Коррелятор вибросейсмических данных
Изобретение относится к вибросейсмической разведке, в частности к корреляторам для преобразования вибросейсмических данных в импульсную форму. Цель изобретения - увеличение динамического диапазона коррелограмм путем снижения уровня корреляционных шумов, а также сокращение объема блока памяти. Коррелограммы вычисляются в реальном времени в частотной области с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье. Вычисления производятся методом секционированной свертки с разделением на секции как входы данных, так и коррелограммы совместно с проведением полосовой фильтрации входных данных. Для этого в коррелятор введены блоки оперативного запоминающего устройства, постоянного запоминающего устройства, умножения, суммирования и коммутатор. 6 ил.
СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4631975/25 (22) 03.01.89 (46) 23.07.91. Бюл. ¹ 27 .(71) Специальное конструкторское бюро сейсмического приборостроения (72) А.И.Гнатюк, В.Б.Колесников и К.М,Порожняков (53) 550.834 (088.8) (56) Патент США №4592031, кл. G 01 V 1/28, опублик. 86.05.27
Авторское свидетельство СССР
¹1081592,,кл. 6 01 V 1/37. 29,03.82.
Т.Scales, Three Dlrnenslal Fiber Optic
Vlbrosels Data Asquisition. Материалы фирмы Exploration Products Division Geosource, USA. (54) КОРРЕЛЯТОР ВИБРОСЕЙСМИЧЕСКИХ
ДАННЫХ
Изобретение относится к сейсмической разведке и предназначено для преобразования вибросейсмических данных в импульсную форму путем корреляции их с опорным сигналом вибраторэ в реальном времени.
Цель изобретения — увеличение динамического диапазона коррелограммы путем снижения корреляционных шумов, а также сокращение объема блока памяти.
На фиг.1 приведена функциональная схема коррелятора вибросейсмических данных; на фиг.2-6 — функциональные схемы отдельных блоков устройства — центрального контроллера, блока памяти, блока оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)..М 1665326 А1
Коррелограммы вычисляются в реальном времени в частотной области с использованием алгоритма быстрого преобразования
Фурье. Вычисления производятся методом секционированной свертки с разделением на секции как входных данных, так и коррелограммы совместно с проведением полосовой фильтрации входных данных. Для этого в коррелятор введены блоки оперативного запоминающего устройства, постоянного запоминающего устройства, умножения, суммирования и коммутатор. 6 ил. блока умножения и блока суммирования соответственно.
Коррелятор вибросейсмических данных содержит модуль 1 ввода-вывода, централ ьный контроллер 2, контроллер 3 блока памяти, блока 4 памяти, шину данных 5, шину управления 6, вводы-выводы данных 7 и управления 8, блок 9 ОЗУ, блок 10 постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), блок 11 умножения, блок 12 суммирования и коммутатор 13. Шины данных 5 и управления о соединены соответственно с первыми и вторыми входами модуля 1 ввода-вывода, центрального контроллера 2, контроллера блока памяти 3. Причем третьи входы модуля 1. авода-вывода и центрального контроллера 2 являются соответственно
1665326 вводами-выводами данных 7 и управлепия
8 коррелятора и соединены с интерфейсной шиной вибросейсмической станции (на фиг, не показана), Шина данных 5 соединена с первым входом блока 9 ОЗУ, второй вход которого, вход блока 10 ПЗУ и первые входы блока умножения 11, блока суммирования
12 и коммутатора 13 соединены с шиной 6 управления. Выход блока 9 ОЗУ соединен с вторыми входами блока умножения 11 и блока суммирования 12. третий вход блока суммирования 12 соединен с выходом блока умножения 11. Четвертый вход блока суммирования 12 и третий вход блока умножения 11 соединены с выходом блока 10
ПЗУ, первый выход блока суммирования 12 соединен с вторым входом коммутатора 13, третий и четвертый входы которого являются входами констант "1" и "0". Второй выход блока суммирования 12 соединен с пятым входом коммутатора 13, выход которого соединен с третьим входом блока 9 03У.
