Устройство обработки сейсмических сигналов при выделении Р и S волн по известному направлению на источник сигналов Советский патент 1993 года по МПК G01V1/28 

Изобретение относится к сейсмологии, в частности к устройствам обработки сейсмической информации, которые осуществляют выделение линейно-поляризованных продольных Р-волн и S-волн при обеспечении требований высокой эффективности выделения, быстродействия и простоты реализации.

Цель изобретения - уменьшение погрешности определения компонент полного вектора Р и S волн (повышение эффективности).

Функциональная схема устройства представлена на фиг.1.

Устройство содержит трехкомпонент- ный блок 1 исходной информации; коммутатор знака 2; формирователь 3 управляющих импульсов; три сумматора 4-1, 4-2,4-3; три вычитателя 5-1, 5-2, 5-3.

Блоки в устройстве обработки сейсмической информации соединены следующим образом. Три выхода блока 1 исходной информации подключены к одноименным попарно соединённым трем входам коммутатора знака 2 и формирователя 3 управляющих импульсов. Выход формирователя 3 управляющих импульсов соединен с четвертым (управляющим) входом коммутатора знака 2. Параллельно сое00

00 СП

сь

ы

диненные входы каждого звена из сумматоров 4-1 и вычитателей 5-1 соединены с одноименными выходами трехкомпонентного блока 1 исходной информации и одноименными выходами коммутатора знака 2. Три выхода сумматоров 4-1, 4-2, 4-3 и три выхода вычитателей 5-1, 5-2, 5-3 являются выходами устройства.

Блок 1 исходной информации представляет собой трехкомпонентный сейсмометр, измерительные оси которых ортогональны между собой, и в состав которого могут входить усилители и фильтры.

Блок-схема формирователя 3 управляющих импульсов представлена на фиг.2 формирователь 3 управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя 6-1,

6-2, 6-3 (компаратора), первый, второй, третий цифровые элементы НЕ 7-1, 7-2, 7-3, первый и второй элементы И-НЕ 8-1, 8-2, четвертый и пятый элементы НЕ 9-1, 9-2 и элемент ИЛИ-НЕ 10. Входы усилителей-ограничителей 6-1, 6-2, 6-3 соединены с соответствующими входами формирователя 3 управляющих импульсов. Выходы усилителей-ограничителей 6-1, 6-2, б-З (компараторов) подключены, соответственно, к трем входам первого элемента И-НЕ 8-1 к входам трех первых логических элементов НЕ

7-1, 7-2, 7-3, выходы которых подключены к трем входам второго логического элемента И-НЕ 8-2. Выходы логических элементов И-НЕ 8-1, 8-2, соответственно, соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ 9-1, 9-2. Выходы этих элементов НЕ и 9-2 подключены к входам логического элемента ИЛИ-НЕ 10, выход которого соединен с выходом формирователя 3 управляющих импульсов.

Блок-схема коммутатора знака 2 представлена на фиг.З..

Коммутатор знака 2 содержит три уп- равляемых усилителя 11-1, 11-2, 11-3, первые входы которых подключены к трем соответствующим входам коммутатора знака 2, четвертый вход которого соединен со вторыми входами управляемых усилителей 11-1, 11-2, 11-3, а их выходы подключены к трем соответствующим выходам коммутатора знака.

Принцип работы устройства обработки сейсмических сигналов заключается в следующем.

Измерительные оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации располагают по осям декартовых координат X, Y, Z, которые в пространстве ориентированы, к примеру, так, что оси X, Y, 2 расположены в плоскости горизонта, одна из-осей направлена на север, другая - на

восток, а ось Z - направлена вертикально вверх.

Рассмотрим вариант, когда сейсмо- источник расположен, например, в третьем

квадранте на плоскости координат XY, а сейсмометр расположен в центре координат. При таком расположении источника относительно системы координат, условия в виде комбинации.знаков по отношению к

O направлениям измерительных осей будут иметь следующий вид. Р-волна, линейно-поляризована в вертикальной плоскости, а ее вектор имеет проекции на вертикаль и горизонтальную плоскость. Для частиц в период

5 времени, когда их движение совпадает с направлением распространения фронта волны, выполняется первая часть условия, то есть знаки сигналов по трем компонентам будут положительны, а в период време0 ни, когда движение частиц в волне не совпадает с направлением распространения Р-волны, выполняется вторая часть условия, то есть знаки сигналов по этим же осям будут отрицательными.

5 Комбинация знаков может быть любой, в зависимости от взаимного расположения сейсмоисточника, сейсмометра и от выбранного направления его измерительных осей.

0 с выходов трехкомпонентного сейсмометра снимают квазисинусоидальные электрические сигналы. Так как обычно реальный сигнал является суммой искомого сигнала и помехи, то для увеличения отно5 шения сигнал/шум исходный сигнал предварительно фильтруют в определенном известном частотном диапазоне, устраняя при этом и постоянную составляющую. Предварительно отфильтрованные сигналы

0 Ux, Uy, Uz с выхода блока 1 исходной информации коррелированы между собой во времени для Р и S волн, степень их корреляции определяется степенью линейности поляризации волн.

