авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Новые способы, аппаратура и устройства, повышающие эффективность сейсмических исследований

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Сенин Лев Николаевич НОВЫЕ СПОСОБЫ, АППАРАТУРА И УСТРОЙСТВА, ПОВЫШАЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Специальность 25.00.10 – «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург – 2009

Работа выполнена в Институте геофизики УрО РАН (г. Екатеринбург)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Силаев Валерий Аркадьевич доктор технических наук Астраханцев Юрий Геннадьевич доктор геолого-минералогических наук, профессор Кашубин Сергей Ни колаевич

Научный консультант:

Советник РАН, Главный научный сотрудник ИГф УрО РАН, член корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор В. И. Уткин

Ведущая организация: Пермский государственный университет (кафедра геофизики)

Защита состоится «»2009 г. в _ в актовом зале на заседании диссертационного совета Д 004.009.01 при Институте геофизики УрО РАН по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, дом 100.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геофизики УрО РАН.

Автореферат разослан «»2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор физико-математических наук, профессор Хачай Ю. В.

Актуальность темы Известно, что проблема изучения Земных недр является прерогативой гео физических исследований, среди которых ведущее место занимают сейсмиче ские методы, позволяющие получать сведения о глубинном строении Земли, заниматься решением задач поиска предвестников землетрясений, решать при кладные вопросы, касающиеся увеличения минерально-сырьевых запасов, в том числе топливно-энергетических, решать задачи инженерно-геологического характера и т. д.

Основополагающим при производстве сейсмических работ является кри терий качества регистрации сейсмической информации, определяемый способ ностью сейсморегистрирующей и обрабатывающей систем минимизировать влияние различных искажающих факторов на исходный сейсмический сигнал в процессе измерения.

Другим существенным критерием для сейсмических исследований являет ся наиболее высокая информационная емкость по сравнению с любым другим методом геофизики, что затрудняет оперативность выдачи конечного результа та.

Отмеченные факторы оказывает существенное влияние как на развитие аппаратурной базы, сейсморегистрирующих, обрабатывающих систем, так и на формирование методических приемов при производстве сейсмических иссле дований.

Таким образом, создание новых способов и средств, улучшающих техни ческие параметры сейсморегистрирующих систем, внедрение их в аппаратуру, разработка оригинальных методов и сейсмоизмерительных приборов, повы шающих эффективность сейсмических исследований, является актуальной за дачей, решению которой посвящена настоящая работа.

Цель работы Разработка способов и устройств преобразования аналоговых сейсмиче ских сигналов, обеспечивающих снижение плотности цифрового потока дан ных без потери полезной информации, повышение точности преобразования, а также разработка алгоритма и аппаратной реализации цифровой коррекции смещения нуля.

Разработка способа сейсмических исследований, позволяющего длитель ное время проводить автономную регистрацию сейсмического поля и опера тивно оценивать динамику его поведения во времени, т. е. сократить время принятия решения в случае возникновения стрессовой ситуации.

На базе перечисленных аппаратно-методических разработок создание эко номичной компактной сейсмической станции и универсального автономного регистратора сейсмических сигналов.

Научная новизна На основе теоретических исследований, компьютерного и физического моделирования, изучения и сравнения технических и эксплуатационных харак теристик макетных образцов разработанных устройств и методов, воплощен ных в устройства, автором сформулирован ряд технических предложений, но визна которых подтверждена 7-ю патентами и 2-мя авторскими свидетельства ми на изобретение.

1. На базе алгоритма дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) разработан новый способ преобразования аналоговых сейсмических сигналов, характеризующийся снижением плотности потока цифровых данных на выходе и повышением эффективной разрешающей способности, т. е. расши рением динамического диапазона преобразования.

2. Предложены две оригинальные схемы аналого-цифровых преобразова телей (АЦП), реализующие новый способ, первая из которых дополняет петлю обратной связи ДИКМ фильтром низкой частоты (ФНЧ) и усилителем, во вто рой схеме используется управляемый ФНЧ следящего типа.

3. Предложены и реализованы схемы АЦП для сейсморегистрирующей ап паратуры, в основе работы которых лежит принцип дельта-модуляции (ДМ).

Устройства обеспечивают многоканальность и хорошую степень точности пре образования. Введенный в одну из схем блок адаптации управляет размером шага квантования, изменяя его в зависимости от скорости изменения входного аналогового сигнала. При этом сохраняется максимальное разрешение на экс тремумах сигнала при относительно низкой частоте дискретизации.

4. Разработаны способ сейсмического мониторинга и регистратор сейсми ческих сигналов, реализующий данный способ, позволяющие оперативно оце нивать динамику изменения сейсмического поля в точке наблюдения. Для реа лизации функции оперативности и значительного увеличения времени непре рывной регистрации в алгоритм сейсмического мониторинга вводится новый элемент - вычисление энергии сейсмических волн по измеренным компонентам смещений (Z, X, Y) с последующей регистрацией результата вычисления в точ ке измерения за некоторый заранее установленный интервал времени (времен ное окно), выбираемый в зависимости от полосы частот регистрируемых сигна лов и длительности затухания сейсмической волны до фонового уровня при импульсном воздействии. При площадных наблюдениях полученные энергети ческие уровни сводятся в единую динамическую карту вариаций распределения сейсмической энергии для соответствующих компонент смещений.



Аналого-цифровой преобразователь регистратора выполнен на базе разра ботанных автором способа и устройства преобразования аналоговых сигналов, что обеспечило уже при 12-разрядном кодировании качественное мгновенное преобразование входных сейсмических сигналов в диапазоне порядка 92 дБ ( - 16 разрядов при традиционной ИКМ) и, одновременно, позволило увеличить время непрерывной регистрации за счет снижения плотности цифрового потока данных на выходе АЦП.

5. Разработана компактная, моноблочная, экономичная сейсмическая стан ция с гибкой архитектурой встроенной мультиконтроллерной системы управ ления и обработки. Станция позволяет осуществлять многократные синхрон ные суммирования входных сейсмических сигналов со знаком «+» или «-», причем последнее весьма существенно при регистрации поперечных волн SH.

В станцию введен разработанный автором алгоритм цифровой коррекции сме щения нуля. Это позволило значительно снизить влияние или полностью уст ранить такие факторы, как температурный дрейф нуля, смещение нуля, обычно проявляющие себя в цепях аналоговой обработки сейсморегистрирующего ка нала и вносящие существенные искажения в режиме многократных синхрон ных суммирований входных сигналов. Экономичность и компактность станции обеспечили надежную работу прибора при производстве полевых сейсмических исследований бригадой из 2 – 3 человек в течение 7 – 8 полноценных рабочих смен без дополнительной подзарядки аккумуляторной батареи емкостью всего 16 – 18 Ач.

Защищаемые положения 1. Новый способ преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой вид, отличающийся тем, что за счет комбинации традиционных ме тодов модуляции повышается точность преобразования при малых уровнях входных сигналов, уменьшаются или полностью устраняются искажения по лезной информации при передаче ее в блок сохранения, обеспечивается адек ватность входных и выходных данных, что позволяет повысить детальность об работки и интерпретации сейсмической информации и в конечном счете повы шает достоверность геофизических материалов.

2. Новый способ оперативного сейсмического мониторинга и регистратор сейсмических сигналов, реализующий данный способ, в основе которых лежит алгоритм вычисления энергии одной или нескольких компонент измеренного сейсмического сигнала с последующей регистрацией результатов вычислений в точке наблюдения. В отличие от традиционного сейсмического мониторинга, при площадных работах за счет многократного снижения плотности инфор мационного потока способ обеспечивает оперативную качественную оценку изменения динамики поведения одной или нескольких компонент сейсмическо го поля практически в реальном времени. За счет введенного в регистратор но вого комбинированного АЦП обеспечивается дополнительное снижение плот ности потока выходных данных, расширение динамического диапазона изме ряемых сигналов и точность их представления в цифровом виде, в результа те чего повышается достоверность кинематической и динамической обработки и дальнейшей интерпретации сейсмограмм.

3. Серия новых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для сейсморе гистрирующей аппаратуры на основе комбинации импульсно-кодовой модуля ции (ИКМ), дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) и дельта-модуляции (ДМ), отличающаяся от известных организацией мультика нального режима при измерениях относительных величин выборок входного сигнала;

введением оригинальных узлов адаптации, обеспечивающих расшире ние динамического диапазона преобразования;

снижением плотности инфор мационного потока на выходе по меньшей мере на 25%;

повышением точности преобразования на экстремумах входного сигнала.

4. Накопительная сейсмическая станция с новым алгоритмом цифровой коррекции смещения нуля. Реализованный алгоритм вычисления и введения поправки смещения нуля в каждую сейсмическую трассу станции отличается простотой, минимальными затратами вычислительных мощностей, малым вре менем выполнения операции, не влияющим на производительность работ. В ре зультате практически полностью устраняются такие факторы, как температур ный дрейф нуля и смещение нуля сейсмической трассы, искажающие инфор мацию при выполнении операции многократных синхронных суммирований входных сигналов. Сравнительный анализ с известными мировыми образцами аппаратуры данного класса по пунктам «экономичность» и «компактность» по казал превосходство разработанной станции, а широкий рабочий температур ный диапазон позволил реально использовать ее практически в любых клима тических зонах без каких-либо дополнительных условий кондиционирования.

