01R17/02. Устройство для измерения параметров сигнала [Текст] / ОР. Кузичкин, АВ. Цаплев (РФ). - 2007107642/22, заяви. 28.02.07.; опубл. 27.062007, Бюл. № 18. (Личноеучастие 50%)

22Латенг на полезную модель 67725 (РФ) G 01 R17/02 Многоканальное устройство для измерения параметров сигнала (Текст] / ОР. Кузичкин, АЛ. Цаплев (РФ). - 2007113336/22, заявл. 9.042007; огтубл. 27.102007, Бюл. № 30. (Личноеучастие 50%)

ФГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» Лицензия № 00670 от 05.01.2000 Подписано к печати 16.05.2011 года. Усл. печ.л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 138 302005, г. Орел, ул. Московская,65.

Введение

1. Анализ влияния температурных помех в системах геоэлектрического контроля

1.1 Геодинамика геологической среды и геоэлектрический контроль геодинамических процессов

1.2 Основы построения телеметрических информационно-измерительных систем геоэлектрического мониторинга

1.3 Помехообразующие факторы и температурное влияние при регистрации и обработке геоэлектрических сигналов

1.4 Структура температурных помех при геоэлектрическом контроле

1.5 Проблемы геоэлектрического контроля суффозионных процессов и геомеханической локальной оценки провалообразования

Выводы и постановка задач исследования

2. Метод компенсации температурных помех в каналах измерения и регистрации геоэлектрических сигналов

2.1. Основные принципы применения компенсационных методов

2.2. Регистрация геоэлектрических сигналов с температурной компенсацией

2.3. Устранение ошибок при температурной компенсации геоэлектрических сигналов

2.4. Реализация многоканальных устройств пространственной регистрации геоэлектрических сигналов 69 Выводы

3. Информационная обработка геоэлектрических сигналов с учетом влияния температурных геодинамических помех

3.1 Параметрическая геоэлектрическая модель среды при температурном воздействии

3.2 Структура электрического поля точечного источника при наличии плоской границы раздела сред

3.3 Геодинамический контроль с применением многополюсных электроустановок

3.3.1 Случай расположения источников с одной стороны раздела сред

3.3.2 Случай расположения источников по разные стороны раздела сред

3.4 Геодинамический контроль параметров раздела сред с произвольным расположением

3.4.1 Двухфазный источник при произвольной ориентации раздела

3.4.2 Определение геодинамических параметров контакта двух сред

3.5 Применение регрессионной обработки для устранения температурных геодинамических помех 94 Выводы

4. Управление электроустановкой и обеспечение стабильности формирования зондирующих сигналов

4.1 Компенсационное управление зондирующими сигналами в многополюсных электроустановках

4.2 Фазовое управление токами многополюсного источника зондирующих сигналов

4.3 Обеспечение частотной инвариантности фазового управления

4.4 Оценка фазовых искажений в линиях регистрации геоэлектрических сигналов 117 Выводы 119 Заключение 121 Литература

На современном этапе развития общества значительно возрос научный интерес к обеспечению безопасности жизнедеятельности людей и защиты окружающей среды от воздействия техногенных и природных опасных факторов. В последнее время существует тенденция- значительного увеличения размеров территорий, вновь вовлекаемых и используемых в промышленной и гражданской* деятельности человека. Как следствие этого, происходит активизация опасных природно-техногенных процессов, связанных с изменением техногенной нагрузки на геологическую среду. Данные процессы могут протекать как медленно, постепенно накапливая изменения, так и быстро, скачкообразно приводя природно-технические системы к катастрофам.

Многочисленные примеры экологических аварий и кризисных предаварийных ситуации, как на объектах жизнеобеспечения людей, так и в промышленных производственных зонах, возникающих вследствие постоянно растущей техногенной нагрузки на геологическую среду, служат убедительным доказательством серьезности- проблемы и необходимости усовершенствование систем геодинамического контроля.

Современные системы геодинамического контроля, построенные на базе геоэлектрических методов зондирования, обеспечивают высокоточное слежение за экзогенной геодинамикой среды и позволяют предопределить возможные критические ситуации. Основные теоретические, и методические положения организации геоэлектрического контроля подробно освещены в работах ученых: Жданова М.С., Уайта Д.Э., Хмелевского В.К., Шевнина В.А., Светова Б.С., Страхова В.Н., Бердичевского М.Н., Кузичкина O.P., Спичака В.В., Огильви A.A., Иванова А.П., Шаманина C.B. и др.

