Способ калибровки сейсмометрического канала Советский патент 1992 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и сейсмометрии и может бытц использовано для определения абсолютных амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик сейсмометрических каналов.

Известен способ абсолютной калибровки сейсмометрического канала (далекий аналог), заключающийся в возбуждении сейсмодатчика электродинамического типа через рабочую катушку, измерении возбуждающего сигнала и сигнала на входе канала и расчета абсолютной частотной характеристик, причем разделение возбуждающего сигнала, поступающего на рабочую катушку сейсмодатчика и выходного сигнала сейсмодатчика осуществляют с помощью моста Максвела. Этот способ содержит ряд недостатков, связанных с высокими погрешностями измерений, присущими косвенной калибровке.

Известен способ абсолютной калибровки сейсмометрического канала (аналог), заключающийся в том, что сейсмодатчик укрепляют на платформе установки, воспроизводящей гармонические колебания. Осуществляют гармонические колебания платформы с заданными параметрами, регулируют сигнал на выходе сейсмометрического канала и, сравнивая амплитуду выходного сигнала и его фазу с амплитудой и фазой Смещения платформы, определяют

VI

О

X

ся

00

абсолютное значение коэффициента преобразования канала и фазовый сдвиг выходного сигнала для каждой фиксированной частоты во всем частотном диапазоне канала.

Наиболее совершенные из существующих установок (К-ПСГУ) воспроизводят гармонические колебания в диапазоне частот 0,01 - 20 Гц с амплитудами от 0,1 до 20 мм (прототип), где показано, что всякой плат- форме присуи и погрешности при воспроизведении колебаний. Они зависит от частоты, амплитуды колебаний, а также от условий установки платформы. Приуменьшении амплитуды и уменьшении частоты погрешно- сти воспроизведения ускорений растут.

Ряд практических задач в сейсмометрии связан с измерением наиболее слабых колебаний поверхности (т.е. сигналов, не превышающих естественные земные шумы- микросейсмы). Соответственно, существует проблема абсолютной калибровки сейсмометрического канала с максимальной возможной чувствительностью., П ри максимальной чувствительности усиление канала нельзя поднять без того, чтобы микросейсмический сигнал не превысил динамический диапазон канала. В это случае пользоваться для калибрОЁки описанной платформой невозможно, поскольку: 1 - не существует платформ, воспроизводящих смещения в сотые и тысячные доли микрона, что соответствует амплитуде смещения D микросейсмической волне; 2 - нежелательно выходит из положения путем калиб- ровкй канала загрубления путем калибровки канала с затрубленным и при больших амплитудах смещений, которые обеспечивает платформа, а затем переносить результат калибровки с загрубленного канала на канал с максимальной чувствительностью, т.к. при этом в результат калибровки вносятся дополнительные погрешности. Кроме того у сейсмического преобразователя существуют нелинейно- сти преобразования колебаний в напряжение, связанные с конструкцией. Нелинейные искажения зависят от амплитуды колебаний и поэтому, калибруя канал большими амплитудами, мы приписываем преобразователю нелинейность, которой у него может не быть при амплитудах колебаний в сотни раз меньших.

Целью изобретения является повышение точности калибровки каналов при одно- временном сокращении .величины нелинейных искажений.

Поставленная цель достигается тем, что, согласно известному способу калибровки сейсмометрического канала осуществля-

ют колебания основания датчика, регистрируют их, определяют соответствующие амплитудный и фазовый спектры выходного сигнала и определяют абсолютную амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики, колебания основания датчика осуществляют естественными микросейс- мами, при этом калибруют одновременно два однотипных канала, а калибровку производят в два этапа, на первом из которых сейсмодатчики устанавливают рядом друг с другом, их измерительные оси ориентируют в одном направлении, регистрируют синхронно двумя каналами микросейсмический сигнал, амплитудные и фазовые спектры определяют по каждому каналу и определяют отношение амплитудных и разность фазовых спектров, на втором этапе сейсмодатчики располагают на расстоянии не менее 1 м друг от друга, их измерительные оси ориентируют в мощном направлении по линии, соединяющей датчики, синхронно регистрируют микросейсмический сигнал каждым каналом, а также регистрируют в широкой полосе с частот абсолютное значение смещения датчиков друг относительно друга вдоль линии, соединяющей датчики, определяют амплитудные и фазовые спектры сигналов, сравнивают амплитудные и фазовые спектры первого и второго этапов измерений, определяют значения абсолютных амплитудно-частотных характеристик обоих каналов.

На чертеже представлена схема реализации способа. Схема состоит из 1. 2 - сей- смодатчиков калибруемых каналов, 3 - полупрозрачного зеркала, 4 - отражающего зеркала, 5 - герметически закрытой трубы измерительного плеча интерферометра, б - лазера, измерительного блока лазерного интерферометра.

