Принципы устройства аппаратуры, применяемой в электроразведке

Существует два основных подхода в построении радиоэлектронных устройств: аналоговый и цифровой. Современная аппаратура, как правило, сочетает в себе оба этих подхода.

Входные цепи измерительных устройств и выходные цепи генераторных устройств построены на аналоговых элементах. Процессы управления оборудованием, фильтрации, запоминания данных, обработки данных чаще всего строятся с применением цифровых элементов. Связующим звеном между этими принципами построения аппаратуры является либо устройство аналогово-цифрового преобразования (АЦП), либо устройство цифро-аналогово преобразования (ЦАП). Характеристики АЦП и ЦАП во многом определяют характеристики аппаратуры в целом.

При аналоговом подходе исследуемый сигнал сначала усиливается по амплитуде. При этом вводится понятие - коэффициент усиления (во сколько раз сигнал усилен по амплитуде).

В ввиду особенностей элементной базы требуется знать характеристику аналогового канала - это амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) - зависимость коэффициента усиления или коэффициента пропускания от частоты.

Сигнал может быть подвергнут следующим аналоговым преобразованиям. Это могут быть фильтры, системы компенсации постоянной составляющей, схемы модуляции-демодуляции и т.д. Фильтрующие элементы изменяют частотную характеристику прибора.

Существует несколько типов фильтров. Фильтр низкой частоты пропускает низкие частоты до частоты среза фильтра. Так как, идеальный фильтр, полностью обрезающий сигнал на заданной частоте физически реализовать нельзя, то частотой среза называют частоту, на которой амплитуда сигнала уменьшается в 1,4142 раза (квадратный корень из 2). Фильтр высокой частоты пропускает сигнал с частотой выше частоты среза. Режекторный фильтр "вырезает" из сигнала заданный частотный диапазон. Полосовой фильтр пропускает сигнал в заданном частотном диапазоне.

Физически фильтры могут быть построены с помощью RC-цепей (резистор-конденсатор), LC-цепей (катушка-конденсатор и т.д.

Управление аппаратурой при аналоговом подходе осуществляется плавно с помощью переменных сопротивлений и конденсаторов.

При цифровом подходе исходный сигнал оцифровывается через определенные промежутки времени. Эти промежутки называются периодом опроса. Величина, обратная периоду опроса называется частотой дискретизации.

Важная задача при цифровой обработке сигнала – это правильный выбор периода опроса. Согласно теореме Котельникова-Шеннона достаточно двух отсчетов на период исследуемого гармонического сигнала чтобы восстановить его при обработке. Однако в реальных условиях (наличие помех, сложная форма сигналов) лучше исходить из необходимости десяти отсчетов на период, чтобы качественно обработать сигнал. Например, если частота исследуемого сигнала – 10 Гц, то частота дискретизации должна быть не менее 100Гц (период опроса не более 0,01с).

Еще одна особенность состоит в том, что цифровой сигнал дискретен не только по времени, но и по амплитуде. Поэтому при обработке необходимо знать соответствие одного дискретного отсчета физической единице измеряемого поля. Это соответствие называется единицей АЦП (ценой деления). Например, если при измерении разности потенциалов, на вход аналогового усилителя подавался сигнал с амплитудой 10мВ, а на выходе цифровой части аппаратуры этот сигнал соответствовал 10000 отсчетов, то единица АЦП в данном случае равна 1мкВ.

При цифровой обработке сигнала все последующие преобразования сигнала (фильтрация, спектральный анализ, хранение информации) могут производиться программно с помощью цифровых элементов. Управление аппаратурой в этом случае может осуществляться по программно формируемым цифровым командам.

Основные характеристики генераторных установок.

Форма возбуждаемого сигнала. При электроразведочных работах применяются сигналы разнообразной формы.

Постоянный ток используется очень редко, в силу плохой защищенности от помех.

Синусоидальная форма сигнала используется на высоких частотах в качестве несущей частоты. Генерация синусоидального сигнала большой мощности сложна физически.

Прямоугольные сигналы чаще используются в случаях, когда необходимо получить импульсное возбуждение. Дело в том, что реализовать короткий импульс сложно. Но можно работать используя фронты включения и выключения прямоугольных сигналов. В этом случае важной характеристикой является крутизна фронта сигнала.

Достаточно распространен в электроразведке и удобен сигнал в форме меандра (разнополярные симметричные прямоугольные импульсы). Такой сигнал легко получить даже при большой мощности путем перекоммутации полярности на выходе генераторного устройства. Кроме того, меандр помимо основной гармоники содержит еще и нечетные гармоники, что позволяет, возбуждая среду одной частотой, проводить измерения на 3-4 частотах.