Устройство обработки сейсмических сигналов

 

Использование: сейсморазведка. Сущность изобретения: устройство содержит трехкомпонентный блок исходной информации, коммутатор знака, формирователь управляющих импульсов, три сумматора, три фильтра и два фазовращателя. Устройство позволяет выделять компоненты полного вектора колебаний рэлеевских волн. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области сейсмологии, в частности к устройствам обработки сейсмических сигналов, которые осуществляют выделение поверхностных рэлеевских волн при обеспечении требований высокой эффективности выделения, быстродействия и простоты реализации. Такие требования предъявляются к устройствам для проведения сейсмических наблюдений в полевых условиях при различных геофизических работах.

Известно устройство, в котором каждая горизонтальная компонента движения умножается с обращением фаз на π/2 на вертикальную и два результирующих, произведения изображаются как вектор. Таким образом, на выходе системы накапливаются сигналы в течение всего времени прохождения волны, для которой компоненты Н и V смещены относительно друг друга по фазе на π/2 (в том числе и волны Рэлея) [1].

Недостатком устройства является необходимость векторного умножения сигналов, что снижает точность, и наличие случайных составляющих Н и V компонент, имеющих сдвиг фаз π/2.

Известно такое устройство, содержащее узкополосные фильтры и блоки измерения фазовых соотношений между сигналами, в котором осуществляют последовательную фильтрацию ортогональных составляющих колебаний, получают практически синусоидальные колебания с частотой, соответствующей резонансной частоте фильтра. Для линейно поляризованных колебаний сигналы на выходе синфазны и отличаются только амплитудами. Для эллиптически поляризованных волн, таких как волны Рэлея с характерным фазовым сдвигом π/2, на выходе того же фильтра наблюдается сдвиг, зависящий от резонансной частоты фильтров.

Такой линейно-фазовый фильтр является по существу сверткой двухканального скоростного и узкополосного фильтра.

Устройство имеет недостаток, потому что использование резонансных фильтров накладывает жесткие требования на идентичность их характеристики, кроме того, резонансные фильтры вносят искажения по амплитуде и фазе, что снижает точность при обработке результатов в реальном масштабе времени.

Наиболее близким техническим решением к заявленному по большему количеству сходных существенных признаков и достигаемому эффекту является устройство обработки сейсмических сигналов, в котором осуществляется выделение Р- и S-волн по известному направлению на источник сигналов [2].

Устройство содержит блок исходной информации, коммутатор знака, четыре усилителя, блок кодирования, дешифратор, двухвходовый сумматор, управляемый сумматор, блок регистрации, причем три входа коммутатора знака подключены соответственно к трем выходам блока исходной информации, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с первыми входами блоков регистрации и кодирования, выход последнего соединен с управляющими входами сумматоров, входы которых через усилители соединены с соответствующими выходами коммутатора знака.

Устройство довольно сложное. Реальные сейсмические сигналы Р- и S-волн имеют несколько отличный друг от друга частотный диапазон, поэтому точность несколько ограничена: отсутствует возможность выделения сигналов поверхностных волн.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

Цель в устройстве обработки сейсмических сигналов при выделении сигналов рэлеевских волн по известному направлению на источник, содержащем блок исходной информации, коммутатор знака, два двухвходовых сумматора, достигается тем, что в него дополнительно введены три фильтра, формирователь управляющих импульсов, два фазовращателя и третий двухвходовый сумматор, а блок исходной информации выполнен в виде трехкомпонентного сейсмометра, измерительные оси которого ортогональны, при этом выходы блока исходной информации соединены с входами трех фильтров, выход третьего фильтра подключен к входу первого фазовращателя, выход которого и выходы первого и второго фильтров подключены к соответствующим входам коммутаторов знака, которые соединены параллельно с соответствующими входами формирователя управляющих импульсов, выход которого подключен к четвертому (управляющему) входу коммутатора знака, соответствующие одноименные входы и выходы которого соединены с первыми и вторыми входами трех сумматоров, при этом выход третьего сумматора подключен к входу второго фазовращателя, а выходы первого и второго сумматоров и второго фазовращателя являются выходами полного вектора рэлеевских волн.

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 выходами коммутатора знака. 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. При этом попарно соединенные 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, выходы 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.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг.2 - схема коммутатора знака; на фиг.3 - схема формирователя управляющих импульсов.

Устройство содержит трехкомпонентный блок 1 исходной информации, фильтры 2-1, 2-2, 2-3, коммутатор знака 3, формирователь 4 управляющих импульсов, сумматоры 5-1, 5-2, 5-3, фазовращатели 6, 7.

