УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 1994 года по МПК G01V1/28 

Изобретение относится к области сейсмологии, в частности к устройствам обработки сейсмической информации, которые осуществляют выделение линейно-поляризованных продольных P-волн и S-волн или Р-волн и Lg-волн, при обеспечении требований высокой эффективности выделения, быстродействия и простоты реализации.

Такие требования предъявляются к устройствам для проведения сейсмических наблюдений в полевых условиях при поиске природных ископаемых и других геофизических работах.

Известно устройство, которое позволяет выделять сигналы линейно-поляризованных Р- и S-волн при известном направлении на источник [1].

Устройство содержит блок исходной информации - двухкомпонентный сейсмометр и звено, состоящее из двухвходовых сумматоров и вычитателей, входы которых попарно соединены и подключены к соответствующим выходам блока исходной информации, а их выходы являются выходами устройства. Измерительные оси сейсмометра такого устройства расположены в одной плоскости под углом 45^о к вертикали, а сам сейсмометр расположен в пространстве так, что фронт распространения волн перпендикулярен этой плоскости. Такая ориентация осей прибора позволяет выделять некоторые проекции векторов Р- и S-волн, пропорциональные сейсмической энергии, отраженной от подземных слоев путем суммирования и вычитания первично зарегистрированных сигналов U_X и U_Y по двум измерительным осям сейсмометра.

Устройство довольно простое в реализации, для него характерно высокое быстродействие, так как регистрацию и обработку сигналов производят в реальном масштабе времени.

Однако точность определения векторов Р- и S-волн недостаточна, так как не определяются три компоненты полного вектора. Точность выделения одновременно Р- и Lg-волн низкая. Эффективность устройства сравнительно невысока из-за того, что в реальных условиях не всегда известно точное направление на источник.

Наиболее близким техническим решением к заявленному по большему количеству сходных существенных признаков и достигаемому эффекту является устройство обработки сейсмических сигналов, в котором осуществляется выделение Р- и S-волн по известному направлению на источник сигналов [2].

Устройство содержит блок исходной информации, коммутатор знака, четыре усилителя, блок кодирования, дешифратор, двухвходовый сумматор, управляемый сумматор, блок регистрации, причем три входа коммутатора знака подключены соответственно к трем выходам блока исходной информации, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с первыми входами блоков регистрации и кодирования, выход последнего соединен с управляющими входами сумматоров, входы которых через усилители соединены с соответствующими выходами коммутатора знака.

Устройство довольно сложное. Реальные сейсмические сигналы Р- и S-волн имеют несколько отличный друг от друга частотный диапазон. Поэтому при выделении сигналов Р- и S-волн из общих зарегистрированных сигналов точность определения компонент полного вектора несколько ограничена. Кроме того, остается существенная погрешность определения компонентов полного вектора Lg-волн, имеющих отличный от Р-волн частотный спектр.

Цель изобретения - уменьшение погрешностей определения компонент полного вектора Р- и S-волн, а также компонент полного вектора Р- и Lg-волн.

Цель в устройстве обработки сейсмических сигналов при выделении Р- и S-волн или Р- и Lg-волн по известному направлению на источник сигналов, содержащем блок исходной информации, коммутатор знака, два двухвходовых сумматора, достигается тем, что в него дополнительно введены шесть фильтров, второй коммутатор знака, два формирователя управляющих импульсов, третий двухвходовый сумматор, три двухвходовых вычитателя, а блок исходной информации выполнен в виде трехкомпонентного сейсмометра, измерительные оси которых ортогональны, при этом входы первого и четвертого, второго и пятого, третьего и шестого фильтров соединены между собой и подключены к трем выходам блока исходной информации. Входы первого коммутатора знака параллельно соединены с соответствующими входами первого формирователя управляющих импульсов, а входы второго коммутатора знака параллельно соединены с соответствующими входами второго формирователя управляющих импульсов. При этом выходы первого и второго формирователей управляющих импульсов соответственно соединены с четвертыми входами первого и второго коммутаторов знака. Выходы первого, второго и третьего фильтров подключены к входам первого коммутатора знака, которые соединены также с первыми входами сумматоров, вторые входы которых связаны с выходами первого коммутатора знака, а выходы четвертого, пятого и шестого фильтров соединены с входами второго коммутатора знака, которые соединены также с первыми входами вычитателей, вторые входы которых связаны с выходами второго коммутатора знака. При этом выходы сумматоров и вычитателей являются выходами полного вектора Р- и S-волн.