Подобные системы эффективны при проведении долговременного геомониторинга и для реализации функции геодинамического контроля, предназначенного для оперативной реакции на критичные геодинамические изменения объекта. Высокая эффективность достигается увеличением чувствительности измерительной системы за счет начальной установки, оперативной подстройки и управления источниками зондирующих сигналов. 4

Однако следует отметить, что повышение чувствительности приводит к возрастанию уровня помех, действующих на объект исследования и на саму измерительную систему. Как показал опыт эксплуатации геоэлектрических установок в системах геодинамического контроля основным помехообразующим фактором, ограничивающим возможности этих систем, является температурная помеха. На практике использования геоэлектрических систем контроля уровень температурных помех в некоторых случаях на порядок превосходит уровень полезного сигнала.

В этой связи, разработка новых методов и средств компенсации температурных помех в системах геоэлектрического контроля геодинамических объектов, позволит уменьшить их влияние на результаты проведения контроля. Решение данной проблемы является актуальным и позволит существенно повысить эффективность работы систем геоэлектрического контроля.

Объектом исследования в данной работе являются геоэлектрические системы геодинамического контроля, построенные на базе многополюсных электроустановок.

В качестве предмета исследования рассматриваются принципы компенсации и модели влияния температурных помех в телеметрических системах геоэлектрического контроля геологических сред.

Целью диссертационной работы является уменьшение влияния температурных помех на результаты геоэлектрического контроля и улучшение характеристик обнаружения кризисных геодинамических изменений приповерхностных неоднородностей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование влияния температуры на точность геодинамических оценок в системах геоэлектрического контроля геодинамики приповерхностных неоднородностей и построение модели температурных помех.

2. Анализ и обоснование метода компенсации температурных помех в телеметрической системе регистрации и обработки геоэлектрических сигналов.

3. Исследование и разработка устройств компенсации температурного влияния в измерительных каналах телеметрических систем геодинамического контроля на базе многополюсных электроустановок.

4. Обоснование принципа регрессионной обработки временных рядов в телеметрической системе геоэлектрического контроля с температурной коррекцией полученных результатов.

5. Исследование и разработка устройств динамического позиционирования многополюсных электроустановок для повышения геодинамической чувствительности в системах геоэлектрического контроля.

Методы исследования Для решения поставленных в диссертационной работе задач были использованы методы математической статистики, теории принятия решений, теории поля, вычислительной математики, регрессионного и спектрального анализа, математического и имитационного моделирования.

Научная новизна.

1. На основе проведенного исследования определено влияние температуры на точность геодинамических оценок в системах геоэлектрического контроля и построена модель температурных помех при регистрации геодинамики приповерхностных неоднородностей геоэлектрическими методами.

2. Предложен и обоснован метод компенсации влияния температурных помех при регистрации и обработке геоэлектрических сигналов, отличающийся совместным применением аппаратной и пространственной геодинамической температурной компенсации, позволяющий снизить влияния температурных вариаций на точность определения пространственно-временных геодинамических параметров.

3. Обоснован принцип регрессионной обработки регистрируемых данных на основе применения разработанной базовой геоэлектрической модели, учитывающей влияние температурных геодинамических помех.

4. Разработан принцип динамического позиционирования и компенсационного управления многополюсными электроустановками, отличающийся фазовым формированием зондирующих сигналов, позволяющий обеспечить частотную инвариантность и увеличить геодинамическую чувствительность систем контроля в условиях действия температурных помех.

Практическая ценность результатов заключается:

- разработанные и защищенные патентами устройства компенсации влияния температуры в измерительных каналах телеметрических систем геодинамического контроля на базе многополюсных электроустановок позволяют уменьшить температурные помехи в линиях связи телеметрических систем контроля геодинамических объектов;

- разработанные и защищенные патентами устройства формирования зондирующих сигналов и их фазового управления в многополюсной геоэлектрической установке, позволяют обеспечить оперативное позиционирование и изменение частоты зондирующего сигнала; применение разработанного метода и средств компенсации температурных помех при создании специализированных систем контроля приповерхностных экзогенных процессов, позволило увеличить геодинамическую чувствительность при контроле карстовых процессов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель влияния температурных помех в системах геоэлектрического контроля геодинамики приповерхностных неоднородностей.

2. Метод и устройства компенсации влияния температуры в измерительных каналах телеметрических систем геодинамического контроля, построенных на базе многополюсных электроустановок.

