УДК 550.834
ОСОБЕННОСТИ ПОДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОМЕХ РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДЫ МАТЕМАТИЧЕСКИМИ АЛГОРИТМАМИ
И.В.Буддо1
ЗАО «Иркутское Электроразведочное Предприятие», 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 275 Б.
Рассмотрены особенности обработки электроразведочных данных. Проанализирована эффективность использования различных алгоритмов суммирования, в том числе прогрессивного инструмента подавления промышленной помехи 50 Гц и кратных гармоник. Выдвинуты рекомендации по применению конкретных алгоритмов в различных помеховых условиях при использовании аппаратуры с различными типами синхронизации генераторной и приемной установок. Ил. 2. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: геоэлектрика; математические исследования; цифровая фильтрация; подавление помех; повышение разрешающей способности.
THE FEATURES OF DAMPING OF ELECTROMAGNETIC DISTURBANCES OF DIFFERENT NATURE BY MATHEMATICAL ALGORYTHMS I.V. Buddo
Closed Corporation "Irkutsk Electrical Prospecting Enterprise", 275Б, Lermontov St., Irkutsk, 664033.
The author considers the features of electrical prospecting data processing. He analyses the efficiency of different summation algorithm application and a progressive instrument of supression of 50 Hz industrial disturbances and multiple harmonics included. The author gives recommendations on the application of specific algorithms under various disturbance conditions, when using equipment with different synchronization types of generating and receiving installations. 2 figures. 3 sources.
Key words: geoelectrical engineering, mathematical researches, digital filtration, disturbance suppression, resolution increase.
Актуальность электроразведочных работ в индустриальных районах в настоящее время существенно возросла. Ранее проведение электромагнитных зондирований в условиях близости к источникам промышленных помех было весьма затруднено по причине недостаточной эффективности способов борьбы с ними. Аппаратура предыдущих поколений с аналоговыми фильтрами накопления сигналов была не в состоянии обеспечить высокую помехозащищенность.
При использовании электроразведочной аппаратуры с регистрацией всех накоплений неизмененного сигнала с арифметическим шагом дискретизации появилась возможность использовать различные математические алгоритмы обработки, которые позволяют эффективно бороться с электромагнитными помехами различной природы. Значительно увеличилась производительность современных вычислительных систем, что дало возможность использовать сложные алгоритмы при минимальных затратах времени в процессе обработки сигналов.
Электромагнитные помехи возможно классифицировать по природе происхождения на: 1. Геологические - эффекты влияния геоэлектрических неоднородностей, поляризующихся и магнитовяз-ких объектов, затрудняющие интерпретацию данных в рамках моделей, описываемых электрическим сопротивлением; возникновение собственных колебаний в
генераторной и приемной петлях при высокоомной верхней части разреза.
2. Атмосферные - импульсные (грозы и т.д.), ветровые.
3. Инструментальные - помехи от электрохимических процессов в приемных петлях.
4. Индустриальные - периодические с основной промышленной частотой близкой к 50 Гц.
5. Помехи от двигателей автотранспорта, радиопомехи от мобильных УКВ-радиостанций.
Отдельно можно выделить проблему процессов собственных колебаний в приемной и генераторной петлях, этот эффект часто называют «звон». Особенно данный эффект осложняет малоглубинные работы ЗСБ (зондирование становлением в ближней зоне), однако и при проведении работ методом ЗСБ с размером генераторной петли 500*500 м, приемных 18x18 м в случае высокого сопротивления верхней части разреза «звон» может проявляться во времени до 1 - 1.5 мс, делая интерпретацию верхней части разреза (200 - 300 м) невозможной.
Непериодические процессы привносят в сигнал становления ветровая, электрохимические помехи, изменяя уровень сигнала. Проблем с помехами данных типов проще избежать, не допуская провисания проводов приемных петель, соблюдая требования по раскладке петель и не допуская намокания разъемов.
1Буддо Игорь Владимирович, аспирант ИрГТУ, тел.: (3952)780183, e-mail: [email protected]
Buddo Igor Vladimirovich, a postgraduate of Irkutsk State Technical University, tel.: (3952)780183, e-mail: [email protected]
Влияние индустриальных помех может в некоторых случаях сделать невозможным получение кондиционных сигналов. Зачастую помеха имеет настолько большую амплитуду, что увидеть на ее фоне сигнал практически невозможно. Кроме того, если помеха не выдержана по амплитудно-частотным характеристикам, сложно оценить ее точные АЧХ. В случае наличия помехи 50 Гц со стабильными параметрами прецизионное определение ее АЧХ дает хорошие возможности очистки сигналов.
