Результат интеллектуальной деятельности: Способ обнаружения электромагнитных геофизических возмущений от движущихся источников

Изобретение относится к области прикладной геофизики и может применяться для дистанционного обнаружения и определения местоположения движущихся в водном слое источников электромагнитных геофизических возмущений (ГФВ).

Движущиеся в водном слое источники вызывают возмущения широкого ряда геофизических полей, однако удаленному дистанционному наблюдению доступны только те из них, которые имеют способность распространяться на большие расстояния с относительно небольшим затуханием. К таким полям, в частности, относятся электромагнитное и акустическое поля. Геофизические возмущения, в частности, возмущение электромагнитного поля при движении источника, обладающего ферромагнитным корпусом, в водном слое могут возникать вследствие целого ряда физических факторов: ферромагнитный корпус источника возмущает постоянное магнитное поле Земли, а вращающиеся ферромагнитные части создают переменное магнитное поле; разность электрохимических потенциалов металлов разных частей источника приводит к появлению постоянного электрического поля в воде и протеканию тока, а вращающиеся части вызывают переменное электрическое поле; гидродинамический след движущегося источника, выходя на поверхность моря, воздействует на ветровое волнение и, как следствие, на генерацию морского аэрозоля, в том числе заряженного, который модифицирует электродный эффект в атмосфере и изменяет величину постоянного атмосферного электрического поля в области следа; турбулентное движение проводящей морской воды, находящейся в магнитном поле Земли и электрическом поле, вызванном разностью электрохимических потенциалов частей источника, приводит к генерации электромагнитного поля в широком частотном диапазоне. Возмущения постоянного электрического и магнитного полей спадают с расстоянием, даже при отсутствии их ослабления окружающей средой, обратно пропорционально квадрату расстояния, поэтому на большом расстоянии от источника не могут быть обнаружены. Электромагнитные волны, амплитуда которых уменьшается обратно пропорционально первой степени расстояния (в отсутствие ослабления средой) могли бы регистрироваться на больших расстояниях от источника, если бы не было электромагнитного шума, скрывающего полезные сигналы. В воде и грунте, где электромагнитный шум небольшой, электромагнитные волны сильно поглощаются, поэтому обнаружить волны, вызванные движущимся в водном слое источником, оказывается невозможным. А в атмосфере постоянно присутствуют интенсивные (по сравнению с электромагнитным сигналом от источника) электромагнитные волны естественного и техногенного происхождения, покрывающие весь интересующий частотный диапазон.

В ряде патентных документов CN 103926625 (МПК: G01V 3/08, публ. 16.07.2014), CN 106990440 (МПК: G01V 3/08, G01V 3/087, публ. 28.07.2017), CN 107272069 (МПК: G01V 3/08, публ. 20.10.2017) предложены способы пассивного обнаружения подводных объектов. В заявленных способах регистрируют возмущения, вносимые ферромагнитным объектом, находящимся под водой, в постоянное магнитное поле Земли, что позволяет получить информацию о местонахождении источника возмущений. Недостатком предложенных методов является малая дальность обнаружения источника возмущений.

Известен способ обнаружения подводных объектов, предложенный в патенте RU 2472183 (МПК: G01V 3/165, публ. 10.01.2013). Данный способ относится к области магниторазведки и может быть использован при поиске и обнаружении подводных объектов при помощи установленных на подвижном носителе бортовых средств магнитных измерений, в частности скалярных магнитометров. В предлагаемом способе выбирают определенные курсы движения носителя, увязанные с районом поиска подводных объектов, а на носителе закрепляют скалярный магнитометр. Это обеспечивает повышение вероятности обнаружения и соответствующее уменьшение вероятности пропуска цели. Недостатком предложенного способа является необходимость размещения средств магнитных измерений в непосредственной близости от искомого подводного объекта, т.е. способ не является скрытным, и не применим к задаче дистанционного обнаружения источников электромагнитных геофизических возмущений.

Также известен способ сейсмической разведки и станция для его осуществления по патенту RU 2433425 (МПК: G01V 1/00, публ. 10.11.2011). В отличие от известных способов в техническом решении по этому патенту, кроме регистрации электрического и магнитного полей, дополнительно регистрируют, в том числе, поверхностные волны. Однако данный способ направлен на поиск месторождений углеводородов (пространственно протяженных объектов) и не приспособлен для поиска точечных источников возмущений геофизических полей.