Апробация работы Основные результаты работы неоднократно докладывались, а разработан ная аппаратура демонстрировалась на Ученом Совете и секции Ученого Совета «Региональные геофизические методы изучения земных недр» Института геофизики УрО РАН;

на международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформен ных областей литосферы» (г. Екатеринбург, 1998);

на научно-промышленном форуме «Приборостроение – 2002» (г. Екатеринбург, 2002);

на научно промышленном форуме «Приборостроение – 2004» (г. В. Пышма Свердловской области, 2004);

на Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело. Обо рудование. Технологии.» (г. Екатеринбург, 2006);

на III Урало-Сибирской на учно-промышленной выставке «Научно-промышленная политика и перспекти вы развития Урала и Сибири» (г. Екатеринбург, 2007). Кроме того, научные ре зультаты по теме работы представлены 28 публикациями, в том числе 12 рабо тами, включенными в список ВАК, и 1 авторской монографией.

Практическая ценность С помощью аппаратуры, разработанной автором в период с 1993 по г.г., проводились следующие сейсмические исследования. Опытные работы МПВ на территории г. Екатеринбург, участки «Зеленая роща», лесопарковая зона района Юго-западный, участок района «Уктус». Опытные и опытно производственные мониторинговые работы в обсерватории ИГф УрО РАН «Арти», на территории Ильменского заповедника (Челябинская область), на территории ПО «Маяк» (Челябинская область);

производственные профильные работы МПВ в районе г. Северобайкальск (Читинская область), работы выпол нялись ООО «Сибгеотехносервис» на сейсмостанции ИГф УрО РАН;

производ ственные работы МПВ на территории г. Сухой Лог и в пригороде г. Камышлов (Свердловская область): обследование автодорожного полотна;

площадные мо ниторинговые наблюдения по проекту МНТЦ KR-187-2 (Республика Кыргыз стан);

опытно-методические работы МПВ на Суранском флюоритовом место рождении (Башкортостан);

площадные опытно-методические работы МПВ при обследовании археологических захоронений в районе древнего поселения Ар каим (пос. Ольгино, пос. Коноплянка, Челябинская область);

научно исследовательские и опытно-методические работы по изучению резонансных и автоколебательных характеристик конструкций и элементов строительных со оружений (г. Екатеринбург);

изыскательские работы по выбору площадки под строительство Южно – Уральской АЭС (Челябинская обл.) и т. д.

Разработанная и переданная заказчикам аппаратура использовалась и ис пользуется в настоящее время Институтом геологии Коми НЦ УрО РАН, г.

Сыктывкар;

ФГУГП «Баженовская геофизическая экспедиция», г. Заречный Свердловской области;

«Исследовательским центром студенческой молодежи», г. Нефтеюганск (аппаратура передана в порядке оказания технической помощи для использования в учебном процессе);

ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург;

ООО «Геостройком», г. Москва;

«Уральская государственная горно-геологическая академия», г. Екатеринбург (аппаратура передана для использования в учебном процессе);

ООО «Техноуголь», г. Владивосток и др.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, непо средственной разработке, испытаниях аппаратуры и способов, предназначен ных для сейсмических исследований. Разработка и развитие аппаратных и ме тодических комплексов осуществлялись под общим руководством автора и при его непосредственном участии на всех этапах, включая обоснование алгорит мических, схемотехнических и методических решений, планирование и прове дение экспериментов, написание статей, монографии и оформление заявок на изобретения, в том числе:

-разработка способа преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой эквивалент, обеспечивающего повышение точности соответствия ис ходной сейсмической информации цифровым данным, подлежащим компью терной обработке и интерпретации при построении скоростных и глубинных моделей изучаемой геологической среды;

-разработка способа сейсмического мониторинга, направленного прежде всего на реализацию возможности оперативной качественной оценки поведения сейсмического волнового поля в изучаемом секторе пространства в реальном масштабе времени;

-разработка функционального построения, схемотехнического решения и принципиальных электронных схем аналого-цифровых преобразователей сейс мических сигналов, в основе которых лежат принципы дифференциальной им пульсно-кодовой модуляции и дельта-модуляции;

-разработка алгоритма и функционирования на уровне принципиальных электронных схем универсального регистратора сейсмических сигналов «Ре гистр», реализующего как традиционную задачу прямого фиксирования реаль ных сейсмических сигналов, так и задачу измерения величины смещения одной или нескольких компонент сейсмического сигнала, вычисления энергии сигна ла соответствующей компоненты в заданном окне и ее регистрацию в точке наблюдения;

-алгоритмизация работы мультиконтроллерной 24-канальной сейсмиче ской станции «Синус», разработка всех схемотехнических и топологических решений, разработка и введение в рабочий алгоритм стации вычисления по правки за смещение нуля каждой сейсмической трассы в соответствии с прин ципами, изложенными в патенте RU №2248592.

Неоценимую помощь при разработке, создании и внедрении способов и аппаратуры для сейсмометрических исследований, изложенных в настоящей работе, оказала автору высококвалифицированный программист, научный со трудник лаборатории сейсмометрии Татьяна Егоровна Сенина.

Автор выражает глубокую признательность Директору Института Геофи зики УрО РАН член-корреспонденту РАН, д.ф-м.н., профессору Петру Сергее вичу Мартышко за оказание помощи в исследованиях, организации НИР и про изводственных работ, обеспечивающих подтверждение и научную значимость настоящих исследований;

Советнику РАН, Главному научному сотруднику ИГф УрО РАН, член-корреспонденту РАН, д.т.н., профессору, Владимиру Ива новичу Уткину, Заместителю директора по науке ИГф УрО РАН, доктору фи зико-математических наук Виктору Тихоновичу Беликову за ценные указания, разъяснения и консультации по ряду вопросов, возникавших в процессе работы над диссертацией;

Главному научному сотруднику ИГф УрО РАН, доктору геолого-минералогических наук Азе Григорьевне Дьяконовой, Главному науч ному сотруднику ИГф УрО РАН, доктору технических наук Александру Ива новичу Человечкову за полезное сотрудничество в процессе работы над диссер тацией, участие в обсуждении возникающих проблем прикладного характера.

Автор благодарит сотрудников лаборатории сейсмометрии Института гео физики ведущего научного сотрудника, кандидата геолого-минералогических наук Владимира Степановича Дружинина, старшего научного сотрудника Па рыгина Геннадия Ивановича, старшего научного сотрудника Гуляева Алексан дра Николаевича, инженера Владимира Михайловича Сень, водителя спецав томобиля Сергея Александровича Колясникова, зам. директора ИГф, кандидата геолого-минералогических наук Виктора Сергеевича Иванченко, зав. лаборато рии – обсерватории «Арти», кандидата геолого-минералогических наук Олега Александровича Кусонского, старшего научного сотрудника лаборатории ре гиональной геофизики, к. ф-м. н. Аркадия Васильевича Овчаренко за поддерж ку, творческое участие в решении ряда вопросов, оказание помощи в организа ции и проведении полевых работ.

Содержание работы Диссертационная работа содержит 284 страницы машинописного текста, состоит из введения, пяти глав и заключения, в том числе 18 таблиц и 110 ри сунков. Список литературы включает 88 наименований.

В первой главе диссертации рассматриваются теоретические основы мето дов аналого-цифрового преобразования, применяемых в сейсморегистрирую щих системах, структура сейсморегистрирующего канала, основные требования к его элементам.

Далее здесь рассматриваются основные положения, определяющие прин ципы преобразования аналоговых сигналов применительно к наиболее распро страненным методам модуляции: дискретизация по времени, квантование по уровню и кодирование в импульсно-кодовой модуляции (ИКМ);

предсказание сигнала и характеристики некоторых специфических искажений в классической дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ);

формирование выходной одноразрядной кодовой последовательности в линейных дельта модуляторах (ЛДМ), сигма-дельта модуляторах (СДМ) и адаптивных дельта модуляторах (АДМ).

Проработка теоретических и схемотехнических основ аналого-цифрового преобразования позволила выделить наиболее перспективные направления для оптимизации АЦП сейсморегистрирующих приборов с целью улучшения их технических характеристик и в конечном итоге повышения адекватности полу чаемой геофизической информации реальным геологическим условиям.

Первое защищаемое положение Новый способ преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой вид, отличающийся тем, что за счет комбинации традиционных методов модуляции повышается точность преобразования при малых уровнях входных сигналов, уменьшаются или полностью устраняются ис кажения полезной информации при передаче ее в блок сохранения, обеспе чивается адекватность входных и выходных данных, что позволяет повы сить детальность обработки и интерпретации сейсмической информации и в конечном счете повышает достоверность геофизических материалов.





Известно, что цифровое преобразование аналоговых сигналов обеспечи вают устройства, от которых, в конечном счете, зависит качество сигнала, вос становленного после декодирования. В частности, такой параметр, как коэффи циент гармоник (Кг), тесно связан с количеством разрядов преобразования. На пример, при идеальном 16-разрядном преобразовании предельно достижим Кг 0,002 %. В реальных условиях этот параметр несколько хуже (0,05 %), что объясняется неидеальностью самого преобразователя и элементов, окружаю щих его. Уровень шума квантования аКВ (дБ) и число двоичных разрядов N преобразования связаны между собой зависимостью:

аКВ = 6,02N + 1,76, что теоретически обеспечивает уровень шума квантования при 16-разрядном преобразовании -98 дБ.

Таким образом, 15…16 -разрядный преобразователь ИКМ позволяет ре шить задачу высококачественного цифрового преобразования аналоговых сиг налов.

