Устройство распознавания сейсмических сигналов Советский патент 1983 года по МПК G01V1/24 

1

Изобретение относится к сейсмометрии и может быть использовано в автоматических телеметрических и автономных сейсмических станциях для управления их работой.

Производство сейсмических измерений сопряжено с получением больших объемов информации, что затрудняет и зачастую делает невозможной ее регистрацию на магнитные носители, передачу |g по каналам связи и обработку на ЭВМ. Для уменьшения объемов регистрируемой или передаваемой информации, ее подвергают предварительной обработке, заклк чающейся в выделении сейсмических

сигналов землетрясений из общего потока сигналов, поступающих с выходных зажимов сейсмометров. Для управления операциями выделения используются различные устройства распознавания сейсми- 20 яеских сигналов.

Известно устройство ампитудного анализа для распознавания сейсмического сигнала. Устройство содержит схему определения модуля входного сигнала, фильтр нижних частот, суммирующий усилитель, пороговый элемент и счетчик регулярнооти, соединенные в последовательную цепь, причем второй вход порогового элемента подключен к выходу схемы определения модуля входного сигнала С 1 3

Недостатками устройства являются зависимость коэффициента превышения порога амплитудной селекции над уро&нем микросейсм от уровня микросейсмического шума и высокий относительный уровень наименьших распознаваемых сигналов, составляющий не менее 2-3 по отношению к уровню микросейсм.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является устройство распознавания сейсмических сигналов, содержащее соединенные последова- тельно усилитель и полосовой фильтр сигнала вертикальной компоненты трехкомпонентного блока сейсмометров и соединет ные последовательно пороговый элемент, блок взвешивания и счетчик регулярное- ти, упр;г1 г1як1 ций вход которого через блок контроля регулярности соодинсщ с выходом порогового элемента С 2 J . Недостатком ycTpoiicTBo является высокий относительный уровень naiiMeitt.шнх распознаваемых сигналоп, составляю щих не менее 2-3 по oTiioiueHiiio к уровню микросейсм. Цель изобретения - повышение эффекТИ1ЯГОСТИ устройства путем снижения отFiocnTOJibHoro уровня распознаваемых сей смических сигналов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство распознавания сейсмических сигналов, содержащее соединенны последовательно усилитесь и полосовой фияътр сигнала вертикальной компоненты трехкомпонентного блока сейсмометро и соеди)1снные последовательно порого- элемент, блок взвешивания и счет- чик регулярности, управляющий вход которого через блок контроля регулярности соедн1 ен с выходом порогового элемента введены последовательно соединенные усилители и полосовые фильтры сигналов горизонтальных комнонент и блок суммирования, между тремя входами которого и выходами полосовых фильтров. сигналов всех компонент введены формирователи модулей компонент, а между выходом и четвертым входом блока суммирования введены соединенные последовательно компаратор, ключ и блок отслеживания уровня микросейсмических колебаний, второй выход .которого подключен к первому входу порогового элемента, при этом второй вход последнего связан с выходом ключа, второй вход которого .соединен с выходом блока суммирования а также введен формирователь сигнальнего интервала, включенный между выходом счетчика регулярности и вторым входом блока отслеживания уровня микросейсмических колебаний, при этом вто рой вход формирователя сигнального интервала соединен с выходом блока контроля регулярности, а выход - с выходом устройства. На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства распознавания сейсмических сигналов; на фиг. 2 - функционал ная схема формирователя сигнального интервала; на фиг. 3 - функ1.шональная схема блока отслеживания микросейсм. Функциональная схема предлагаемого устройства распознавания сейсмических сигналов (фиг. 1) содержит трехкомпонентный блок 1 сейсмометров, включающий одну вертикальную Z- - компоне ту и дво горизонталып.1х .-и У-компоненты, усилитель 2, полосовой фильтр 3 и блок 4 формирования модуля 2. - компонент),: сомс.мнмоского сиг-нала, усилитель 5, полосовой фильтр 6 и блок 7 формироварпш модуля горипонтальных Х-компононты сигнала, усилитель 8, полосовой фильтр 9 и блок 10 формирования модуля горизонтальной У-компонен- ты сигнала, блок 11 суммирования, ключ 12, компаратор 13, блок 14 отслеживания микросейсм, пороговый элемент 15, блок 16 взвешивания, счетчик 17 регулярности, блок 18 контроля Р.лулярности и формирователь 19 сигнального интервала. Формирователь 19 сигнального интервала может быть вьнюлр1ен в соответствии с функциональной схе.