CC BY
15
ФАЗОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТНОГО ИМПЕДАНСА АНИЗОТРОПНОЙ СРЕДЫ ПЛАЗМОПОДОБНОГО ТИПА В РЕЖИМЕ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
В.Ф. ЯНУШКЕВИЧ1, ЕЮ. ЗАЯЦ2
1 Полоцкий государственный университет, Республика Беларусь 2Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Республика Беларусь
Поступила в редакцию 25 февраля 2016
Аннотация. Проведен анализ взаимодействия анизотропного слоя плазмоподобного типа с электромагнитными волнами в режиме частотно-модулированных сигналов. Распространение электромагнитных волн в анизотропном слое плазмоподобного типа проведено на основе исследования фазовых характеристик поверхностного импеданса.
Ключевые слова: частотно-модулированное воздействие, анизотропная среда, фазовые характеристики, поверхностный импеданс.
Abstract. The analysis of the interaction of anisotropic plasma-type layer with electromagnetic waves in the mode of frequency modulated signals is made. The propagation of electromagnetic waves in anisotropic plasma-type layer conducted on the basis of studies of phase characteristics of surface impedance.
Keywords: frequency-modulated action, anisotropic medium, phase characteristics, surface impedance.
Doklady BGUIR. 2017, Vol. 108, ]\о. 6, pp. 5-9 Phase characteristics of the superficial impedance of the plasma-like anisotropic environment in the mode of frequency modulated signals V.F. Yanushkevich, E.Yu. Zayats
Введение
Поиск, выделение и оконтуривание анизотропных сред плазмоподобного типа (АСПТ) представляют интерес во многих областях науки и техники. Одним из приоритетных направлений являются поиск, выделение и идентификация углеводородных залежей (УВЗ). Подобие многих процессов, происходящих над месторождениями нефти и газа, со свойствами анизотропных сред (АС) позволяет использовать теоретические и практические наработки в области исследования плазмы и плазмоподобных сред при разработке современных электромагнитных методов (ЭММ) георазведки углеводородов [1].
Анализ дисперсии тензоров диэлектрической проницаемости среды над УВЗ в режиме частотно-модулированных (ЧМ) сигналов, решение задач взаимодействия электромагнитных волн (ЭМВ) и УВЗ, разработка и экспериментальное исследование ЭММ и устройств для повышения уровня достоверности разведки, поиска и оконтуривания месторождений нефти и газа рассмотрены в работах [2-4]. Актуальной является задачаопределения закономерностей изменения фазовых характеристик поверхностного импеданса АСПТ, которая образуется над УВЗ, при вариации модулирующей частоты и индекса модуляции.
Применение ЧМ-сигналов для выделения АСПТ
Для радиосигнала с тональной ЧМ вида e(t) = Е2 cos(ra21 + р sin ^ t), (1)
где Е2 и ю2 - соответственно амплитуда и частота несущего колебания; ш1 - модулирующая
аЮ
частота; Р =--индекс модуляции; аю - девиация частоты.
Ю
Компоненты тензора диэлектрической проницаемости АСПТ определяются [3]:
¿1 =ег(1 + р-А'ю cos c<V) + £
со?..со,
2 ~2 2 СО д.. - со, - v..
®2 (V,2+®A--®3)2+4®3V,2
ю? .v,.
~ 1 1 1 со; + v." +соь
со2 (у-+<й%-&;)- +
¿2=Z
2
СО i ..СО S
1 ~ 1 1 col. - со; +v."
2j(o3\'1xojixoii
®2 (V -®2)2 + 4®2V [(v,2 +со?. -со2)2 + 4co2v,2]c
(?)
2 'со2.со,
¿3=er(l + p-imcosra10 + X —
2 - 2 ^ ®2 V + ®3
ffl2.v.
со,, со? + v..2
В выражениях (2) фигурируют коэффициент отношения частот кш, частоты: плазменная ю. , гиротропная юа. , столкновений v и частота, характеризующая режим ЧМ-сигналов
со, = со2 [1 + р • /сш cos со/].
Модель многослойной среды включает слой 2 толщиной h с плоскими границами раздела, имеющий относительную диэлектрическую проницаемость ё2, расположенный между полубесконечными средами 1 и 3 с относительными диэлектрическими проницаемостями ¿,=1 и ¿з (рис. 1).