Коммутатор знака содержит три управляемых усилителя, первые входы которых подключены к трем соответствующим входам коммутатора знака, четвертый вход которого соединен с вторыми входами управляемых усилителей, выходы которых подключены к трем соответствующим выходам коммутатора знака. Формирователь управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя, входы которых подключены к соответствующим входам формирователя управляющих импульсов, пять цифровых элементов НЕ, два элемента И-НЕ и элемент ИЛИ-НЕ. При этом попарно соединенные три входа первого элемента И-НЕ и три выхода усилителей-ограничителей (компараторов) подключены к входам первых трех элементов НЕ, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И-НЕ, выходы элементов И-НЕ попарно соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ, выходы которых подключены к элементу ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с выходом формирователя управляющих импульсов.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг.2 - схема коммутатора знака; на фиг.3 - схема формирователя управляющих импульсов.

Устройство содержит трехкомпонентный блок 1 исходной информации, две тройки фильтров 2-1, 2-2, 2-3 и 2-4, 2-5, 2-6, коммутаторы знака 3-1 и 3-2, формирователи 4-1, 4-2 управляющих импульсов, сумматоры 5-1, 5-2, 5-3 и вычитатели 6-1, 6-2, 6-3.

Блоки в устройстве обработки сейсмической информации соединены следующим образом.

Три выхода блока 1 исходной информации подключены к трем входам попарно соединенных первой и второй троек фильтров 2-1 - 2-6. Три одноименных входа первого коммутатора знака 3-1 и первого формирователя 4-1 управляющих импульсов параллельно соединены между собой. Tри одноименных входа второго коммутатора знака 3-2 и второго формирователя 4-2 управляющих импульсов также параллельно соединены между собой. Выходы первого и второго формирователей 4-1 и 4-2 управляющих импульсов соединены с четвертыми (управляющими) входами первого и второго коммутаторов знака 3-1 и 3-2. Три выхода первой тройки фильтров 2-1 - 2-3 соединены с тремя входами первого коммутатора знака 3-1, а три выхода второй тройки фильтров 2-4 - 2-6 - с тремя входами второго коммутатора знака 3-2. Три одноименных входа и выхода первого коммутатора знака 3-1 соединены с двумя входами каждого из трех сумматоров 5-1 - 5-3, а три одноименных входа и выхода второго коммутатора знака 3-2 - с двумя входами каждого из вычитателей 6-1 - 6-3. Три выхода сумматоров 5-1, 5-2, 5-3 и три выхода вычитателей 6-1, 6-2, 6-3 являются выходами устройства.

Каждый коммутатор знака 3-1 и 3-2 содержит по три управляемых усилителя 7-1 - 7-3, первые входы которых подключены к соответствующему входу коммутатора знака. Вторые (управляющие) входы управляемых усилителей 7-1 - 7-3 соединены между собой и подключены к четвертому (управляющему) входу коммутатора знака. Выходы управляемых усилителей подключены к выходам коммутатора знака.

Каждый формирователь 4-1 и 4-2 управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя (компаратора) 8-1 - 8-3, три инвертора 9-1 - 9-3, две трехвходовых логических схемы И-НЕ 10-1,10-2, два инвертора НЕ 11-1 и 11-2, схему ИЛИ-НЕ 12. Входы усилителей-ограничителей (компараторов) 8-1 - 8-3 подключены к соответствующим входам формирователя 4-1 управляющих импульсов. Попарно соединенные три входа первого элемента И-НЕ 10-1 и три выхода усилителей-ограничителей (компараторов) 8-1 - 8-3 подключены к входам первых трех элементов НЕ 9-1 - 9-3, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И-НЕ 10-2, а выходы элементов И-НЕ 10-1 и 10-2 попарно соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ 11-1 и 11-2, выходы которых подключены к элементу ИЛИ-НЕ 12, выход которого соединен с выходом формирователя 4-1 управляющих импульсов.