При этом для полевой аппаратуры актуальной остается задача снижения количества разрядов преобразователя, т. е. уменьшение относительной плотно сти (скорости) выходного цифрового потока данных. Такую возможность дает, например, ДИКМ. Однако этот способ в классическом виде имеет существен ный недостаток - сложность восстановления исходного сигнала при появлении серии ошибок в процессе передачи или записи цифрового сигнала.

Указанный недостаток ДИКМ можно устранить в значительной степени, если попытаться скомбинировать его с традиционной ИКМ. Оригинальность здесь заключается в том, что в цифровую форму преобразуется не разность ме жду входным и восстановленным сигналами, как в классической ДИКМ, а сум ма входного сигнала и усиленная разность входного сигнала и сигнала, восста новленного после цифрового преобразования.

Этот метод можно было бы назвать разновидностью многоуровневой дель та-модуляции, если бы не одно существенное отличие. При любой дифферен циальной модуляции цифровому преобразованию подвергается разность теку щего значения выборки и выборки, восстановленной из цифровой последова тельности. Если эта разность отсутствует или мала, то отсутствует или мал уро вень сигнала, преобразованного в цифровую форму. В этом случае появление ошибок в процессе передачи цифровых данных сказывается на качестве восста новленного сигнала, так как следующие после ошибок отсчеты преобразован ного сигнала чрезвычайно искажены.

Если же при малом значении или отсутствии разности между текущим значением сигнала и сигналом, восстановленным из цифровой последователь ности, преобразованию подвергнуть сигнал, близкий по значению или равный входному, то ошибки передачи не будут оказывать такого большого влияния при восстановлении сигнала, так же, как и при обычной ИКМ. Поэтому данный способ преобразования скорее можно назвать не разновидностью какого-либо дифференциального метода, а ИКМ, дополненной ДИКМ или комбинирован ным способом, в котором ИКМ трансформируется в ДИКМ и наоборот в зави симости от параметров входного аналогового сигнала. При этом повышается качество преобразования по сравнению с традиционной ИКМ тем заметнее, чем лучше используется дополнение ДИКМ, но всегда не хуже исходной ИКМ.

Комбинированный способ при определенных условиях позволяет уже с 8 - разрядами цифрового кода получить такое же высокое качество преобразова ния, как при обычной ИКМ с 14 - 16 разрядами.

Рассмотрим реализацию данного способа, опираясь на функциональную схему, приведенную на рис. 1. Преобразователь состоит из сумматора М1, n разрядного АЦП М2, n-разрядного ЦАП М3, фильтра нижних частот М4, уст ройства вычитания М5 и усилителя М6.

U ВХ. U ВЫХ.

U Y M1 M M6 M f ТАКТ.

U ЦАП U Ф.

M5 M Рис. 1. Функциональная схема комбинированного преобразователя аналоговых сигналов ЦАП М3, ФНЧ М4, устройство вычитания М5 и усилитель М6 образуют петлю обратной связи, схожую с петлей обратной связи в ДИКМ. На выходе сумматора М1 будет действовать напряжение:

U = UВХ + (UВХ – UФ)КУС, (1) где UВХ - напряжение входного сигнала, КУС - коэффициент усиления усилите ля М6, UФ - напряжение на выходе ФНЧ М4, которое можно выразить следую щим образом:

UФ = UЦАП КФ, (2) где UЦАП - напряжение на выходе ЦАП М3, КФ - коэффициент передачи ФНЧ М4. Напряжение на выходе ФНЧ М4 можно представить как:

UФ = [(UВХ – U)/КУС] + UВХ. (3) Из соотношения (3) следует, что напряжение на выходе ФНЧ тем точнее повторяет входное напряжение, чем больше КУС усилителя М6. Так как выход ное напряжение ЦАП может принимать только дискретные значения, то про цесс преобразования протекает таким образом, что входной сигнал и сигнал на выходе ФНЧ совпадают в среднем.

В результате на выходе фильтра М4 появляется восстановленный из циф рового кода исходный аналоговый сигнал с наложенной высокочастотной со ставляющей, амплитуда которой зависит от соотношения частоты дискретиза ции fТАКТ и частоты среза ФНЧ fСР. Количественно уменьшение высокочастот ных составляющих при увеличении соотношения fТАКТ/fСР определяется спо собностью ФНЧ подавлять высокочастотные составляющие сигнала. Хорошо их подавляют фильтры высокого порядка, однако они вносят большой фазовый сдвиг на высоких частотах, что при увеличении коэффициента усиления КУС усилителя М6 может привести к самовозбуждению устройства. Поэтому не следует использовать фильтры выше второго порядка. В этом случае при уве личении соотношения fТАКТ/fСР уровень высокочастотных составляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличении коэффициента усиления КУС усилителя М6 прямо пропорционально увеличивать точность преобразования малых изменений входного сигнала.

Учитывая выше изложенное, можно оценить выигрыш от использования комбинированного способа преобразования. Например, если fТАКТ/fСР = 2, то это эквивалентно повышению разрешающей способности преобразования в 2 раза, т. е. соответствует прибавлению одного разряда преобразования по отношению к методу ИКМ. Соотношение fТАКТ/fСР = 64 уже эквивалентно добавлению сразу шести разрядов и т. д.

Второе защищаемое положение Новый способ оперативного сейсмического мониторинга и регистра тор сейсмических сигналов, реализующий данный способ, в основе кото рых лежит алгоритм вычисления энергии одной или нескольких компо нент измеренного сейсмического сигнала с последующей регистрацией ре зультатов вычислений в точке наблюдения. В отличие от традиционного сейсмического мониторинга, при площадных работах за счет много кратного снижения плотности информационного потока способ обеспечи вает оперативную качественную оценку изменения динамики поведения одной или нескольких компонент сейсмического поля практически в ре альном времени. За счет введенного в регистратор нового комбинирован ного АЦП обеспечивается дополнительное снижение плотности потока выходных данных, расширение динамического диапазона измеряемых сигналов и точность их представления в цифровом виде, в результате чего повышается достоверность кинематической и динамической обработ ки и дальнейшей интерпретации сейсмограмм.

Сейсмический мониторинг в настоящее время известен и востребован как один из способов долговременных сейсмических исследований, который в об щем виде можно алгоритмизировать следующим образом (рис. 2). На первом этапе осуществляется прием и аналого-цифровое преобразование сейсмических сигналов в точке наблюдения (In/ADC), затем полученные данные записывают ся и временно хранятся в буферной памяти (RAM), далее происходит передача данных (TXD) в пункт сбора и обработки, где информация интерпретируется в соответствии с заданными требованиями (Processing). На последнем этапе ре зультат обработки выдается пользователю (Display).

R1 R2 Rn In/ADC In/ADC In/ADC 1этап 1этап 1этап RAM RAM RAM 2этап 2этап 2этап TXD TXD TXD 3этап 3этап 3этап Processing 4этап Display 5этап Рис. 2. Алгоритм традиционной модификации сейсмического мониторинга.

Этапы 1 – 3 выполняются непосредственно в полевых условиях и являются составной частью алгоритма работы автономного сейсмического регистратора.

При проведении площадных наблюдений таких регистраторов может быть множество: R1, R2, …, Rn.

Вместе с тем, в ряде случаев при проведении мониторинговых наблюдений нет необходимости использовать полную сейсмическую информацию, особен но, если приоритетной является задача оперативного контроля временных из менений активности сейсмического поля исследуемого участка, например, на блюдения за производством карьерных взрывов, в частности, если карьер рас положен недалеко от жилых или промышленных сооружений. В таких случаях достаточно осуществлять оперативную качественную оценку развития сейсмо динамических процессов, т. е. временное картирование изменения энергии од ной или нескольких измеренных компонент сейсмического поля в точках реги страции с дальнейшей интерполяцией градиентов энергии между точками. Ес тественно, составление подобных карт возможно лишь с использованием ком пьютерных технологий. На аппаратном уровне для решения данной задачи не требуется регистрация реального сейсмического сигнала. Достаточно вычис лять и фиксировать величину энергии сигнала, измеренного по одной или не скольким компонентам, что значительно уменьшает плотность цифрового по тока данных на выходе, упрощает структуру регистрирующего устройства, снижает стоимость сейсморегистрирующей мониторинговой системы в целом.

Разработанный способ сейсмического мониторинга основан на использо вании принципа пропорциональности регистрируемых в течение фиксирован ного интервала времени сейсмических сигналов какой-либо компоненты энер гии сейсмического поля данной компоненты в точке приема. Конечно, в ре зультате примененного преобразования теряется детальность исследований, однако в ряде случаев эта потеря с избытком восполняется оперативностью ка чественной оценки временных изменений структуры сейсмического поля.

В методе используется известная теорема Релея, которая формулируется следующим образом: если дана какая-либо функция F(t) и известен ее ампли тудно-частотный спектр (), то + + F (t)dt = 1/ 2()d.

(4) - Пусть F(t) является функцией импульсного колебания, тогда F2(t) будет представлять собой аналогичную по форме, одностороннюю кривую.

В теореме показано, что интеграл, стоящий в левой части выражения (4), представляет собой энергию импульса F(t), а интеграл в правой части – пло щадь, ограниченную осью абсцисс и кривой квадрата амплитудно-частотного спектра.