В качестве прототипа выбран способ обнаружения подводного объекта, известный из заявки US 20180120472 (МПК: G01V 3/38, G01V 3/08, публ. 03.05.2018). В способе по прототипу создают постоянное электрическое поле в водной среде с помощью специального источника тока и выполняют прием и регистрацию электромагнитных сигналов, возбуждаемых движением подводного объекта вблизи источника тока, измерительным комплексом. В качестве детектирующей части измерительного комплекса используют линию датчиков, расположенных на дне между электродами источника тока, при приближении объекта к которым регистрируют электромагнитные сигналы. Затем осуществляют корреляционную обработку принятых сигналов. Для этого сравнивают принятый сигнал, возникающий в момент появления подводного объекта, с шаблонным сигналом в отсутствии аномалии, полученным предварительно, и определяют наличие и положение движущегося в водном слое источника возмущений. Недостатком способа по прототипу является малая дальность обнаружения источника возмущений. Другим недостатком способа по прототипу является недостаточная скрытность, обусловленная наличием в воде источника тока и постоянного электрического поля, который легко обнаруживается.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является разработка пассивного способа обнаружения электромагнитных геофизических возмущений, создаваемых источником этих возмущений, при этом источник движется в водном слое, а способ позволяет на больших расстояниях вести поиск и с высокой степенью вероятности обнаруживать источник и выделять его электромагнитное ГФВ на фоне электромагнитных ГФВ от подвижных надводных источников и неподвижных подводных источников.

Технический результат достигается благодаря тому, что разработанный способ также, как и способ по прототипу, включает прием и регистрацию электромагнитных ГФВ, возбуждаемых движущимся источником, с помощью измерительного комплекса, корреляционную обработку принятых электромагнитных ГФВ, обнаружение и определение положения в водном слое движущегося источника. Новым в предлагаемом способе является то, что принимают и синхронно регистрируют электромагнитные ГФВ, порождаемые поверхностными волнами в грунте, которые возбуждаются в результате перемещения в водном слое движущегося источника в водном слое, рассматриваемого как точечный источник поверхностных волн, в качестве измерительного комплекса используют, по крайней мере, два приемных пункта на берегу, разнесенных между собой приблизительно на расстояние до точечного источника от каждого из этих приемных пунктов, при этом каждый из приемных пунктов организуют из, по крайней мере, трех электромагнитных векторных измерителей, разнесенных друг относительно друга в пространстве на расстояние порядка четверти длины волны поверхностных волн в грунте, возбуждаемых точечным источником, выполняют спектральную и корреляционную обработку электромагнитных ГФВ всех пространственных компонент со всех электромагнитных векторных измерителей и выделяют синхронизированные идентичные по форме, временным и спектральным характеристикам электромагнитные ГФВ (далее просто "идентичные" ГФВ), возбужденные точечными источниками, определяют положения находящихся в водном слое точечных источников по соотношению горизонтальных компонент электрического и магнитного поля идентичных электромагнитных ГФВ на каждом электромагнитном векторном измерителе и по временным сдвигам между идентичными электромагнитными ГФВ на разных электромагнитных векторных измерителях, составляют карты положений точечных источников для разных моментов времени, и по нескольким картам положений, построенным последовательно во времени, исключают неподвижные источники идентичных электромагнитных ГФВ естественного происхождения, затем анализируют спектры идентичных электромагнитных ГФВ, выделенных на всех электромагнитных векторных измерителях, сравнивают полученные спектры ГФВ от разных источников с известными спектрами ГФВ для надводных и подводных движущихся источников, выделяют идентичные ГФВ со спектрами, близкими к спектрам искомых движущихся источников, в результате обнаруживают и определяют положения движущихся в водном слое искомых источников.

Разработанный способ поясняется следующей фигурой.

На фиг. 1 представлен пример измерительного комплекса с двумя приемными пунктами для реализации предлагаемого способа.

Кроме электромагнитного поля, генерируемого движением источника в непосредственной близости от него, существуют электромагнитные поля, вызванные движением источника, но генерируемые в грунте [1]. Эти электромагнитные поля опосредованы поверхностными (акустическими волнами Рэлея или волнами Стоунли), которые возбуждаются движением источника и распространяются на большие расстояния с относительно малым, обратно пропорциональным корню из расстояния [2], ослаблением. Двигаясь во влагонасыщенных грунтах (а такие, как правило, присутствуют в прибрежной зоне), поверхностные волны в результате сейсмоэлектрического эффекта вызывают в грунте электрический ток, который приводит к генерации электрического и магнитного полей.

В предлагаемом способе принимают и регистрируют измерительным комплексом электромагнитные ГФВ, порождаемые поверхностными волнами в грунте.

Соотношение полезного сигнала к шуму у электромагнитного поля, сопровождающего поверхностные волны, выше, чем у электромагнитных волн, возбуждаемых в окрестности источника в атмосфере, поскольку в атмосфере высокий уровень электромагнитного шума естественного и искусственного происхождения, а в земле этот шум сильно ослаблен из-за проводимости земли. При этом отношение сигнал-шум для поверхностных волн может оказаться недостаточным в случае необходимости скрытного (пассивного) обнаружения движущегося в водном слое источника, если измерительный комплекс расположен на большом расстоянии до движущегося в водном слое источника.