Избрание реализуется при одновременном использовании двух сейсмометрических каналов, в идеальном случае необходимы два идентичных по параметрам канала, поскольку в процессе калибровки определяются амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ) обеих каналов в области пересечения их частотных диапазонов. На практике добиться полной идентичности параметров не удается, поэтому способ реализуется в два этапа.

На первом этапе датчики обеих каналов, характеризующихся комплексными частотными характеристиками ), I 1,2, устанавливаются на общем основании вплотную друг к другу, так, чтобы измерительные оси датчиков были ориентированы параллельно в одном направлении. В этом

случае можно считать, что на датчики действуют один и тот же сейсмический сигнал x(t), имеющий Фурье - образ %(ш). При этом на входе каналов регистрируют сигналы со спектрами U,( ш) Н,( rw)-Ј( ft;). Отношение характеристик каналов равно: Hi(o) Oi(w) ,лл

0(тадвиад (1)

На втором этапе датчики устанавливают на некотором расстоянии друг от друга.

Измерительные оси датчиков ориентируют в одном направлении, параллельно между собой вдоль линии, соединяющей разнесенные датчики. Расстояние между датчиками выбирается достаточным для того, чтобы разность I(t) сейсмических колебаний x(t) и y(t) в очках установки первого и второго датчиков могла с достаточной и в широкой полосе частот зарегистрирована абсолютным измерителем линейных пере- мещений. Таким измерителем может служить лазерный интерферометр. Для реальных микросейсмических волн, составляющих естественный фон такие расстояния составляют не менее 1 м. Регистрируют выходные сигналы каналов, определяют Фурье-образцы.

Ui(y) Hi(w)X(w)

U2(u)-H2(w)Y(u)(2)

Синхронно с каналами регистрируют выходной сигнал лазерного интерферометра, определяют его Фурье -образ.

из( «)Нз(со).Цш)(3)

где Нз( со) комплексная характеристика лазерного интерферометра, измеряющего реальный сигнал

l(t) x(t)-y(t)(4)

при этом, как видно из чертежа, полупрозрачное и отражающее зеркала интерферометра установлены непосредственно вблизи каждого из сейсмических датчиков.

Из (1) - (4) получаем:

,U1H- Hl - UH/H a;)

) ,, / 6Ж U2(w) Н2И изИ/нзИ(5)

Для широкополосных измерителей перемещений, в частности для лазерного интерферометра, в сейсмическом диапазоне частот как правило

Нз() К const

Очевидно, что АЧХ(А,( л;)) и ФЧХ(Ф,( (о) каналов определяются: Ai(uJ) Hi( со)

Ф,( u)-arg(Hi(o))l- 1.2

Приведенное описание однозначно поясняет суть предлагаемого способа абсолютной калибровки сейсмометрического канала. По сравнению с прототипом способ позволяет

повысить точность калибровки каналов не менее, чем на 30% и сократить нелинейные искажения в результирующих характеристиках не менее, чем на порядок. Формула изобретения

Способ калибровки сейсмометрического канала, заключающийся в приведении в колебательное движение основания сейсмометра, регистрации выходного сигнала, определении соответствующих амплитудного и фазового спектров и определении амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик сейсмометрического канала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности калибровки сейсмометрических каналов при одновременном сокращении величины нелинейных искажений, с помощью естественных микросейсм приводят в колебательное движение основания двух однотипных сейсмометров, при

этом сначала сейсмометры устанавливают на общем основании, ориентируя их измерительные оси в одном направлении, и проводят синхронную регистрацию выходных сигналов, для каждого сейсмометрического

канала определяют амплитудные и фазовые спектры и вычисляют отношение амплитудных и разность фазовых спектров, затем сейсмометры устанавливают на расстоянии не менее 1 м друг от друга, ориентируя их

измерительные оси в одном направлении, по линии, соединяющей сейсмометры, синхронно регистрируют микросейсмический сигнал каждым сейсмометрическим каналом, и в широкой полосе частот - смещения

корпусов сейсмометров друг относительно друга вдоль линии, Соединяющей эти сейсмометры, определяют амплитудные и фазовые спектры сигналов всех каналов, сравнивают амплитудные и фазовые спектры первого и

второго измерений и определяют амплитуд- но-частотые и фазочастотные характерист- ки обоих сейсмометрических каналов.

Использование: геофизическое приборостроение, сейсмометрия, fa частности для определения амплитудно- и фазочастотных характеристик. Сущность изобретения заключается в том, что для возбуждения колебаний основания используют микросейсмы, калибруют одновременно два однотипных сейсмометрических канала, осуществляют два измерения; при первом - сейсмометры устанавливают на общем основании с бди- наково направленными измерительными осями, при втором - сейсмометры устанавливают на расстоянии не менее 1 м друг от друга, измерительные оси ориентируя вдоль линии, соединяющей их корпуса, кроме того, измеряют смещение корпусов вдоль линии их установки в широком диапазоне частот, и после расчета всех спектральных амплитудно- и фазочастотных характеристик вычисляют амплитудно- и фазочастот- ныехарактеристикиобоих сейсмометрических каналов. 1 ил. ел С