Устройство для подавления импульсных помех в сейсмических сигналах

 

О П И С А Н И Е »>toooevs

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС) ВУ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву— (22) Заявлено 18.09.81 (21) 3337461/18-25 с прнсоедннениевт заявки №вЂ” (23) Приоритет

Опубликовано 28.02.83. Б1оллетень № 8

Дата опубликования описания 28.02 83 (5l }M. Кл.

G 01 V 1/37

Гввударственыб квинтет есе вв авва нзвбретевв» и еткрытнй (53)УД 550 834 (088.8) Специальное конструкторское бюро сейсмического приборостроения (71) Заявитель е (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ИИПУЛЬСННХ

ПОМЕХ В СЕЙСИИЧЕСКИХ СИГНАЛАХ

При сейсмической разведке с не" взрывными источниками возбуждения сейсмических колебаний общее вреия регистрации сейсмических сигналов велико, что связано с необходимосв тью производить накапливание сейсиических сигналов при иногократных возбуждениях, а также со значительной длительностью каждого возбуждения в случае использования вибрационного метода. Поэтому повышается вероят" ность появления в сейсмических сигналах иипульсных поиех, которые недостаточно эффективно ослабляются в процессе накопления сейсмической информации, так как их амплитуды зачастую во.много раз превышают амплитуду полезного сейсмического сигнала.

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

Известно устройство для подавле" ния 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 сейсиических сигналов с эталонными коэффициентаии усиления. В случае превышения разностью этих коэффициентов . определенной пороговой величины про исходит обнуление принимаемого сигнала в течение заранее выбранного интервала вреиени. Эталонные коэффициенты усиления устанавливаются постоянныии в каждом временном окне, на которые

20 разбивается все время регистрации сейсиических колебаний, и могут обновляться в процессе накопления (1 ).

Недостатком устройства является то, .что исключение сигнала из записи

3 10009 происходит в течение априорно выбранного промежутка времени, который может превышать длительность помехи, и, следовательно, привести к исключению полезных сейсмических сигналов. Кроме этого, для работы устройства необходимо задавать эталонные коэффициенты усиления, что предполагает проведение предварительных работ для определения ожидаемого уровня сейсми- 16 ческих сигналов.

Известно устройство, содержащее входное устройство, схему сравнения, формирователь уровней редактирования шума и устройство автоматического исключения шума и предназначенное для

I исключения из записи сигнала, содержащего импульсную помеху. 8 отличие от устройства 51 J это устройство осуществляет исключение сигнала с по- 26 мехой в интервале времени, соответствующем двойному изменению знака выборок входного сигнала, т.е. за период импульсной помехи (2 ) .

Недостатком устройства также являет- 5 ся необходимость установки уровней редактирования шума, что предполагает априорное значение уровня сейсмических сигналов на протяжении всей записи.

Наиболее близким техническим ре- ЗО .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 вход-46 ного сигнала, сумматор, а также второй мультиплексер.

В процессе регистрации сейсмических сигналоь от каждого возбуждения среды в устройстве происходит определение среднего значения характеристики сейсмического сигнала. Усреднение проивводится по времени от начала записи до текущей выборки, причем при наличии во входном сигнале импульсной помехи на вход цифрового интеграла, осуществляющего усреднение, вместо характеристики входного сейсмического сигнала поступает усредненное значение характеристики сигнала с выхода интегратора.

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 f 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 характерис- тики сигнала с учетом выбранного пороra 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 компаратораи соединен с третьим входом мультиплексера и первым входом аппроксиматора, выход которого соединен с первым входом селектора помехи, второй вход

5 10009 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 5 входу вычитателя, второму входу аппроксиматора, третьему входу селектора помехи и четвертому входу мультиплексера.

Принимаемый сейсмический сигнал включает в себя в общем случае полезный сейсмический сигнал, стационарный шум, амплитуда которого постоянна в течение всего накопления, и импульсную помеху длительность которой мала 1 по сравнению с временем регистрации сигналов, а амплитуда может значительно превышать амплитуду полезного сигнала.