мой (фиг. 2) и содержать инвертор 20, схемы 21 и 22 совпадения и RS-триггер 23. Второй вход формирователя 19 соединен с входом Ц триггера 23 через схему 21 совнадения, второй вход которой соединен с первым входом формирователя 19 и с входом S триггера 23 через инвертор 20 и схему 22 совпадения, на. второй вход которой поступают с достаточно высокой частотой f импульсы сброса. Пример реализации блока 14 отслеживания микросейсм представлен на фиг. 3. Он содер ит соединенные последовательно целитель 24 напряжения, оаин из входов которого соединен с первым входом блока 14, а второй - с источником компенсирующего напряжения (J| ключ 25, управляющий вход которого соединен с вторым входом блока 14, интегратор 26, выход которого соединен с первым выходом блока, инвертирующий усилитель 27 и выходной делитель 28, выход которого соединен с вторым выходом блока 14, Устройство работает следующим образом. Трехкомпонентный блок 1 сейсмометров под воздействием микросейсмических колебаний и появляющихся на их фоне сейсмических сигналов землетрясений генерирует электрические сигналы, соответствующие Z- , Х- и У-компонентам сейсмического сигнала. Электрические сигналы с выходов Z , X и У блока 1 через соответствующие усилители 2,5 и 8 и полосовые фильтры 3,6 и 9 поступают на входы блоков 4,7 и 10формирования модулей Z-, Х-и У-компонент сейсмического сигнала. Выходные сиг налы блоков 4,7 и 1О, соответствующи модулям компонент, поступают на входы блока 11 суммирования, на выходе которого формируется суммарный сигнал, приближенно соответствующий модулю трехкомпонентного сейсмического сигнала, воздействующего на блок 1. Известно, что микросейсмические ко. лебания представлены, в основйом, рэле скими волнами, Рэлеевские волны облад объемной эллиптической поляризацией, при которой модуль колебания изменяется незначительно, но постоянно меняется направление вектора отклонения, что приводит к несовпадению фаз колебаний различных компонент X, У и Z . Сложе ние всех трех компонент микросейсм, поступающих на входы блока 11, происходит по закону Рэлея для суммы ко- лобаний со случайным соотношением фаз где I А.( - среднеее значение модуля микросейсм; I А .... I - среднее значение модулей компонент микросейсм. Начальная группа колебаний сейсмического сигнала землетрясения представ лена объемными волнами, обладающими линейной поляризацией, при коротой иэменяется, в основном, модуль колебания. Следовательно, сложение компонент сигнала в блоке 11 происходит по алге раическому закону ,., где А (Ч - модуль сигнала; I AJ,, I - среднее значение модулей компонент сигнала. Улучщение соотношения сигнал/шум в этой первой части устройства равно V - сМАск /АскНАмк ib ( -V /A JlAcJ Выходной сигнал блока 11 поступает на входы ключа 1.2 к компаратора 13. Компаратор 13 срабатывает при.превышении входным напряжением уровня, заданного на его втором входе, выходной сигнал компарадгора 13 поступает на управляющий вход ключа 12 и открывает его. С выхода ключа 12 сигнал поступает на второй вход порогового элемент 15 и первый вход блока 14 отслеживания микросейсм. Блок 14 формирует на первом вь-ходе напряжение, соответствую щее среднему за определенный, например 5-20 мин, интервал времени уровню модуля микросейсм | М / , но имеющее противоположную полярность, которая поступает на четвертый вход блока 11 суммирования и вычитается из его выходного сигнала. В случае AM , где /А - - модуль микросейсм; 5/Ад / - отклонение модуля микро- сейсм от среднего значения, соо нощение между /М/ и следующее. Так как микросеЙсмические колебания обладают эллиптической поляризацией, близкой к круговой, то модуль микросейсм изменяется с течением времени относительно слабо и его отклонения от среднего меаьще или, по крайней мере, равны среднему значению модуля: SlANvl /fAUS|Awl-05(ArAl. Поэтому вычитание среднего значения модуля микросейсм из модуля сейсмического сигнала по крайней мере в два раза.улучшит отношение сигнал/шум на выходе ключа 12. Улучшение отношения сигнал/шум во второй части устройства (АО/ /АС ---.. S(мl 1глИАм1 5(AN(I так как . Общее увеличение отношения сигнал/щум, обеспечиваемое устройством, составляет К K rf32Z3,4. На втором выходе блока 14 формиуется напряжение, пропорциональное реднему значению модуля микросейсм / М/ и с полярностью, соответствующей олярности сигнала на первом входе блоа 14. Это напряжение поступает на торой вход порогового элемента 15 и спользуется для задания порога срабаывания UPOP элемента 15 в зависимоси от уровня микросейсм, и, следовательо, поддержания заданного отношения орогового уровня к уровню микросейсм. EWIOK 14 отслеживания микросейсм фиг. 3) работает следующим образом. В рабочем режиме ключ 25 открыт улевым потенциалом на втором входе блока 14. Входной сигнал, поступающий а первый вход блока 14 и являющийся ескомпенсированной частью модуля микосейсм (о/ , имеющий вид отдельных днопол$фных импульсов в форме синусоиды случайной амплитуды, ерез верхнее плечо делителя 24, и

