Description:

"Инженерная и экологическая геофизика. Применение данных тензорной градиентометрии магнитного поля при поиске неразорвавшихся боеприпасов (Reducing tensor magnetic gradiometer data for unexploded ordnance detection). Роберт Е. Брекен (Robert E. Bracken) и Филип Дж. Браун (Philip J. Brown) из Геологической службы США рассказывают о проводимых в настоящее время работах по внедрению системы тензорной градиентометрии магнитного поля при поиске неразорвавшихся боеприпасов (UXO). Вторыми проведены опытные работы с тензорным магнитометром-градиентометром (ТМГ; tensor magnetic gradiometer system - TMGS) для продемонстрировать эффективность этого средства при поисках неразорвавшихся боеприпасов. Чтобы получить полезный результат, авторы создали процедуру обработки, на выходе которой получается фактический тензор градиента магнитного поля, а также простой способ визуализации сложных тензорных данных, который позволяет не только оценить достоверность полученного тензора, но и просматривать данные на промежуточных этапах. В результате получается карта изучаемой территории, на которой неразорвавшиеся боеприпасы отмечаются резкими пиками аномалий, расположенными практически над объектами поиска. Карта хорошо согласуется с результатами моделирования поля дипольных источников в известных положениях. Из этого следует, что процедура обработки верна, и на основе опытного образца ТМГ можно создать новое оборудование и системы обработки. Введение. Данные полевых измерений магнитного поля часто используются для определения параметров различных объектов и вмещающего разреза. Обычно данные получаются в виде скалярных величин, которые с помощью соответствующих процедур можно преобразовать в векторные. Расчет компонент вектора возможен, если скалярные данные получены на большой территории и с достаточным разрешением. При поисках неразорвавшихся боеприпасов источники находятся близко к точке измерения, что, по мнению Д. В. Смита (D.V. Smith), ограничивает применение такого подхода. Поэтому следует рассмотреть способы получения векторных данных. В одном из таких методов - картировании диполей (dipole mapping; см. Wynn et al., 1975) - по тензору определяются положение, глубина и момент диполя. Есть методы, основанные на использовании инвариант тензора (Pedersen and Rasmussen, 1990), которые мы вкратце обсудим. При измерении градиента определяется разность показаний двух магнитометров. Эта разность, деленная на расстояние между датчиками, дает градиент в направлении линии, проведенной через положения датчиков. Для данного направления линии имеется три значения градиентов, соответствующих трем компонентам вектора; линейно независимых направлений тоже три; таким образом, получается девять значений градиента. Их можно представить в виде матрицы, называемой тензором градиента магнитного поля: Поскольку дивергенция и ротор магнитостатического поля в области, свободной от источников, тензор оказывается симметричным, а след его равен нулю; независимых компонент всего пять. Тензор градиента магнитного поля и три компоненты самого поля полностью описывают магнитное поле первого порядка; эти величины и являются результатами измерений с TMGS. Аппаратура. Аппаратура TMGS состоит из двух основных блоков. На рис. 1 показан блок датчиков TESSA (tetrahedral em mag sensor suspension apparatus - тетраэдрический подвес электромагнитных датчиков), представляющий собой тетраэдр высотой 1 м, в вершинах которого расположены четыре трехкомпонентных датчика магнитного поля. Во втором блоке имеется термостатический контейнер для схем магнитометра. Там же находятся схемы для измерения температуры каждого датчика и оцифровки показаний датчиков. Данные измерений записываются на переносной компьютер через интерфейс RS-232. В качестве датчиков используются трехкомпонентные феррозонды производства компании Narod Geophysics (Narod, 1987), применяемые в магнитных обсерваториях Геологической службы США. Изначально TMGS конструировался для обнаружения магнитных явлений в вулканах при стационарных наблюдениях (Bracken and others, 1998). Инженерная и экологическая геофизика. Методика работ. 12 марта 2003 г. Геологическая служба США использовала TMGS в опытных работах по поиску неразорвавшихся боеприпасов на специализированном испытательном полигоне Юма (США, шт. Аризона). Объектом поиска была минометная мина калибром 60 мм на глубине 0.25 м. Выполнено 10 стационарных измерений с частотой 5 отсчетов в секунду на участке размером 3 х 3 м по квадратной сети 0.25 х 0.25 м (Smith and Bracken, 2004). Получены данные трех видов: (a) исходные данные по магнитному полю и координаты точек; (b) калибровочные измерения; и (c) опорные измерения температуры. Некоторые калибровочные измерения проведены в лаборатории. Рис. 1. Блок датчиков системы TMGS (TESSA). Из-за размещения датчиков на транспортном средстве, что требуется при поисках неразорвавшихся боеприпасов, данный эксперимент проведен как серия стационарных наблюдений по некоторой сети. В системе обработки предусмотрена работа с