3. Принцип регрессионной обработки временных рядов в телеметрической системе геоэлектрического контроля с температурной коррекцией полученных результатов, основанный на регистрации температуры в среде и на использовании базовой геоэлектрической модели, учитывающей влияния температуры.

4. Фазовый принцип управления токами зондирующих сигналов много-полюсной электроустановки и устройства обеспечения частотной инвариантности в системе геоэлектрического контроля.

Реализация и апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях и опубликованы в материалах и трудах: на международной молодежной научной конференции «XII Туполевские чтения» (г. Казань, 2004г.); в материалах 6-й международной научно-технической конференции «Перспективные технологии в средствах передачи информации» (г. Владимир, 2005); на 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2004 - 2005 гг.); на 17-й международной конференции «СВЧ - техника и телекоммуникационные технологии», (Севастополь, Украина, 2007); на 2-й международной научной конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Ростов-на-Дону, 2008г.).

Результаты диссертационной работы внедрены:

- при организации геодинамического контроля карстовых процессов в Нижегородской области с ЗАО «Противокарстовая защита» г. Дзержинск Нижегородской обл.;

- в учебный процесс по специальностям «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», «Приборы и методы контроля качества и диагностики», «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» в Муромском институте (филиале) «Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»;

- при создании экспериментальной электроустановки геодинамического контроля по гранту РФФИ «Разработка системы геомониторинга для обеспечения безопасности эксплуатации промышленных объектов на закарстованных территориях с использованием геоинформационных технологий».

Диссертационные исследования выполнялись в рамках:

ГБ НИР МИ ВлГУ № 376/01 «Анализ и синтез электронных систем с применением компьютерных технологий» (Инв.№ 02.2007.03232, № гос.рег. 01.200.108484); Грант РФФИ по поддержки молодых ученых «Исследование механо-электрических явлений в горных породах» (№ 600052/99), Грант РФФИ «Разработка системы геомониторинга для обеспечения безопасности эксплуатации промышленных объектов на закарстованных территориях с использованием геоинформационных технологий» (№ 08-07-99032).

Публикации по теме диссертации.

По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, в том числе 5 печатных работ в журналах рекомендованных ВАК РФ, и получено 6 патентов на полезную модель.

В первой главе проведено исследование влияния температурных помех на метрологические и информационные характеристики телеметрических систем геоэлектрического контроля приповерхностных неоднородностей и на точность получения геодинамических оценок.

На основе проведенного анализа выявлено влияние температурных помех на метрологическую точность систем долговременного геодинамического контроля геологической среды с использованием многополюсных электроустановок.

На примере геодинамики развития карстовой полости показано, что уже при появлении температурной помехи сравнимой с уровнем полезного геоэлектрического сигнала снижается вероятность обнаружения кризисных геодинамических ситуаций при развитии суффозионных процессов. Это снижает эффективность формирования прогнозных оценок при суффозионном развитии карста, даже при использовании многополюсных электроустановок в системах геоэлектрического контроля.

Во второй главе проведен анализ основных подходов к компенсации температурных помех в системах геодинамического контроля, предложен и обоснован метод компенсации и коррекции влияния температурных помех, отличающийся совместным применением аппаратной и пространственной геодинамической температурной компенсации, и позволяющий повысить точность регистрации пространственно-временных параметров геоэлектрических сигналов.

В третьей главе определена параметрическая структура температурных помех и предложена базовая геоэлектрическая модель, учитывающая влияние температуры на результаты геодинамического контроля. Определено влияние коэффициента контрастности на поляризационную структуру поля и проведена оценка влияния температурных помех с помощью использования модели несовершенного диэлектрика.

Обоснован принцип регрессионной обработки временных рядов в телеметрической системе геоэлектрического контроля с температурной коррекцией полученных результатов, на основе применения разработанной базовой геоэлектрической модели.

Рассмотрено несколько случаев проведения геодинамического контроля с применением многополюсных установок.

В четвертой главе проведено исследование методов повышения геодинамической чувствительности в системе геоэлектрического контроля, за счет динамического позиционирования многополюсных электроустановок в условиях действия температурной помехи.

Обосновано, что геодинамический контроль исследуемого объекта производится за счет управления параметрами зондирующих сигналов при одновременной регистрации фазовых характеристик поля и компенсации текущего температурного тренда геоэлектрических сигналов в точках наблюдения.