Специалистами ЗАО «Иркутское Электроразведочное Предприятие» была создана программа TEM-Processing, предназначенная для углубленной обработки сигналов становления ЗСБ (рис.1). Она позволяет просматривать сигналы, их спектры, рассчитывать трансформации pt, St/Ht, использовать широкий набор алгоритмов минимизации помех (гармонические фильтры, робастные и статистические процедуры фильтрации, интерполяционные и сглаживающие алгоритмы). Обработка состоит из двух этапов: 1) внут-рисерийная - каждая запись, состоящая из 100 - 200 накоплений, по отдельности обрабатывается определенным алгоритмом суммирования; 2) межсерийная -суммируются уже обработанные записи, получается финальная осредненная кривая. В программе реализован механизм сравнения эффективности алгоритмов обработки. В специализированный блок программы TEM-Processing в качестве исходных данных поступают массивы, полученные при разных способах обработки наблюденного сигнала, нормированного на ток, а также параметры записи: усиление, количество витков приемной петли. Критерием сигнала является его средняя величина в заданном временном интервале X, помеха оценивается по величине стандартного отклонения а. Отношение сигнал/помеха (S/N)
рассчитывается по формуле — = —. Сигнал разби-
N а
вается на задаваемое число временных интервалов, в каждом из которых рассчитываются среднее значение и стандартное отклонение. Оценка осуществляется в определенных интервалах. В случае наличия в ранней части сигнала явных «выскоков» или «зашкалов», их можно исключить из оценки. Можно также при быст-
ром затухании сигнала до уровня помех ограничить число оцениваемых интервалов и рассчитать отношение в той временной области, которая представляет непосредственный интерес.
В программе ТЕМ-РгосеББтд предусмотрено применение шести способов обработки сигналов: арифметическое среднее, медиана, весовое суммирование, сигма-суммирование, робастное оценивание, подавление периодических промышленных помех 50 Гц (рис.1). Под робастным оцениванием понимается алгоритм, предусматривающий вычисление М-оценок, введенных Хьюбером, относящихся к оценкам максимального правдоподобия. Гармонический фильтр помехи 50 Гц основан на формализованном подборе амплитуд, фаз и периода сетевой помехи и ее удалении из наблюденного сигнала для каждого из зарегистрированных импульсов поля становления.
Рис. 1. Схема обработки данных ЗСБ в программе «ТЕМ-Ргооеззтд»
Программно-аппаратурный комплекс БОБ-ТЕМ, в состав которого входит ТЕМ-РгосеББтд, за последние 2 года был внедрен в производство в Саратовской геофизической экспедиции и на предприятии «Луч» в Новосибирске, которые интенсивно разворачивают работы ЗСБ в Западной Сибири.
Отметим, что при обработке больших объемов данных важно максимально автоматизировать процесс работы и обеспечить высокое качество результатов. Для этого нужно детально анализировать эффективность работы алгоритмов суммирования на реаль-
Рис 2. График ЭДС и спектра сигнала, осложненного помехой 50 ГЦ: А - график сигнала с вырезанной помехой 50 Гц; Б - спектр сигнала с ярко выраженной помехой 50 Гц и кратными гармониками
ных данных и, таким образом, выработать рекомендации по предварительной обработке в различных геологических условиях и при различном уровне помех. Алгоритм гармонической фильтрации 50 Гц будем применять только в присутствие промышленных помех.
На первом этапе рассмотрим сигналы становления, полученные в условиях высокоомного разреза юга Сибирской платформы при низком уровне электромагнитных помех. Алгоритмы показали примерно одинаковую эффективность. По рассчитанной оценке немного лучше показали себя алгоритмы весового суммирования, среднее арифметическое. В отсутствие импульсных помех, выскоков, алгоритм среднего арифметического наиболее актуален.