Блок 1 исходной информации представляет собой трехкомпонентный сейсмометр, измерительные оси которого ортогональны между собой и в состав которого могут входить усилители и общие фильтры.

Устройство обработки сейсмических сигналов работает следующим образом.

Измерительные оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации располагают по осям декартовых координат Х, Y, Z, которые в пространстве ориентированы, например, так, что оси Х,Y расположены в плоскости горизонта, одна из осей направлена на север, другая - на восток, а ось Z - вертикально вверх.

Рассмотрим вариант, когда сейсмоисточник расположен, например, в направлении третьего квадранта относительно сейсмометра. При таком расположении источника относительно системы координат выбираем условия в виде комбинации знаков по отношению к направлениям измерительных осей, когда анализируемые сигналы имеют одинаковые знаки.

Р-волна линейно поляризована в вертикальной плоскости, а ее полный вектор имеет проекции на вертикаль и горизонтальную плоскость. Для частиц в период времени, когда их движения совпадают с направлением распространения фронта волны, выполняется первая часть условия, т.е. знаки сигналов по трем компонентам будут положительны, а в период времени, когда движение частиц в волне противоположно направлению распространения Р-волны, выполняется вторая часть условия, т.е. знаки сигналов по этим же осям будут отрицательными, но имеют одинаковые знаки.

Комбинация знаков может быть любой, в зависимости от взаимного расположения сейсмоисточника, сейсмометра и от выбранного направления его измерительных осей.

С выходов трехкомпонентного сейсмометра снимают квазисинусоидальные электрические сигналы, соответствующие исследуемым колебаниям. Сигналы U_X, U_Y, U_Z с выхода блока 1 исходной информации коррелированы между собой во времени для Р-, S- и Lg-волн, степень их корреляции определяется степенью линейности поляризации волн.

Сигналы U_X, U_Y, U_Z, содержащие исследуемые колебания разных типов волн, фильтруют первой тройкой фильтров 2-1 - 2-3, выделяя частотный диапазон, соответствующий сигналам Р-волн, и фильтруют второй тройкой фильтров 2-4 - 2-6, выделяя частотный диапазон, соответствующий сигналам S-волн или Lg-волн. После этого на выходе первой тройки фильтров получают первую тройку дополнительных сигналов U_f1X, U_f1Y, U_f1Z, а на выходе второй тройки - вторую тройку дополнительных сигналов U_f2X, U_f2Y, U_f2Z. После этого анализируют знаки соответствующих троек сформированных дополнительных сигналов в каждый момент времени и по управляющим сигналам с выходов формирователей 4-1, 4-2 управляющих импульсов формируют соответственно третью и четвертую тройки дополнительных сигналов.

При формировании третьей тройки дополнительных сигналов U_f3X, U_f3Y, U_f3Z и четвертой тройки дополнительных сигналов U_f4X, U_f4Y, U_f4Z их значения будут равны, соответственно U_f3X=U_f1X, U_f3Y=U_f1Y, U_f3Z=U_f1Z и U_f4X=U_f2X, U_f4Y=U_f2Y, U_f4Z=U_f2Z в те моменты времени, когда знаки сигналов U_f1X, U_f1Y, U_f1Z и U_f2X, U_f2Y, U_f2Z будут совпадать с выбранной комбинацией знаков. А в те моменты времени, когда знак хотя бы одного из анализируемых сигналов соответствующей тройки не совпадает со знаком другого анализируемого сигнала своей тройки, т.е. не выполняется условие выбранной комбинации знаков, то U_f3X=-U_f1X, U_f3Y=-U_f1Y, U_f3Z=-U_f1Z. После этого формируют еще шесть сигналов, равных полусуммам и полуразностям сформированных дополнительных сигналов
(U_f1X+U_f3X)/2; (U_f1Y+U_f3X)/2;
(U_f1Z+U_f3Z)/2;
(1)
(U_f2X-U_f4X)/2; (U_f2Y-U_f4Y)/2;
(U_f2Z-U_f4Z)/2.