Предложены и обоснованы принципы компенсационного управления и разработаны устройства фазового формирования зондирующими сигналами в многополюсных электроустановках, позволяющие увеличить геодинамическую чувствительность систем контроля. Предложена структурная схема устройства для обеспечения частотной инвариантности фазового управления сигналом, позволяющая оперативно менять количество полюсов источников и частоту сигнала.

В заключении сформулированы основные теоретические и практические результаты, полученные в ходе работы над диссертацией.

Выводы

Влияние температурных помех при проведении геоэлектрического мониторинга выражается в наличии шумовой составляющей в регистрируемых геоэлектрических сигналах, определяемой периодическими температурными изменениями параметров среды и структуры объекта, а также в виде искажений сигнала, вызванных температурными вариациями передаточной функции линий передач сигналов.

При оценке геодинамических изменений объекта исследования периодическая температурная помеха может быть устранена за счет применения алгоритмов регрессионной обработки, рассмотренных в настоящей работе, с последующей температурной коррекцией и модельной интерпретацией.

Проведенный анализ компенсационных методов при организации многоканальных систем регистрации геоэлектрических сигналов показывает, что в целом применяемые методы позволяют уменьшить температурные вариации сопротивлений линий, однако возникающие при этом фазовые искажения устраняются только при применении естественных делителей, образованных самими линиями.

Использование многополюсных электроустановок для организации систем геодинамического контроля позволяет уменьшить влияние синфазных температурных помех за счет регулярной подстройки параметров зондирующих сигналов и изменять фазы источников в соответствии с выбранным режимом работы. При этом применение принципа компенсационного управления и разработанных устройств фазового формирования зондирующими сигналами в многополюсных электроустановках, позволяют увеличить геодинамическую чувствительность систем контроля до 10" (абсолютное значение 10см при базе 100 м) на глубинах до 5 м.

Заключение

В процессе решения рассмотренных в диссертации задач, связанных с разработкой методов и устройств устранения температурных помех в телеметрических системах регистрации и обработки геоэлектрических сигналов, получены следующие научные и практические результаты:

- в результате проведенного исследования выяснено, что наибольшее влияние на метрологические и информационные характеристики телеметрических систем геоэлектрического контроля приповерхностных неоднородностей оказывают короткопериодные и суточные вариации температуры;

- на основании моделирования доказано, что при появлении температурной помехи сравнимой с уровнем полезного геоэлектрического сигнала снижается вероятность обнаружения кризисных геодинамических ситуаций при развитии суффозионных процессов (с 0.99 до 0.65 - 0.74).

- предложен и обоснован метод компенсации и коррекции влияния температурных помех, а также на его основе разработаны устройства: компенсации влияния температуры на линии связи, многоканальное устройство пространственной регистрации геоэлектрических сигналов, позволяющие повысить точность регистрации пространственно-временных параметров геоэлектрических сигналов;

- применение устройства компенсации влияния температуры на линии связи дает возможность уменьшить температурную помеху до уровня, определяемого погрешностью эталонных и добавочных сопротивлений;

- разработана базовая геоэлектрическая модель, построенная на основе раздела двух сред, для описания моделей более сложных геодинамических объектов, учитывающая влияния температуры;

- обосновано применение регрессионной обработки временных рядов в телеметрической системе геоэлектрического контроля с температурной коррекцией полученных результатов, позволяющее уменьшить температурную помеху на 12,4 дБ на суточной частоте по результатам спектральной оценки экспериментальных данных;

- обоснованы принципы компенсационного управления и разработаны устройства фазового формирования зондирующими сигналами в многополюсных электроустановках, позволяющие увеличить о геодинамическую чувствительность систем контроля до 10" (абсолютное значение 10см при базе 100 м) на глубинах до 5 м; проведена оценка фазовых искажений в линиях регистрации геоэлектрических сигналов и доказана их незначительность при применении разработанных устройств компенсации.

1. Садовский М.А., Болховитинов Л.Г., Писаренко В.Ф. Деформирование геофизической среды и сейсмический процесс. -М.: Наука, 1987.

2. Королев В.А. Мониторинг геологической среды. М.: Изд-во МГУ, 1995.

3. Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов.-М.-.ГЕОС, 2003.-216 с.

4. Вовк А.А.,Замышляев Б.В., Евтерев JLC. и др. Поведение грунтов под действием импульсных нагрузок. Киев: Наукова думка, 1984. 286с.