Проанализируем работу алгоритмов суммирования на сигналах, осложненных хорошо выдержанной по АЧХ промышленной помехой 50 Гц. Наилучший результат показал гармонический фильтр 50 Гц (рис. 2 А, Б). Интересно, что по диаграмме сигнал/помеха и рассчитанной оценке наивысшую эффективность показал алгоритм среднего арифметического. Данный эффект может быть объяснен тем, что гармонический фильтр вырезает высокоамплитудную помеху, следовательно, уменьшается и среднее значение сигнала, отсюда и низкие расчетные оценки. При использовании гармонического фильтра возможно выполнять внутреннее суммирование накоплений разными способами. По результатам данного исследования лучше всего применять весовое суммирование. Заметим, что на ранних временах все алгоритмы показывают примерно одинаковую эффективность, что объясняется высоким уровнем сигнала по отношению к помехе, и по мере ослабления сигнала становится очевидным превалирование гармонического фильтра 50 Гц. Однако подавление 50 Гц имеет наибольшую эффективность на поздних временах, где наиболее точно определяется АЧХ помехи (здесь амплитуда помехи много выше амплитуды полезного сигнала).
Проанализируем данные, полученные в европейской части России, в условиях проводящего разреза. При низком уровне импульсных и промышленных помех алгоритмы отработали примерно с одинаковой эффективностью (гармонический фильтр 50 Гц не применялся). Целесообразно проанализировать работу алгоритма медианного осреднения: соотношение сигнал/шум левой части кривой хуже, чем для других алгоритмов, т.к. были откинуты высокоамплитудные экстремумы быстроменяющегося процесса становления; в правой же части кривой медиана показывает наибольшую эффективность, т.к. полезный сигнал ослабевает, а неинформативные паразитные составляющие отбрасываются. Отметим большую эффективность сигма-суммирования на ранних временах, в то время как на поздних лучше себя показывают роба-стные оценки. Кривая, обработанная средним арифметическим, имеет аномальные выскоки, обусловленные импульсными помехами. Кроме того, применение алгоритма робастных оценок с арифметическим шагом при использовании сглаживания кривой интерполяцией (арифметический шаг) существенно повышает
соотношение сигнал/шум, т.к. алгоритм практически не чувствителен к выскокам, что в итоге значительно повышает информативность сигнала. Принимая по внимание, что сглаживание кривой интерполяцией можно выполнять с разными по ширине интервалами (в отсчетах), целесообразно сравнить эффективность данного алгоритма как с жестко заданным, так и с переменным шагом. Переменный шаг подразумевает меньшие интервалы на малых временах и большие -на поздних. По результатам исследования видно превосходство алгоритма с использованием переменного шага интерполяции, что позволяет уменьшить дисперсию в несколько раз по сравнению с использованием жестко заданного шага.
Программа TEM-Processing позволяет сглаживать кривую сигнала с арифметическим шагом полиномами с различными по ширине интервалами. Характеристики участков подбираются следующим образом: первые участки имеют очень маленькую длительность - 20 -50 мс и небольшое количество интервалов, в то время как последние участки достигают 3000 мс с 500 интервалами, т.к. в поздней части кривой амплитуда полезного сигнала очень низка и на первый план выходят помехи, в силу чего использовать малые длительности участков нецелесообразно. Заметим, что алгоритм сглаживания кривой интерполяцией с переменным интервалом имеет большую эффективность на малых временах, в то время как сглаживание полиномами эффективнее на поздних временах. Можно сделать вывод, что использование интерполяции (арифметический шаг) обязательно, т.к. в противном случае дисперсия слишком велика. Наибольшую эффективность показывает алгоритм робастных оценок с арифметическим шагом, сглаженный интерполяцией с переменным интервалом. Близок к нему по эффективности алгоритм с использованием полиномов, причем, если установить большее количество участков и варьировать число интервалов, наверняка возможно получить более качественный результат.
Анализируя данные, осложненные сильной помехой 50 Гц, обратим внимание на особенности аппаратуры, используемой при записи. В ЗАО «Иркутское Электроразведочное Предприятие» синхронизация коммутатора и электроразведочной станции осуществляется посредством GPS с точностью порядка 1 мкс, что позволяет использовать шаг дискретизации 0.25 мс. Если используется аппаратура с меньшей точностью синхронизации, необходимо в опциях алгоритма гармонического фильтра 50 Гц включать режим с отключенной синхронизацией, в результате чего результат несколько ухудшается по сравнению с высокоточной синхронизацией.
Отметим, что использование в алгоритме гармонической фильтрации 50 Гц комбинированного подбора частот и фильтрации по полуразности (а не по четным/нечетным импульсам) не дает положительного результата.