Рассмотрим операцию вычисления энергии Z-компоненты сейсмической волны в точке измерения на примере. Рис.3а иллюстрирует сейсмограмму со бытия от импульсного воздействия, где Т1 и Т3 – время, в течение которого ре гистрировались фоновые значения сигнала, а Т2 – собственно импульсное воз действие с затуханием до уровня фона. Из преобразований теоремы Релея по нятно, что для прямой регистрации энергии сейсмических сигналов достаточно предусмотреть операцию вычисления площади кривой, которая в цифровой ре гистрирующей системе осуществляется простым суммированием выборок, т. е., зная величину выборки Ui в каждый момент времени ti, в нашем случае опреде ленного периодом дискретизации, можно рассчитать энергию для всей сейсмо граммы, что является суммарной площадью положительных и отрицательных полуволн сигнала.

Рис.3. Сейсмограмма импульсного воздействия (а) и расчетные гистограммы энергии при различных интервалах суммирования TWIN (b, c).

Однако если рассчитывать энергию для всей сейсмограммы, получим не которое значение, не отражающее поведение сигнала. Очевидно, следует про изводить вычисление энергии в некотором окне, позволяющем отобразить изменения энергетических уровней адекватно изменениям сигнала на исходной сейсмограмме. Опыт показал, что оптимальным является окно (интервал сум мирования), длительность которого составляет 3 – 10 видимых периодов на чальной фазы волны (Ts на рис.3а), возникающей при импульсном воздействии.

С другой стороны, окно не должно превышать время от момента возникновения волны до ее затухания (интервал Т2).

На рис.3b,c показаны гистограммы изменения энергии, вычисленные соот ветственно для окна TWIN = 0,5T2 и TWIN = 0,25T2. В первом случае расчетное окно вмещало 10 видимых периодов Ts, во втором – 5. Расчет энергии внутри каждого окна производился по формуле:

(5) EWIN = KT(U1 + U2 + … + UN), с учетом формата представления цифровых данных, где К – некоторый эмпи рический коэффициент пропорциональности;

T – шаг дискретизации;

|U1|, |U2|, …, |UN| – абсолютные значения амплитуд выборок сигнала внутри окна WIN.

Поскольку K и T являются константами и задаются как параметры для цикла наблюдений, операция вычисления энергии сводится к простейшей про цедуре суммирования выборок, с которой легко справится в режиме реального времени практически любой современный микромощный контроллер.

R2 Rn R In/ADC In/ADC In/ADC Ewin Ewin Ewin RAM RAM RAM TXD TXD TXD Processing Display Рис. 4. Обобщенный алгоритм разработанной модификации сейсмического мониторинга.

Таким образом, алгоритм описанной версии сейсмического мониторинга будет выглядеть, как показано на рис. 4, где дополнительная операция вычис ления энергии EWIN включается между операцией приема и аналого-цифрового преобразования (In/ADC) и процедурой записи и временного хранения данных (RAM). Результаты вычисления, т. е. выборки энергии, рассчитанные по фор муле (5) в соответствии с установленным окном TWIN: EWIN1, EWIN2, …, EWINm, согласно приведенному алгоритму, временно сохраняются в памяти (до момен та передачи данных в пункт сбора и обработки).

Вариантом представления результата сейсмических наблюдений может быть карта изолиний энергии поля, основой для построения которой являются массивы данных Ewin, полученные от множества регистраторов R1 - Rn, разме щенных на площади наблюдения.

Множество массивов Ewin, представленных в виде гистограмм, синхрони зируются и подготавливаются необходимым образом, например, для графиче ского редактора Surfer.

На рис.5 приведен пример гистограмм энергии Z-компоненты сейсмиче ского сигнала в пяти точках наблюдения, равномерно распределенных по пло щади 3-го этажа здания Института геофизики. Измерения сейсмических сигна лов проводились синхронно с помощью пяти 1-канальных регистраторов «Ре гистр-1К», разработанных автором (частотный диапазон 32 Гц), а вычисления энергии и запись результатов в каждой точке наблюдения осуществлялась в ок не суммирования 0,5 секунд. Время непрерывной записи составляло около часов. На всех гистограммах хорошо отличаются по интенсивности дневные (более активные) и ночные периоды.

Очевидно, что карт Ewin будет множество. Применяя известные компью терные технологии, нетрудно осуществить операцию последовательного пред ставления имеющегося массива карт Ewin на экране дисплея, т. е. наблюдать временное изменение энергии сейсмического поля на исследуемой площади. А учитывая, что описываемый способ подразумевает многократное снижение плотности потока данных на выходе каждого полевого регистратора, то реаль ной становится возможность оперативной качественной оценки изменения ди намики сейсмического поля, что позволяет сократить время принятия решения в случаях его резкой активизации в секторе проведения мониторинга.

Рис. 5. Гистограммы энергии Z-компоненты сейсмического сигнала в пяти точках наблюдения, равномерно распределенных по площади 3-го этажа здания ИГф УрО РАН.

Для практической реализации разработанного способа оперативного сейс мического мониторинга были сконструированы несколько версий универсаль ных 1- и 3-канальных регистраторов сейсмических сигналов, обеспечивающих как запись реальной сейсмограммы, так вычисление и регистрацию энергии сигналов в течение десятков и сотен суток в зависимости от установленного интервала (окна) суммирования. Накопленный опыт лабораторных и полевых испытаний позволил скомпоновать наиболее адекватный вариант прибора.

В табл. 1 приведены технические характеристики регистратора. Здесь от мечены два основных режима работы, условно названные «Поток» и «Сумма».

В режиме «Поток» обеспечивается непрерывная регистрация всех выборок сигнала с трех независимых сейсмических каналов в течение некоторого вре мени с момента старта. Длительность регистрации обусловлена двумя устанав ливаемыми параметрами: частотой среза ФНЧ (шаг дискретизации) и выбран ным числом сейсмограмм, размещаемых в рабочей области диска. Взаимная за висимость трех упомянутых величин показана в таблице 2 (данные приведены для базового варианта регистратора с объемом флэш-диска 8 Мбайт).

Табл. 1. Основные технические параметры регистратора «Регистр» Табл. 2. Зависимость длительности одной сейсмограммы от параметров ФНЧ и числа выбранных сейсмограмм для режима «Поток» В режиме «Сумма» по каждой из компонент измеряемого сигнала обеспе чивается вычисление и запись на диск энергии сейсмического поля в точке на блюдения за некоторый заранее установленный промежуток времени соответ ствующий интервалу суммирования (TWIN).

По сути, эта процедура сводится к вычислению площади огибающей ква зигармонического сигнала, поступающего на вход устройства от сейсмического датчика. Контроллер осуществляет снятие выборок из АЦП, суммирование их друг с другом по модулю, отслеживание длительности заданного временного интервала TWIN, по истечении которого производится запись на флэш-диск ре зультата суммы. После этого операция суммирования следующей порции вы борок повторяется, и так далее вплоть до заполнения диска либо принудитель ной остановки регистратора.

Интервал (окно) суммирования задается при установке параметров регист рации и может принимать значения 0.25, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 60 или 120 се кунд. В режиме «Сумма» предусмотрена запись только одной сейсмограммы, длительность которой определяется размером флэш-диска и установленным окном суммирования. Для базовой модификации диска емкостью 8 Мбайт время непрерывной регистрации в режиме «Сумма», например, при окне сум мирования 0,25 сек будет составлять 02 суток 02 часов 03 минут 41 секунд, а при окне суммирования 120 секунд длительность записи превысит 1000 суток.

Режим «Сумма», введенный в алгоритм работы автономного сейсмическо го регистратора «Регистр», предназначенного для мониторинговых исследова ний, позволяет серьезно уменьшить объем требуемой памяти для промежуточ ного хранения цифровых массивов данных. При этом плотность выходного информационного потока в среднем снижается на 2 порядка по сравнению с плотностью на выходе аналого-цифрового преобразователя. Конкретная вели чина плотности выбирается и зависит от интервала суммирования. При необхо димости и соответствующей организации связи между полевыми регистрато рами и пунктом сбора данных в режиме площадных наблюдений с использова нием множества регистрирующих аппаратов можно обеспечить визуальное представление изменения активности и структуры сейсмического поля в реаль ном времени. Заметим, что до сих пор получить подобный отчет в реальном времени не представлялось возможным, поскольку плотность информационно го потока выборок сейсмического сигнала от многих полевых регистраторов чрезвычайно высока.

Кроме того, снижение плотности потока информации практически снимает проблему автономности использования полевых регистраторов в непрерывном режиме наблюдения. Остается лишь критерий емкости аккумуляторной бата реи, предназначенной для питания аппаратуры. С учетом того, что регистратор выполнен на микромощных элементах с минимальным энергопотреблением, длительность автономной работы на аккумуляторах емкостью 12 – 18 Ач мо жет достигать нескольких месяцев.

Если отказаться от накопления информации непосредственно в точке на блюдения и пойти по пути организации телеметрии между каждым регистрато ром и единым пунктом сбора данных, то с целью улучшения помехозащищен ности цифрового канала связи на этапе приема и первичной обработки цифро вой последовательности предложено воспользоваться критерием инерционно сти изменения амплитуды полезного сигнала, суть которого заключается в том, что каждый последующий импульс считается сигнальным, если он отличается по амплитуде от предыдущего сигнального не более, чем на установленный до пуск. Этот допуск определяется значением порога относительно амплитуды по следнего прошедшего сигнального импульса (при использовании критерия об щей амплитуды порог устанавливается пропорционально общему уровню ам плитуды полезного сигнала). Применение критерия инерционности по сравне нию с критерием общей амплитуды приводит к более высокой степени подав ления помех, т. к. порог в промежутке между полезными импульсами практиче ски не изменяется и, кроме того, его принудительно корректируют каждым сигнальным импульсом. В результате канал связи становится менее чувстви тельным к электромагнитным воздействиям различного типа.