5. Мойсейчик Е.К. Динамические характеристики талых грунтов как функция их физического состояния //Основания и фундаменты на мерзлых грунтах. Чита: Политехи, ин-т, 1985. С. 79-85.

6. Николаевский В.Н. Современные проблемы механики грунтов// Определяющие законы механики грунтов. М.:1975. с210-229.

7. Рац М.В., Чернышев С.Н. Трещиноватость и свойства трещиноватых горных пород. М.: Недра, 1970. 160с.

8. Гуревич Г.И. Деформируемость сред и распространение сейсмических волн. М.: Наука, 1974. 483с.

9. Кропоткин П.Н., Ефремов В.Н., Макеев В.М. Напряженное состояние земной коры и геодинамика // Геотектоника. 1987. №1. С. 3-24.

10. Израэль Ю.А. Геофизические аспекты и мониторинг // Вест. АН СССР. 1988. №11. С.31-35.

11. Николаев A.B. Нелинейная геодинамика. М.: Наука, 1994.

12. Бобровников Л.З., Кадыров И.Н., Попов В.А., Электроразведочная аппаратура и оборудование. М., Недра, 1979.

13. Справочник физических констант горных пород / Под ред. С. Кларка. М.: Мир, 1969. 541 с.

14. Якубовский Ю.В., Ляхов Л.Л. Электроразведка. -М.: Недра, 1974.

15. Якубовский Ю.В., Ренард И.В. Электроразведка: учебник для ВУЗов. -М.: Недра, 1991.

16. Огильви A.A. Геофизические методы исследований. М: Изд-во МГУ, 1962.

17. Электроразведка методом сопротивлений / Под ред. В.К. Хмелевского и В.А. Шевнина: Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ, 1994.

18. Электрическое зондирование природной среды. 4.1/ под ред. В.К. Хмелевского и В.А. Шевнина. Изд-во МГУ, 1988, 176 с.

19. Электрическое зондирование природной среды. 4.2/ под ред. В.К. Хмелевского и В.А. Шевнина. Изд-во МГУ, 1992, 200 с.

20. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. Изд. "Советское радио", М., 1966-678 с

21. A.c. СССР №1048439, кл. G 01 V 3/02 Способ измерения временных вариаций удельного сопротивления Земли./ Камшилин А.Н., Волкова E.H. Опубликован 15.10.83 Бюл. №38.

22. Бондарик Г.К., Ярг JI.A. Природно-технические системы и их мониторинг// Инженерная геология, 1990. №5. С. 3-9.

23. Кузичкин O.P. Оценка и коррекция фазовых искажений при пространственной регистрации сигналов геомагнитных пульсаций // Радиотехника. 2006. №11.- С. 94-98.

24. Цаплев A.B., Благов М.Н. Анализ фазовых искажений эллиптического поляризованного электрического поля // 31- ые Гагаринские чтения, Международная молодежная научная конференция. Тезисы докладов, Апрель 2005г. г.Москва изд."МАТИ", том 8,

25. Губатенко В.П., Огаджанов В.А., Назаров A.A. Мониторинг динамики разуплотнения горных пород методами электроразведки/. / Физика Земли. 2000. №9. С.103-109

26. Stenger F. Numerical Methods Based on Whittaker Cardinal or Sine, Functions.//SIAM REV. 1981. V.23.- P. 165-224

27. Попов И.В., Бондарик Г.К., Розовский Л.Б. Задачи и методы долгосрочного прогноза инженерно-геологических условий // Рациональное использование земной коры. М.: Недра, 1974. с.51-60.

28. Griffiths, D.H., Barker, R.D., 1993. Two-dimensional resistivity imaging and modelling in areas of complex geology. J. Appl. Geophysics 29, 211-226.

29. Бобачев A.A., Модин И.Н., Перваго E.B., Шевнин В.А. Многоэлектродные электрические зондирования в условиях горизонтально-неоднородных сред. М., 1996, 50 с. // Разведочная геофизика. Обзор. АОЗТ "Геоинформмарк". Выпуск 2.

30. Dahlin, Т., 2001. The development of DC resistivity imaging techniques. Computers & Geosciences 27, 1019-1029.

31. Каменецкий Ф.М., Кауфман A.A., Якубовский Ю.В. О выборе оптимальной частоты при индуктивных методах электроразведки. Изв. АН СССР, серия геофизическая, №2. М., изд. АН СССР,1957, с.200-210.