Модуль 1 ввода-вывода служит для передачи данных с вибросейсмостанции на коррелятор и обратно, Передаваемые данные проверяются на четность, о сбоях сообщается центральному контроллеру 2, Для синхронизации темпов приема данных и их обработки в составе модуля 1 ввода-вывода имеются промежуточные буферы. Управление модулем 1 ввода-вывода осуществляется центральным контроллером 2 с помощью шины управления 6 через его второй вход.
Скорость обмена данными со станцией 0.3 мбайт/с последовательным кодом.
Центральный контроллер 2 (см.фиг.2) состоит иэ приемного регистра 14, процессора 15, ОЗУ 16. ПЗУ 17, регистров управления 18 и данных 19, а также внутренних шин данных 20 и управления 21.
Центральный контроллер 2 служит для выполнения задаваемых дистанционно с вибросейсмостанции режимов работы коро релятора,,поступающих в него в виде кодов
| через ввод-вывод управления 8. Кроме того. он может выполнять тестовые проверки коррелятора с помощью панели управления (на фиг. не показана), сообщая о результатах проверки на пульт вибросейсмостанции. Регистр 14 принимает коды режимов со станции (и передает резулЬтаты проверок в станцию) в соответствии с сигналами ее интерфейса под управлением процессора 15.
Процессор 15 дешифрирует коды и организует выполнение полученных режимов, используя при этом ОЗУ 16. Выполнение режимов осуществляется выборкой последовательности микрокоманд, хранящихся в
ПЗУ 17 и через регистр 18 поступающих в шину управления 6. С помощью регистра
55 данных 19 процессор 15 передает в шину данных 5 тестовые данные и получает результаты проверок.
Контроллер 3 блока памяти предназначен для выработки адресов считывания-записи и управляет переносом данных в/из блока 4 памяти. Блок памяти 4 (см.фиг,3) состоит из входного буфера 22, буфера 23 частичных сумм и выходного буфера 24 и отличается меньшим общим объемом. Входной буфер 22состоит из меньшей части для хранения отсчетов опорного сигнала (один канал) и большей части для хранения отсчетов многих сейсмических каналов, Блок памяти 4 выполнен на микросхемах . динамических ЗУ большой емкости и малой потребляемой мощности. Шина данных 5 служит для обмена данными между узлами устройства, Число разрядов шины 16, тактовая частота 5 мГц. Шина управления 6 имеет разрядность 60, тактовая частота 5 мГц.
Входы-выходы данных 7 и управления 8 служат для связи коррелятора с вибросейсмостанцией (на фиг. не показана).
Быстродействующий блок 9 ОЗУ (cM, фиг.4) состоит из узлов адресации 25 и буферов 26. Первый вход блока 9 ОЗУ является двунаправленным вводом-выводом данных и создает блок 9 ОЗУ с шиной 5 данных. Он служит для загрузки относительно медленно поступающих из блока памяти 4 отсчетов секций данных, Третьи вход и выход блока
9 03У служат для более быстрого считывания-записи операндов, т.е. цифровых кодов отсчетов, при обработке. Узел адресации 25 через второй вход блока 9 ОЗУ соединен с шиной управления 6, Он отдельно адресует ячейки одного из загружаемых буферов узла
26 и образует общее адресное пространство для ячеек остальных буферов, Узел 26 буферов состоит из четырех буферов А, В, С, О для хранения входных данных и промежуточных результатов и буферов обобщенного оператора обработки U, состоящего иэ N сдвоенных секций ячеек. Блок 10 ПЗУ выполнен на микросхемах ПЗУ с "зашитыми"" в них значениями коэффициентов Фурье (для выполнения быстрого преобразования
Фурье (БПФ)), набором значений порога и набором отсчетов функции окна G (Т) (для вычисления функции фильтра). Их тип и конкретные значения выбираются с помощью соответствующего адреса, поступающего на вход ПЗУ из центрального контроллера 2 по многоразрядной шине 6 управления.
Блок 11 умножения (см.фиг.5) состоит из буферных регистров 27.1, 27.z, 28.1, 28.z (с индексами 1 и 2 соответственно для действительных и мнимых частей комплексных операндов), многоразрядных быстродейст1О
55 вующих умножителей 29. -29.а, мультиплексора 30 и сумматоров,31. ) и 31.г (для действительной и мнимой частей операндов).
