УСТРОЙСТВО ДДЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ P- И S-ВОЛН ПО ИЗВЕСТНОМУ НАПРАВЛЕНИЮ НА ИСТОЧНИК Российский патент 1995 года по МПК G01V1/28 

Изобретение относится к сейсмологии, конкретно к устройствам обработки сейсмической информации при обнаружении и выделении линейно-поляризованных продольных Р-волн и поперечных S-волн. К устройствам предъявляются требования по точности выделения компонент модуля вектора при быстродействии и простоте реализации. Такие требования предъявляются к устройствам, используемым при проведении различных геофизических работ в полевых условиях.

Известные различные устройства обработки сейсмической информации используются при обнаружении и выделении сигналов волн Р и S типов.

Устройство, основанное на поляризационной корреляции, позволяет выделять волны с любого произвольного направления, а устройство представляющее собой двухкомпонентную самонастраивающуюся систему, позволяет выделять от источника волны только с заданным направлением поляризации.

Для таких устройств характерна хорошая помехозащищенность, при сравнительно большом значении отношения сигнал/шум.

Недостатком устройств являются сравнительно низкие эффективность и быстродействие, что обусловлено необходимостью использования сложной аппаратуры для анализа энергии регистрируемых колебаний при известном значении амплитуды полезного сигнала, что затруднено в натурных условиях из-за того, что время действия полезного сигнала не всегда определено.

Известны другие устройства селекции волн Р и S типов: по направлению смещения частиц и устройство полярной корреляции. Устройства, в принципе, могут обеспечить хорошие эффективность и быстродействие, однако это достигается значительным усложнением их аппаратурной реализации необходимо увеличивать количество сейсмометров, которые устанавливают так, чтобы оси диаграмм направленности были ориентированы в пространстве равномерно по всем направлениям. Увеличение количества сейсмометров обусловливает увеличение общего количества каналов записи, что значительно усложняет аппаратурную реализацию в полевых условиях.

Известно устройство для обработки сейсмических сигналов [1] которое по записи двухкомпонентных сигналов позволяет обнаруживать и выделять линейно-поляризованные Р- и S-волны по известному направлению на источник. Устройство содержит блок исходной информации двухкомпонентный сейсмометр и звено, состоящее из двухвходовых сумматора и вычитателя, входы которых попарно соединены и подключены к соответствующим выходам блока исходной информации, а их выходы являются выходами устройства.

Измерительные оси Х и Y двухкомпонентного сейсмометра такого устройства расположены в одной плоскости под углом 45^о к вертикали, а сам сейсмометр расположен в пространстве таким образом, что фронт распространения волн перпендикулярен к 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 Uх и Uy по двум измерительным осям сейсмометра.

Устройство довольно простое в реализации и улучшает отношение сигнал/шум за счет наличия такого действия, как суммирование и вычитание зарегистрированных сигналов с известным направлением поляризации. Для устройства 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. Эффективность способа зависит также и от пространственной ориентации плоскости измерительных осей системы измерения относительно источника, и 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 для обнаружения и выделения сейсмических сигналов Р- и S-волн по известному направлению на источник [2] которое имеет существенные преимущества по сравнению с [1]
Устройство для обнаружения и выделения сейсмических сигналов Р- и S-волн по известному направлению на источник содержит блок исходной информации в виде трехкомпонентного сейсмометра, три звена двухвходовых сумматоров, три звена двухвходовых вычитателей, коммутатор знака и формирователь управляющих импульсов, причем три входа коммутатора знака и формирователя управляющих импульсов попарно соединены и подключены, соответственно, к трем выходам блока исходной информации, выход формирователя управляющих импульсов соединен с четвертым (управляющим) входом коммутатора знака, причем параллельно соединенные входы каждого звена сумматоров и вычитателей соединены с одноименными выходами блока исходной информации и коммутатора знака, при этом три выхода сумматоров и три выхода субстракторов являются выходами устройства; 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 (компаратора), входы которых подключены к соответствующим входам формирователя управляющих импульсов, пять цифровых элементов НЕ, два элемента И-НЕ и элемент ИЛИ-НЕ, причем 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.

Принцип работы такого устройства заключается в следующем.

Измерительные оси трехкомпонентного сейсмометра блока исходной информации располагают по осям декартовых координат Х,Y,Z, которые в пространстве ориентированы, к примеру, так, что оси Х,Y расположены в плоскости горизонта, одна из осей направлена на север, другая на восток, а ось Z направлена вертикально вверх. Для такого расположения источника относительно направлений измерительных осей выбирают знаковую функцию, равную плюс 1 для временного интервала при условии, когда все знаки регистрируемых сигналов совпадают, и равную минус единица, когда это условие не выполняется.