Принцип действия предлагаемого уст 20 ройства заключается в следующем. Сейсмические сигналы от первого возбуждения 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;=х; - х;„, (1) 30 где i — номер выборки;

Х1.1-1-я выборка сигнала от первого возбуждения;

Х1 -i-я. выборка сигнала от второго возбуждения.

Эта разность не содержит полезного сейсмического сигнала, так как условия возбуждения и приема сигнала оди- наковы при обеих записях и, следовательно, в них будут одинаковы ампли- 40 туды 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 получится величина

50 где Й вЂ” число вы".орок, по которым производится усреднение, будет характеризовать уровень только стационарного шума, так как вклад импульсной помехи при усреднении мал из-за незначительной ее длительности по сравнению с временем усреднения. Тогда

76 б показателем наличия импульсной помехи в одной из записей будет выполнение условия (hX 1 ) Khx (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 второго возбуждения, может быть произведено путем аппроксимации сигнала по выборкам, предшествующим той выборке, при котсрой обнаружена импульсная помеха, т.е. при которой выполняется условие (3).

Известен достаточно точный способ определения частоты и амплитуды основной гармоники сигнала по трем выборкам, что вполне достаточно для определения предположительных значе" ний сигнала в следующей выборке. Принимая наиболее близкую к этому значе" нию 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 треоуются значения только двух предыдущих выборок

Х„= 2Х; — Х„ 2 (4)

B этом случае существенно упрощается аппаратурная реализация способа определения номера записи,. содержащей импульсную помеху. Если в процессе. приема сигналов от второго возбуждения установлено, что импульсная помеха содержится в первой записи, хранящейся в памяти накопителя, то соответствующие выборки этой записи заменяются на значение выборок от второго возбуждения. B 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 иипульсных помех. В ходе приема сигналов от последующих возбуждений при выполнении условия (3) в цифровой на7 10009 копитель в качестве очередного слагаемого для суммирования вместо входного сигнала подается нормированный результат предыдущей суммы, т.к. помеха может содержаться только во вход- ном сигнале.

На фиг.1 показана структурная . схема устройства для подавления импульоных помех в сейсмических сигналах; на фиг.2 - функциональная схема 1о накопителя, входящего s состав предлагаемого устройства.

Ус ройcтeо состоит. из мультиплек сера 1, цифрового накопителя 2, цифрового интегратора 3, вычитателя 4, 15 компаратора 5, аппроксиматора 6 и селектора 7 помехи. Вход устройства соединен с первым входом 8 мультиплексера 1, выход которого подключен к второму входу 9 цифрового накопите- 20 ля 2, выход которого подключен к второму входу 10 вычитателя 4, первый вход 11 которого подключен к входу устройства, а выход соединен с пер" вым входом 12 компаратора 5 и входом 2$

13 цифрового интегратора 3, выход которого подключен к второму входу 14 компаратора 5, выход которого подключен к третьему входу 15 мультиплексера 1 и первому входу 16 аппроксимато- щ ра 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 21 цифрового накопителя 2 и вторым вхо-. дом 22 мультиплексера 1, четвертый вход 23 которого соединен с выходом 4о цифрового накопителя 2, который подсоединен к выходу устройства.

Накопитель 2 содержит (фиг.2) сумматор (СИ ) 24, в котором осуществляется сумчирование 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 накойления 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 2 1 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 CM

24 и блокировки устройства 26 нормировки суммы после второго возбуж- дения.

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 получеиной суммы модулей на 2 всякий раз, когда число слагаемых, участвующих в усреднении, равно целой степени числа 2. Кроме этого, цифровой интегратор 3 запоминает-вреднее по модулю значение стационарного шума для каждого канала в оперативной памяти для использования этих величин при проверке сигналов на наличие в них импульсной 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 возбуждвний 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 имеет обычную ияо. вую:структуру.