Для выделения из шума электромагнитного ГФВ, связанного с поверхностной волной, можно использовать такие особенности этого ГФВ, как сдвиг по фазе на четверть периода вертикальной и горизонтальной компонент электрического поля и малую, по сравнению со скоростью света, скорость распространения электромагнитного поля поверхностной волны. Корреляционная обработка разных пространственных компонент электрического и магнитного полей и измерений в нескольких пространственных точках, разнесенных на расстояние, сравнимое с длиной поверхностной волны (которая для характерного частотного диапазона акустических ГФВ 0,1-1 Гц лежит в диапазоне 3-30 км) позволяет выделить слабый полезный сигнал на фоне интенсивных, на несколько порядков больших по амплитуде, электромагнитных шумов [3].

В предлагаемом способе, согласно фиг. 1, для приема и регистрации ГФВ используют измерительный комплекс, состоящий в частном случае из двух приемных пунктов 1, расположенных на берегу. При этом приемные пункты 1 разнесены между собой приблизительно на расстояние R, на котором возможно обнаружение точечного источника, равное 100-500 км. В качестве точечных источников могут выступать неподвижные источники естественного происхождения 2, надводные движущиеся источники 3, движущиеся в водном слое источники 4. Каждый из приемных пунктов 1 содержит в частном случае три электромагнитных векторных измерителя 5, причем их располагают в пространстве друг относительно друга на расстоянии порядка четверти длины волны поверхностных волн в грунте, возбуждаемых точечными источниками. Для поверхностных волн с частотами 0,1-0,5 Гц это расстояние составляет несколько километров (1-5 км). Три измерителя необходимы для однозначного определения направления прихода ГФВ.

В океане существует множество источников поверхностных волн, например, волн Рэлея и, прежде всего, это источники естественного происхождения - ветровые волны и движения в земной коре. Интенсивность поверхностных волн естественного происхождения может быть в точке регистрации больше, чем интенсивность поверхностной волны, возбужденной движущимся в водном слое искомым источником. Для выделения ГФВ, вызванных поверхностями волнами от движущегося источника на фоне шумовых поверхностных волн естественного происхождения нужно использовать такие особенности естественных источников поверхностных волн, как распределенность в пространстве и независимость друг от друга (некоррелированность между собой). Поэтому для обнаружения поверхностных волн от движущегося точечного источника нужно осуществлять синхронную регистрацию электромагнитных возмущений от поверхностных волн. В результате корреляционной обработки сигналов со всех электромагнитных векторных измерителей 5 можно выделить идентичные (коррелированные) электромагнитные возмущения, возбужденные точечными источниками, на фоне шума, генерируемого распределенными не коррелированными источниками естественного происхождения. По соотношению горизонтальных компонент электрического и магнитного поля идентичных электромагнитных возмущений на каждом электромагнитном векторном измерителе 5 и временным сдвигам между выделенными идентичными ГФВ на разных электромагнитных векторных измерителях 5 определяют местоположения точечных источников. Однако, некоторые точечные источники естественного происхождения могут генерировать поверхностные волны, по интенсивности сравнимые или большие, чем те, которые возбуждает движущийся в водном слое источник 4, поэтому составляют карты положений точечных источников для разных моментов времени. Строят последовательно во времени несколько карт положений точечных источников и исключают неподвижные источники электромагнитных ГФВ естественного происхождения 2.

Еще одной важной характеристикой, отличающей разные виды точечных источников поверхностных волн, является спектр этих волн. Спектр электромагнитного возмущения, возбуждаемого поверхностными волнами, в точности соответствует их акустическому спектру. По спектру идентичных ГФВ, выделенных на всех электромагнитных векторных измерителях 5, можно отличить движущийся в водном слое источник 4 от надводного движущегося источника 3, поскольку в спектре надводных источников сильнее, чем у подводных источников, выражена высокочастотная, более 1 Гц, часть спектра. Поэтому в предложенном способе анализируют спектры идентичных электромагнитных ГФВ, выделенных на всех электромагнитных векторных измерителях 5, исключают надводные движущиеся источники 3, и в результате обнаруживают и определяют положения движущихся в водном слое источников 4.

Таким образом, разработанный способ обнаружения электромагнитных геофизических возмущений от движущихся в водном слое источников позволяет на больших расстояниях вести поиск, обнаруживать движущийся в водном слое источник и выделять его на фоне ГФВ от надводных и неподвижных источников.

Источники информации.

1. Светов Б.С. Основы геоэлектрики, М.: Издательство ЛКИ, 2008.

2. Уайт Дж. Э., Возбуждение и распространение сейсмических волн, М.: Недра, 1986.

3. Поляков С.В., Щенников А.В., Тан Ч. О возможности обнаружения электромагнитных предвестников землетрясений с уровнем ниже регулярного шумового фона // Изв. вузов. Радиофизика. 2014. Т. 57, №7. С. 555-567.