Устройство для подавления импульсных помех в сейсмических сигналах Советский патент 1983 года по МПК G01V1/37 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЯВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ в СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛАХ

1

Изобретение относится к сейсмической разведке и предназначено для подавления импульсных помех в процессе накопления сейсмических сигна-. лов.

При сейсмической разведке с иевзрывными источниками возбуждения сейсмических колебаний общее время регистрации сейсмических сигналов велико, что связано с необходимое тью производить накапливание сейсмических сигналов при многократных возбуждениях, а также со значительной длительностью каждого возбуждения в случае использования вибрационного метода. Поэтому повышается вероятность появления в сейсмических сигналах импульсных помех, которые недостаточно эс)фективно ослабляются в процессе накопления сейсмической информации, так как их амплитуды зачастую во много раз превышают амплиТУАУ полезного сейсмического сигнала.

Известно устройство для подавления шума в сейсмических записях, содержащее входное устройство, первое запоминающее устройство, пиковый детектор, второе запоминающее устройство, генератор эталонных сигналов, бракующий детектор, выполняющий роль компаратора, и генератор времени браковки. В устройстве происходит сравнение коэффициентов усиления принятых

10 сейсмических сигналов с эталонными коэффициентами усиления. В случае превышения разностью этих коэффициентов . определенной пороговой величины . исходит обнуление принимаемого сигна15ла в течение заранее выбранного инт.ервала времени. Эталонные коэффициенты усиления устанавливаются постоянными в каждом временном1 окне, на которые разбивается все время регистрации