Аппроксиматор, 6 работает только во время второго возбуждения, когда импульсная помеха может присутство

9, 1000976

1о го

Xl зо

55 вать как во входном сигнале, так и в сигнале, записанном в цифровом накопителе от первого возбуждения. В данном варианте выпьлнения yñòðîéñòва аппроквиматор б производит вычисление аппроксимированного значения сигнала по формуле (4} и представляет собой обычный сумматор.

Селектор помехи 7 определяет, в какой из первых двух записей содержится импульсная помеха. Это осу ществляется путем сравнения модулей разности между соответствующими значениями выборок этих записей и аппроксимированным значением сигнала. Условие -наличия импульсной помехи в первой записи, которая хранится в памяти цифрового накопителя, имеет вид: (Х„,- XjI ) 1Х12- Xj! (5) где Х - значение i-выборки сигнала первой записи;

Х„2 — значение 1-выборки сигнала второй записи;

- значение аппроксимированного сигнала для i- выборки.

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 мультиплек сер 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 усредненный уровень стационарного шума с помощью вычи ателя 4 (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 обнаруживает импульсной помехи, т.е. условие (3) не выполняется, то сигнал с входа устройства через мультиплексер 1 подается на второй вход цифрового накопителя 2 для суммирования. При обнаружении импульсной помехи аппроксиматор б по двум предыдущим выборкам, взятым из цифрово"o накопителя, опре-. деляет ожидаемое значение сигнала без помехи для данной выборки (формула 4 ) 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, в которой присутствует импульсная помеха.

Если помеха обнаружена в первой записи, то ro сигналу с селектора 7 помехи мультиплексер l пропускает сигнал с входа устройства на второй вход цифрового накопителя 2, и в цифровом накопителе 2 происходит эа" мена 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 нако" пителя 2 сигнал с выхода накопителя для суммирования вместо входного сигнала. содержащего помеху. При последующих возбуждениях среды-аппроксиматор б и селектор 7 .помехи 7 йе работают, так как импульсная помеха может присутствовать только Ro вход-. ном 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. Иультиплексер 1 по этому сигналу подает на второй вход накопителя 2 либо значение выборки с выхода накопит ля, если импульсная помеха обнаружена компаратором, либо значение выборки с входа устройства, если импульсной помехи во входном сигнале не обнаружено

Применение предлагаемого устройства в цифровых сейсморегистрируюших системах позволяет исключать импульс" ные 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 вибрационном способе возбуждения сейсмических волн. 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 сиг10009 нала, что обеспечивает минимальную потерю полезной сейсмической информации при устранении помех. Замена сейсмического сигнала, содержащего импульсную по еху, перед по- S дачей его в сумматор накопителя на нормированный сигнал с выхода накои. тепя, ке с держащий импульсной помехи и являющийся результатом усреднения по нескольким возбуждениям сре- о ды для одних и тех we выборок сигнала, уменьшает нелинейные искажения в суммарном сигнале и тем самым приводит к повышению качества накопленного материала, lS

Формула изобретения

Устройство для подавления импульс- 2О ных помех в сейсмических сигналах, содержащее цифровой интегратор, компаратор, селетор помехи, мультиплексер, первый вход которого подключен к входу устройства, а второй вход соединен с выходом селектора помехи, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности подавления импульсных помех в сейсмических сигналах при накоплении сигналов, в уст- ЗО

76 12 ройство 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, 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 N 3924260, кл. 340-15.5, опублик. 1975.

2. Авторское свидетельство СССР 837216, кл ° G 01 Ч 1/28, 1979.

3. Патент США И 3894222, кл. 235-151.3, опублик. 1975 (прототип).

И) 00976 фиа. 2

Составитель Т. Райкова

Техред И. Коштура .- Корректор Л.Дзятко

Редактор Е.Папп

Филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 1381/50 Тираж 708 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Hoci