5

Анализ во времени знаков сигналов Ux, Uy, Uz производится в каждый момент времени по управляющим сигналам с выхода формирователя 3 управляющих импульсов.

0 При формировании трех дополнительных сигналов Uix, Uiy. Utz знак этих сигналов не будет меняться, если знаки сигналов Ux, Uy, Uz будут совпадать с выбранной комбинацией знаков, но знак этих сигналов будет

5 противоположным по сравнению со знаком соответствующего анализируемого сигнала в те моменты времени, когда знак хотя бы одного из сигналов не совпадает со знаком другого соответствующего сигнала. Затем формируют еще шесть сигналов, равных

полусуммам и полуразностям первичных и дополнительных сигналов:

(Ux + Uix)/2; (Ux - Uix)/2; (Uy + Uiy)/2; (Uy - U iy)/2; (Uz + Uiz)/2; (Uz - Uu) (1)

Р-волны поляризованы в плоскости, совпадающей с фронтом распространения сейсмической волны, а движение частиц в S-волне происходит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения фронта волны.

Так как условие комбинации знаков для примера было выбрано в соответствии с движением частиц в Р-волне, то для линейно- поляризованных Р-волн будут формироваться три дополнительных сигнала, равные трем основным сигналам, а для S-волн три дополнительных сигнала будут равны трем основным сигналам с противоположными знаками. Если из трех основных и трех дополнительных сигналов образовать еще шесть сигналов, равных их полусуммам и полуразностям, то они будут выходными сигналами.

Действительно, три выходных сигнала, равные полусуммам, будут соответствовать трем компонентам Р-вектора, так как в них сигналы Р-волн складываются, а S-волн вычитаются и практически отсутствуют, а другие три выходных сигнала, равных полуразностям, будут соответствовать трем компонентам S-вектора, так как в них сигналы S-волн складываются, а Р-волны вычитаются, и также практически отсутствуют.

Таким образом, шесть сформированных выходных сигналов являются тремя компонентами, соответствующими Р-волне и тремя компонентами, соответствующими S-волне.

В приведенном примере при формировании трех дополнительных сигналов Uix, Uiy, Uiz инвертирование знаков сигналов Ux, Uy, Uz производилось, когда знаки этих сигналов не соответствовали комбинации знаков для Р-волн, поэтому при формировании сигналов полусумм выделялись компоненты Р-волны, а при формировании полуразности - S-волны. Если выбрать комбинацию знаков, соответствующую компонентам S-волны, то при суммировании сигналов выделялись бы компоненты S-волны, а при вычитании сигналов - Р-волны.

Таким образом, в зависимости от выбранной комбинации знаков выходные сигналы в виде полусуммы или полуразности будут соответствовать или Р или S-волнам.

Практически, в дальнейшем выходные сигналы в виде полусумм и полуразностей дополнительно фильтруют по фазе и частоте, так как реальные сигналы после обработки могут иметь частотные и фазовые искажения.

Устройство, приведенное на фиг.1, реа5 лизует вариант, когда в комбинации знаков для первой части условия все знаки положительные, а в комбинации для второй части условия - эсе знаки отрицательные.

Устройство работает следующим обра0 зом. На трех выходах блока 1 исходной информации формируются три электрических сигнала Ux, Uy, Uz, которые поступают, соответственно, на три входа коммутатора знака 2, в частности на входы тре.х

5 управляемых усилителей 11-1, 11-2, П-3. Эти сигналы пропорциональны входному сейсмическому воздействию, например, скорости колебания грунта по соответствующей измерительной оси трехкомпонент0 ного сейсмометра блока 1 исходной информации. На управляемые усилители II-1, 11-2, 11-3 поступает управляющий сигнал с выхода формирователя 3 управляющих импульсов, который формируется сле5 дующим образом. Сигналы Ux, Uy, Uz поступают на входы усилителей-ограничителей 6-1, 6-2, 6-3 (компараторов) и на их выходах формируются сигналы логической единицы, если на их входах сигнал больше

0 нуля, или формируется сигнал логического нуля если на их входах сигнал меньше нуля. С выходов усилителей-ограничителей (компараторов) 6-1,6-2,6-3 логические сигналы поступают одновременно на входы первого

5 трехвходового логического элемента И-НЕ 8-1 и через логические элементы 7-1, 7-2 и

7-3 на входы второго трехвходового логического элемента И-НЕ 8-2. Таким образом, на выходе первого элемента И-НЕ 8-1 уста0 новится логический ноль, когда выполняется первая часть выбранного условия комбинации знаков Ux 0, Uy 0, Uz. 0; соответственно, на выходе второго элемента И-НЕ 8-2 также установится логический

5 ноль, но уже для второй части условия комбинации знаков Ux 0, Uy О, Uz 0.