Блоки в устройстве обработки сейсмической информации соединены следующим образом. Три выхода блока 1 исходной информации подключены соответственно к трем входам фильтров 2-1 - 2-3. Одноименные три входа коммутатора знака 3 и формирователя 4 управляющих импульсов параллельно соединены между собой. Выход формирователя 4 управляющих импульсов соединен с четвертым (управляющим) входом коммутатора знака 3. Три одноименных входа и выхода коммутатора знака 3 соединены с двумя входами каждого из трех сумматоров 5-1 - 5-3. Выход третьего фильтра 2-3 соединен с входом первого фазовращателя. Два входа первого 2-1 и второго 2-2 фильтров, а также выход первого фазовращателя 6 соединены соответственно с тремя входами коммутатора знака 3. Выход третьего сумматора 5-3 соединен с входом второго фазовращателя 7. Два выхода сумматоров 5-1, 5-2 и выход второго фазовращателя 7 являются соответственно выходами устройства - двух горизонтальных и вертикальных компонент полного вектора колебаний рэлеевских волн.

Коммутатор знака 3 содержит три управляемых усилителя 3-1 - 3-3, первые входы которых подключены к трем соответствующим входам коммутатора знака 3, четвертый вход которого соединен с вторыми входами управляемых усилителей 3-1 - 3-3, выходы которых подключены к трем соответствующим выходам коммутатора знака.

Формирователь 4 управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя (компаратора) 8-1 - 8-3, входы которых подключены к соответствующим входам формирователя 4 управляющих импульсов, пять цифровых элементов НЕ 9-1 - 9-3 и 11-1, 11-2, два элемента И-НЕ 10-1 и 10-2 и элемент ИЛИ-НЕ 12. Попарно соединенные три входа первого элемента И-НЕ 10-1 и три выхода усилителей-ограничителей (компараторов) 8-1-8-3 подключены к входам первых трех элементов НЕ 9-1 - 9-3, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И-НЕ 10-2. Выходы элементов И-НЕ 10-1, 10-2 попарно соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ 11-1, 11-2, выходы которых подключены к элементу ИЛИ-НЕ 12, выход которого соединен с выходом формирователя 4 управляющих импульсов.

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

Сущность работы устройства обработки сейсмических сигналов заключается в следующем.

Измерительные оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации располагают по осям декартовых координат Х, Y, Z, которые в пространстве ориентированы, например, так, что оси Х,Y расположены в плоскости горизонта, одна из осей направлена на север, другая - на восток, а ось Z - вертикально вверх.

Рассмотрим вариант, когда сейсмоисточник расположен, например, в направлении третьего квадранта относительно сейсмометра. При таком расположении источника относительно системы координат, выбираем условия в виде комбинации знаков по отношению к направлениям измерительных осей, когда анализируемые сигналы имеют одинаковые знаки.

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

С выходов трехкомпонентного сейсмометра снимают квазисинусоидальные электрические сигналы в широком частотном диапазоне, содержащие сигналы P-, S-, R-волн. Фильтрация сигналов U_X, U_Y, U_Z с выхода блока 1 исходной информации при помощи фильтров обусловлена тем, что поверхностные рэлеевские волны ниже по частоте Р-, S- и Lg-волн, а амплитуды рэлеевских волн часто значительно меньше амплитуд других типов волн при регистрации скорости колебания грунта.

Сигналы U_X, U_Y, U_Z по двум горизонтальным и вертикальному каналам, содержащие исследуемые колебания разных типов волн, фильтруют фильтрами 2-1 - 2-3, выделяя частотный диапазон, соответствующий сигналам Р-волн. После этого на выходе этих фильтров 2-1 - 2-3 получают первый, второй, третий дополнительные сигналы U_f1X, U_f1Y, U_f1Z. Отфильтрованный сигнал вертикальной компоненты U_f1Z сдвигают по фазе в сторону опережения на π/2 с помощью первого фазовращателя 6 и на его выходе получают четвертый дополнительный сигнал U_f2Z. После этого анализируют знаки первого, второго, четвертого дополнительных сигналов U_f1X, U_f1Y, U_f2Z в коммутаторе знака 3 в каждый момент времени, и по управляющим сигналам с выхода формирователя 4 управляющих импульсов формируют пятый, шестой, седьмой дополнительные сигналы U_f2X, U_f2Y, U_f3Z, равные, соответственно, сигналам U_f1X, U_f1Y, U_f2Z, если их знаки будут совпадать с выбранной комбинацией знаков, или равных, соответственно, сигналам -U_f1X, -U_f1Y, -U_f2Z, в те моменты времени, когда знаки анализируемых сигналов или знак хотя бы одного из сигналов не совпадает с выбранной комбинацией знаков. После этого при помощи сумматоров 5-1 - 5-3 формируют сигналы, равные полусуммам одноименных сформированных дополнительных сигналов (U_f1X+U_f2X)/2; (U_f1Y+U_f2Y)/2; (1) (U_f2Z+U_f3Z)/2 .

Так как условие комбинации знаков для примера было выбрано в соответствии с движением частиц в Р-волне, то сигналы полусумм в выражении (1) соответствуют компонентам полного вектора R-волны, где вертикальная компонента полного вектора R-волн сдвинута по фазе в сторону опережения на π/2. Чтобы восстановить истинные фазовые соотношения, необходимо сформировать восьмой дополнительный сигнал, т.е. достаточно сдвинуть сигнал вертикального канала, равный последней полусумме из выражения (1) на π/2 в сторону отставания по фазе, что и делает второй фазовращатель 7.

