Главная » Публикации » Разработка комплекса технических и программных средств

Разработка комплекса технических и программных средств

Автор(ы): Волковицкий А.А., Дроботенко А.Н.   

В ГНПП «Аэрогеофизика» на протяжении последних трех лет ведется работа над созданием нового комплекса технических и программных средств, реализующего принципы электромагнитной аэрогеофизической системы на основе метода ДИП-А (аэровариант дипольного индуктивного профилирования). О сложных путях и результатах этой разработки авторы и пытаются рассказать. К сожалению, изложение данного материала связано с определенными трудностями. Заманчивым представлялось попытаться связать скурпулезно изложенные результаты с общеизвестными научными предпосылками и торжественно объявить о том, что работа завершена. Можно было бы даже аккуратно обозначить основные направления нашей планируемой деятельности и в связи с ними ­ тенденции развития аппаратной базы «Аэрогеофизики» в целом. Однако, авторам, как разработчикам, представляется, что, во-первых, предъявленный научной общественности сухой плоский результат теряет выразительность, а, кроме того, разработчику всегда хочется показать не только результат, но и красоту решения задачи. В связи с этим пришлось изложить материал как отчет, а скорее даже — как отдельные страницы полевого дневника, шаг за шагом — весь путь, начав изложение с основных предпосылок не только отдельных решений, но и самого проекта. Мы отдаем себе отчет в том, что такое изложение материала, увы, небезупречно. Во-первых, все здесь описываемое в определенном смысле является «нижним бельем» «Аэрогеофизики», а, во-вторых, содержит в себе, в столь же определенном смысле, надежды на успех в острой конкурентной борьбе. Итак.

В блестящем обзоре истории развития электромагнитных систем Д.Фонтэйна (1) вскользь упоминается о методе ДИП-А (дипольное индуктивное профилирование), при этом недвусмысленно дается понять, что и сам метод ДИП, и его аппаратная реализация есть не что иное, как всемирно известный прибор F400. Это не вполне соответствует действительности. Метод ДИП зародился в СССР, здесь разрабатывались его научные основы, строились первые образцы аэроэлектроразведочной аппаратуры. Метод, как и все в России, самобытен. Частотный в чистом виде, но в то же время реализованный по системе «fixed wing», метод обладает рядом интересных особенностей. Его теория применения в геофизическом интерпретационном процессе достаточно детально описана в работах Б.С. Светова, да и в материалах ГНПП «Аэрогеофизика» и, вообще-то говоря, к предмету работы группы разработчиков аппаратуры и бортовых программ прямого отношения не имеет.

Наша работа началась с анализа результатов предшествующих программно-аппаратных разработок в рамках уже работающего метода, и, после недолгих колебаний, нами было принято решение о дальнейшем развитии аппаратного комплекса именно метода ДИП. Надо сказать, что непосредственно предшествовавшая реализация комплекса, была выполнена уже с применением достаточно «тяжелой артиллерии» — сигнального процессинга, цифровой фильтрации и синхронного детектирования, цифрового управления процессами автоматической коррекции фазы и компенсации эллиптичности измеряемого поля, вызванной влиянием собственной проводимости летательного аппарата и буксируемой гондолы. Прибор показал в целом исключительно высокие рабочие характеристики, однако, во многом сохранил неприятную особенность всех предшествующих реализаций — нестабильность. В реальном полете систему удается настроить с очень высокой точностью и чувствительностью — примерно 100 ppm по каналу измерения отношения полуосей эллипса поляризации, однако, эту точность не удавалось поддерживать в течение длительного времени. Далеко не всегда причиной этого являлось существенное изменение внешних условий. По большей части, основные ошибки были вызваны фазовой нестабильностью самой измерительной аппаратуры. Кроме того, в некоторых случаях метод стал давать, мягко говоря, странные результаты.

От этой точки в состоянии дел и началась наша работа. В первую очередь нами была проработана задача построения цифрового полосового фильтра, и реализующего этот фильтр очень быстрого алгоритма. Данная работа продолжалась около года, сопровождалась чередой радостей и разочарований и завершилась созданием фильтра с глубиной примерно 150 дБ при очень глубоком подавлении первого лепестка. Вычислительная производительность алгоритма значительно превзошла самые радужные прогнозы. Достаточно сказать, что в создаваемой нами системе четырежды в секунду вычисляется около ста квадратурных компонент на обычном компьютере Intel Pentium 200. Частотная характеристика фильтра приведена на рис.1.