Рис. 1. Фрагмент слоистой среды и отражения электромагнитной волны
На границу раздела сред 1 и 2 нормально падает ЭМВ с напряженностью поля Еп . Во вторую среду проникает волна Епр2 , в третью среду проникает волна Епрз , от нижней границы слоя 2 отражается волна Ен , от границы слоя 1 отражается волна Еотр . На границе 2 и 3 сред образуется импеданс 22-3.
Импедансные граничные условия определяются выражениями:
ех = -г0(гинх-гину), еу = -г0(г21н х - г22н у),
1 ' ' (3)
7=7 = -
11 22
■ ( V^T л/^Г),
7=7 =
11 21
где Ех,у , Нх,у - проекции падающей и отраженной волны на соответствующие координатные оси;
Хэ - характеристическое сопротивление среды, окружающей анизотропную неоднородность.
Представим выражения (3) в виде: 7 — 7 —17 I —I 7 I .Р-^222 7 — 7 _| 7 I .„№212 —I 7 I .„№221
C0oSq
1=1
1=1
i=1
где ф211 и ф222 - фазовые составляющие компонентов матрицы, подлежащие исследованию.
Целью работы является определение закономерностей трансформации фазовых характеристик поверхностного импеданса АСПТ, которая существует над УВЗ, при вариации модулирующей частоты и индекса модуляции.
Результаты исследований
На рис. 2 представлены частотные зависимости ф211. 4>я1.рад<.
ю"' ш" ю' в
Рис. 2. Зависимости ф211 = ф(В): 1- для = 100-т6 Гц; 2 - для К1 = 90^06 Гц; 3 - для = 80^06 Гц
На рис. 3 представлены частотные зависимости ф212. На фазу составляющей поверхностного импеданса Zп наибольшее влияние оказывает частота модулирующего колебания на отрезке от 80 106 Гц до 150 106 Гц. Фаза поверхностного импеданса Zп изменяется при вариациях индекса модуляции В и частоты модулирующего сигнала от -1,5 рад до +1,5 рад. Существуют такие значения В, при которых фаза скачкообразно изменяется от отрицательных значений до положительных. Так, для частоты 100-106 Гц таким значениям В соответствуют величины 7,8-10-1 , 8,8-10-1 , 2,7-10° , 3-10°.
Фаза поверхностного импеданса 212 изменяется при вариациях индекса модуляции В и частоты модулирующего сигнала от -1,6 рад до +0,6 рад. Наибольшее влияние на величину фазы поверхностного импеданса оказывает индекс частотной модуляции на отрезке от 1,1-10° до 4,7-10°, при этом фгп уменьшается от 0,6 рад до-1,52 рад.
Рис. 3. Зависимости ф212 =ф(В) :1 - для П = 100-106 Гц; 2 - для ^2 = 90-106 Гц; 3 - для ^3 = 80-106 Гц
Использование частоты модуляции 80-106 Гц приводит к возникновению только одного пика, равного 0,6 при В = 4,7.
Проведенный анализ позволяет дать рекомендации по оптимизации характеристик ЧМ-сигналов. При измерении компоненты ф2П следует использовать два диапазона модулирующей частоты: на отрезке от 80-106 Гц до 100-106 Гц применение режимов модуляции:
1. Индекс модуляции В = 1°°-101. В этом режиме происходят изменения фазовой компоненты у2и , причем скачкообразно.
2. Индекс модуляции В < 1°°. В этом режиме не происходят изменения фазовой компоненты ф .
На отрезке от 100106 Гц до 150106 Гц можно рекомендовать применение режимов модуляции: в отличие от предыдущего случая в режиме 1 не происходят изменения фазовой компоненты ф , в режиме 2 происходят изменения фазовой компоненты ф . Таким образом, эффекты от взаимодействия получаются противоположными. Измерения компоненты ф происходят по аналогичному закону.
