ИЗМЕРИТЕЛЬ ИНФРАНИЗКИХ СЕЙСМОВОЛН Российский патент 2000 года по МПК G01V1/16 

Предлагаемое изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений при прогнозировании землетрясений.

Установлено появление за несколько минут до наступления землетрясения особо-низких гармоник с периодом 10...20 секунд (см., например, В.А.Липеровский, С.Л.Шалимов, О.А.Похотелов. "Ионосферные признаки землетрясений", М., Наука, 1992 г., стр. 163). Длиннопериодные сейсмические волны поглощают более высокие спектральные составляющие форшоков, из-за чего сам момент толчка землетрясения наступает как бы после затишья, неожиданно (см., например, "Явление поглощения спектральных составляющих волнового процесса уединенной волной", сборник кратких описаний научных открытий, открытие N 62, РАЕН, М., 1998 г. ). Поэтому, обнаружение сверхнизких сейсмоволн представляется актуальной задачей.

Однако регистрация сейсмических волн с периодами единицы и десятки секунд является проблематичной (см., например, "Геофизические методы мониторинга природных сред" под редакцией Сорокина В.Н. Научный сборник, АН СССР, Институт общей физики, М., 1991 г., стр. 267).

Для регистрации сейсмических волн применяют сейсмографы, гравиметры и другие устройства (см., например, "Сейсмические приборы" в книге Ф.С.Цзе, Н. Е.Морзе, Р.Т.Хинкл "Механические колебания", перевод с англ., М., Машиностроение, 1966 г., стр. 83-86, рис. 2.37, рис. 2.40 - аналог).

Известен также сейсмоприемник в виде индукционной катушки, подвешенной между полюсами постоянного магнита (см., например, К.Уотерс. "Отражательная сейсмология", перевод с англ., М., Мир, 1981 г., стр. 82, рис. 3.16 - аналог).

Недостатками перечисленных аналогов являются:
- нелинейные искажения в области низких частот (менее 10 Гц),
- ограниченная чувствительность при регистрации слабых сигналов.

Ближайшим аналогом по технической сущности является групповой линейный сейсмоприемник (см., например, К.Уотерс. "Отражательная сейсмология", 3.9. Группирование сейсмоприемников, рис. 3.20, линейные группы, стр. 87-93).

Ближайший аналог включает систему единичных индукционных сейсмических датчиков в виде сейсмоантенны, дающих равный вклад в суммарный сигнал, выход которых подключен на вход единого сумматора, при условии, что амплитуда волны на протяжении всей длины группы остается постоянной.

Недостатками ближайшего аналога являются :
- непригодность для регистрации сейсмоволн с частотой менее 1 Ггц;
- невозможность выделения из суммарного сигнала для дальнейшего взвешивания сигналов отдельных сейсмоприемников;
- неопределенность регистрации направления прихода волны.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в обеспечении дистанционности измерений, собираемых на профиле с большой площадью, повышении чувствительности и расширении диапазона регистрируемых сейсмоволн при одновременном определении лучевой направленности прихода.

Поставленная задача решается тем, что измеритель инфранизких сейсмоволн, содержащий группы датчиков преобразователей, суммарный тракт обработки сигнала и регистрации результатов измерений, дополнительно содержит волоконно-оптические линии передачи световых импульсов от лазера через адресный электрооптический дефлектор к датчикам-преобразователям, выполненным на основе интерферометра Маха-Цандера, образующих крестообразную группу из N измерителей в строке и столбце соответственно, размещенных на выбранном профиле измерений, при геометрических размерах строки, столбца не менее длины измеряемой сейсмоволны, с поочередным, программируемым подключением датчиков-преобразователей через канальный коммутатор на вход последовательно подсоединенных аналогово-цифрового преобразователя буфера-накопителя, оперативного запоминающего устройства ПЭВМ (персональной электронно-вычислительной машины), осуществляющей восстановление параметров сигнала-признака по дискретной выборке цикла измерений, задаваемого программой, формируемой на ПЭВМ и пересылаемой в программируемую схему выборки, которая синхронизирует работу адресного электрооптического дефлектора, канального коммутатора и буфера-накопителя.