Третье защищаемое положение Серия новых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для сейс морегистрирующей аппаратуры на основе комбинации импульсно кодовой модуляции (ИКМ), дифференциальной импульсно-кодовой моду ляции (ДИКМ) и дельта-модуляции (ДМ), отличающаяся от известных ор ганизацией мультиканального режима при измерениях относительных ве личин выборок входного сигнала;

введением оригинальных узлов адапта ции, обеспечивающих расширение динамического диапазона преобразова ния;

снижением плотности информационного потока на выходе по мень шей мере на 25%;

повышением точности преобразования на экстремумах входного сигнала.

Комбинированные аналого-цифровые преобразователи Автором разработаны два варианта АЦП указанного типа, которые явля ются аппаратной реализацией комбинированного способа аналого-цифрового преобразования, представленного в первом защищаемом положении.

В соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 1, были раз работаны электрическая принципиальная схема преобразователя и топология схемы, размещенная на печатной плате выбранного типоразмера.

Результаты сравнительных испытаний схемы данного преобразователя приведены в табл. 2 и 4. Сравнение проводилось со стандартным ИКМ преоб разователем, имеющим 16-разрядную шкалу. Измерялись коэффициент гармо нических искажений КГ и динамический диапазон преобразования DС при КГ10% по известной методике, описанной в работе Бриндли К. Электронные контрольно-измерительные приборы. М: Энергоатомиздат, 1989.

Декодирование и фильтрация сигнала осуществлялись в дополнительном цифро-аналоговом преобразователе, схема которого также была разработана, причем узлы ЦАП и ФНЧ первого порядка аналогичны соответствующим уз лам схемы комбинированного преобразователя, а дополнительный фильтр низ кой частоты четвертого порядка выполнен на двух операционных усилителях.

Испытания проводились при уровнях входного сигнала Fc = 0,5 от максимально возможного на частотах 102, 103, 5103 и 104 Гц при частоте дискретизации fТАКТ = 45 и 90 кГц.

Табл.3.Результаты сравнительных испытаний схемы комбинированного преобразователя при fтакт.= 45 кГц Число 6 8 10 разрядов Преобразов. ИКМ Комб. ИКМ Комб. ИКМ Комб. ИКМ Комб.

Кг (%) 2,2 0,22 0,51 0,08 0,18 0,04 0,11 0, Fc=102 Гц Кг (%) 2 0,22 0,5 0,08 0,18 0,03 0,1 0, Fс=103 Гц Кг (%) 1,7 0,2 0,51 0,09 0,18 0,03 0,1 0, Fc=5103 Гц Кг (%) 1,9 0,2 0,51 0,07 0,18 0,04 0,09 0, Fс=104 Гц Dс. (дБ) при 22 47 34 59 44 71 53 Кг 10% Приведенные в таблицах значения показывают, что при увеличении коли чества разрядов преобразования практически линейно снижается уровень гар монических искажений и только при переходе от 10 к 12 разрядам снижение искажений замедляется. Это можно объяснить влиянием погрешностей микро схем АЦП, ЦАП и других элементов, а также малым уровнем самих искажений.

Табл. 4.Результаты сравнительных испытаний схемы комбинированного преобразователя при fтакт.= 90 кГц Число 6 8 10 разр.

Преобразов. ИКМ Комб. ИКМ Комб. ИКМ Комб. ИКМ Комб.

Кг (%) 2 0,09 0,4 0,04 0,15 0,02 0,08 0, Fc=102 Гц Кг (%) 1,6 0,08 0,4 0,03 0,16 0,02 0,07 0, Fс=103 Гц Кг (%) 1,4 0,08 0,4 0,02 0,14 0,02 0,06 0, Fc=5103 Гц Кг (%) 1,2 0,09 0,4 0,02 0,15 0,02 0,05 0, Fс=104 Гц Dс. (дБ) при 27 58 39 71 51 82 60 Кг 10% Таким образом, комбинированный аналого-цифровой преобразователь, структурная схема которого изображена на рис. 1, практически обеспечивает повышение точности преобразования в точках экстремума входного сигнала, где разность между соседними отсчетами становится незначительной.

Поскольку ФНЧ в этом преобразователе имеет фиксированную частоту среза, трудно избежать ситуации, когда возникает перегрузка на высших часто тах при больших уровнях входного сигнала, т. е. переполнение разрядной сетки АЦП М2 (рис. 1). Для уменьшения искажений такого типа в схему комбиниро ванного преобразователя, показанного на рис. 1 вводится дополнительный блок, функциональное назначение которого заключается в формировании сиг нала, управляющего работой ФНЧ (изменение частоты среза), причем исход ным для этого блока является выходной сигнал преобразователя Y. В дополни тельном блоке управления ФНЧ производится анализ цифровых кодов выход ного сигнала Y на близость их значений к максимуму преобразования. В ре зультате анализа формируется управляющая частота fУПР, которая с выхода блока управления подается на вход управления ФНЧ на переключаемых кон денсаторах чем обеспечивается изменение частоты среза последнего и сниже ние влияния перегрузки на высших частотах при больших уровнях входного сигнала.

Следует добавить, что, как и в предыдущей версии комбинированного преобразователя, для правильного восстановления аналогового сигнала из циф ровой последовательности Y необходимо использовать ЦАП, ФНЧ и блок управления с такими же параметрами, как ЦАП, ФНЧ и блок управления собст венно преобразователя.

Мультиканальные дельта-модудяторы с аналоговым и цифровым ин теграторами Известно, что в основе большинства классических методов и методик сейсмических исследований лежит обработка многоканальных сейсмограмм.

Известно также, что хорошими преобразователями, с точки зрения их высокой разрешающей способности, являются дельта-модуляторы. Однако существует ряд факторов, главным из которых является относительность преобразуемых в цифровой код величин, мешающих организации мультиканального варианта АЦП с использованием ДМ. Тем не менее, данную техническую проблему до некоторой степени удалось разрешить.

В схеме ДМ-кодера функция интегрирования передается устройству вы борки-хранения (УВХ), способному сохранять заряд на обкладках конденсатора относительно длительное время. В этом случае становится возможным размес тить в дельта-модуляторе n таких УВХ, управляемых внешними сигналами. На каждом из УВХ в течение некоторого фиксированного интервала времени бу дет сохраняться промежуточная сумма (относительный уровень) преобразуемо го аналогового сигнала (предыдущая выборка), относительно которого и будет вестись отсчет следующей выборки. Таким образом, число включенных в ДМ кодер УВХ определяет число сейсмических каналов преобразования.

Еще один вариант ДМ - устройство, в схеме которого традиционно исполь зуемый аналоговый интегратор заменен цифровым, обладающим большей де терминированностью поведения.

Собственно цифровой интегратор включает двоичный реверсивный счет чик, ЦАП, число разрядов которого совпадает с числом разрядов означенного счетчика, и несколько n-разрядных ячеек памяти в виде регистра или оператив ного запоминающего устройства (ОЗУ) статического типа. В целом же схема дельта-модулятора сохраняет свой классический. Дополнительно включенные входной коммутатор каналов и ОЗУ для хранения промежуточных данных обеспечивают многоканальность преобразователя аналоговых сейсмических сигналов в цифровой вид.

Адаптивный дельта-модулятор с цифровым интегратором Рассмотренный вариант линейного ДМ, в котором используется цифровой интегратор, после доработки схемы позволяет перевести его в режим работы с адаптацией к скорости нарастания входного сигнала. Это снижает плотность выходного потока данных, повышает стабильность работы устройства, расши ряет динамический диапазон преобразователя, существенно не увеличивая час тоту дискретизации, сохраняет максимальное разрешение на экстремумах сиг нала. Цифровой интегратор формирует параллельный двоичный код, а после довательный выходной код дельта-модулятора удобно использовать, например, для задержки сейсмического сигнала при его обработке.

Преобразователь содержит традиционный дельта-модулятор с цифровой схемой интегрирования и дополнительное устройство адаптации. Собственно дельта-модулятор преобразует входной аналоговый сигнал U в последователь ность импульсов Y, где каждому импульсу соответствует приращение напря жения ±. При этом дополнительное устройство адаптации в каждый период тактовой частоты анализирует выходную бинарную последовательность дель та-модулятора и, в зависимости от результатов анализа, либо увеличивает шаг квантования по величине, либо уменьшает его. В итоге на экстремумах вход ного сигнала, где его относительные изменения невелики, происходит преобра зование с максимальной точностью, в то же время динамический диапазон пре образования расширяется за счет увеличения шага квантования при увеличении «размаха» входного сигнала.

Адаптивный дельта-модулятор с управляемой аналоговой схемой ин тегрирования Вариант дельта-модулятора, рассмотрению которого посвящен настоящий раздел, имеет следующие отличительные особенности. Во-первых, в преобра зователе применено входное аналоговое устройство выборки-хранения с целью удержания уровня измеряемого напряжения в течение достаточно длительного времени. Это позволяет разбить весь процесс преобразования на две состав ляющие. Первая – частота дискретизации соответствует критерию Найквиста.