Выбрав алгоритм для внутрисерийного, проанализируем межсерийное суммирование. Предварительное суммирование выполним простым средним арифметическим. Проанализировав итоговые суммарные
точечные кривые, получаем, что наиболее корректно отработали алгоритмы весового суммирования и медиана. При практическом использовании рекомендуется варьировать данными алгоритмами для получения наиболее качественного результата.
По результатам исследования эффективности алгоритмов суммирования целесообразно привести следующие рекомендации по обработке полевого электроразведочного материала:
• В условиях отсутствия помех целесообразно использовать суммирование средним арифметическим.
• При наличии в сигнале импульсных помех наибольшей эффективностью обладают алгоритмы весового, сигма-суммирования (на ранних временах) и алгоритм робастных оценок с арифметическим шагом, сглаженный интерполяцией с переменным интервалом, а также робастные оценки со сглаживанием интерполяцией (переменный интервал) и сглаживанием полиномами.
• В условиях наличия четко выраженной промышленной помехи 50 Гц необходимо использовать оригинальный алгоритм гармонической фильтрации помехи 50 Гц.
• В условиях высокого уровня гармонической помехи 50 Гц и отсутствия возможности синхронизировать генератор импульсов с измерительной системой посредством GPS, наибольшей эффективностью обладает алгоритм гармонической фильтрации помехи 50 Гц с весовым суммированием и отключенной опцией синхронизации.
• При межсерийном суммировании наиболее эффективны алгоритмы весового суммирования и медиана.
Библиографический список
1. Дж. С. Дэвис. Статистический анализ данных в геологии. М.: Недра, 1990. Кн. 1.
2. Агафонов Ю.А., Шарлов М.В. Развитие программного обеспечения цифровой телеметрической электроразведочной станции SGS-TEM с применением ГИС-технологий // Геофизические методы при разведке недр и экологических исследованиях: сб. трудов конференции. Томск, 2003.
3. Агафонов Ю.А., Суров Л.В. Новый программный комплекс для визуализации, интерпретации и моделирования сигналов ЗСБ // Пятая международная научно-практическая геолого-геофизическая конференция молодых ученых и специалистов: тезисы докладов. СПб.: СПбГУ, ВВМ, 2005. С. 7-9.
УДК 556.3
ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ЗАБАЙКАЛЬЯ
Г.П.Сидорова1, А.Г.Верхотуров2
Читинский государственный университет, 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30.
В связи с неглубоким залеганием угольных пластов ведущим способом разработки угольных месторождений Забайкалья является открытый способ. Гидрогеологические условия действующих в настоящее время разрезов являются сложными, что приводит к значительному удорожанию горных работ. В статье рассматриваются причины обводнения угольных месторождений, эффективные способы водопонижения и оцениваются возможности использования дренажных вод. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: гидрогеологические условия; водообильность; обводненность; гидрогеологические параметры; водопонижение.
HYDROGEOLOGICAL FEATURES OF TRANSBAIKAL COAL DEPOSITS G.P. Sidorova, A.G. Verhoturov
Chita State University,
30 Alexandro-Zavodskaya St., Chita, 672039.
Open-cast mining is the basic development method of coal deposits of Transbaikal because of rather shallow coal layer bedding. Hydrogeological conditions of the open-cast mines under operation are complex. It leads to the considerable rise in prices of mining. The article considers the reasons of coal deposits watering, efficient water drop methods, and estimates the possibilities to use drainage waters. 1 figure. 1 table. 4 sources.
Key words: hydrogeological conditions, water ample, watering, hydrogeological parameters, water drop.
1Сидорова Галина Петровна, доцент кафедры гидрогеологии и инженерной геологии, кандидат технических наук, тел.: (3952)261826, e-mail: [email protected]
Sidorova Galina Petrovna, an associate professor of the Chair of Hydrogeology and Engineering Geology, a candidate of technical sciences, tel.: (3952)261826, e-mail: [email protected]
2Верхотуров Алексей Геннадьевич, заведующий кафедрой гидрогеологии и инженерной геологии, тел.: (3952)261826, e-mail: [email protected]
Verhoturov Alexey Gennadjevich, the head of the Chair of Hydrogeology and Engineering Geology, tel.: (3952)261826, e-mail: [email protected]