20 сейсмических колебаний, и могут обновляться в процессе накопления U 1Недостатком устройства является то, .что исключение сигнала из записи происходит в течение априорно выбран ного промежутка времени, который может превышать длительность помехи, и следовательно, привести к исключению полезных сейсмических сигналов. Кромеэтого, для работы устройства необходимо задавать эталонные коэффициенты усиления, что предполагает проведение предварительных работ для определения ожидаемого уровня сейсми ческих сигналов. Известно устройство, содержащее входное устройство, схему сравнения, формирователь уровней редактирования шума и устройство автоматического исключения шума и предназначенное jqл исключения из записи сигнала, содержащего импульсную помеху. В отличие от устройства это устройство осуществляет исключение сигнала с по мехой в интервале времени, соответст вующем двойному изменению знака выбо рок входного сигнала, т.е. за период импульсной помехи 2 . Недостатком устройства также являе ся необходимость установки уровней редактирования шума, что предполагает ап риорное значение уровня сейсмических сигналов на протяжении всей записи. Наиболее близким техническим ре.шением к предлагаемому является устройство для подавления импульсных помех в сейсмических сигналах, содержащее цифровой интегратор, компаратор, селектор помехи,мультиплексер, первый вход которого подключен к входу устройства, а второй вход соединен с выходом селектора помехи. Кроме того, устройство содержит блок установки уровня первоначального вхо ного сигнала, сумматор, а также второй мультиплексер. В процессе регистрации сейсмических сигналов от каждого возбуждения среды в устройстве происходит определение среднего значения характеристики сейсмического сигнала. Усреднение проивводится по в|3емени от начала записи до текущей выборки, примем при наличии во входном сигнале импульсной помехи на вход цифрового интеграла, осуществляющего усреднение, вместо характеристики входного сейсмического сигнала посту пает усредненное значение характеристики сигнала с выхода интегратор а Наличие импульсной помехи во входном сигнале определяется по превышению характеристикой входного сейсмического сигнала суммы усредненной характеристики и выбранного порога. Устройство выдает характеристику сейсмического сигнала, равную характеристике входного сигнала, либо усредненной характеристике, если входной сигнал содержит импульсную помеху 3 . Недостатком устройства является его низкая способность отличать полезные сейсмические сигналы большой амплитуды от импульсной помехи. Из-за большого интервала усреднения (от начала записи до текущей выборки) величина усредненной характеристики сигнала медленно меняется в процессе регистрации. В результате этого значительные локальные изменения амплитуды полезного сигнала могут превышать значения усредненной характеристики сигнала с учетом выбранного порога и клиссифицироваться устройством как импульсная помеха. Кроме этого, применение устройства,в сейсморегистрирующих системах с цифровыми накопителями приводит к дополнительным нелинейным искажениям при суммировании сигналов на тех же временных участках, на которых были обнаружены импульсные помехи, так как характеристика сигнала с импульсной помехой в этом случае заменяется на усредненную по времени характеристику сигналов от этого же возбуждения. Цель изобретения - повышение эффективности подавления импульсных помех в сейсмических сигналах при накоплении сигналов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для подавления импульсных помех в сейсмических сигналах, содержащее цифровой интегратор, компаратор, селектор помехи, мультиплексер, первый вход которого подключен .к входу устройства, а второй вход соединен с выходом селектора помехи, введены вычитатель, аппроксиматор и цифровой накопитель, причем первый вход вычитателя подключен к входу устройства, а выход соединен с входом цифрового интегратора и первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу цифрового интегратора, а выход компаратора. соединен с третьим входом мультиплексера и первым входом аппроксиматора, выход которого соединен с первым входом селектора помехи, второй вход которого подключен к входу устройства, а выход соединен с первым входом цифрового накопителя, второй вход которого соединен с выходом мультиплексера, а выход подключен к второму входу вычитателя, второму входу аппро ксиматора, третьему входу селектора помехи и четвертому входу мультиплек сера. Принимаемый сейсмический сигнал включает в себя в общем случае полез ный сейсмический сигнал, стационарны шум, амплитуда которого постоянна в течение всего накопления, и импульсную помеху длительность которой мал по сравнению с временем регистрации сигналов, а амплитуда может значител но превышать амплитуду полезного си|- нала. Принцип действия предлагаемого ус ройства заключается в следующем. Сей мические сигналы от первого возбужде ния среды записываются в оперативную память цифрового накопителя без изменения. При приеме сигналов от вто рого возбуждения среды вычисляется разность между соответствующими выборками сигналов первого и второго возбуждений: ДХ| i1. (1) где i - номер выборки; выборка сигнала от первого возбуждения; выборка сигнала от второго возбуждения, Эта разность не содержит полезног сейсмического сигнала, так как условия возбуждения и приема сигнала оди наковы при обеих записях и, следовательно, в них будут одинаковы амплитуды и фазы полезного сигнала для каждого момента времени. Поэтому, при вычитании составляющие полезного сейсмического сигнала взаимоисключаются. Если произвести усреднение модуля разности (1) по достаточно большому отрезку времени, то получит ся величина ЛХ )(.1 , (2) где N-- число , по которым производится усреднение, будет харак теризовать уровень только стационарного шума,.так как вклад импульсной помехи при усреднении мал из-за незначительной ее длительности по срав нению с временем усреднения. Тогда оказателем наличия импульсной помехи в одной из записей будет выполнение словия КЛх(3) где k - коэффициент, определяющий порог обнаружения импульсной помехи по отношению к среднему уровню стационарного шума. Определение номера записи, в которой содержится импульсная помеха в ходе приема сигналов зторого возбуждения, может быть произведено путем аппроксимации сигнала по выборкам, предшествующим той выборке, при которой обнаружена импульсная помеха, т.е. при которой выполняется условие (3) Известен достаточно точный способ определения уастоты и амплитуды основной гармоники сигнала по трем выборкам, что вполне достаточно для определения предположительных значений сигнала в следующей выборке. Принимая наиболее близкую к этому значению выборку из двух записей за сигнал, не содержащий импульсной помехи, делается заключение, что соответствующая выборка другой записи содержит импульсную помеху. Так как требуемая точность аппроксимации для определения номера сейсмической записи, выборка которой содержит импульсную помеху, невелика, то можно применить более простую линейную аппроксимацию, для чего в качестве исходных данных требуются значения только двуч предыдущих выборок X;i 2Х - W В этом случае существенно упрощается аппаратурная реализация способа определения номера записи, содержащей импульсную помеху. Если в процессе, приема сигналов от второго возбуждения установлено, что импульс ная помеха содержится в первой записи, хранящейся в памяти накопителя, то соответствующие выборки этой записи заменяются на значение выборок от второго возбуждения. В противоположном случае сигнал второго возбуждения не пропускается в накопитель, так как он содержит импульсную помеху. После двух возбуждений среды в памяти накопителя оказывается сформированным результат суммирования сигналов от этих возбуждений без импульсных помех. В ходе приема сигналов от последующих возбуждений при выполнении условия (З) в цифровой накопитель в качестве очередного слагаемого для суммирования вместо входного сигнала подается нормированный результат предыдущей суммы, т.к. помеха может содержаться только во входном сигнале.

На фиг.1 показана структурная/ схема устройства для подавления импульсных помех в сейсмических сигна-лах; на фиг.2 - функциональная схема накопителя, входящего в состав предлагаемого устройства.

