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

Изобретение относится к области сейсмологии, в частности к устройствам обработки сейсмических сигналов, которые осуществляют выделение поверхностных рэлеевских волн при обеспечении требований высокой эффективности выделения, быстродействия и простоты реализации. Такие требования предъявляются к устройствам для проведения сейсмических наблюдений в полевых условиях при различных геофизических работах.

Известно устройство, в котором каждая горизонтальная компонента движения умножается с обращением фаз на π/2 на вертикальную и два результирующих, произведения изображаются как вектор. Таким образом, на выходе системы накапливаются сигналы в течение всего времени прохождения волны, для которой компоненты Н и V смещены относительно друг друга по фазе на π/2 (в том числе и волны Рэлея) [1].

Недостатком устройства является необходимость векторного умножения сигналов, что снижает точность, и наличие случайных составляющих Н и V компонент, имеющих сдвиг фаз π/2.

Известно такое устройство, содержащее узкополосные фильтры и блоки измерения фазовых соотношений между сигналами, в котором осуществляют последовательную фильтрацию ортогональных составляющих колебаний, получают практически синусоидальные колебания с частотой, соответствующей резонансной частоте фильтра. Для линейно поляризованных колебаний сигналы на выходе синфазны и отличаются только амплитудами. Для эллиптически поляризованных волн, таких как волны Рэлея с характерным фазовым сдвигом π/2, на выходе того же фильтра наблюдается сдвиг, зависящий от резонансной частоты фильтров.

Такой линейно-фазовый фильтр является по существу сверткой двухканального скоростного и узкополосного фильтра.

Устройство имеет недостаток, потому что использование резонансных фильтров накладывает жесткие требования на идентичность их характеристики, кроме того, резонансные фильтры вносят искажения по амплитуде и фазе, что снижает точность при обработке результатов в реальном масштабе времени.

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 точность несколько ограничена: отсутствует возможность выделения сигналов поверхностных волн.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Цель в устройстве обработки сейсмических сигналов при выделении сигналов рэлеевских волн по известному направлению на источник, содержащем блок исходной информации, коммутатор знака, два двухвходовых сумматора, достигается тем, что в него дополнительно введены три фильтра, формирователь управляющих импульсов, два фазовращателя и третий двухвходовый сумматор, а блок исходной информации выполнен в виде трехкомпонентного сейсмометра, измерительные оси которого ортогональны, при этом выходы блока исходной информации соединены с входами трех фильтров, выход третьего фильтра подключен к входу первого фазовращателя, выход которого и выходы первого и второго фильтров подключены к соответствующим входам коммутаторов знака, которые соединены параллельно с соответствующими входами формирователя управляющих импульсов, выход которого подключен к четвертому (управляющему) входу коммутатора знака, соответствующие одноименные входы и выходы которого соединены с первыми и вторыми входами трех сумматоров, при этом выход третьего сумматора подключен к входу второго фазовращателя, а выходы первого и второго сумматоров и второго фазовращателя являются выходами полного вектора рэлеевских 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 выходами 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, фильтры 2-1, 2-2, 2-3, коммутатор знака 3, формирователь 4 управляющих импульсов, сумматоры 5-1, 5-2, 5-3, фазовращатели 6, 7.

Блоки в устройстве обработки сейсмической информации соединены следующим образом. Три выхода блока 1 исходной информации подключены соответственно к трем входам фильтров 2-1 - 2-3. Одноименные три входа коммутатора знака 3 и формирователя 4 управляющих импульсов параллельно соединены между собой. Выход формирователя 4 управляющих импульсов соединен с четвертым (управляющим) входом коммутатора знака 3. Три одноименных входа и выхода коммутатора знака 3 соединены с двумя входами каждого из трех сумматоров 5-1 - 5-3. Выход третьего фильтра 2-3 соединен с входом первого фазовращателя. Два входа первого 2-1 и второго 2-2 фильтров, а также выход первого фазовращателя 6 соединены соответственно с тремя входами коммутатора знака 3. Выход третьего сумматора 5-3 соединен с входом второго фазовращателя 7. Два выхода сумматоров 5-1, 5-2 и выход второго фазовращателя 7 являются соответственно выходами устройства - двух горизонтальных и вертикальных компонент полного вектора колебаний рэлеевских волн.

