УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ РЭЛЕЕВСКИХ ВОЛН ПРИ ИЗВЕСТНОМ НАПРАВЛЕНИИ НА ИСТОЧНИК Российский патент 1995 года по МПК G01V1/28 

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

Известно устройство, в соответствии с которым каждая горизонтальная компонента движения умножается с обращением фаз на П/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 П/2 (в том числе и волны Рэлея).

Недостатками являются необходимость векторного умножения сигналов, что снижает точность, и наличие случайных составляющих Н и V компонент, имеющих сдвиг фаз П/2.

Известно другое устройство, содержащее узкополосные фильтры и блоки измерения фазовых соотношений между сигналами, в котором производят последовательную фильтрацию ортогональных составляющих колебаний, получают практически синусоидальные колебания с частотной, соответствующей резонансной частоте фильтра. Для линейно-поляризованных колебаний сигналы на выходе будут синфазны и отличаться только амплитудами. Для эллиптически-поляризованных волн, таких, как волны Рэлея с характерным фазовым сдвигом П/2, на выходе того же фильтра будет наблюдаться сдвиг, зависящий от резонансной частоты фильтра. 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 характеристик, кроме этого резонансные фильтры будут вносить искажения по амплитуде и фазе, что снижает точность при обработке результатов в реальном масштабе времени.

Известно другое устройство для обработки многокомпонентных сигналов [1] которое 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 различных типов волн имеют несколько отличный друг от друга частотный диапазон. Поэтому точность несколько ограничена. Отсутствует возможность выделения сигналов поверхностных волн.

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

Устройство обработки сейсмических сигналов при выделении сейсмических сигналов различных типов волн по известному направлению на источник содержит блок исходной информации в виде трехкомпонентного сейсмометра, трех двухвходовых сумматоров и вычитателей, коммутатор знака, 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 и три выхода вычитателей являются выходами устройства.

Устройство эффективно работает при выделении сейсмических сигналов Р и S волн, однако не выделяет сигналы поверхностных рэлеевских типов волн.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей при увеличении точности и упрощении конструкции.

Технический результат в устройстве для выделения сейсмических сигналов рэлеевских волн при известном направлении на источник, содержащем блок исходной информации в виде трехкомпонентного сейсмометра и формирователя управляющих импульсов, достигается тем, что в него дополнительно введены три фильтра, два фазовращателя и три ключа, причем 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 ключей, выходы каждого из которых попарно соединены с соответствующими входами формирователя управляющих импульсов, выход которого соединен с вторыми (управляющими) входами ключей, при этом выход третьего ключа подключен к входу второго фазовращателя, а выходы первого и второго ключей и второго фазовращателя являются выходами полного вектора рэлеевских волн; формирователь управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя, входы которых подключены к соответствующим входам формирователя управляющих импульсов, пять 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 представлена функциональная схема устройства.

Устройство содержит трехкомпонентный блок 1 исходной информации; фильтры 2-1, 2-2, 2-3; формирователь 3 управляющих импульсов; ключи 4-1, 4-2, 4-3; два фазовращателя 5, 6.

Блоки в устройстве обработки сейсмических сигналов соединены следующим образом. Блок 1 исходной информации представляет собой трехкомпонентный сейсмометр, измерительные оси которых ортогональны между собой. Три выхода (по измерительным осям Х,Y,Z) блока 1 исходной информации подключены, соответственно, к трем входам фильтров 2-1-2-3. Одноименные три входа формирователя 3 управляющих импульсов и входы ключей 4-1, 4-2, 4-3 попарно соединены между собой. Выход формирователя 3 управляющих импульсов соединен со вторыми (управляющими) входами ключей 4-1, 4-2, 4-3. Выход третьего фильтра 2-3 соединен с входом первого фазовращателя 5. Два выхода первого 2-1 и второго 2-2 фильтров, а также выход первого фазовращателя 5 соединены соответственно с тремя входами формирователя 3 управляющих импульсов. Выход третьего ключа 4-3 соединен с входом второго фазовращателя 6. Два выхода ключей 4-1, 4-2 и выход второго фазовращателя 6 являются соответственно выходами устройства двух горизонтальных и вертикальной компонент полного вектора колебаний рэлеевских волн.

Блок-схема формирователя 3 управляющих импульсов представлена на фиг.2. Формирователь 3 управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя 7-1, 7-2, 7-3 (компаратора), первый, второй, третий элементы НЕ 8-1, 8-2, 8-3, первый и второй элементы И-НЕ 9-1, 9-2, четвертый и пятый элементы НЕ 10-1, 10-2 и элемент ИЛИ-НЕ 11. Входы усилителей-ограничителей 7-1, 7-2, 7-3 соединены с соответствующими входами формирователя 3 управляющих импульсов. Выходы усилителей-ограничителей 7-1, 7-2, 7-3 (компараторов) подключены соответственно к трем входам первого элемента И-НЕ 9-1 и к входам трех первых элементов НЕ 8-1, 8-2, 8-3, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И-НЕ 9-2. Выходы элементов И-НЕ 9-1, 9-2 соответственно соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ 10-1, 10-2. Выходы этих элементов НЕ 10-1 и 10-2 подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ 11, выход которого соединен с выходом формирователя 3 управляющих импульсов.