32. Астраханцев Г.В., Улитин Р.В., Комплексная электропроводность горных пород на звуковых частотах и способы ее изучения в полевых условиях. В кн.: Электрометрия при поисках сульфидных месторождений. Свердловск, изд. УНЦ АН СССР, 1968, с.41-47.

33. Вешев A.B. Электропрофилирование на постоянном и переменном токе". М., "Недра", 1965 478 с.

34. Электроразведка. Справочник геофизика. М., Недра, 1980-516 с.

35. Каменецкий Ф.М., Кауфман A.A., Якубовский Ю.В. Об индуктивных методах рудной электроразведки. Тр. МГРИ, том 36, Разведочная геофизика. М., изд. МГРИ, 1959, с.32-46.

36. Якубовский Ю.В. Индуктивный метод электроразведки. М., Гос-геолтехиздат, 1963 211 с.

37. Безрук И.А., Ключкин В.Н., Куликов A.B. Результаты полевого опробования метода ИНФАЗ на месторождениях Южного Урала. Бюлл. научн.-техн. информации. Сер.: Регион, и развед.геофизика. ОНТИ ВИЭМС, вып.69, 1965.

38. Светов Б.С. Опыт применения индуктивного метода разведки. Разведка и охрана недр, № 7, I960.

39. Светов Б.С. Теория, методика и интерпретация материалов низкочастотной индуктивной электроразведки. М., "Недра", 1973 -254 с.

40. Орлов Г.В., Сарбаш В.Ф., Лемец В.И. Возможности использования полей электрических промышленных помех в горнорудных районах Казахстана для геологического картирования. Сб. "Разведочная геофизика СССР на рубеже 70-х годов". Недра, с.216-221.

41. Исследование влияния климатических помех в многоканальных устройствах измерения параметров геоэлектрических сигналов Кузичкин O.P., Цаплев A.B., Камшилин А.Н., Радиотехника 2008 - №9 - с. 129

42. Бердичевский М.Н., Жданов М.С. Интерпретация аномалий ЭМ поля Земли. М. : Недра, 1981.

43. Боголюбова Н.П. Геоэлектрические модели карста и типичные аномалии электропрофилирования и вертикальных электрических зондиро-ваний над ними. М.: Наука. 1987.

44. Цаплев A.B., Маслова О.В. Спектральные геоэлектрические модели элементарных карстовых форм. // 32- ые Гагаринские чтения, Научные труды международной молодежной научной конференции в 8 томах. Москва, 4-8 апреля 2006г. -М.:МАТИ,2006 - Т.4.

45. Шаманин C.B. О математической модели локального описания поля геомагнитных пульсаций и разложении на парциальные волны. /Автореферат дисс. канд. физ.- мат. наук. М.: Изд-во ИФЗ РАН. 1977.

46. Моргунов В.А., Четаев Д.Н., Шаманин C.B. О математической модели естественного электромагнитного поля для геофизических исследований строения земной коры. //Проблемы математической физики и вычислительной математики. М.: Наука. 1977. - С. 225-238.

47. Кузичкин O.P., Цаплев A.B., Благов М.Н. Интерпретация фазовых искажений структуры поля при многополюсном электропрофилировании

48. Методы и средства измерений физических величин. Материалы Х-ой заочной Всероссийской НТК. Н. Новгород: 2004. - С. 38.

49. Кузичкин О.Р. Фазовые характеристики электрического поля при многополюсном электропрофилировании. //Методы и средства передачи и обработки информации. Вып.2. СПб.: Гидрометеоиздат. 2002. - С.27-31.

50. Кузичкин О.Р., Кулигин М.Н., Калинкина Н.Е. Выделение элементарных геоэлектрических неоднородностей спектральным методом. //Радиотехника, электроника, информатика. Вып.З. Муром: Изд-во МИ ВлГУ. 2004,-С. 18-20.

51. Огильви А.А. Геоэлектрические методы изучения карста / Под редакцией А.И. Заборовского. -М.: Из-во Московского университета, 1956.

52. Хмелевской В.К. Электроразведка. М.: Изд-во МГУ. 1984.

53. Электроразведка методом сопротивлений./Под ред. В.К. Хмелевского: Учебное пособие. М.: Из-во МГУ, 1994.

54. Хмелевской В.К. Краткий курс разведочной геофизики. М.: Изд-во МГУ.

55. Геофизические методы исследования //авт. Хмелевской В.К., Попов М.Г., Калинин А.В., Горбачев Ю.И., Шевнин В.А., Фадеев В.Е.// Под редакцией В.К. Хмелевского. М.: «Недра». 1988.