Рассмотрим вариант, когда сейсмоисточник расположен, например, в третьем квадранте на плоскости координат ХY, а сейсмометр расположен в центре координат. При таком расположении источника относительно системы координат комбинации знаков по отношению к направлениям измерительных осей будут иметь следующий вид. Р-волна, линейно-поляризована в вертикальной плоскости, а ее вектор имеет проекции на вертикаль и горизонтальную плоскость. Для частиц в период времени, когда их движение совпадает с направлением распространения фронта волны, выполняется первая часть условия, то есть знаки сигналов по трем компонентам будут положительны, а в период времени, когда движение частиц в волне не совпадает с направлением распространения Р-волны, выполняется вторая часть условия, то есть знаки сигналов по этим же осям будут отрицательны, а знаковая функция будет равна +1. Соответственно, для сигналов, имеющих поляризацию, не совпадающую с распространением фронта волны, знаковая функция будет равна -1.

С выходов трехкомпонентного сейсмометра снимают квазисинусоидальные электрические сигналы. Так как обычно реальный сигнал является суммой искомого сигнала и помехи, то для увеличения отношения сигнал/шум исходный сигнал предварительно фильтруют в определенном известном частотном диапазоне, устраняя при этом и постоянную составляющую.

Анализ во времени знаков сигналов Uх,Uy,Uz производится в каждый момент времени по управляющим сигналам с выхода формирователя управляющих импульсов. При формировании трех дополнительных сигналов U1х,U1y,U1z знак этих сигналов будет определяться значением знаковой функции, то есть не будет меняться, если знаки сигналов Uх,Uy,Uz будут совпадать с выбранной комбинацией знаков, но знак этих сигналов будет противоположным по сравнению со знаком соответствующего анализируемого сигнала в те моменты времени, когда знак хотя бы одного из сигналов не совпадает со знаком другого соответствующего сигнала. Затем формируют еще шесть сигналов, равных полусуммам и полуразностям первичных и дополнительных сигналов
(Uх+U1х)/2; (Uх-U1х)/2; (Uy+U1y)/2;
(Uy-U1y)/2; (Uz+U1z)/2; (Uz-U1z)/2 (1)
Три выходных сигнала, равные полусуммам, будут соответствовать трем компонентам Р-вектора, так как в них сигналы Р-волн складываются, а S-волн вычитаются и практически отсутствуют, а другие три выходных сигнала, равных полуразностям, будут соответствовать трем компонентам S-вектора, так как в них сигналы S-волн складываются, а Р-волны вычитаются, и также практически отсутствуют.

Таким образом, шесть сформированных выходных сигналов являются тремя компонентами, соответствующими Р-волне, и тремя компонентами, соответствующими S-волне.

Если выбрать комбинацию знаков, соответствующую направлению поляризации S-волны, то при суммировании сигналов выделялись бы компоненты S-волны, а при вычитании сигналов Р-волны.

Практически, в дальнейшем выходные сигналы в виде полусумм и полуразностей дополнительно фильтруют по частоте.

Устройство имеет существенные преимущества по сравнению с [4] по точности определения компонент полного вектора, однако при данной реализации, устройство имеет дополнительные аппаратурные (инструментальные) погрешности при выполнении операции инвертирования сигнала коммутатором знака, а также аналогичные погрешности при суммировании и вычитании сигналов.

Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения устройства при его упрощении.

Технический результат в устройстве для обнаружения и выделения сейсмических сигналов Р- и S-волн по известному направлению на источник, содержащему блок исходной информации в виде трехкомпонентного сейсмометра и формирователя управляющих импульсов, три входа которого подключены к соответствующим выходам блока исходной информации, достигается тем, что оно дополнительно содержит три пары ключей, причем каждый выход блока исходной информации подключен к одной паре ключей, информационные входы которых соединены вместе, управляющие входы всей ключей соединены вместе и подключены к выходу формирователя управляющих импульсов, три выхода из каждой пары ключей являются выходами соответствующей компоненты модуля вектора Р волны, а три других выхода из трех пар ключей являются соответствующими компонентами модуля вектора S волны; формирователь управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя (компаратора), входы которых подключены к соответствующим входам формирователя управляющих импульсов, пять цифровых элементов НЕ, два элемента И-НЕ и элемент ИЛИ-НЕ, причем 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, 2 представлена функциональная схема устройства.

Оно содержит трехкомпонентный блок 1 исходной информации, формирователь 2 управляющих импульсов; три пары ключей 3-1, 3-2; 4-1, 4-2; 5-1, 5-2.