Вторая – ДМ - преобразованию со сверхдискретизацией подвергаются выборки, фиксируемые в УВХ в течение периода времени, соответствующего критерию Найквиста. Во-вторых, алгоритм адаптации реализован с использованием функции управления постоянной интегрирования интегратора, расположенного в цепи обратной связи дельта-модулятора.

Понятно, что введение узла, обеспечивающего способность к адаптации, позволяет снизить частоту дискретизации, расширить динамический диапазон преобразователя. Однако при входных сигналах с высокой «крутизной» (высо кочастотные сигналы или сигналы большой амплитуды) устройство адаптации будет формировать максимальный шаг квантования, что не позволит с макси мально возможной точностью (т. е. с минимальным шагом квантования) преоб разовать в цифровой вид участки сигнала с высокой «крутизной».

Высокая информативность (широкий динамический диапазон плюс высо кая разрешающая способность) в АЦП, работающем по принципу дельта модуляции, может быть получена путем введения в линейный ДМ-кодер сле дующего алгоритма адаптации: вводится переменный шаг квантования, обеспе чивающий быстрое нарастание аппроксимирующего напряжения с последую щим переходом в линейный режим работы с целью минимизации шага кванто вания для максимально точного повторения любой выборки исследуемого ана логового сигнала. Если принять, что шаг квантования для данного алгоритма изменяется по закону m = 2 m, (6) где m – порядковый номер шага квантования, то шаги квантования могут при нимать следующие значения: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и т. д. условных единиц. Рас смотрим процесс формирования сигнала U* (аппроксимирующее напряжение) на примере конкретной выборки U (входной сигнал) величиной 39,5 условных единиц.

В соответствии с графиком (рис. 6) первые 10 тактов ДМ- преобразова тель будет обрабатывать входной сигнал U = 0 с максимальной точностью, т. е.

с шагом квантования = 1. В момент прихода выборки U = 39,5 (m = 10) уст ройство начинает изменять шаг квантования в соответствии с закономерностью (6). При m = 16 произойдет превышение напряжения U* над уровнем выборки U, что приведет к изменению направления аппроксимирующего напряжения U*. Далее наблюдается процесс релаксации, который при m = 22 полностью за канчивается и аппроксимирующее напряжение U* отслеживает уровень вы борки U с точностью минимального шага квантования, равного 1.

U 60 U* U 0 5 10 15 20 m Рис. 6. Пояснение алгоритма работы адаптивного дельта-модулятора с управляемой аналоговой схемой интегрирования Для примера на рис. 6 серой линией показана работа линейного дельта модулятора. Очевидно, что в данном режиме аппроксимирующее напряжение U* достигнет уровня выборки U намного позднее.

Сравнительный анализ аналого-цифровых преобразователей для сейсморегистрирующей аппаратуры Основываясь на исследованиях, проведенных в предыдущих разделах ра боты, можно дать некую обобщенную характеристику аналого-цифрового пре образователя. АЦП представляет собой устройство для автоматического преоб разования непрерывно меняющихся во времени аналоговых величин (обычно электрических напряжений) в эквивалентные, разделенные во времени значе ния цифровых кодов. От качества преобразования во многом зависит качество восстановленного впоследствии исходного аналогового сигнала, поэтому для всех АЦП существуют определенные нормирующие характеристики, выход за пределы которых нежелателен, а в отдельных случаях недопустим.

В таблице 2.3 приведены основные технические параметры для двух АЦП, выпускаемых промышленным образом, а также трех разработанных АЦП и представленных в настоящей работе.

Таблица 2.3. Сравнительная таблица основных технических характеристик различных типов АЦП (мВт) (В) (бит) (тип) АЦП Интерфейс Шумы АЦП Разрядность Наличие УВХ Наличие ИОН Наименование Число каналов Классификация искажения (%) Гармонические напряжений (В) Диапазон входных Напряжение питания Мощность потребления Плотность потока данных преобразования, t пр. (мкс) разования (дБ) при миним t пр шумов при миним. t пр. (мкВ) приборов наиболее приемлем.

Минимально возможное время Динамический диапазон преоб Среднеквадратический уровень на выходе при t пр.= 1 мс (Кбод) Для каких типов сейсморегистр.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Гист.1 Низкочастотн.

СДМ AD7716 * _ _ + 2,5 + 22 4 есть 448 99 21 0,02 22 нет Посл. (рис. автономн. ре линейн 2.20а) гистратор АЦП Гист. ИКМ Регистратор, ADS8321** + 16 1 есть 10 88 116 0,02 16 нет Посл. _ 2,5 +5 (рис.

Промышлен.

линейн станция 2.20б) Мультиканальн. дель- Гист. ДМ Регистратор, Посл., + _ та-модулятор с цифров. _ 10 + 12 3 *** нет 10 65 (рис. 1220 0,24 12 есть линейн парал. станция.

интегр. (раздел 2.3) 2.20в) Адаптивный дельта- Гист. ДМ 10 мант Посл., Регистратор, _ _ модулятор с цифров. (рис. + 10 + 1 нет 5 84 317 0,08 есть адапт. +2 пор станция.

парал.

интегр. (раздел 2.4) 2.20г) Комбинированный Гист. ИКМ- Регистратор, + + АЦП (рис. _5 _ 12 1 есть 10 92 0,02 есть 46 12 Парал.

ДИКМ Разработанные АЦП станция.

(разделы 2.1, 3.2) 2.20д) адапт Примечание:*) Analog Devices **) Burr-Brown ***) Число каналов может изменяться в зависимости от требований к конструкции.

В колонке 1 приведены наименования АЦП, а в колонке 2 их классифика ция в соответствии с типом преобразования. Заметим, что СДМ AD7716 фирмы Analog Devices Corp. используется в таких сейсморегистрирующих системах, как «ТСМ», «Дельта-Геон» (Россия), а преобразователь ADS8321 фирмы Burr Brown Corp. – в отдельных вариантах сейсмических станций «McSeis» (США).

Колонки 3 – 6 в дополнительных комментариях не нуждаются.

В колонке 7 таблицы приведены значения реального динамического диапа зона, который почти никогда не соответствует теоретическому. Реальный ди намический диапазон преобразования соответствует эффективной разрешаю щей способности и может быть много ниже теоретического. Для АЦП AD при минимальном t пр. = 448мкс число эфф. разрядов уменьшается до 16, что определяет реальный динамический диапазон АЦП не более 100 дБ. Количест во эффективных разрядов определяется суммарным значением всех шумов для конкретного АЦП.

Наиболее полно суммарные параметры шумов АЦП выражаются в виде неопределенности выходного кода для входного постоянного сигнала. Повто ряющиеся преобразования фиксированного входного сигнала должны давать один и тот же выходной код. Однако существует некоторый диапазон выход ных кодов для заданного входного напряжения. Если подать на вход АЦП по стоянный сигнал и записать большое число преобразований, то в результате получится распределение кодов, которое можно подогнать к гауссовскому, при этом стандартное отклонение будет примерно эквивалентно среднеквадратиче скому значению шумов АЦП.

На рис. 7 приведены гистограммы результатов 5000 преобразований для всех АЦП из таблицы 2.3 (колонка 8). Входное постоянное напряжение уста навливалось, исходя из диапазона входных напряжений для каждого АЦП (ко лонка 14 таблицы), по возможности ближе к центру кода.

Как видно из приведенных гистограмм, все результаты преобразований распределены в диапазоне от 3 до 5 кодовых комбинаций. При этом способно стью к наиболее качественному преобразованию (минимальный уровень шумов) обладает «Комбинированный АЦП», поскольку его гистограмма рас пределения кодов (рис. 7д) говорит о том, что почти все преобразования дают один и тот же код.

Частота появления кода а б в г д 500 Код (х-3) (х-2) (х-1) х (х+1) (х+2) (х+3) (х-3) (х-2) (х-1) х (х+1) (х+2) (х+3) Рис. 7. Шумы АЦП. Гистограммы результатов 5000 преобразований входного напряжения постоянного уровня (к таблице 2.3).

Максимальными шумами характеризуется «Мультиканальный линейный дельта-модулятор с цифровым интегратором» (гистограмма «в» на рис. 7). Од нако следует отметить, что при разработке данного варианта АЦП во главу угла ставилась реализация именно мультиканальности в системах с ДМ преобразо ванием, в остальном же относительно невысокие технические параметры оку паются простотой и дешевизной устройства.

Сопоставляя среднеквадратический уровень шумов АЦП, приведенных в таблице 2.3 (колонка 9), а также коэффициенты гармонических искажений (ко лонка 10), можно утверждать, что наиболее качественным преобразователем является промышленный 22-разрядный АЦП AD7716. Однако «Комбинирован ный АЦП» ИКМ-ДИКМ весьма близок к лидеру практически по всем показате лям и при этом обладает двумя существенными достоинствами с позиции его применения в сейсморегистрирующей аппаратуре: во-первых, минимальное время преобразования данного АЦП более, чем на порядок превышает анало гичный параметр AD7716, что обеспечивает возможность его использования в высокочастотных сейсмических станциях;

во-вторых, количество информаци онных бит в «Комбинированном АЦП» почти в 2 раза меньше, чем в AD7716, а это снижает плотность цифрового потока данных на выходе также почти в раза (колонка 11 таблицы 2.3). Последнее положение является чрезвычайно важным для сейсморегистрирующих приборов, в особенности работающих в автономном режиме.