Коммутатор знака 3 содержит три управляемых усилителя 3-1 - 3-3, первые входы которых подключены к трем соответствующим входам коммутатора знака 3, четвертый вход которого соединен с вторыми входами управляемых усилителей 3-1 - 3-3, выходы которых подключены к трем соответствующим выходам коммутатора знака.

Формирователь 4 управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя (компаратора) 8-1 - 8-3, входы которых подключены к соответствующим входам формирователя 4 управляющих импульсов, пять цифровых элементов НЕ 9-1 - 9-3 и 11-1, 11-2, два элемента И-НЕ 10-1 и 10-2 и элемент ИЛИ-НЕ 12. 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. Выходы элементов И-НЕ 10-1, 10-2 попарно соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ 11-1, 11-2, выходы которых подключены к элементу ИЛИ-НЕ 12, выход которого соединен с выходом формирователя 4 управляющих импульсов.

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

Сущность работы устройства обработки сейсмических сигналов заключается в следующем.

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.

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 в широком частотном диапазоне, содержащие сигналы P-, S-, R-волн. Фильтрация сигналов U_X, U_Y, U_Z с выхода блока 1 исходной информации при помощи фильтров обусловлена тем, что поверхностные рэлеевские волны ниже по частоте Р-, S- и Lg-волн, а амплитуды рэлеевских волн часто значительно меньше амплитуд других типов волн при регистрации скорости колебания грунта.

Сигналы U_X, U_Y, U_Z по двум горизонтальным и вертикальному каналам, содержащие исследуемые колебания разных типов волн, фильтруют фильтрами 2-1 - 2-3, выделяя частотный диапазон, соответствующий сигналам Р-волн. После этого на выходе этих фильтров 2-1 - 2-3 получают первый, второй, третий дополнительные сигналы U_f1X, U_f1Y, U_f1Z. Отфильтрованный сигнал вертикальной компоненты U_f1Z сдвигают по фазе в сторону опережения на π/2 с помощью первого фазовращателя 6 и на его выходе получают четвертый дополнительный сигнал U_f2Z. После этого анализируют знаки первого, второго, четвертого дополнительных сигналов U_f1X, U_f1Y, U_f2Z в коммутаторе знака 3 в каждый момент времени, и по управляющим сигналам с выхода формирователя 4 управляющих импульсов формируют пятый, шестой, седьмой дополнительные сигналы U_f2X, U_f2Y, U_f3Z, равные, соответственно, сигналам U_f1X, U_f1Y, U_f2Z, если их знаки будут совпадать с выбранной комбинацией знаков, или равных, соответственно, сигналам -U_f1X, -U_f1Y, -U_f2Z, в те моменты времени, когда знаки анализируемых сигналов или знак хотя бы одного из сигналов не совпадает с выбранной комбинацией знаков. После этого при помощи сумматоров 5-1 - 5-3 формируют сигналы, равные полусуммам одноименных сформированных дополнительных сигналов
(U_f1X+U_f2X)/2;
(U_f1Y+U_f2Y)/2; (1)
(U_f2Z+U_f3Z)/2 .

Так как условие комбинации знаков для примера было выбрано в соответствии с движением частиц в Р-волне, то сигналы полусумм в выражении (1) соответствуют компонентам полного вектора R-волны, где вертикальная компонента полного вектора R-волн сдвинута по фазе в сторону опережения на π/2. Чтобы восстановить истинные фазовые соотношения, необходимо сформировать восьмой дополнительный сигнал, т.е. достаточно сдвинуть сигнал вертикального канала, равный последней полусумме из выражения (1) на π/2 в сторону отставания по фазе, что и делает второй фазовращатель 7.

Таким образом, сформированные выходные сигналы являются тремя компонентами полного вектора колебаний, соответствующих R-волне.