Рис. 1

На данном этапе работы мы провели согласование основных рабочих характеристик будущей системы со специалистами-геофизиками, в чьих руках находились вожжи процесса интерпретации, а, следовательно, и все возможные перспективы метода. Мучительная борьба за каждый младший значащий разряд завершилась подписанием технического задания на разработку частотной электромагнитной системы на принципах метода ДИП со следующими техническими характеристиками:

Набор частот — всего четыре частоты (но какие!) — 130Гц, 520Гц, 2080Гц и 8320Гц. Работавший над этой проблемой, надеюсь, оценит красоту полета. Нижняя частота располагается как раз между двумя очень мощными гармониками — второй и третьей, индустриальной частоты 50Гц. Увеличенная вдвое по отношению к предшествующей реализации верхняя частота, в свою очередь, требует и высокой частоты дискретизации сигнала — в нашей системе она равна увосьмиренной верхней частоте 66560Гц.

Система измерительных рамок — трехкомпонентная. Здесь следует остановиться особо. Из курса теории магнитного поля известно, что его напряженность (индукция) убывают обратно пропорционально кубу расстояния от источника поля (если считать его точечным), а чувствительные рамки нельзя располагать близко друг к другу, иначе они будут друг на друга сильно влиять. Традиционные воздушные катушки обычно располагались на расстоянии около 0.5м. В нашем случае при идеальных свойствах измерителя сигнала отношение сигналов передней и задней измерительных катушек гондолы при длине троса-кабеля около ста метров составило бы 1003/1013 = 0,970. Ориентационное расхождение равное ТРЕМ процентам при ожидаемой точности метода 50ppm — просто катастрофа! Возможно черт действительно не так страшен, как его малютки, и с этой проблемой удалось бы справиться, приняв некоторые допущения, однако отлаживать такую систему пришлось бы с очень большими ухищрениями. Не очень продолжительный анализ проблемы укрепил нас в и без того твердых намерениях применить в системе ферритовые чувствительные рамки, расположив их компактно и симметрично относительно друг друга. Должны признаться — это предположение было (да, пожалуй, и остается) весьма рискованным в связи с возможной нелинейностью системы и наличием даже у самого лучшего феррита присущей ему коэрцитивной силы. Единственное, что придавало нам силы в борьбе не только со своими сомнениями, но и с оппонентами-противниками-феррита, так это то, что технология производства замечательных экранированных воздушных катушек была отлажена уже до нас при реализации предшествующего прибора, а может быть, даже раньше, да и самих воздушных катушек у нас немало. Использовать их и вернуться к старому мы всегда успеем. Хотя и этот тезис не вполне корректен — повышение верхней рабочей частоты вдвое по отношению к предшествующей реализации требует существенного повышения эффективности электрического экранирования катушек. Сделанная нами компактная система самих по себе экранированных рамок (рис 2.) помещена в общий двойной экран. Как мы будем это делать при размерах чувствительной системы около метра, трудно даже предположить. Будем, однако, обрабатывать неприятности исключительно по мере их поступления. Пока же нет никаких оснований считать сделанные нами ферритовые рамки непригодными для работы. Более того, на наш взгляд они очень хороши.

Рис. 2


Точность системы по каналу измерения полуосей эллипса поляризации — 20ppm при длине тросс-кабеля 100м. Такая точность при частоте 8320Гц может быть пересчитана в точность измерения фазы сигнала, а значит и времени. Несложные расчеты показали, что ошибка измерения времени в системе не должна превышать 2 — 4 нс. В связи с этим нами предприняты все необходимые меры: частота тактирующего осциллятора в системе сделана максимальной для выбранной элементной базы и равна 272 МГц, измерительная система охвачена схемой непрерывного фазового сопровождения, проведено большое количество наземных экспериментов, однако полной уверенности в том, что такая точность будет развиваться в столь пространственно разнесенной системе у нас нет до сих пор.