Четвертое защищаемое положение Накопительная сейсмическая станция с новым алгоритмом цифровой коррекции смещения нуля. Реализованный алгоритм вычисления и введе ния поправки смещения нуля в каждую сейсмическую трассу станции от личается простотой, минимальными затратами вычислительных мощно стей, малым временем выполнения операции, не влияющим на производи тельность работ. В результате практически полностью устраняются такие факторы, как температурный дрейф нуля и смещение нуля сейсмической трассы, искажающие информацию при выполнении операции многократ ных синхронных суммирований входных сигналов. Сравнительный ана лиз с известными мировыми образцами аппаратуры данного класса по пунктам «экономичность» и «компактность» показал превосходство раз работанной станции, а широкий рабочий температурный диапазон позво лил реально использовать ее практически в любых климатических зонах без каких-либо дополнительных условий кондиционирования.

Большинство современных модификаций переносных сейсмических стан ций включают, по меньшей мере, два блока: блок предварительной аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования входных сигналов, и блок предварительной цифровой обработки и накопления данных. При этом второй блок – это персональный компьютер типа Notebook, подключенный к первому через какой-либо стандартный порт ввода-вывода. Почему полиблочная струк тура станций нашла сегодня широкое распространение среди разработчиков и производителей, понять нетрудно. Во-первых, отпадает необходимость разра ботки и изготовления цифровой части сейсмостанции, во-вторых, программу обработки и управления легко написать на языке высокого уровня, причем можно оптимально сконструировать пользовательский интерфейс, обладающий высоким уровнем сервисности.

Вместе с тем, за относительно невысокие затраты на опытно конструкторские работы (ОКР) и изготовление полиблочной переносной сейс мической станции впоследствии расплачивается пользователь. Прежде всего, станция перестает быть экономичной и компактной, превращаясь из носимой в транспортируемую на автомобиле. Вследствие этого в труднодоступных участ ках местности исследования проводить практически невозможно.

Использование Notebook в составе полевой аппаратуры подразумевает, что компьютер должен быть выполнен, по меньшей мере, в варианте Industrial, а лучше Military. Однако стоимость таких модификаций Notebook на порядок превышает стоимость коммерческой версии. По этой причине пользователь, как правило, предпочитает именно коммерческий вариант, заведомо ограничивая возможности станции.

Вместе с тем, одним из самых перспективных направлений, активно разви ваемых корпорациями Motorola, Atmel, Microchip и др., являются 8-, 16 разрядные AVR микроконтроллеры общего назначения. Они представляют со бой инструмент для создания современных высокопроизводительных и эконо мичных многоцелевых систем.

Используя контроллер AVR класса Mega в системе управления переносной сейсмической станции, можно добиться результатов не хуже, чем с применени ем microPC, но при этом система будет значительно экономичнее и компактнее.

Именно этот путь был выбран при разработке сейсморегистрирующей системы «Синус».

Ориентируясь на соотношение «цена – производительность – энергопо требление», подходящим для применения в переносной сейсмостанции являет ся микроконтроллер AVR ATmega8515, производства корпорации Atmel. К на стоящему времени проработана техническая документация, отлажены все узлы, изготовлены действующие экземпляры моноблочных сейсмических станций «Синус», которые успешно эксплуатируются в различных регионах Российской Федерации. Система унифицирована и при незначительных доработках легко трансформируется в 6-, 12-, 24- или 32-канальный вариант. При этом все основ ные технические характеристики, приведенные в таблице 5, сохраняются.

Рассмотрим обобщенную структуру моноблочной сейсмической станции на примере ее 12-канального варианта (модификация «Синус-12М»). На рис. показана блок-схема этой станции, ядром которой является модуль управления.

Табл. 5. Основные технические характеристики сейсмостанций «Синус» Система может обслуживать большее или меньшее число каналов, в зави симости от выбранной конфигурации. Схема включает собственно модуль управления (МУПР), модуль аналого-цифрового преобразователя (МАЦП), два идентичных модуля аналоговых усилителей (МУС), каждый из которых содер жит 6 каналов и модуль питающих напряжений (МПИТ). Кроме того, в состав станции входит плазменный дисплей фирмы Planar или жидкокристаллический экран фирмы WinStar (МДИСПЛ), обеспечивающий визуализацию данных с раз решением 320240 пикселей (quarter VGA), и защищенная матричная клавиату ра 44 фирмы Grayhill (МКЛ).

USB Старт SPI Системный сброс (RST) 6 кан.

Диф. вход Мус. Мацп Мупр Мкл 6 кан.

(12 кан.) SPI параметры Мпит Мдиспл 12 В Рис. 8. Структурная схема 12-канальной сейсмической станции («Синус-12М») В состав системы включено два контроллера AVR, один из которых распо ложен в модуле управления, другой - в модуле АЦП, причем первый всегда на строен как ведущий (master), второй – как ведомый (slave).

К наиболее существенно влияющим на работу станции можно отнести два модуля: модуль управления и модуль АЦП. Модуль управления прежде всего обеспечивает организацию корректного «диалога» между системой и поль зователем, при этом программа управления предусматривает возможность об ращения к различным типам «подсказок», что позволяет освоить работу со станцией в кратчайшие сроки. Кроме того, значимой функцией управления яв ляется внутрисистемный обмен командами и данными.

Модуль АЦП несет основную вычислительную нагрузку, выполняя опера ции считывания данных из АЦП, сортировки и рационального размещения ин формации в ОЗУ, поканального суммирования или вычитания выборок, осуще ствляя расчет поправок за смещение нуля с точностью до ± 1 LSB (единица младшего разряда) для каждой сейсмической трассы. Заметим, что контроллер оперирует с массивами данных, достигающими сотен Кбайт, и при этом кор ректно выполняет все установленные процедуры в течение 1…2 секунд, что аб солютно не сказывается на производительности полевых работ.

Остановимся более подробно на операции цифровой коррекции смещения нуля, поскольку данная процедура обеспечивает значительное улучшение каче ства регистрируемых сейсмических сигналов.

В соответствии со структурой станции в ее состав входят такие узлы, как усилители, фильтры, АЦП. Следовательно, в сейсморегистрирующем канале прибора возникают аппаратурные искажения. В частности, к таковым относит ся смещение нуля UСМ, температурный дрейф нуля АЕТ, как правило, возни кающие на этапе аналоговой обработки сигнала: в усилителе, в меньшей степе ни в фильтрах и входных каскадах АЦП.

Для накопительных сейсмостанций, в которых осуществляется многократ ное синхронное суммирование исследуемых сигналов, смещение будет накап ливаться вместе с полезной информацией, что в конечном итоге может привес ти к непригодности регистрируемых данных или к их сильному искажению.

Большинство известных способов коррекции таких искажений в реализации оказываются трудоемкими и не обеспечивают необходимой стабильности в процессе работы.

В сейсмических станциях «Синус» смещение удалось скорректировать на этапе цифровой обработки. Известно, что для портативных накопительных сейсмических станций время регистрации сигнала приблизительно лежит в диапазоне 0,1…5 секунд. Но за такое время флуктуации смещения нуля прак тически отсутствуют или имеют пренебрежительно малую величину. Посколь ку исследуемый сейсмический сигнал является квазигармоническим, с относи тельно симметричным распределением положительных и отрицательных полу волн, то, имея запись сейсмической трассы с сигналом, смещенным относи тельно нулевой линии на некоторую величину, можно простыми арифметиче скими действиями вычислить данную величину смещения. Достаточно найти среднее арифметическое значение сигнала для всей трассы, а полученное зна чение ввести как поправку в каждую выборку трассы:

UСМ = (b1 + b2 + …+ bm)/m, (7) где b1, b2, …bm – амплитуды выборок сигнала одной сейсмической трассы;

m – количество выборок. Таким образом можно осуществить коррекцию смещения нуля для каждого канала сейсмической станции.

Из выражения (7) видно, что процедура вычисления поправки UСМ доста точно тривиальна и контроллером ATmega 8515 при тактовой частоте 16 МГц и количестве сейсмических каналов 24 выполняется в течение 200 – 300 мС, что на практике никак не сказывается на производительности работ и субъективном восприятии обновления данных на экране дисплея станции.

Рис. 9. Пример цифровой коррекции смещения нуля (одна трасса).

На рис. 9а показана одна трасса сейсмограммы, полученной в результате 16 суммирований. На сейсмограмме сформирован контрастный сейсмический импульс, смещенный относительно нулевой линии на величину UСМ. Рисунок 9б демонстрирует сейсмограмму, полученную аналогичным образом, но сме щение нуля корректировалось при каждом суммировании в соответствии с со отношением (7).

К настоящему времени проработаны до уровня технической документации и выпуска опытных образцов следующие модификации сейсмических станций «Синус»:

• «Синус-12М» • «Синус-12MS» • «Синус-24М» • «Синус-24MS» Перечисленные модификации станций успешно эксплуатируются в раз личных производственных и научно-исследовательских организациях Россий ской Федерации, самые ранние из которых работают уже более 8 лет. Для всех станций неизменными остаются алгоритм работы, иерархия и приоритеты вы полнения отдельных программных блоков, а также структура практически всех модулей. Примененный во всех разработках сейсмостанций «Синус» алгоритм цифровой коррекции смещения нуля обеспечивает качественную регистрацию сейсмограмм даже при значительных (несколько десятков градусов С) перепа дах температуры окружающей среды в течение одной рабочей смены. При этом число накоплений с одноименным знаком для одного физического наблюдения практически не оказывает ограничивающего влияния на динамику регистри руемых сигналов.