Перечисленная совокупность существенных признаков позволяет реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения как:
- высокую вероятность обнаружения признака-предвестника за счет использования пространственной энергии сигнала с большей площади в виде его энергетического спектра;
- возможность регистрации и восстановления сколь угодно низких сейсмических волн;
- экспресс обработку сигнала программным методом в темпе наблюдения.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого решения и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Наиболее достоверные признаки-предвестники в виде особо низкочастотных сейсмических волн за несколько минут до толчка существуют как в пространстве, так и во времени. Медленные изменения наблюдений величины во времени не позволяют существующими инструментальными методами достоверно выделять такие изменения. При относительно коротком временном интервале существования (2...3 мин) признака-предвестника возникающий волновой процесс имеет широкий пространственный размах. Чтобы не допустить пропуска кратковременного события во времени, особо низкие гармоники сейсмического поля предлагается регистрировать в пространственно-разнесенных точках протяженного измерительного полигона. При этом, для сокращения общего количества датчиков-измерителей и линий передачи информации, при той же разрешающей способности, аппроксимативное окно дискретной выборки измерений представляется крестообразной фигурой. Геометрические размеры креста, в виде одной строки и перпендикулярного столбца измерений, выбирают не менее длины измеряемой волны. Требуемая точность восстановления измеряемой функции, по дискретной выборке измерений, достигается путем аппроксимации ее реализации гармонической функцией, домноженной на базовую функцию класса ядер Файера (в частности, ядром Гаусса: . Выбранное аппроксимативное окно обладает специфическими свойствами, отличающими его от классических окон. В частности, оно позволяет выделять огибающую пространственного спектра, минуя быстрое преобразование Фурье (БПФ). При числе отсчетов, равным например 22, метод обеспечивает разрешение, подобное разрешению БПФ при числе отсчетов 256 (см., например, "Геофизические методы мониторинга природных сред", научный сборник, АН СССР, Институт общей физики, М., 1991 г., стр. 135).

Измерение скалярного поля напряжений сейсмических волн в разнесенных точках пространства осуществляют интерферометрами Маха-Цандера путем адресной посылки световых импульсов от гелиевого лазера. Оцифровка аналогового сигнала с выхода датчиков и его обработка осуществляется непосредственно в центре. Это существенно упрощает реализацию измерительного полигона, поскольку датчики работают в автономном режиме и только в момент посылки светового импульса по волоконно-оптической линии. Коррекция оцифрованных дискретных отсчетов измерений на потери в делителях светового пучка и затухание в волоконно-оптических линиях осуществляют по калибровочным характеристикам трактов. Последние получают либо эталонными измерениями трактов, либо расчетным путем до начала штатной эксплуатации измерителя. Коррекция измерительных матриц по заранее известному закону представляется стандартной математической операцией, входящей в комплект специализированного программного обеспечения МАТH САД 6.0 PLUS (см., например, МАТН САД, издание 2-е, стереотипное, М. , информиздат. дом Филинъ, 1997, стр. 211 "Векторизация элементов матрицы").

Функциональная схема измерителя представлена на фиг. 1. Измеритель инфранизких сейсмоволн содержит волоконно-оптические линии 1, передающие световые импульсы от гелиевого лазера 2 через адресный дефлектор 3 к интерферометрам Маха-Цандера 4. Интерферометры 4 образуют крестообразную группу 5, формирующую измерительную матрицу в виде строки и столбца, при геометрических размерах сторон не менее длины измеряемой волны. Результаты измерений, последовательно через канальный коммутатор 6 оцифровываются в аналогово-цифровом преобразователе 7 и поступают в буфер-накопитель 8. Синхронизация работы канального коммутатора 6, адресного дефлектора 3 и буфера-накопителя 8 осуществляется от программируемой схемы выборки 9. Сформированная в буфере 8 измерительная матрица пересылается в оперативное ЗУ 10 ПЗВМ 11 в составе : процессора 12, винчестера 13, дисплея 14, принтера 15 и клавиатуры 16.

Измеритель инфранизких сейсмоволн работает по следующему алгоритму. На ПЭВМ формируется программа опроса датчиков-измерителей 4 с параметрами : длительность одного светоимпульса, интервал повторения светоимпульсов, длительность полного цикла измерений (опроса). Сформированная программа, с синхронизирующими импульсами пересылки матрицы измерений из буфера 8 в ОЗУ 10 записывается в программируемую схему выборки 9. После каждого цикла опроса программа циклически воспроизводится программируемой схемой выборки 9. На винчестер 13 записываются специализированные программы MATH САД 6.0 PLUS; коррекции измерительной матрицы и программы выделения огибающих пространственного спектра строки (столбца) методом их восстановления по дискретной выборке.

В частности, гармонический анализ с использованием аппроксимативного адаптивного окна, включает следующие процедуры: (см., например, "Геофизические методы мониторинга природных сред". Научный сборник, АН СССР, Институт общей физики, стр. 127-128)
- предварительная, априорная аппроксимация низкочастотного сейсмического поля гармонической функцией по координатам x, y:

- выбор базовой функции Гаусса:
- представление пространственной реализации сейсмического поля с дискретными отсчетами x_j j = 1,2, ... интерполяционным многочленом вида:

вычисление огибающей пространственного спектра:

Вычисление огибающих спектров: S(х), S(y) реализуется программой:

Пример оценки спектров иллюстрируется графиками фиг. 2 при N = 22, α (параметр аппроксимации 5...5,5).