Р-волны поляризованы в вертикальной плоскости, совпадающей с направлением распространения сейсмической волны, а движение частиц в S-волне или Lg-волне происходит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения фронта волны.

Так как условие комбинации знаков для примера было выбрано в соответствии с движением частиц в Р-волне, то сигналы полусумм в выражении (1) будут соответствовать компонентам полного вектора Р-волны, а сигналы полуразностей напряжений в выражении (1) будут соответствовать компонентам полного вектора S-волн или Lg-волны.

Если выбрать комбинацию знаков в соответствии с движением частиц в S- или Lg-волне, то при суммировании дополнительных сигналов выделялись бы компоненты S- или Lg-волны, а при вычитании сигналов - компоненты Р-волны.

Выходные сигналы полусумм и полуразностей в дальнейшем дополнительно фильтруют по частоте.

Устройство, приведенное на фиг.1, реализует вариант, когда в комбинации знаков для первой части условия все знаки положительные, а в комбинации для второй части условия все знаки отрицательные.

Устройство работает следующим образом.

На трех выходах блока 1 исходной информации формируются три электрических напряжения U_X, U_Y, U_Z, которые поступают на первую и вторую тройки фильтров 2-1 - 2-6, на выходе первой тройки получается первая тройка фильтрованных дополнительных сигналов-напряжений U_f1X, U_f1Y, U_f1Z, а на выходе второй тройки фильтров получают напряжения, соответствующие второй тройке фильтрованных дополнительных сигналов U_f2X, U_f2Y, U_f2Z, отличающихся верхней граничной частотой. Напряжения, соответствующие первой и второй тройкам дополнительных сигналов поступают соответственно на три входа первого и второго коммутаторов знака 3-1 и 3-2. Эти сигналы пропорциональны входному сейсмическому воздействию, например скорости колебания грунта по соответствующей измерительной оси трехкомпонентного блока 1 исходной информации. На управляющие входы первого и второго коммутаторов знака 3-1 и 3-2 поступают управляющие сигналы логических "1" или "0" с выходов первого и второго формирователей 4-1 и 4-2 управляющих импульсов соответственно, которые формируются следующим образом.

Отфильтрованные напряжения U_f1X, U_f1Y, U_f1Z поступают на входы первого формирователя 4-1 управляющих импульсов и на его выходе формируются сигналы логической "1", если на его входах напряжения одного знака, или формируется сигнал логического "0", если на его входах хотя бы один сигнал имеет противоположный знак по сравнению с другими входными напряжениями.

В зависимости от выбранного управляющего сигнала - логический "0" или логическая "1" - в первом коммутаторе знака 3-1, когда условие комбинации знаков удовлетворяется, на его выходах формируются дополнительные сигналы U_f3X= U_f1X, U_f3Y=U_f1Y, U_f3Z+U_f1Z, а когда не удовлетворяются условия выбранной комбинации знаков, то на его выходах формируются сигналы U_f3X=-U_f1X, U_f3Y=-U_f1Y, U_f3Z=-U_f1Z.

Отфильтрованные напряжения U_f2X, U_f2Y, U_f2Z поступают на входы второго формирователя 4-2 управляющих импульсов и на его выходе формируются сигналы логической "1", если на его входах напряжения одного знака, или формируется сигнал логического "0", если на его входах хотя бы один сигнал имеет противоположный знак по сравнению с другими входными напряжениями.

В зависимости от выбранного управляющего сигнала - логического "0" или логической "1" - во втором коммутаторе знака 3-2, когда условие комбинации знаков удовлетворяется, на его выходах формируются дополнительные сигналы U_f4X= U_f2X, U_f4Y=U_f2Y, U_f4Z=U_f2Z, а когда не удовлетворяются условия выбранной комбинации знаков, то на его выходах формируются сигналы U_f4X=-U_f2X, U_f4Y=-U_f2Y, U_f4Z=-U_f2Z.