ключ 25 поступает на вход интегратора 26. Одновременно через нижнее плечо делителя 24 и ключ 25 на вход интегратора 26 воздействует источник компенсирующего напряжения , пос- тоянный ток которого через делитель 24 нейтрализует (в среднем) импульсы тока источника входного сигнала. При появлении рассогласования токов интегратор, 26 накапливает разностный сигнал и изменяет напряжение на перЬом выходе блока, которое используется в схеме устройства распознавания для компепса 1ЩИ уровня микросейсм. Выходное напряжение интегратора 26 поступает также через интегрирующий усилитель 27 и выходной делитель 28, служащий для задания коэффициента превышения распознаваемого сигнала над уровнем мик- росейсм, на второй выход блока 14.

В режиме хранения Ключ 25 закрыт высоким потенциалом на втором входе блока интегратора 26 отсоедине от первого входа блока 14 и на выходе интегратора 26 и, следовательно, на

выходах блока 14 сохраняется велич ша напряжения, достигнутая к моменту закрытия ключа 25.

Импульсы с выхода порогового элемента 15 поступают на входы блока 18 контроля регулярности и блока 16 взвешивания. Блок 18 ко}1троля регулярности при появлении на его входе переднего фронта импульса формирует выходной предупреяодаюший сигнал, посредством которого разрешает работу счетчи:ка 17 регулярности, и формирователя 19. Этот же сигнал поступает на первый выход устройства к регистратору , Блок 16 взвешивания форь шрует последовательное ти с числом импу/сьсов, пропорциональным (с заданным коэффициентом), длительности входного импульса. Выходные импульсы блока 16 взвешивания поступают на счетный вход счетчика 17 регу лярности, имеющего заданную емкость. Если выходные импульсы порогового элемента 15 порождены выбросом мик- росейсм, имеющим органиченную длительность, то счетчик 17 регулярности не успевает заполниться и через заданное время после прохождения последнего импул.ьса, например; через 0,5-1 с, снимается сигнал Предупреждение и на выходе блока 18, что приводит к

сбросу счетчика 17 в состояние О, Появление сейсмического сигнала, соде:ржащего, например, четыре периода регулярных линейно-поляризованных колебаний, приводит к переполнению счетчика 17. Выходной импульс счетчика 17 формируемый при его переполнении, поступает на первый вход формирователя 19, на выходе которого в этот момент появляется сигнал Подтверждение, поступающий на второй выход устройства к регистратору и на второй вход блока 14 отслеживания микросейсм, переводя его в режим хранения уровня. Во время работы в режиме хранения блок 14 не реагирует на изменение сигнала, поступащего на его первый вход и его выходные напряжения остаются неизменными до конца действия подтверждающего сигнала на втором входе блока, т.е. до окончания сигнала землетрясения.