Cигналы полусумм 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 при регистрации сейсмических сигналов по двум горизонтальным и вертикальному каналам имеют три электрических напряжения U_X, U_Y, U_Z, которые, например, пропорциональны скорости колебаний грунта. Эти напряжения поступают на входы фильтров 2-1 - 2-3, на выходе которых получают напряжения двух горизонтальных каналов U_f1X, U_f1Y и вертикального канала U_f1Z, фильтрованные в частотном диапазоне, соответствующем колебаний рэлеевских волн. Отфильтрованное напряжение вертикального канала U_f1Z поступает на вход первого фазовращателя 6, на выходе которого получают напряжение U_f2Z, опережающее по фазе на π/2 напряжение U_f1Z. Напряжения U_f1X, U_f1Y, U_f2Z c выходов двух фильтров 2-1, 2-2 горизонтальных каналов и выхода первого фазовращателя 6 поступают соответственно на три входа коммутаторов знака 3 и формирователя 4 управляющих импульсов, соединенных параллельно между собой. Эти напряжения пропорциональны входному сейсмическому воздействию по соответствующей измерительной оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации. На управляемый вход коммутатора знака 3 поступают управляющие сигналы логических "1" или "0" с выхода формирователей 4 управляющих импульсов, которые формируются следующим образом.

Отфильтрованные анализируемые напряжения U_f1X, U_f1Y, U_f2Z поступают на вход формирователя 4 управляющих импульсов и на его выходе формируются сигналы логической "1" в те моменты времени, когда на его входах анализируемые напряжения имеют одинаковые знаки, или формируются сигналы логического "0", в те моменты времени, когда хотя бы один сигнал из анализируемых имеет противоположный знак по сравнению с другими напряжениями.

В зависимости от выбранного управляющего сигнала - логический "0" или логическая "1" - в коммутаторе знака 3, когда условие комбинации знаков удовлетворяется, на его выходах формируются напряжения, равные соответственно анализируемым напряжениям U_f2X = U_f1X, U_f2Y=U_f1Y, U_f3Z=U_f2Z, а когда не удовлетворяются условия выбранной комбинации знаков, то на его выходах формируются напряжения противоположных знакам входных анализируемых напряжений U_f2X=-U_f1X, U_f2Y=-U_f1Y, U_f3Z=-U_f2Z.

Пара сигналов: U_f1X, U_f2X, U_f1Y, U_f2Y; U_f3Z, U_f2Z с одноименных входа и выхода коммутатора знака 3 поступает на два входа сумматоров 5-1 - 5-3, соответственно. Сумматоры имеют коэффициенты передачи К_i=0,5. На их выходах формируются полусуммы напряжений
(U_f1i+U_f3i)/2, где i - индекс соответствующей компоненты.

Для выбранного условия комбинации знаков в соответствии с характеристикой Р-волны на выходе сумматоров 5-1 - 5-3 выделяются напряжения, определяющие компоненты R-волны, но напряжение, соответствующее полусумме напряжений вертикального канала, опережает истинное напряжение вертикального канала на π/2, поэтому это напряжение поступает на второй фазовращатель 7, который сдвигает на π/2 назад входное напряжение, и на выходе второго фазовращателя 7 получают истинное напряжение вертикальной компоненты колебаний рэлеевских волн.

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 R-волн незначительная, так как анализ сигналов производят в оптимальном частотном диапазоне в каждый момент времени по трем компонентам.

Использование: сейсморазведка. Сущность изобретения: устройство содержит трехкомпонентный блок исходной информации, коммутатор знака, формирователь управляющих импульсов, три сумматора, три фильтра и два фазовращателя. Устройство позволяет выделять компоненты полного вектора колебаний рэлеевских волн. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ при выделении сигналов рэлеевских волн по известному направлению на источник, содержащее блок исходной информации, коммутатор знака, два двухвходовых сумматора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены три фильтра, формирователь управляющих импульсов, два фазовращателя и третий двухвходовый сумматор, а блок исходной информации выполнен в виде трехкомпонентного сейсмометра, измерительные оси которого ортогональны, при этом выходы блока исходной информации соединены с входами трех фильтров, выход третьего фильтра подключен к входу первого фазовращателя, выход которого и выходы первого и второго фильтров подключены к соответствующим входам коммутатора знака, которые соединены параллельно с соответствующими входами формирователя управляющих импульсов, выход которого подключен к четвертому (управляющему) входу коммутатора знака, соответствующие одноименные входы и выходы которого соединены с первыми и вторыми входами трех сумматоров, при этом выход третьего сумматора подключен к входу второго фазовращателя, а выходы первого и второго сумматоров и второго фазовращателя являются выходами полного вектора рэлеевских 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.