Лучевая направленность (θ) прихода сейсмоволн вычисляется из соотношения:

где S(x), S(y) - значения огибающих пространственного спектра строки и столбца соответственно.

Пространственный период (L) сейсмоволны вычисляют из соотношения:

Соотношения между параметрами сейсмоволны иллюстрируются графиками фиг. 3.

Элементы измерителя могут быть реализованы на существующей элементной базе. Требуемая чувствительность датчика-измерителя при измерениях особо низких сейсмоволн, безинерционность и быстродействие при больших тактовых частотах опроса обеспечивает интерферометр Маха-Цандера, выполненный по схеме (см., например, Окоси Т. и др. "Волоконно-оптические датчики", перевод с японского, Л., Энергоиздат, 1991 г., стр. 194). Адресный электрооптический дефлектор выполнен по схеме (см, например, А.А.Акаев, С.А.Майоров "Оптические методы обработки информации", М., Высшая школа, 1988 г., стр. 57, рис. 3.4).

В качестве ПЭВМ используется IBM PC 466/487. Программируемая схема выборки, канальный коммутатор, аналогово-цифровой преобразователь, буфер-накопитель выполнены в виде стандартных, интегральных плат, совместимых с IBM PC/AT.

Программируемая схема выборки выполнена на плате ЛА-TMS31, канальный коммутатор, АЦП и буфер-накопитель на плате ЛА-20 (см., например, Якубовский Б. и др. "Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы". Справочник, М., "Радио и связь", 1990 г.). Специализированные программы обработки (коррекции) расчета параметров сигнала и восстановление признака-предвестника типа MATH САД. 6.0 PLUS.

Эффективность измерителя определяется такими показателями как достоверность, оперативность, наглядность. Тактовая частота использованных интегральных микросхем ≈ 2,5 Мгц, что при 8-разрядном адресе и стандартном (0... 256) уровне квантования отсчетов обеспечивает время одного цикла опроса ≈ 0,03 мс. Волоконно-оптические линии также не накладывают ограничение на быстродействие. Таким образом, обработку результатов и восстановление признака-предвестника с визуализацией на дисплее и распечаткой на принтере можно осуществлять в темпе измерений.

Использование: сейсмология, в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений при прогнозировании землетрясений. Сущность изобретения: при относительно коротком временном интервале существования (2 - 3 мин) признака-предвестника возникающий волновой процесс имеет широкий пространственный размах. Чтобы не допустить пропуска кратковременного события во времени, особо низкие гармоники сейсмического поля предлагается регистрировать в пространственно-разнесенных точках протяженного измерительного полигона. Измерение скалярного поля напряжений сейсмических волн в разнесенных точках пространства осуществляют датчиками на основе интерферометров Маха-Цандера, образующими крестообразную группу, путем адресной посылки световых импульсов от гелиевого лазера. Оцифровка аналогового сигнала с выхода датчиков и его обработка осуществляются непосредственно в центре. Коррекцию оцифрованных дискретных отсчетов измерений на потери в делителях светового пучка и затухание в волоконно-оптических линиях осуществляют по калибровочным характеристикам трактов. Коррекция измерительных матриц по заранее известному закону представляется стандартной математической операцией, входящей в комплект специализированного программного обеспечения. Технический результат - обеспечение дистанционности измерений, повышение чувствительности, расширение диапазона регистрируемых сейсмоволн. 3 ил.

Измеритель инфранизких сейсмоволн, содержащий группы датчиков-преобразователей, суммарный тракт обработки сигнала и регистрации результатов измерений, отличающийся тем, что измеритель дополнительно содержит волоконно-оптические линии передачи световых импульсов от лазера через адресный электрооптический дефлектор к датчикам-преобразователям, выполненным на основе интерферометра Маха-Цандера, образующим крестообразную группу из N измерителей в строке и столбце соответственно, размещенным на выбранном профиле измерений, при геометрических размерах строки, столбца не менее длины измеряемой сейсмоволны, с поочередным, программируемым подключением датчиков-преобразователей через канальный коммутатор на вход последовательно подсоединенных аналого-цифрового преобразователя, буфера-накопителя, оперативного запоминающего устройства ПЭВМ, осуществляющей восстановление параметров сигнала-признака по дискретной выборке цикла измерений, задаваемого программой, формируемой на ПЭВМ и пересылаемой в программируемую схему выборки, которая синхронизирует работу адресного электрооптического дефлектора, канального коммутатора и буфера-накопителя.