Устройство состоит из мультиплекг сера 1, цифрового накопителя 2, цифрового интегратора 3, вычитателя 4, компаратора 5, аппроксиматора 6 и селектора 7 помехи. Вход устройства соединен с первым входом 8 мультиплексера 1, быход которого подключен к второму входу 9 цифрового накопителя 2, выход которого подключен к второму входу 10 вычитателя 4, пе|эвый вход 11 которого подключен к входу устройства, а .выход соединен с первым входом 12 компаратора 5 и входом 13 цифрового интегратора 3, выход которого подключен к второму входу И компаратора 5, выход которого подключен к третьему входу 15 мультиплексера 1 и первому входу 16 аппроксиматора 6, второй вход 17 которого соеди- нен с выходом цифрового накопителя 2, а выход подключен к первому входу 18 селектора 7 помехи, второй вход 19 которого соединен с входом устройства, третий вход 20 с выходом цифрового накопителя 2, а выход с первым входом 2 цифрового накопителя 2 и вторым входом 22 мультиплексера 1, четвертый вход 23 которого соединен с выходом цифрового накопителя -2, который подсоединен к выходу устройства.

Накопитель 2 содержит (фиг.2} сумматор (СМ) 2, в котором осуществляется суммирование цифровых кодов сигналов; устройство нормировки входного сигнала (УНВ) 25, в котором значение входного сигнала делится на величину, равную целой степени числа 2, причем показатель степени этой величины увеличивается на единицу всякий раз, когда число накоплений становится равным целой степени числа 2; устройство нормировки суммы (УНС) 26, в котором полученная сумма делится на 2 всякий раз, когда число накоплений становится равным целой степени числа 2; оперативную память (ОП) 27, в

которой хранятся значения промежуточных сумм, участвующих в процессе накопления и поступающих на второй вход сумматора 24, и результата накопления; устройство управления (УУ) 28, управляющее работой всех блоков накопителя.

Если помеха обнаружена в сигнале от первого возбуждения, находящемся в ОП 27, то по управляющему сигналу, поступающему на УУ 28 через первый ;Вход 21 накопителя 2, происходит замена кодов сигналов первого возбуждения на значения соответствующих выборок сигналов второго возбуждения путем обнуления кода сигнала, поступающего из ОП 27 на второй вход СМ 2k и блокировки устройства 2б нормировки суммы после второго возбуждения.

В блоке цифрового интегратора 3 происходит определение среднего по модулю значения стационарного шума для каждого канала по формуле (2). Поэтому цифровой интегратор содержит схемы определения модуля числа, сумматор и устройство нормировки. Нормировка .осуществляется по приближенному алгоритму путем деления получен ной суммы модулей на 2 всякий раз, когда число слагаемых, участвующих в усреднении, равно целой степени числа 2. Кроме этого, цифровой интегратор 3 запоминаетСреднее по модулю значение стационарного шума для каждого канала в оперативной памяти для использования этих величин при проверке сигналов на наличие в них импуль.сной помехи. Емкость этой оперативной памяти по количеству слов должна быть равна канальности регистрирующей системы.

В вычитателе 4 происходит вычисление разности между соответствующими выборками принятого сигнала от текущего возбуждения и накопленной нормированной суммы выборок сигналов предыдущих возбуждений в соответствии с выражением (1), По своей структуре вычитатель 4 представляет собой арифметическое устройство обычного типа, выполняющее операцию вычитания.

Компаратор 5 определяет выполнение условия (3) и имбйт обычную «ипо вугоуструктуру.