Таблица 6, приведенная ниже, является сравнительной. В нее сведены наиболее существенные параметры некоторых типов аналогичных сейсмиче ских станций, выпускаемых различными зарубежными и отечественными про изводителями (открытая информация по официальным сайтам компаний произ водителей).

Сравнение приведенных в табл. 6 технических параметров близких по сво ему функциональному назначению сейсморегистрирующих приборов позволя ет сделать главный вывод о том, что концептуально станции делятся на два ти па: оборудование, не способное функционировать без дополнительного борто вого компьютера типа notebook, и моноблочные, функционально законченные станции, не требующие применения внешних управляющих ЭВМ непосредст венно на участке работ.

Изучение справочной литературы показывает, что в настоящее время прак тически 70% малоканальных переносных сейсмических станций, производится именно в варианте использования с бортовым notebook, что значительно сни жает возможности применения данной аппаратуры в различных полевых си туациях. К такому типу приборов относятся станции ABEM RAS-24 производ ства Швеции, отечественные станции ЛАККОЛИТ.

Другой тип станций – моноблочные, также указанные в табл. 6 – это япон ский прибор McSeis-SX24 и сейсмическая станция СИНУС-24MS, в целом имеющие достаточно близкие технические характеристики. Однако наличие в McSeis-SX24 встроенной micro PC на базе процессора i486DX4, с одной сторо ны, обеспечивает мощную инструментальную поддержку в плане управления и первичной обработки сейсмических данных, с другой стороны, такая конфигу рация станции ведет к неоправданному повышению потребляемой мощности, сужению рабочего температурного диапазона, увеличению необходимой емко сти аккумуляторной батареи и, следовательно, к увеличению массогабаритных параметров полевой сейсморегистрирующей системы в целом.

Табл. 6. Сравнение основных технических параметров инженерных сейс мостанций ведущих фирм производителей данной аппаратуры.

В конечном итоге все это скажется на производительности работ и воз можности использования сейсмической станции в экстремальных условиях, для чего, собственно говоря, такая аппаратура и предназначена.

Таким образом, данные, приведенные в табл. 6, позволяют сказать, что разработанная сейсмостанция «Синус-24MS» обладает техническими парамет рами, весьма близкими как к зарубежным, так и отечественным аналогам, что обеспечивает высококачественную регистрацию сейсмической информации при проведении работ в различных вариантах МПВ и МОВ. Наряду с этим вид ны ее несомненные преимущества: во-первых, в плане минимизации энергопо требления;

во-вторых, нет необходимости использовать дополнительную ЭВМ при работе в поле;

в-третьих, малые массогабаритные параметры. Эти позиции реально открывают возможности использования прибора в самых сложных климатических и природных условиях, причем с минимальными затратами.

В заключительной части 4 главы диссертационной работы приведен при мер упрощенного расчета экономической эффективности от использования сейсмостанции «Синус-24MS» в сравнении с наиболее близким аналогом «McSeis-SX24» (табл. 6). При равных условиях эксплуатации приборов в лет ний полевой период экономия средств в случае использования станции «Си нус» составляет почти 40%. В зимнее время процент экономии еще выше.

В главе 5 диссертационной работы приведены примеры практического применения разработанной сейсморегистрирующей аппаратуры «Регистр» и «Синус» при производстве геофизических исследований, а также устройств и способов, воплощенных в эту аппаратуру.

Заключение Прежде всего, необходимо сказать, что проведенные в работе исследова ния как отдельных элементов, так и законченных структур различных сейсмо регистрирующих систем явились основой новых конструкторских разработок, реализация которых, в конечном итоге, позволила решить стоящие перед авто ром задачи и цели. Итоги исследований можно резюмировать в следующих пунктах.

1. Рассмотрены теоретические основы и принципы построения аналого цифровых преобразователей, реализующие практически все известные методы, применяющиеся в современной сейсморегистрирующей аппаратуре: импульс но-кодовая модуляция, дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, дельта-модуляция, сигма-дельта-модуляция, адаптивная дельта-модуляция.

Проанализированы возможности классических методов и устройств аналого цифрового преобразования, варианты их комбинированного использования для решения задач улучшения параметров сейсморегистрирующего канала.

2. На основе наиболее перспективных методов аналого-цифрового преоб разования квазигармонических сейсмических сигналов – дельта-модуляция, сигма-дельта-модуляция и адаптивная дельта-модуляция - осуществлены теоре тические расчеты и экспериментальные моделирования, воплощенные в серию конструкторских разработок аналого-цифровых преобразователей, обеспечи вающих мультиканальность сейсморегистрирующих систем как с аналоговыми, так и с цифровыми схемами построения интеграторов, расширение мгновенно го динамического диапазона при относительно невысокой частоте дискретиза ции (снижение плотности потока данных на выходе АЦП), достижение высокой точности преобразования при использовании совокупности двух факторов: от носительно длительное удержание на конденсаторе устройства выборки хранения стабильного потенциала и скоростная обработка данной аналоговой выборки с помощью ДМ.

3. С целью решения задачи снижения плотности потока данных на выходе сейсморегистрирующего канала обоснован и практически реализован в приборе новый способ преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид. Способ основан на комбинации двух классических приемов преобразования – ИКМ и ДИКМ. Дополнение классической ИКМ элементами дифференциального пре образования позволило сконструировать устройство, позволяющее: во-первых, как минимум на 25% снизить плотность потока данных на выходе АЦП;

во вторых, уже при 8 – 12 разрядах обеспечивается качество преобразования, со ответствующее 14 – 16-разрядному преобразованию при обычной ИКМ.

4. Как отмечалось в работе, чрезвычайно актуален вопрос снижения плот ности цифрового потока данных для области мониторинговых сейсмических исследований. Поскольку сейсмический мониторинг можно условно разделить на два этапа: предварительный и детальный сейсмический мониторинг, каждый из которых специфичен и имеет определенные цели и задачи, то возникла мысль о неформальном разделении этих двух этапов с точки зрения методиче ской и аппаратурной реализации. Была сформулирована задача первого этапа сейсмического мониторинга: выявить временное распределение энергии сейс мического волнового поля в пределах некоторой исследуемой площади. Если данный участок с точки зрения сейсмики не является активным, переходить к изучению следующего участка. Напротив, только при обнаружении сейсмиче ской активности в пределах участка переходить к дорогостоящим детальным сейсмическим исследованиям. Таким образом, с целью решения задач первого этапа был разработан новый простой и эффективный способ оперативного сейсмического мониторинга и аппаратура, обеспечивающая его практическую реализацию.

Способ позволяет оперативно оценивать динамику изменения сейсмиче ского поля в точке наблюдения. Для реализации функции оперативности и зна чительного увеличения времени непрерывной регистрации в алгоритм сейсми ческого мониторинга введен новый элемент - вычисление энергии сейсмиче ских волн по измеренной компоненте смещений с последующей регистрацией результата вычисления в точке измерения за некоторый, заранее установлен ный интервал времени (временное окно), выбираемый в зависимости от полосы частот регистрируемых сигналов и длительности затухания сейсмической вол ны до фонового уровня при импульсном воздействии. При площадных наблю дениях полученные энергетические уровни сводятся в единую динамическую карту вариаций распределения сейсмической энергии соответствующей компо ненты по площади исследования.

Решение данной задачи в ряде случаев прикладного использования позво ляет повысить оперативность принятия решения при возникновении экстре мальных ситуаций (резкое возрастание сейсмической активности).

5. Новый способ оперативного сейсмического мониторинга реализован с помощью разработанного универсального регистратора сейсмических сигна лов, который, во-первых, может работать как в автономном режиме, так и в стационаре;

во-вторых, способен как производить регистрацию реальных сейс мических сигналов, так и осуществлять вычисление энергии сейсмических волн и сохранять результат вычисления в точке наблюдения. Последняя функция яв ляется аппаратурной реализацией нового способа оперативного сейсмического мониторинга. Аналого-цифровой преобразователь регистратора выполнен на базе разработанных автором способа и устройства преобразования аналоговых сигналов, что обеспечило качественное мгновенное преобразование входных сейсмических сигналов в диапазоне порядка 92 дБ (15 - 16 разрядов при тради ционной импульсно-кодовой модуляции) и одновременно позволило снизить поток выходной информации не менее, чем на 25%.

6. Еще одной, весьма немаловажной проблемой при регистрации сейсми ческих сигналов является проблема смещения нулевой линии сейсмической трассы. При возникновении искажения данного типа в канале сейсмостанции с синхронным накоплением (суммированием) входных сигналов возможна такая ситуация, когда суммирование с одноименным знаком информации «полезный сигнал + смещение» приведет к полной потере сейсмических данных. В связи с этим был разработан алгоритм оперативной цифровой коррекции смещения ну ля в сейсморегистрирующем канале станции, что позволило значительно сни зить влияние или полностью устранить температурный дрейф нуля АЕТ, сме щение нуля UСМ.

Разработанный алгоритм был встроен как неотъемлемая часть программ ного обеспечения компактной, моноблочной сейсмической станции с гибкой архитектурой мультиконтроллерной системы управления и обработки. Станция позволяет осуществлять многократные синхронные суммирования входных сейсмических сигналов со знаком «+» или «-». Гибкость архитектуры подразу мевает несложные программные модификации, позволяющие менять целый ряд технических параметров аппаратуры.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.