С выходов логических элементов И-НЕ

8-1, 8-2 цифровые сигналы поступают на логические элементы НЕ 9-1, 9-2, на выхо0 дах которых устанавливаются логические единицы при соответствующей комбинации знаков входных сигналов. С выходов логических элементов НЕ 9-1, 9-2 цифровые сигналы поступают на двухвходовый

5 логический элемент ИЛИ-НЕ 10, на выходе которого устанавливается логический ноль в моменты времени, когда выполняется хотя бы одно из двух частей условия выбранной комбинации знаков, и устанавливается логическая единица, когда условие выбранной

комбинации знаков не выполняется. В зависимости от выбранного управляющего сигнала - логический ноль или логическая единица-управляемые усилители 11-1, М- 2, 11-3 в коммутаторе знака 2 будут иметь коэффициенты передачи плюс или минус единица, то есть, когда условие комбинации знаков удовлетворяется, коэффициенты передачи усилителей равны +1, и на их выходах формируются дополнительные сигналы Uix Ux, Uiy Uy. Uiz иг, а когда не удовлетворяется, их коэффициенты передачи равны-1, и на их выходах формируются сигналы Uix Ux, Uiy -Uy, Uiz Uz.

Пары сигналов: Ux, Uy, Uiy; Uz, Uiz непосредственно с выходов блока 1 исходной информации и выходов коммутатора знака 2 (управляемых усилителей 1-1, 11- 2, 11-3) поступают параллельно на два входа каждого звена сумматоров 4| и вычитателей5|, имеющих коэффициенты передачи Kj 0,5. На их выходах формируются, соответственно, полусуммы и полуразности первичных.и дополнительных сигналов: (Ui + UiO/2H(Ui-Uii)/2.

Для выбранного условия комбинации знаков в соответствии с характеристикой Р-волны на выходе сумматоров А будут сигналы, определяющие компоненты Р-волны, а на выходе вычитателей 5i будут сигналы, определяющие компоненты S-волны.

Устройство построено с помощью стандартных электронных схем:

- управляемые усилители -

- усилители-ограничители (компараторы)

- сумматоры и вычитатели - 6в.

- логические элементы построены на стандартной серии цифровых микросхем.

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 Р и S-вблн значительно ниже, чем в устройстве-прототипе, и составляет едини- цы процентов, так как анализ сигналов производят в каждый момент времени по трем компонентам. Достоинством предлагаемого устройства является и то, что эффективность выделения повышается, так как измерения трех компонент полного вектора Р и S волн осуществляется при наличии единственного трехкомпонентного сейсмометра, что позволяет упростить аппаратурную реализацию. Такое устройство имеет особенное преимущество в полевых условиях как при исследовании природных сейсмических явлений, так и при проведении физических экспериментов.

Формула изобретения

1. Устройство обработки сейсмических сигналов при выделении Р и S волн по известному направлению на источник сигналов, содержащее блок исходной информации и звено из двухвходовых сумматора и вычитателя, одни из двух входов соединены и подключены к одному из выходов блока исходной информации, а их выходы являются выходами устройства, о тличаю щееся тем, что в устройство дополнительно введены два звена двухвходовых сумматоров и вычитателей, коммутатор знака, формирователь управляющих импульсов, а блок исходной информации выполнен трехком- понентным, 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, а выходы дополнительных сумматоров и вычитателей являются выходами устройства.

Т. Устройство по п.1,отличающееся тем, что коммутатор знака содержит три

управляемых усилителя, первые входы которых подключены к трем соответствующим входам коммутатора знака, четвертый вход которого соединен с вторыми входами управляемых усилителей, выходы которых

подключены к трем соответствующим выходам коммутатора знака.

3. Устройство по п.1, от л и ч а ю ще е- с я тем, что формирователь управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя, входы которых подключены к соответствующим входам формирователя управляющих импульсов, пять цифровых элементов НЕ, два элемента И-НЕ и элемент ИЛИ-НЕ, причем попарно соединен0 ные 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, вы5 ходы 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.

Фиг.1

Использование: в области сейсмологии для выделения линейно-поляризованных продольных Р-волн и S-волн. Сущность изобретения: устройство построено на принципе попарного суммирования и вычитания трехкомпонентных зарегистрированных и вновь сформированных соответствующих сигналов, знаки которых анализируются в каждый момент времени. Устройство содержит блок исходной информации, коммутатор знака, формирователь управляющих импульсов, три сумматора и три вычитателя. Устройство позволяет эффективно выделить потри компоненты полного вектора Р волны и полного вектрра S волны. Достоинством устройства является также возможность обработки сейсмической информации в реальном масштабе времени при минимальном использовании аппаратурных средств, что особенно важно в полевых условиях работы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Фиг. 2

J