Заключение
Исследовано взаимодействие анизотропного слоя плазмоподобного типа с электромагнитными волнами в режиме частотно-модулированных сигналов. Распространение электромагнитных волн в анизотропном слое плазмоподобного типа проведено на основе исследования фазовых характеристик поверхностного импеданса. Установлено, что режимы модуляции приводят к появлению в компонентах фазовых характеристик дополнительных составляющих, зависящих от параметров сигналов. Все это обуславливает расширение функциональных зависимостей компонентов тензоров от режимов модуляции, что позволяет повысить информативность разрабатываемых методов поиска углеводородных залежей. Использование вариации характеристик зондирующих сигналов позволяет повысить информативность методов оконтуривания и выделения углеводородных залежей. Установлены закономерности изменения фазовых характеристик поверхностного импеданса анизотропной среды при вариации модулирующей частоты и индекса модуляции. Результаты исследования могут быть применены в поисковой геофизике при создании новых электромагнитных методов георазведки.
Список литературы
1. Moskvichew V.N. Interaction of electromagnetic waves (EMW) with anisotropic inclusion in communication line // Materials of 9-th Microw. Conf. «NICON - 91». Rydzyna, May 20-22, 1991. Vol. 1. P. 240-244.
2. Взаимодействие ЧМ-сигналов с анизотропной средой / Д.В. Гололобов [и др.] // Сб. материалов II Междунар. науч.-техн. конф. «Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств». Новополоцк, 2002. С. 300-303.
3. Цывис Н.В., Янушкевич В.Ф., Калинцев С.В. Математическое моделирование взаимодействия ЭМВ с углеводородной залежью // Матер. IV Междунар. науч.-практ. конф «Экологические проблемы Полесья и сопредельных территорий». Гомель, 2002.
4. Гололобов Д.В., Калинцев С.В., Янушкевич В.Ф. Поверхностный импеданс среды над углеводородными залежами в режиме частотно-модулированных сигналов //Весщ НАН Беларуси Сер. 4нз.-тэхн. 2010. № 4. С. 98-J101.
References
1. Moskvichew V.N. Interaction of electromagnetic waves (EMW) with anisotropic inclusion in communication line // Materials of 9-th Microw. Conf. «NICON - 91». Rydzyna, May 20-22, 1991. Vol. 1. P. 240-244.
2. Vzaimodejstvie ChM-signalov s anizotropnoj sredoj / D.V. Gololobov [i dr.] // Sb. materialov II Mezhdunar. nauch.-tehn. konf. «Problemy proektirovanija i proizvodstva radiojelektronnyh sredstv». Novopolock, 2002. S. 300-303. (in Russ.)
3. Cyvis N.V., Janushkevich V.F., Kalincev S.V. Matematicheskoe modelirovanie vzaimodejstvija JeMV s uglevodorodnoj zalezh'ju // Mater. IV Mezhdunar. nauch.-prakt. konf «Jekologicheskie problemy Poles'ja i sopredel'nyh territorij». Gomel', 2002. (in Russ.)
4. Gololobov D.V., Kalincev S.V., Janushkevich V.F. Poverhnostnyj impedans sredy nad uglevodorodnymi zalezhami v rezhime chastotno-modulirovannyh signalov // Vesci NAN Belarusi. Ser. fiz.-tjehn. 2010. № 4. S. 98-ri01. (in Russ.)
Сведения об авторах
Янушкевич В.Ф., к.т.н., доцент, доцент кафедры радиоэлектроники Полоцкого государственного университета.
Information about the authors
Yanushkevich V.F., PhD, associate professor, associate professor of radioelectronics department of Polotsk state university.
Заяц Е.Ю., ассистент кафедры информационных технологий автоматизированных систем Белорусского
государственного университета информатики и радиоэлектроники.
Zayats E.Y., assistant of department of automated data processing systems of Belarusian state university of informatics and radioelectronics.
Адрес для корреспонденции
220013, Республика Беларусь,
г. Минск, ул. П. Бровки, д. 6,
Белорусский государственный университет
информатики и радиоэлектроники
тел. +375-17-293-89-04;
e-mail: [email protected]
Заяц Екатерина Юрьевна
Address for correspondence
220013, Republic of Belarus, Minsk, P. Brovka Str., 6, Belarusian state university of informatics and radioelectronics tel. +375-17-293-89-04; e-mail: [email protected] Zayats Stepanovich Mukha