Сумматоры 31.> и 31,z, осуществляющие сложение/вычитание, выполнены на арифметическо-логических устройствах (АЛУ), Блок 11 умножения выполняет действия с плавающей запятой как с действительными, так и с комплексными занчениями oneрандов, поступающими на его второй и третий входы. Комплексные умножения реализуются четырьмя умножениями и двумя сложениями/вычитаниями действительных и мнимых частей комплексных операндов, Для организации "конвейерной" обработки на входах блока умножения 11 имеются буферные регистры 27 1 27.2 и 28.1. 28.2 Регистры 28 t, 28.2 -двухвходовые для воэможности значения обоих операндов из блока 9 ОЗУ.
Для выполнения действительных умножений через мультиплексор 30 на один из входов "действительного сумматора 31 поступают нули. Через первый вход в блок умножения 11 из шины управления 6 поступают управляющие коды, определяющие его действия. Блок 12 суммирования (см.фиг.б) состоит из входных регистров
32,1-32.5,(32 i. 32 з и 32,5 для действительных и 32,р и 32 а- для мнимых частей операндов), мультиплексора 33 и сумматоров 34 1 и 34 р (для действительных и мнимых значений соответственноо).
Блок суммирования 12 предназначен для сложения/вычитания с плавающей запятой как действительных, так и комплексных значений операндов, поступающих на
его второй и третий входы, связанные с регистрами 32 1-32,< соответственно. "Конвейерный" режим сложений/вычитаний обеспечивается наличием входных регистров 32. Сложения/вычитания производятся сумматорами 34, выполненными на АЛУ. С помощью мультиплексора 33 "действительный" сумматор 34 при вычислении функции фильтра вместо сигнала, поступающего с второго входа на сумматоры 32 i, 32,р, npaИзводит вычитание сигнала с третьего входа, поступающего на сумматоры 32.з, 32:а из значения порога, поступающего с четвертого входа на сумматор 32,5. При.этом с пер вого выхода сумматора 34,1 поступают лишь действительные значения результата. а на втором выходе появляется сформированный сигнал "Больше/меньше". Первый вход блока суммирования 12 связан с шиной управления 6, откуда получает коды, управляющие его действиями. Коммутатор
13 выполнен на микросхемах, позволяющих пропускать на выход оДин из трех входных
45 операндов Г1ри вычислении идеализированнои амп». тyдно-частогиой карактеристики (АЧХ) полосового фильтра — это константы "1" или "0", поступающие через третий или четвертый вход коммутатора на его выход по сигналу соответственно" Больше/меньше" на его пятом входе. В остальных случаях — это комплексные операнды вычислений, поступающие на его второй вход.
B устройстве корреляция в реальном времени без ограничения длительности опорного сигнала с одновременным увеличением динамического диапазона коррелограмм и уменьшением обьема блока памяти выполняется совместно с перестраиваемой полосовой фильтрацией сейсмоданных. Вычисления проводятся в частотной области методом секционированной свертки с перекрытием с накоплением. Вычисление коррелограмм при этом производится N отдельными участками равной длины.
Коррелятор работает следующим образом.
В вибросейсморазведке иэ геофизических соображений вырабатывают параметры корреляции -длительность коррелограммы К, опорного сигнала S, а также длительность функции полосового фильтра Ф, тип функции окна фильтра G (Т)
- время и конкретные значения порога иэ имеющихся их наборов в блоке 10 ПЗУ, определяющих параметры фильтрации. Обычно Ф < K/N. Выбранным длительностям К, S, Ф при определенном интервале квантования входных данных соответствуют определенные количества их цифровых отсчетов (с теми же обозначениями). Количество отсчетов сейсмоданных Х, подлежащих корреляции (для каждого сейсмического канала), равно сумме отсчетов S и К. Величина участка коррелограммы равна К/N отсчетов.