Схема и принципы работы генератора возбуждающего поля в техническом задании определялись лишь приблизительно. Мы же с самого начала решили использовать традиционную для самых первых версий аппаратуры ДИП резонансную схему генератора возбуждающего поля. На наш взгляд, она хороша тем, что дает значительный выигрыш не только в энергетических характеристиках, но и значительно снижает уровень паразитных гармоник в передаваемом сигнале. Генератор работает на многовитковый петлевой диполь, вектор момента которого направлен вертикально (по Д.Фонтэйну — диполь Z). Кроме основного возбуждающего генератора в системе имеются еще два менее мощных, назначение которых нами пока до конца не определено. Ясно только, что они служат для компенсации влияния проводящих свойств самолета и выпускной системы на результат измерений. Какой именно сигнал будет ими излучаться станет ясно после того, как окончательно победит одна из точек зрения на процесс компенсации. Токи всех трех генераторов измеряются точно так же, как сигналы приемных рамок.

Реализация непринципиальных для метода схем управления и передачи данных по длинной линии связи и связи с бортовой ЭВМ выполнена нами с применением программируемых логических матриц XILINX, уже традиционных для наших разработок. На самом деле именно эта часть системы наиболее сложна и капризна, по сей день находясь в состоянии перманентного улучшения. Вместе с тем, являясь концептуально гибкой и в то же время мощной, система взаимодействия с удаленным объектом и высокопроизводительный канал передачи данных по линии связи, а также стык с бортовой ЭВМ рассматриваются нами как основа целого семейства будущих разработок.

Прототип системы был нами изготовлен еще в январе 1999 г., однако перед проведением летных испытаний оставалось сделать самую малость — разработать алгоритмы и написать программу коррекции измеренных данных, исходя из представлений об инвариантности отношения полуосей эллипса поляризации, комплексной и действительной сумм квадратов измеренных сигналов чувствительных рамок, постоянства фазы зондирующего вектора и здравого смысла.

Рис. 3

Рис.3 Иллюстрирует полученный результат.
На картинке — 4 рабочих частоты
(нижняя, как обычно, сверху).

Красная кривая — график изменения отношения полуосей эллипса поляризации
(вся шкала -0.002)

Синий и зеленый графики — проекции синфазного вектора на направления осей чувствительности.
Даны для иллюстрации процесса вращения системы.
Имевший с этим всем дело поймет: такой эксперимент на земле очень трудно сделать корректным. Во-первых, вблизи земли слишком велико влияние индустриальной частоты, во-вторых, трудно добиться однородности поля в зоне измерений. Кроме всего прочего, понадобилось вывезти аппаратуру и весь боевой личный состав на полевые работы в труднодоступные районы со слаборазвитой энергетической системой. Мы честно пытались сделать все это в лаборатории, но так и не смогли.

Проведенные работы в целом подтвердили правильность выбранной концепции прибора. Промеренные один раз параметры коррекции оставались стабильными в течение 12 часов, однако процесс их измерения очень сложен. Кроме того, совершенно очевидно, что все полученные величины потеряют актуальность при намокании гондолы или самолета, а тем более их обоих. Нужен другой подход к определению параметров коррекции, более пригодный к измерениям в полете. Его-то изобретением мы сейчас и занимаемся. Предварительные результаты обнадеживающи.

Отметим также, что некоторые узлы будущей системы уже работают на усовершенствованной нами предыдущей версии прибора. Такую опытную отладку и, в определенном смысле, летные испытания прошли усилители и предварительные фильтры приемных рамок, схемы управления и выходные каскады усилителя мощности вспомогательных генераторов и кое-что еще.

В настоящий момент система готовится к проведению основного этапа летных испытаний, которые ожидаются весной 2000 года. Надеемся, что практически сразу система поступит на вооружение, пополнив и без того богатый арсенал технических средств и аэрогеофизических методов ГНПП «Аэрогеофизика»

Литература

1. D.Fontain. Airborne electromagnetic systems — 50 years of development».( Exploration Geophysics, Vol.29,1998)
2. Светов Б.С. Теория, методика и интерпретация материалов низкочастотной индуктивной электроразведки. М. Недра, 1973 г.