Сущность работы устройства для выделения сейсмических сигналов рэлеевских волн при известном направлении 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 примеру, 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, R-волна поляризована в вертикальной плоскости по направлению к сейсмоприемнику, а ее полный вектор имеет проекции на вертикаль и горизонтальную плоскость, которые имеют между собой фазовый сдвиг П/2. Если сигнал вертикальной компоненты сдвинуть по фазе в сторону опережения на П/2, то сигналы трех компонент вектора окажутся линейно-поляризованы, и для них можно использовать способ выделения сигналов, соответствующих Р-волнам. Для частиц в период времени, когда их движения совпадают с направлением распространения фронта волны, знаки сигналов по трем компонентам будут положительны, а в период времени, когда движение частиц в волне противоположно направлению распространения Р-волны, знаки сигналов по этим же осям будут также одинаковые, но отрицательные.

С выходов трехкомпонентного сейсмометра снимают квазисинусоидальные электрические сигналы в широком частотном диапазоне, содержащие сигналы Р-, S-, Lg-, R-волн. Фильтрация сигналов Uх, Uy, Uz с выхода блока 1 исходной информации при помощи фильтров обусловлена тем, что поверхностные рэлеевские волны ниже по частоте, чем Р, S и Lg-волны, а амплитуды рэлеевских волн часто значительно меньше амплитуд других типов волн при регистрации скорости колебания грунта.

Сигналы Uх, Uy, Uz по двум горизонтальным и вертикальному каналам, содержащие исследуемые колебания разных типов волн, фильтруют фильтрами 2-1 2-3, выделяя частотный диапазон, соответствующий сигналам R-волн. После этого на выходе этих фильтров 2-1 2-3 получают первый, второй, третий формированные сигналы Uf1х, Uf1y, Uf1z. Отфильтрованный сигнал вертикальной компоненты Uf1z сдвигают по фазе в сторону опережения на П/2 с помощью первого фазовращателя 5 и на его выходе получают четвертый фильтрованный сигнал Uf2z. После этого анализируют знаки первого, второго, четвертого фильтрованных сигналов Uf1х, Uf1y, Uf2z в формирователе 3 управляющих импульсов в каждый момент времени, и формируют на его выходе управляющие сигналы U3. С выхода формирователя 3 управляющих импульсов эти сигналы поступают на вторые (управляющие) входы ключей 4-1, 4-2,4-3. Логические сигналы управления с выхода формирователя 3 управляющих импульсов открывают ключи 4-1, 4-2, 4-3 тогда, когда анализируемые знаки сигналов совпадают, то есть удовлетворяются условия выделения линейно-поляризованных сигналов Р-волн, которые имитируются при сдвиге фаз на П/2 сигналов Z составляющей. Когда знаки анализируемых сигналов не совпадают, то на выходе формирователя 3 управляющих импульсов формируется логический сигнал управления, который закрывает ключи 4-1, 4-2, 4-3.

Таким образом, на выходах ключей 4-1, 4-2, 4-3 выделяются сигналы, в соответствии с компонентами полного вектора рэлеевской R волны, где вертикальная компонента полного вектора R волны сдвинута по фазе в сторону опережения на П/2. Чтобы восстановить истинные фазовые соотношения достаточно сдвинуть сигнал вертикального канала Z на П/2 в сторону отставания по фазе, что и делает второй фазовращатель 6, то есть сформированные выходные сигналы являются тремя компонентами полного вектора колебаний, соответствующих рэлеевской R-волне, которые можно дополнительно фильтровать по частоте.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. На трех выходах блока 1 исходной информации при регистрации сейсмических сигналов по двух горизонтальным и вертикальному каналам имеют три электрических напряжения Uх, Uy, Uz, которые, к примеру, пропорциональны скорости колебаний грунта. Эти напряжения поступают на входы фильтров 2-1 2-3, на выходе которых получают напряжения двух горизонтальных каналов Uf1х, Uf1y и вертикального канала Uf1z, фильтрованные в частотном диапазоне, соответствующем колебаний рэлеевских волн. Отфильтрованное напряжение вертикального канала Uf1z поступает на вход первого фазовращателя 5, на выходе которого получают напряжение Uf2z, опережающее по фазе на П/2 напряжение Uf1z. Напряжение Uf1х, Uf1y, Uf2z с выходов двух фильтров 2-1, 2-2 горизонтальных каналов и выхода первого фазовращателя 6 поступают, соответственно, на три входа ключей 4-1, 4-2, 4-3 и формирователя 3 управляющих импульсов, попарно соединенных между собой. Эти напряжения пропорциональны входному сейсмическому воздействию по соответствующей измерительной оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации. На вторые (управляющие) входы ключей 4-1, 4-2, 4-3 поступают управляющие сигналы логических "1" или "0" с выхода формирователей 3 управляющих импульсов, которые формируются следующим образом.