Выбранные значения параметров устанавливаются на пульте вибросейсмостанции, и перед началом работы по интерфейсной шине через ввод-вывод управления 8 загружаются в регистр 14 центрального контроллера 2 в виде кодов. После их дешифрования процессор 15 центрального контроллера 2 настраивает коррелятор на выполнение требуемых режимов работы с помощью многоразрядной шины управления 6, а также выполняет обнуление блока памяти 4 и блока 9 03У. После этого из станции через ввод-вывод данных 7. модуль
1 ввода-вывода. Шину данных 5, контроллер
3.блока памяти во входной буфер 22 блока 4 памяти начинают поступать отсчеты сейсмоданных Х и опорного сигнала S. где они разделяются на участки величиной также
16653?6
1О
20
40
К/N от(:и.тов. Входной буфер 22 блока 4 памяти состоит из двух Ha(>àttííõ частей, Большая ч сть его Х предназначена для з»писи данных сейсмических каналов X и име.ет объем 3 К/N + Ф ячеек на каждый сейсмоканлл с циклической адресацией ячеек по модулю MOD К/N, Меньшая часть бу фера 22 S предназначена для записи одного канала опорного сигнала S и имеет объем также 3 К/N+cb ячеек с циклической адресацией ячеек по MOD К/N.
В установившемся режиме работы для опорного и одного из сейсмических каналов во время загрузки очередного текущего участка с номером h входных данных заполняются К/М ячеек входного буфера 22 блока 4 памяти в частях X u S. В остальном объеме большей части X буфера 22, равном
2 К/И+Ф ячеек (на один канал) и заполненном ранее загруженными отсчетами X на предыдущих участках, в это время формиру егся текущая обрабатываемая секция (h-2).
Она состоит из участка (h-2), дополненного справа последующим участком (h-1) и слева
Ф отсчетал1и предыдущего участка (h-3). В части S входного буфера 22 аналогично формируется секция (h-2) с числом отсчетов, тоже равным 2 К/М+Ф, Она состоит из К/N отсчетов S из загруженного ранее участка (Ь2), дополненного справа и слева нулевыми отсчетами. При этом на каждом последующем текущем участке у секций X u S образуется перекрытие отсчетов на величину
K/N+cD, т.е, более 50, Кроме этого. число отсчетов секций должно быть кратным степени 2. Это необходимо для удобства и правильности дальнейших вычислений сверток в частотно<й области. Из сформированных секций X u S считываются пары соседних отсчетов и образованные тем самым К/N+cD комплексных отсчетов секций(Ь-2) поступают на вычисление дискретного преобразования
Фурье (ДПФ) (no алгоритму БПФ). Вычислео ние коррелограммы К с предварительной полосовой фильтрацией на текущем обрабатываемом участке (h-2) выполняется N секциями с помощью свертки в частотной области и может быть представлено в виде д -)ФК (<<-2) д П1 Ф ((Ь-2) ДП Ф (Ь-2-и 1)
„д П e*S(h-2-и+1) д n e К.(«-з) (1) где п=1,2, ..., N;
h=1,2, ..., H+N;
Н вЂ” число участков сигнала S. каждое с числом отсчетов K/N, на которое он разделяется (недостающие отсчеты дополняются нулями);
ДПФ S(" ) — ДПФ, комплексно-сопряженное вычисленному ДПФ секции S c номером(п-2-n+1), отличающееся лишь знаком мнимой части — оператор корреляции;
ДПФГ - ДПФ полосового фильтра с (h 2 и<1) полосой пропускания, соответствующей полосе частот, содержащихся в секции с номером (h-2-и г1), и близкой к прямоугольной
АЧХ фильтра. пульсации которой "сглажены" с помощью выбранной функции окна, G(T) — оператор фильтрации.
В частотной области физический смысл первого произведения выражения (1) представляет собой посекционную фильтрацию текущей секции сейсмосигнала X(N полосовыми фильтрами, соответствующими N секциям опорного сигнала S, посланным вибратором в грунт ранее и имеющим от (h-2) до (h-2-И+1), Второе произведение выражения (1) представляет собой посекционную < корреляцию результатов профильтрованного, "очищенного" сейсмосигнала X с тел1и же N секциями сигнала S.
Подсуммирование по формуле (1) представляет собой посекционное накопление коррелограмм на каждом текущем участке обработки.
Для многоканальных устройств, при практической реализации выражения(1), используя свойства ассоциативности произведения, удобно представить N произведений операторов фильтраций и корреляций в виде N секций обобщенного оператора обработки U, включающего в себя фильтрацию и корреляцию, согласно выражению д П Ф р((<-2-и+1(д П Ф*5(Ь-2- и+1) U р)
N секций оператора U, общие для всех сейсмических каналов Х, хранятся в буфере оператора U узла 26 буферов блока 9 ОЗУ, имеющем соответственно N секций ячеек.