Блоки в устройстве для обнаружения и выделения сейсмических сигналов Р- и S-волн по известному направлению на источник соединены следующим образом. Три выхода (Х,Y,Z) блока 1 исходной информации подключены к одноименным трем входам формирователя 2 управляющих импульсов. Выход Х блока 1 исходной информации соединен с информационными входами первой пары ключей 3-1 и 3-2, выход Y блок 1 соединен с информационными входами второй пары ключей 4-1 и 4-2, выход Z блока 1 соединен с информационными входами третьей пары ключей 5-1 и 5-2. Управляющие входы всех перечисленных ключей соединены вместе и подключены к выходу формирователя 2 управляющих импульсов. Входы ключей 3-1, 4-1, 5-1 подключены к выходам компонент модуля вектора продольной Р волны Рх, Рy, Рz, соответственно. Выходы ключей 3-2, 4-2, 5-2 подключены к выходам компонент модуля вектора поперечной S-волны Sх,Sy,Sz соответственно.

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

Блок-схема формирователя 2 управляющих импульсов представлена на фиг.2. Формирователь 2 управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя 6-1, 6-2, 6-3 (компаратора), первый, второй, третий элементы НЕ 7-1, 7-2, 7-3, первый и второй элементы И-НЕ 8-1, 8-2, четвертый и пятый элементы НЕ 9-1, 9-2 и элемент ИЛИ-НЕ 10. Входы усилителей-ограничителей 6-1, 6-2, 6-3 соединены с соответствующими входами формирователя 2 управляющих импульсов. Выходы усилителей-ограничителей 6-1, 6-2, 6-3 (компараторов) подключены, соответственно, к трем входам первого элемента И-НЕ 8-1 и ко входам трех первых элементов НЕ 7-1, 7-2, 7-3, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И-НЕ 8-2. Выходы элементов И-НЕ 8-1, 8-2 соответственно соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ 9-1, 9-2. Выходы этих элементов НЕ 9-1 и 9-2 подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ 10, выход которого соединен с выходом формирователя 2 управляющих импульсов.

Принцип работы устройства для обнаружения и выделения сейсмических сигналов Р и S волн по известному направлению на источник заключается в следующем.

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

Рассмотрим вариант, когда сейсмоисточник расположен, например, в третьем квадранте на плоскости координат ХY, а сейсмометр расположен в центре координат, аналогично варианту, рассмотренному в прототипе. При таком расположении источника относительно направления измерительных осей трехкомпонентного сейсмометра необходимо обеспечить на трех выходах компонент Р волн Рх, Рy,Рz прохождение сигнала в те интервалы времени, когда знаки регистрируемых сигналов по компонентам Х,Y,Z совпадают между собой, а когда это условие не выполняется, на этих выходах должен быть нулевой сигнал. На выходах компонент поперечных волн Sх,Sy,Sz необходимо обеспечить прохождение сигнала в те интервалы времени, когда знаки регистрируемых компонент сигналов не совпадают между собой, то есть, когда осуществляется линейная поляризация S-волн в плоскости, перпендикулярной направлению распространения фронта волн. А когда знаки совпадают между собой, как для Р волн, на выходах Sх,Sy,Sz должен быть нулевой сигнал. То есть, должны выполняться аналогичные требования обеспечения на выходах устройства сигналов отдельно Р и S волн. Эту задачу выполняет предложенное устройство с помощью более простой реализации, которая однако позволяет повысить точность измерений.

Обычно реальный сигнал является суммой искомого сигнала и помехи, поэтому для увеличения отношения сигнал/шум исходный сигнал предварительно фильтруют в определенном известном частотном диапазоне, устраняя при этом и постоянную составляющую. Предварительно отфильтрованные сигналы Uх,Uy,Uz с выходов Х,Y,Z, блока 1 исходной информации коррелированы между собой во времени для Р- и S-волн, степень их корреляции определяется степенью линейности поляризации волн.