56. Kuzichkin O.R., Kamshilin A.N. Method of data processing for geoelectric monitoring. / 4-th International Workshop on Magnetic, Electric and Electromagnetic Methods in Seismology and Volcanology / Nice., France 2004.

57. Справочник по физике для студентов вузов и инженеров // А. А. Детлаф, Б. М. Яворский 1969г. 940 стр. с илл.

58. Ильин В. А. Телеконтроль и телеуправление. Учебн. пособие для вузов. М., «Энергия», 1969. 344 с. с илл.

59. Климат СССР. Статистические параметры климатических факторов для технических целей. ГОСТ 16350-80.-Введен 01-07-1981. -М.: Изд-во стандартов, 1981. -78с., -ил.

60. Гроднев И.И.,Фролов П.А., Коаксиальные кабели связи,М.: Связь, 1970.311с.

61. Электрические кабели, провода и шнуры: Справочник / Н.И. Белорусов, А.Е. Саакян, А.И. Яковлева; Под ред. Н.И. Белорусова -М. Энергоатомиздат 1988. -536 с,

62. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами:Учеб. пособие для вузов. — М.: Высш. школа, 1980. -152 е., ил.

63. Кузичкин О.Р., Цаплев A.B. Температурная коррекция результатов геомониторинговых исследований на основе параметрических моделей сред. // Проектирование и технология электронных средств. 2007. №2. С.39-43.

64. Цаплев A.B., Кузичкин О.Р., Камшилин А.Н. Исследование влияния климатических помех в многоканальных устройствах измерения параметров геоэлектрических сигналов. // Радиотехника. 2008. №9. С. 38-41.

65. Корндорф С.Ф., БернштейнА.С., Ярославский М.И. Радиотехнические измерения: М.: Госэнергоиздат, 1956г.

66. Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин И.Г. Электрорадиоизмерения: Учеб. пособие для радиотехнич. спец. вузов/Под ред. В.И.Винокурова. М.: Высш шк., 1986. - 351 с.:ил.

67. Борис Я.В., Кац Б.М., Кюздени O.A. Устранение влияния реактивности линии связи в мостовых схемах контроля температуры. В кн.: Вопросы теории электрических цепей для преобразования измерительной информации. Киев, «Наукова думка», 1967.

68. Беленький Я.Е., Кац Б.М. Многоточечные бесконтактные сигнализаторы температуры. М., «Энергия», 1974. 120с. с ил.

69. Кац Б.М. Мостовые методы измерений. Киев, Гостехиздат УССР, 1953.

70. Карандеев К.Б. Мостовые методы измерений. Киев, Гостехиздат УССР,1953.

71. Карандеев К.Б. и др. Электрические методы автоматического контроля. М., «Энергия», 1965.

72. Кольцов А. А. Карабанов Д.Н. Влияние изменения сопротивления линии связи на показания электронных автоматических мостов. -«Измерительная техника», 1966, №1.

73. Соболевский K.M., Шакола Ю.А. Защита мостов переменного тока. Киев, Изд-во АН УССР, 1957.

74. Дворяшин Б.В. Основы метрологии и радиоизмерения. М.: Радио и связь, 1993.

75. Патент РФ № 2254580 С1, МПК в 01 Я 17/02, Опубликован 20.06.2005 Бюл.№17.

76. Устройство для измерения параметров сигнала: пат. 54206, Рос. Федерация: Кузичкин О.Р., Цаплев А.В.: заявитель и патентообладатель. -№2006100488: заяв. 10.01.2006.

77. Хоменко В.П., Махонько Е.П., Исаев Е.И. и др Установка для исследования суффозионной устойчивости грунтов: пат РФ №1823923 АЗ, Кл вОШ 15/08. заявл. 26.06.1991. Опубл. 23.06.1993, Бюл. №23. 5с.

78. Хоменко В.П. Закономерности и прогноз суффозионных процессов. М.: ГЕОС, 2003,216с.

79. Хоменко В.П Логическая схема последовательно развивающихся геологических процессов // Анализ и оценка природных рисков в строительстве. Материалы международ, конф. М., 1997. С. 62-64.

80. Кузичкин О.Р., Камшилин А.Н., Калинкина Н.Е. Организация системы геоэлектрического мониторинга карста на основе эквипотенциальных электроразведочных методов // Приборы и системы. Управление, контроль и диагностика. 2007. №12. С.48-53.