При вычислениях в реальном времени N секций оператора U формируются следующим образом. На текущем участке загрузки данных h считываются отсчеты секций (h-2)сигналов S (соответствующих и = 1), вычисляются произведения (2) и записываются в ту секцию ячеек буфера U, где находятся значения самой "старой" секции Us+1, полученной ранее при обработке секций сигналов S с номером (11-2-N) и не участвующей в новых вычислениях. Этой новой секции оператора (.) присваивается номер 1 (n
= 1). Номера всех остальных секций буфера
U полученных ранее аналогичным образом при обработке предыдущих участков выходных данных, при этом увеличиваются нз единицу. В дальнейшем и эта новая секция
U1 под все возрастающими номерами (от 2 до N) будет использована при обработке еще (N-1) последующих секций входных данных.
Для каждой влекущей секции (h-2) сигнаna $ при получении U1 используются филь1 ббг> g2 f
10 тры с конечной импульсной харакгеристикой (КИХ), обладающие линейной фазовой характеристикой и не создающие сдвига фаэ между Х и S, Вычисления их ДПФ F ъ-г) выполняются с использованием функции окна G(l) для ослабления пульсаций АЧХ фильтра, Алгоритм вы ислений ДПФ Р ) для текущей обрабатываемой секции (h-2) следующий. Вначале вычисляется идеализированная (прямоугольная)
АЧХ подосового фильтра на участке (h-2) опорного сигнала S. Для этого вычисляется
ДПФЯ() и перемножается со своим комплексно-сопряженным ДПФ, отличающимся измененным знаком мнимой части, образуя квадрат АЧX этого участка
ДПcDS1 -г3,ДПФ* ;(ь-г) = (АЧХ(и-г )г
График квадрата АЧХ, имеющий в общем случае изрезанный вид, идеализируется до прямоугольного с помощью выбираемого на вибросейсмостанции перед началом работы значения порога из набора значений, находящихся в блоке 10 ПЗУ поступающего на четвертый вход блока суммирования 12.
Блок суммирования 12, работающий здесь в режиме вычитания, сравнивает значения отсчетов квадрата АЧХ со значением порога и вырабатывает сигнал сравнения "Больше/меньше", который поступает с второго входа блока суммирования 12 на пятый вход коммутатора 13. Этот сигнал управляет работой коммутатора 13, заменяя значения отсчетов квадратов АЧХ. меньше или больше значений порога, константами соответственно "0" или "1". Полученная идеализированная {прямоугольная) АЧХ фильтра затем переводится во временную область с помощью вычисления ее обратного БПФ, и полученная временная функция
"прямоугольной" АЧХ т1" г) Т) умножается на функцию окна (3(Т). В качестве функции окна 6Щ могут быть выбраны функции окон
Лэицоша, Кэппелини, позволяющие выбрать необходимые соотношения между максимально. допустимым уровнем пульсаций АЧХ и шириной переходной полосы фильтра. Функция окна G(T) объемом Ф отсчетов, находящаяся в блоке ПЗУ 10, поступает из него на третий вход блока умножения 11. Блок умножения 11 выполняет корректирующее перемножение функций
1(-г), (T) и функции окна G(T). образуя тем самым окончательную временную функцию импульсной характеристики Ph 2) Щ, также имеющую Ф отсчетов. Затем она дополняется 2 К/N нулевыми отсчетами до величины объема секции и переводится в частотную область, для чего производится вычисление ее ДПФ.
После вычисления секции 0ъ записи ее в буфер U и перенумерации остальных секций буфера 0 буферно о ()3Y 9 ДПФ X<" г) поочередно перемножается со всеми N секциями буфера U, включая и новую секцию
U>, и результаты подсуммируются к значениям ДПФ секций коррелпграмм с соответствующими номерами, вычисленными аналогичным образом при обработке предыдущего участка(Ь-3) входных данных и находяшимися в буфере 23 частичных сумм блока 4 памяти
ДПФ Кп(= ДПФХ 0п+ДП Ф К„ ). (3)