Устройство работает следующим образом. На трех выходах блока 1 исходной информации формируются три электрических сигнала Uх,Uy,Uz, которые поступают соответственно на три входа формирователя 2 управляющих импульсов. Эти сигналы пропорциональны входному сейсмическому воздействию, например скорости колебания грунта по соответствующей измерительной оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации. На управляемые входы ключей поступает управляющий сигнал U2 с выхода формирователя 2 управляющих импульсов, который формируется следующим образом. Сигналы Uх,Uy,Uz поступают на входы усилителей-ограничителей 6-1, 6-2, 6-3 (компараторов) и на их выходах формируются сигналы логической единицы, если на их входах сигнал больше нуля, или формируется сигнал логического нуля, если на их входах сигнал меньше нуля. С выходов усилителей-ограничителей (компараторов) 6-1, 6-2, 6-3 логические сигналы поступают одновременно на входы первого трехвходового логического элемента И-НЕ 8-1 и через логические элементы 7-1, 7-2, 7-3 на входы второго трехвходового логического элемента И-НЕ 8-2. Таким образом, на выходе первого элемента И-НЕ 8-1 установится логический ноль, когда выполняется первая часть выбранного условия по совпадению знаков регистрируемых сигналов, то есть комбинация знаков Uх>0, Uy>0, Uz>0; соответственно на выходе второго элемента И-НЕ 8-2 также установится логический ноль, но уже для второй части условия совпадения знаков, комбинация знаков Uх<0, Uy<0, Uz<0.

С выходов логических элементов И-НЕ 8-1 8-2 цифровые сигналы поступают на логические элементы НЕ 9-1, 9-2, на выходах которых устанавливаются логические единицы при соответствующей комбинации знаков входных сигналов. С выходом логических элементов НЕ 9-1, 9-2 цифровые сигналы поступают на двухвходовый логический элемент ИЛИ-НЕ 10, на выходе которого устанавливается логический ноль в моменты времени, когда выполняется хотя бы одно из двух частей условия выбранной комбинации знаков, и устанавливается логическая единица, когда условие выбранной комбинации знаков не выполняется.

Ключи 3-1, 4-1, 5-1 при поступлении на их управляющие входы напряжения U2 логического нуля (совпадения знаков) пропускают на выходы устройства сигналы напряжений Uх,Uy,Uz, то есть те сигналы, поляризация которых соответствует волнам Р типа, а при поступлении логической единице к выходу ключа подключают нулевой потенциал. Ключи 3-2, 4-2, 5-2 при поступлении на их управляющие входы логической единицы напряжения U2 пропускают на выходы ключей, соответственно, на выходы устройства сигналы напряжений Uх,Uy,Uz, то есть те сигналы, поляризация которых соответствует волнам S-типа. Таким образом, ключи 3-1, 4-1, 5-1 отличаются от ключей 3-2, 4-2, 5-2 лишь значением логического управляющего сигнала.

Таким образом, на трех выходах устройства выделяются сигналы компонент Р-волн U(Рх), U(Рy), U(Рz), а на трех других выходах выделяются сигналы компонент S-волн U(Sх), U(Sy), U(Sz).

Практически в дальнейшем выходные сигналы дополнительно фильтруют по частоте.

Устройство построено на стандартных электронных схемах:
усилители-ограничители (компараторы) [6]
ключи и логические элементы построены с помощью стандартных микросхем. В качестве ключей можно использовать, к примеру, двухвходовые аналоговые ключи серии 564КН.

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 устройстве прототипе, так как отсутствуют погрешности коэффициента передачи управляемых усилителей и сумматоров, вычитателей. Достоинством предлагаемого устройства является и упрощение конструкции за счет использования малогабаритных цифровых микросхем.

Использование: выделение линейно-поляризованных продольных P волн и поперечных S волн. Сущность изобретения: устройство построено на принципе анализа фазовых соотношений регистрируемых сигналов в каждый момент времени и выделении сигналов, имеющих определенные знаковые соотношения между компонентами модуля вектора. Устройство содержит блок исходной информации в виде трехкомпонентного сейсмометра, формирователь управляющих импульсов, две пары ключей. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДДЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ВЫДЕЛЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ P- И S-ВОЛН ПО ИЗВЕСТНОМУ НАПРАВЛЕНИЮ НА ИСТОЧНИК, содержащее блок исходной информации, выполненный в виде трехкомпонентного сейсмометра, и формирователь управляющих импульсов, три входа которого подключены к соответствующим выходам блока исходной информации, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит три пары ключей, при этом каждый из трех выходов блока исходной информации соединен с соответствующей парой ключей, информационные входы каждой пары ключей объединены, а управляющие входы всех ключей подключены к выходу формирователя управляющих импульсов, при этом выходы первых ключей каждой пары являются выходами соответствующей компоненты модуля вектора P-волны, а выходы вторых ключей каждой пары являются соответствующими компонентами вектора S-волны. 2. 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 выходы трех усилителей-ограничителей подключены к входам первых трех элементов НЕ, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И НЕ, выход первого элемента И НЕ соединен с входом четвертого элемента НЕ, а выход второго элемента И НЕ с входом пятого элемента НЕ, при этом выходы четвертого и пятого элементов НЕ подключены к элементу ИЛИ НЕ, выход которого соединен с выходом формирователя управляющих импульсов.