Каждая пара сигналов: U_f1X, U_f3X; U_f1Y, U_f3Y; U_f1Z, U_f3Z с одноименных входа и выхода коммутатора знака 3-1 поступает на два входа сумматоров 5-1 - 5-3 соответственно, а каждая паpа сигналов U_f2X, U_f4X; U_f2Y, U_f4Y; U_f2Z, U_f4Z с одноименных входа и выхода коммутатора 3-2 поступает на два входа вычитателей 6-1 - 6-3 соответственно. Сумматоры и вычитатели имеют коэффициенты передачи К_i=0,5. На их выходах формируются соответственно полусуммы и полуразности дополнительных сигналов: (U_f1i+U_f3i)/2 и (U_f2i - U_f4i)/2, где i - соответствующий индекс компоненты.

Для выбранного условия комбинации знаков в соответствии с характеристикой Р-волны на выходе сумматоров 5i будут выделяться сигналы, определяющие компоненты Р-волны, а на выходе вычитателей 6i - сигналы, определяющие компоненты S-волны.

Устройство имеет высокое быстродействие, так как измерение сигналов и последующая обработка непосредственно электрических аналогов сигналов для определения компонент векторов проводится в реальном масштабе времени. Погрешность определения компонент векторов Р- и S-волн ниже, чем в прототипе, так как анализ сигналов производят в оптимальном для каждого типа волн частотном диапазоне в каждый момент времени по трем компонентам. Обработка реальных сейсмических сигналов, проведенная с помощью предлагаемого устройства, подтвердила эффективность устройства и уменьшение погрешности определения компонент полного вектора исследуемых колебаний.

Использование: сейсморазведка. Сущность изобретения: устройство содержит блок исходной информации, шесть фильтров, два коммутатора знака, два формирователя управляющих импульсов, три сумматора и три вычитателя. Устройство позволяет выделить по три компоненты полного вектора P-волны и полного вектора S-волны или Lg-волны. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ при выделении P- и S-волн или P- и Lg-волн по известному направлению на источник сигналов, содержащее блок исходной информации, первый коммутатор знака, два двухвходовых сумматора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены шесть фильтров, второй коммутатор знака, два формирователя управляющих импульсов, третий двухвходовый сумматор, три двухвходовых вычитателя, а блок исходной информации выполнен в виде трехкомпонентного сейсмометра, измерительные оси которого ортогональны, при этом входы первого и четвертого, второго и пятого, третьего и шестого фильтров соединены между собой и подключены к трем выходам блока исходной информации, входы первого коммутатора знака параллельно соединены с соответствующими входами первого формирователя управляющих импульсов, а входы второго коммутатора знака параллельно соединены с соответствующими входами второго формирователя управляющих импульсов, при этом выходы первого и второго формирователей управляющих импульсов соответственно соединены с четвертыми входами первого и второго коммутаторов знака, выходы первого, второго и третьего фильтров соединены соответственно с входами первого коммутатора знака, которые соединены также с первыми входами сумматоров, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого коммутатора знака, а выходы четвертого, пятого и шестого фильтров - соответственно с входами второго коммутатора знаков, которые соединены также с первыми входами вычитателей, вторые входы которых соединены соответственно с выходами второго коммутатора знака, при этом выходы сумматоров и вычитателей являются выходами полного вектора P- и S-волн. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коммутатор знака содержит три управляемых усилителя, первые входы которых подключены к трем соответствующим входам коммутатора знака, четвертый вход которого соединен с вторыми входами управляемых усилителей, выходы которых подключены к трем соответствующим выходам коммутатора знака. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя, входы которых подключены к соответствующим входам формирователя управляющих импульсов, пять цифровых элементов НЕ, два элемента И - НЕ и элемент ИЛИ - НЕ, при этом попарно соединенные три входа первого элемента И - НЕ и три выхода усилителей-ограничителей (компараторов) подключены к входам первых трех элементов НЕ, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И - НЕ, выходы элементов И - НЕ попарно соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ, выходы которых подключены к элементу ИЛИ - НЕ, выход которого соединен с выходом формирователя управляющих импульсов.