Аппроксиматор.6 работает только во время второго возбуждения, когда импульсная помеха может присутстао вать как во входном сигнале, так и в сигнале, записанном в цифровом накопителе от первого возбуждения. В данном варианте выпблнения устройства аппроквиматор 6 производит вычисление аппроксимированного значения сигнала по формуле (4) и представляе собой обычный сумматор. Селектор помехи 7 определяет, в какой из первых двух записей содержится импульсная помеха. Это осуществляется путем сравнения модулей разности между соответствующими значениями выборок этих записей и аппро ксимированным значением сигнала. Условие наличия импульсной помехи в первой записи, которая хранится в памяти цифрового накопителя, имеет вид: . Xil I Xi2- Xil (5) где Х - значение I-выборки сигнала первой записи; Х:)2 - значение I-выборки сигнала второй записи; Х - значение аппроксимированного сигнала для 1-выборк Селектор помехи включает в себя арифметическое устройство для вычисления разностей, интервалы для определения модулей величин, регистры для хранения промежуточных значений и компаратор для определения выполнения условий (5). Предлагаемое устройство в динамике функционирует следующим образом. Сейсмический сигнал от первого возбуждения среды через мультиплексер 1 проходит с входа устройства на второй вход цифрового накопителя 2 для записи в ОП 27 накопителя 2 без изменений. Во время второго возбуждения в цифровом интеграторе 3 формируется усреднённый уровень стационарного шума с помощью вычитателя /t (величина (2). Кроме этого, во время второго возбуждения компаратором 5 производится определение для каждой выборки наличия импульсной помехи в записи первого возбуждения или во входном сигнале от второго возбуждения.. Если компаратор 5 не обнаружива ет импульсной помехи, т.е. условие (3) не выполняется, то сигнал с вход устройства через мультиплексер 1 подается на второй вход цифрового накопителя 2 для суммирования. При обнаружении импульсной помехи аппрокси матор 6 по двум предыдущим выборкам. ВЗЯТЫМ из цифрового накопителя, опрееляет ожидаемое значение сигнала без помехи для данной выборки ( формула -) и подает его в селектор 7 помехи. Селектор 7 помехи по наибольшей разности между значением сигнала каждой записи и аппроксимированным значением его определяет номер записи, 8 которой присутствует импульсная помеха. Если помеха обнаружена в первой записи, то по сигналу с селектора 7 помехи мультиплексер 1 пропускает сигнал с входа устройства на второй вход цифрового накопителя 2, и в цифровом накопителе 2 происходит замена выборки первой записи на значе ние соответствующей выборки сигнала от второго возбуждения.. При обнаружении помехи В сигнале от второго возбуждения мультиплексер 1 пропускает на первый вход цифрового накопителя 2 сигнал с выхода накопителя для суммирования вместо входного сигнала, содержащего помеху. При последующих возбуждениях среды аппроксиматор 6 и селектор 7 .помехи 7 Яе работают, так как импульсная помеха может присутствовать только во входгном сигнале. В этом слУчае проверку входного сигнала на наличие импульсной помехи производит компаратор 5, который в зависимости от результата проверки вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на второй вход 15 мультиплексера 1. Мультиплексер 1 по этому сигналу подает на второй вход накопителя2 либо значение выборки с выхода накопитрля, если импульсная помеха обнаружена компаратором, либо значение выборки свхода устройства, если импульсной помехи во входном сигнале не обнаружено Применение предлагаемого устройства в цифровых сейсморегистриру|сй(их системах позволяет исключать импульсные помехи из сейсмических сигналов в процессе записи при произвольной зависимости мощности сигнала от времени. Это дает возможность применять описываемое, устройство как при импульсном, так и вибра11ионнои способе возбуждения сейсмических вопн. Отсутствует этап предварительной подготовки устройства, связанный с проведением работ по определению ожидаемого уровня сигнала во время записи. Анализ на наличие импульсной помехи производится для каждой выборки сигнала, что обеспечивает минимальную потерю полезной сейсмической информации при устранении помех. Замена сейсмического сигнала, содержащего импульсную помеху, перед подачей его в сумматор накопителя на нормированный сигнал с выхода нако{М.тепя, не содержащий импульсной помехи и являющийся результатом усреднения по нескольким возбуждениям ере ды для одних и тех же выборок сигнал уменьшает нелинейные искажения в суммарном сигнале и тем самым приводит к повышению качества накопленног материала. Формула изобретения Устройство для подавления импульс ных помех в сейсмических сигналах, содержащее цифровой интегратор, компаратор, селетор помехи, мультиплекс первый вход которого подключен к вхо устройства, а второй вход соединен с выходом селектора помехи, о т л и мающееся тем, что, с целью повышения эффективности подавления импульсных помех в сейсмических сигналах при накоплении сигналов, в уст ройство введены вычитатель, аппроксиматор и цифровой накопитель, причем первый вход вычитателя подключен к входу устройства, а выход сйединен с входом цифрового интегратора и первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу цифровогоинтегратора, выход компаратора соединен с третьим входом мультиплексера и первым входом аппроксиматора выход которого соединен с первым входом селектора помехи, второй вход которого подключен к входу устройства, а выход соединен с первым входом цифрового накопителя, второй вход которого соединен с выходом мультиплексера, а выход подключен к второму входу вычитателя , второму входу аппроксиматора, третьему входу селектора помехи и четвертому входу мультиплексера. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе . 1.Патент США W , кл. .5, опублик. 1975. 2.Лвторское свидетельство СССР f 837216, кл. G 01 V 1/28, 1979. 3.Патент США № , кл. 235-151.3, опублик. 1975 (прототип) .

фиг.2