данными, полученными в движении. Кроме того, геометрия датчиков и расстояние между ними не подходит для работы с резко меняющимся полем, порожденным неразорвавшимися боеприпасами на малых глубинах. Для работы в таких условиях в обработку (рис. 2) включен этап "увязки градиентов" ("gradient collocation"). Идея метода. В ходе обработки данные наблюдений преобразованы в тензоры по сети 13 х 13 узлов. Далее для удобства представления результатов по тензорам были рассчитаны определители; карты этих скалярных величин приведены на рис. 3-6. Любой тензор градиента можно представить в такой системе координат (называемых главными осями), что все внедиагональные компоненты будут равны нулю. Произведение этих компонент можно рассматривать как объем параллелепипеда, построенного на главных осях; чем больше объем, тем сильнее градиент. Эта скалярная величина называется инвариантом тензора и рассчитывается путем вычисления его определителя; приведение к диагональному виду как таковое необязательно (Pedersen and Rasmussen, 1990). Вблизи источника такой определитель будет максимальным. На карте определителя прямо над объектом будет, как правило, резкий экстремум (минимум или максимум), а иногда резкий переход через ноль. Определение диаграммы направленности. Рис. 3 Карта определителя. Калибровочные коэффициенты. Определитель рис. 4 Определитель рис. 5 Обозначения Положение НРБП Точки наблюдения Рис. 2 Алгоритм ввода поправок системы TMGS. Рис. 6 Карта определителя по результатам моделирования с положениями диполей модели Поправка за девиацию вводится на соответствующем этапе обработки (рис. 2). В данном случае поправки за девиацию не вводились, поскольку блок датчиков в ходе измерения был неподвижен. На рис. 3 представлена карта определителя, рассчитанного по данным, исправленным за девиацию, то есть, в нашем случае - просто по полевым данным. Поскольку магнитометры не калиброваны, в данных присутствует мощная постоянная составляющая, связанная с изменениями характеристик датчиков. Обозначения Положение НРБП Точки наблюдения Рис. 5 Карта определителя по обработанным данным В этом состоит отличие этой величины от скалярного поля, дающего размытую аномалию, заметную на значительном расстоянии от объекта. Обработка данных. Процедура детально описана в статье (Bracken and Brown, в печати). Проводится ввод поправок за три важных фактора: сползание нуля, постоянную составляющую и девиацию. Сползание нуля - это изменение калибровки цены деления прибора с течением времени и при изменении температуры. Постоянную составляющую, общую для всех датчиков (например, поле Земли) не всегда можно подавить полностью. Система, устойчивая к девиации, способна давать точные значения градиента и подавлять постоянную составляющую по ходу положения системы. Постоянная составляющая устраняется процедурами преобразования и ввода калибровочных коэффициентов (рис. 2). Если в одном и том же поле два датчика дают разные показания, эта ошибка войдет в измеренное значение градиента, причем ее нельзя будет отличить от истинного градиента. Обычно такие ошибки возникают при измерении малых градиентов. Поэтому очень важно иметь полный набор точных калибровочных коэффициентов для применяемых датчиков. В процедуре преобразования, созданной специально для датчиков, которые мы применяли, используются данные лабораторных измерений. Процедуру ввода калибровочных коэффициентов можно применять для любого векторного магнитометра, в ней используются результаты определения диаграммы направленности, которую проводят, медленно поворачивая блок датчиков в поле Земли. Калибровочные коэффициенты рассчитываются с помощью нелинейной регрессии и приводят показания каждого датчика." Ключевые слова: измерение, градиентометрия, датчик, объект поиск, narod, показание, рассчитать, сша, показать, юма, составлять, модель, bracken, rasmussen, точка, поиск нрбп, соответствовать, вектор, калибровочный коэффициент, август, обозначение, резкий, расчёт, результат, geophysics, break август, использоваться, нуль, обычный, получаться, инженерный экологический, тензор, экологический, исправленный, значение, tmgs, инвариант, представить, провести, скалярный величина, специальный тема, gradiometer, геофизик, break, магнитный, инженерный, magnetic, поправка, поле, тензор градиент, определитель, калибровочный, положение, дать, блок, получить, магнитный поле, магнитометр, система, wynn, ввод поправка, изменение, специальный, карта, smith, применять, система обработка, температура, преобразование, data, точка наблюдение, намек, теоретический, объект, величина, постоянный составлять, постоянный, обработка, отличие, векторный, тензорный, magnetic gradiometer, градиент, расстояние, тензорный градиентометрия, ход, brown, ввод, земля, нрбп, давать, карта определитель, поиск, pedersen, компонент, тема, вывод, девиация, коэффициент, этап, ось, поле земля, tensor magnetic, экологический геофизик, аномалия, скалярный, eage, полевой, полученный, источник, процедура, август инженерный, tensor, диполь, опорный, наблюдение, создать