Через заданное время после снятия входного импульса,например, через 0,5-1 с на выходе блока 18 устанавливается нулевой потенциал. Это приводит к остановке и сбросу в состояние О счетчика 17 регулярности, снятию сигнала Подтверждение на выходе формирователя

19 и втором выходе устройства и переводу в рабочий режим блока 14 отслеживания микросейсм.

Формирователь 19 (фиг. 3) работает

следующим образом.

В исходном состоянии на обоих входах поддерживается потенциал логического нуля, при этом схема 21 совпадения закрыта, схема 22 совпадения открыта через инвертор 20 и импульсы сброса с. поступают на вход S триггера 23, поддерживая на его выходе состояние О. При появлении уровня логической 1 на первом входе схема 22 совпадения закрывается, а схема 21 совпааения открывается, но состояние выхода }iS : триггера 23 не меняется. Первый импульс, поступивщий на второй вход формирователя 19, проходит через схему 21 совпадения и переводит выход RS триггера 23 в состояние последук щие импульсы, поступающие на второй вход, не изменяют состояния триггера. После снятия логической .с первого входа формирователь 19 переходит в исходное состояние.

Устройство распознавания сейсмических сигналов позволяет снизить относительный уровень распознаваемых сигнапов до отношешая сигнал/микросейсм равного 0,6 - 0,9 по сравнению с 2-3, обеспечиваемым известным устройство. Результаты испытаний подтвердили повыщенную помехоустойчивость предлагаемого устройства и возможнсхп ь раопознавания слабых сигналов сейсмических событий, сравнимых с уровнем мик- росейсм. Положительный эффект предлагаемого устройства состоит из возможности раоширения области применения автоматических сейсмостанпий. Производительность труда при использовании автоматических станций и использованием данного устрой- ства возрастает в 10 раз по сравнению непрерывной регистрацией. Устройство позволит расширить область применения автоматических станций в 2 раза. Фор м у ла изобретения Устройство распознавания сейсмичеоких сигналов, содержащее соединенные последовательно усилитель и полосовой фильтр сигнала вертикальной компоненты трехкомпонентного блока сейсмометров и соединенные последовательно пороговый элемент, блок взвешивания и счетчик регулярности, управляюший вход которого через блок контроля регулярности соединен с выходом порогового элемейта, отличающееся тем что с целью повышения эффективности устройства путем снижения относитехрь- ного уровня распознаваемых сейсмичеоких сигналов, в него введены последовательно соединенные усилители и полосовые фтшьтры сигналов горизонтальных компонент и блок сул мирования, между тремя входами которого и выходами полосовых фильтров сигналов всех компо нент введены формирователи модулей компонент, а между выходом и четвертым входом блока суммирования введены соединенные последовательно компаратор, ключ и блок отслеживания уровня микросейсмических колебаний, второй выход которого подключен к первому входу порогового элемента, при этом второй вход последнего связан с выходом ключа, второй вход которого со&динен с выходом блока суммирования, а также введен формирователь сигнального интервала, включенный между выходом счетчика регулярности и вторым входом блока отслеживания уровня микросейсмических колебаний, при этом второй вход формирователя сигнального интервала соединен с выходом блока контроля регул5фности, а выход - с выходом устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Многоканальная станция цифровой регистрации типа СЦР. Описание и инст- , рукшя по эксплуаташш. М., ИФЗ АН СССР, 1973. 2.Авторское свидетельство ССССР №.69978, кл. G01V 1/00, 1976 (прототип).

N

фуг. 2