81. Хоменко В.П Моделирование опасных геологических процессов для целей промышленного и гражданского строительства// Пром. и гражд стр-во. 1999 № 8 С. 25-27.

82. Хоменко В.П. Геомеханическая модель провалообразования в необводненных песчаных грунтах // Комплексные инженерно-геологические исследования для промышленного и гражданского строительства. М.: Наука, 1984. С 69-74.

83. Хоменко В.П. Суффозионные свойства водонасыщенных песков вблизи зоны карстово-суффозионных провалов // Реф. сб. Инж. изыскания в стр-ве. Сер. 2. 1976. Вып. 11 (52). С. 15-22.

84. Устройство для измерения параметров сигнала: пат. 64384, Рос. Федерация: Кузичкин O.P., Цаплев A.B.: заявитель и патентообладатель. -№2007107642/22: заяв. 28.02.2007.

85. Многоканальное устройство для измерения параметров сигналов Патент на полезную модель №67725, (заявка №2007113336/22: заявл.09.04.2007) опубликовано 27.10.2007 Бюл. №30

86. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. -М.: Наука, 1965.

87. Золотарев В.П., Богатырев Е.Ф. Радиолокационное подповерхностное зондирование уровня грунтовых вод. // Теория и техника радиолока-ции, радионавигации и радиосвязи. Рига: Изд-во РКИИГА. 1980. С. 33-36.

88. Электроразведка. Справочник геофизика. М., Недра, 1980-516 с.

89. Черняк Г.Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии. М.: Недра. 1987. - 213 с.

90. Жданов М.С. Электроразведка: Учебник для вузов. М.: Недра, 1986.

91. Кузичкин O.P., Калинкина Н.Е., Кулигин М.Н. Тензорная модель взаимодействия электромагнитной и сейсмоакустической волн. В сб. « Радиотехника, электроника, информатика», Вып.1, Муром, 2002, с21-22.

92. Боголюбова Н.П. Геоэлектрические модели карста и типичные аномалии электропрофилирования и вертикальных электрическихзондирований над ними. М.: Наука, 1987130

93. Сидоров В. А. Об электрической поляризации несовершенных диэлектриков. В сб. Вопросы поляризации горных пород.Под ред. A.A. Молчанова, В.А. Сидорова. М.: ВНИИГИС, 1985.

94. Бреднев И.И., Сысков С.С. Поле точечного источника тока в присутствии ани-зотропной вертикально-слоистой среды, перекрытой слоем изотропных образований // Геофизические методы поисков и разведки. Свердловск, 1976. Вып.З. С.26-34.

95. Кузичкин O.P., Цаплев A.B. Поляризационные характеристики электролокационных сигналов и их анализ в системе геомониторинга // Радиотехника. 2006. №11- С. 86-90

96. Сидоров В.А. Об электрической поляризации несовершенных диэлектриков. В сб. «Вопросы поляризации горных пород». / Под ред. A.A. Молчанова, В.А. Сидорова. -М.: ВНИИГИС, 1985.

97. Кузичкин O.P., Кулигин М.Н., Калинкина Н.Е. Стационарная модель нижнего полупространства при геоэлектрическом мониторинге. В сб. «Научные труды муромских ученых». 4.2. Владимир, 2001.

98. Смольников В.М., Кукуруза В.Д. Методические особенности геоэлектрических исследований приповерхностных и глубинных неоднородностей. Киев: Наукова думка, 1978., 216 с.

99. Попов A.B., Бабаков М.Ф., Ельцов П.Е. Инвариантные поляризационные характеристики радиолокационных объектов. Электромагнитные волны и электронные системы, №11-12. Т. 8, 2003

100. Частотные и фазовые модуляторы и манипуляторы / В. Г. Соколинский, В. Г. Шейнкман, 191 с. ил. 21 см, М. Радио и связь 1983

101. Картьяну Г. Частотная модуляция. Изд. Академии Румынской народной республики, 1961.

102. Артым А.Д. Теория и методы частотной модуляции. M. -JL, Госэнергоиздат, 1961.

103. A.c. 1195362 СССР.-№3699542/24; Заявл.07.02.84; Опубл., Бюл. №23,1986

104. A.c. 1239731 СССР.-№3732307/24-24; Заявл. 23.04.84; Опубл., Бюл. №23,1986.

105. Устройство для управления фазой колебаний Патент на полезную модель №59349, (заявка №2006124786/22: заявл. 10.07.2006) опубликовано 10.12.2006 Бюл. №34