Таким образом, сформированные выходные сигналы являются тремя компонентами полного вектора колебаний, соответствующих R-волне.

Cигналы полусумм дополнительно фильтруют по частоте.

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

Устройство работает следующим образом.

На трех выходах блока 1 исходной информации при регистрации сейсмических сигналов по двум горизонтальным и вертикальному каналам имеют три электрических напряжения U_X, U_Y, U_Z, которые, например, пропорциональны скорости колебаний грунта. Эти напряжения поступают на входы фильтров 2-1 - 2-3, на выходе которых получают напряжения двух горизонтальных каналов U_f1X, U_f1Y и вертикального канала U_f1Z, фильтрованные в частотном диапазоне, соответствующем колебаний рэлеевских волн. Отфильтрованное напряжение вертикального канала U_f1Z поступает на вход первого фазовращателя 6, на выходе которого получают напряжение U_f2Z, опережающее по фазе на π/2 напряжение U_f1Z. Напряжения U_f1X, U_f1Y, U_f2Z c выходов двух фильтров 2-1, 2-2 горизонтальных каналов и выхода первого фазовращателя 6 поступают соответственно на три входа коммутаторов знака 3 и формирователя 4 управляющих импульсов, соединенных параллельно между собой. Эти напряжения пропорциональны входному сейсмическому воздействию по соответствующей измерительной оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации. На управляемый вход коммутатора знака 3 поступают управляющие сигналы логических "1" или "0" с выхода формирователей 4 управляющих импульсов, которые формируются следующим образом.

Отфильтрованные анализируемые напряжения U_f1X, U_f1Y, U_f2Z поступают на вход формирователя 4 управляющих импульсов и на его выходе формируются сигналы логической "1" в те моменты времени, когда на его входах анализируемые напряжения имеют одинаковые знаки, или формируются сигналы логического "0", в те моменты времени, когда хотя бы один сигнал из анализируемых имеет противоположный знак по сравнению с другими напряжениями.

В зависимости от выбранного управляющего сигнала - логический "0" или логическая "1" - в коммутаторе знака 3, когда условие комбинации знаков удовлетворяется, на его выходах формируются напряжения, равные соответственно анализируемым напряжениям U_f2X = U_f1X, U_f2Y=U_f1Y, U_f3Z=U_f2Z, а когда не удовлетворяются условия выбранной комбинации знаков, то на его выходах формируются напряжения противоположных знакам входных анализируемых напряжений U_f2X=-U_f1X, U_f2Y=-U_f1Y, U_f3Z=-U_f2Z.

Пара сигналов: U_f1X, U_f2X, U_f1Y, U_f2Y; U_f3Z, U_f2Z с одноименных входа и выхода коммутатора знака 3 поступает на два входа сумматоров 5-1 - 5-3, соответственно. Сумматоры имеют коэффициенты передачи К_i=0,5. На их выходах формируются полусуммы напряжений (U_f1i+U_f3i)/2, где i - индекс соответствующей компоненты.

Для выбранного условия комбинации знаков в соответствии с характеристикой Р-волны на выходе сумматоров 5-1 - 5-3 выделяются напряжения, определяющие компоненты R-волны, но напряжение, соответствующее полусумме напряжений вертикального канала, опережает истинное напряжение вертикального канала на π/2, поэтому это напряжение поступает на второй фазовращатель 7, который сдвигает на π/2 назад входное напряжение, и на выходе второго фазовращателя 7 получают истинное напряжение вертикальной компоненты колебаний рэлеевских волн.

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 R-волн незначительная, так как анализ сигналов производят в оптимальном частотном диапазоне в каждый момент времени по трем компонентам.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ при выделении сигналов рэлеевских волн по известному направлению на источник, содержащее блок исходной информации, коммутатор знака, два двухвходовых сумматора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены три фильтра, формирователь управляющих импульсов, два фазовращателя и третий двухвходовый сумматор, а блок исходной информации выполнен в виде трехкомпонентного сейсмометра, измерительные оси которого ортогональны, при этом выходы блока исходной информации соединены с входами трех фильтров, выход третьего фильтра подключен к входу первого фазовращателя, выход которого и выходы первого и второго фильтров подключены к соответствующим входам коммутатора знака, которые соединены параллельно с соответствующими входами формирователя управляющих импульсов, выход которого подключен к четвертому (управляющему) входу коммутатора знака, соответствующие одноименные входы и выходы которого соединены с первыми и вторыми входами трех сумматоров, при этом выход третьего сумматора подключен к входу второго фазовращателя, а выходы первого и второго сумматоров и второго фазовращателя являются выходами полного вектора рэлеевских волн.

2. 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, отличающееся 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, при этом попарно соединенные 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, выходы 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3