Сигналы напряжения Uf1х, Uf1y, Uf2z с выходов двух фильтров 2-1, 2-2 горизонтальных каналов и выхода первого фазовращателя 5 поступают соответственно на три входа усилителей-ограничителей 7-1, 7-2, 7-3 (компараторов) и на их выходах формируются сигналы логической "1", если на их входах сигнал больше нуля, или формируется сигнал логического "0", если на их входах сигнал меньше нуля. С выходов усилителей-ограничителей (компараторов) 7-1, 7-2, 7-3 логические сигналы поступают одновременно на входы первого трехвходового логического элемента И-НЕ 9-1 и через логические элементы НЕ 8-1, 8-2, 8-3 на входы второго трехвходового логического элемента И-НЕ 9-2. Таким образом, на выходе первого элемента И-НЕ 9-1 установится логический ноль, когда все знаки анализируемых сигналов положительны; соответственно, на выходе второго элемента И-НЕ 9-2 также установится логический ноль, но уже для случая, когда все знаки отрицательны.

С выходов логических элементов И-НЕ 9-1, 9-2 цифровые сигналы поступают на логические элементы НЕ 10-1, 10-2, на выходах которых устанавливаются логические единицы при соответствующей комбинации знаков входных сигналов. С выходов логических элементов НЕ 10-1, 10-2 цифровые сигналы поступают на двухвходовый логический элемент ИЛИ-НЕ 11, на выходе которого устанавливается логический ноль в моменты времени, когда выполняется условие совпадения всех знаков, и устанавливается логическая единица, когда эти условия не выполняются.

Ключи 4-1, 4-2, 4-3 при поступлении на их управляющих входы напряжения U3 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 на управляющий вход логическая "1", ключ закрывается и к выходу ключа подключают нулевой потенциал.

Для выбранного условия комбинации знаков на выходах ключей 4-1 и 4-2 будут выделяться напряжения, определяющие компоненты R-волны, но напряжение на выходе ключа 4-3, соответствующее напряжению вертикального канала, будет опережать истинное напряжение вертикального канала на П/2. Поэтому это напряжение поступает на второй фазовращатель 6, который сдвигает на П/2 назад входное напряжение, и на выходе второго фазовращателя 6 получают истинное напряжение вертикальной компоненты колебаний рэлеевских волн. Таким образом, на трех выходах устройства выделяются сигналы компонент R-волн U(Rх),U(Ry), U(Rz).

Устройство построено на стандартных электронных элементах:
фильтры 2-1 2-3 [фильтры на ОY 3а]
формирователь 3 управляющих импульсов [3б]
ключи 4-1 4-3 [серия 564КН]
фазовращатели 5, 6 [3в]
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. За счет того, что вместо коммутатора знака и сумматоров, использующихся в прототипе, применяются аналоговые ключи, обеспечивается повышение точности и упрощение конструкции. Вместо 6-ти операционных усилителей используется одна микросхема ключей, к примеру серии 564КН.

Использование: выделение сигналов компонентов полного вектора колебаний рэлеевских волн в различных геофизических исследованиях. Сущность изобретения: сигналы двух горизонтальных и вертикального каналов сейсмометра фильтруют, сдвигают по фазе на n/2 в сторону опережения фильтрованный сигнал вертикального канала, получают дополнительный сигнал вертикального канала, знаки которого одновременно со знаками фильтрованных сигналов горизонтальных каналов анализируют в каждый момент времени и сравнивают с выбранной комбинацией знаков, учитывающей направление источника относительно направлений осей выделяют линейно поляризованные сигналы, после чего выделенный сигнал вертикального канала сдвигают по фазе на n/2 в сторону отставания. Устройство содержит трехкомпанентный блок исходной информации, формирователь управляющих импульсов, три ключа, три фильтра и два фазовращателя. 1 з. п. ф-лы. 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ РЭЛЕЕВСКИХ ВОЛН ПРИ ИЗВЕСТНОМ НАПРАВЛЕНИИ НА ИСТОЧНИК, содержащее блок исходной информации, выполненный в виде трехкомпонентного сейсмометра, и формирователь управляющих импульсов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит три фильтра, два фазовращателя и три ключа, при этом три выхода 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 трех ключей, которые попарно объединены с одноименными тремя входами формирователя управляющих импульсов, выход которого соединен с управляющими входами трех ключей, при этом выход третьего ключа соединен с входом второго фазовращателя, а выходы первого и второго ключей и второго фазовращателя являются выходами полного вектора рэлеевских волн. 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 элементов НЕ, два элемента И НЕ и элемент ИЛИ НЕ, при этом попарно объединенные три входа первого элемента И НЕ и выходы трех усилителей-ограничителей подключены к входам второго элемента И НЕ, выходы первого и второго элементов И НЕ соответственно соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ, выходы которых соединены с входом элемента ИЛИ НЕ, выход которого является выходом формирователя управляющих импульсов.