Устройство обработки сейсмических сигналов при выделении р и s волн по известному направлению на источник сигналов

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (и)з 6 01 Ч 1/28

Г

К ПАТЕ НТУ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 5031266/25 (22) 18.02.92 (46) 23.05.93. Бюл. М 19 (76) Б.Г.Келехсаев (56) Гальперин Е.И. Поляризационный метод сейсмических исследований. M., Недра, 1977, с. 44-45, с. 46-47.

Ершова А.С. Двухкомпонентная самонастраивающаяся система, М„Наука, 1973.

Рябинкин А.А, Теория и практика метода РНП, M., Гостоптехиздат, 1962, с, 27.

Патент CLUA В 4813029, кл, G 01 V 1/18, кл. 367-188, 1990. (54) УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ P

И S ВОЛН ПО ИЗВЕСТНОМУ НАПРАВЛЕНИЮ НА ИСТОЧНИК СИГНАЛОВ (57) Использование; в области сейсмологии для выделения линейно-поляризованных

Изобретение относится к сейсмологии, в частности к устройствам обработки сейсмической информации, которые осуществляют выделение линейно-поляризованных продольных P-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.

„„(Ж„„1817856 Аз продольных P-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 P волны и полного вектора 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.

Устройство содержит трехкомпонентный 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 соединенным трем входам коммутатора знака 2 и формирователя 3 управляющих импульсов. Выход формирователя 3 управляющих импульсов . соединен с четвертым (управляющим) входом коммутатора знака 2. Параллельно сое1817856

40

55 циненные входы каждого звена из сумматоров 4 — i и вычитателей 5-1 соединены с одноименными выходами трехкомнонентного 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, б — 2, б — 3 (компаратора), первый, второй, третий цифровые элементы НЕ 7-1, 7-2, 7 — 3, первый и второй элементы И вЂ” НЕ 8 — 1, 8-2, четвертый и пятый элементы НЕ 9 — 1, 9 — 2 и элемент ИЛИ вЂ” 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, 6 — 3 (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 вЂ” НЕ 8 — 1, 8 — 2, соответственно, соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ

9-1, 9 — 2. Выходы этих элементов НЕ 9 — 1 и 35

9 — 2 подключены к входам логического элемента ИЛИ вЂ” НЕ 10, выход которого соединен с выходом формирователя 3 управляющих импульсов.

Блок-схема коммутатора знака 2 представлена на фиг.3.

Коммутатор знака 2 содержит три управляемых 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.

Измерительчые оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации располагают по осям декартОвых координат Х, Y, Z, которые в пространстве ориентированы, к примеру, так, что оси Х, У, расположены в плоскости горизонта, одна и= осей направлена на север, другая — на восток, а ось Z — направлена вертикально вверх.

Рассмотрим вариант, когда сейсмоисточник расположен, например, в третьем квадранте на плоскости координат ХУ, а сейсмометр расположен в центре координат. При таком расположении источника относительно системы координат, условия в виде комбинации. знаков по отношению к . 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 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 времени, когда движение частиц в волне не совпадает с направлением распространения P-волны, выполняется вторая часть условия, то есть знаки сигналов по этим же осям будут отрицательными, 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. Так как обычно реальный сигнал является суммой искомого сигнала и помехи, то для увеличения отношения сигнал/шум исходный сигнал предварительно фильтруют в определенном известном частотном диапазоне, устраняя при этом и постоянную составляющую.

Предварительно отфильтрованные сигналы

Ох, U>, U< с выхода блока 1 исходной информации коррелированы между собой во времени для P u S волн, степень их корреляции определяется степенью линейности поляризации волн.

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

При формировании трех дополнительных сигналов О1х, О1у. Uiz знак этих сигналов не будет меняться, если знаки сигналов Ох, Uó, От будут совпадать с выбранной комбинацией знаков, но знак этих сигналов будет 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

1817856

P-волны поляризованы в плоскости, совпадающей с фронтом распространения сейсмической волны, а движение частиц в

5-волне происходит в плоскости, перпендикулярной направлению распространения фронта волны.

Так как условие комбинации знаков для примера было выбрано в соответствии с движением частиц в P-волне, то для линейно- поляризованных P-волн будут формироваться три дополнительных сигнала, равные трем основным сигналам, а для S-волн три дополнительных сигнала будут равны трем основным сигналам с противоположными 2 знаками. Если из трех основных и трех дополнительных сигналов образовать еще шесть сигналов, равных их палусуммам и полуразностям; то они будут выходными сигналами. 2

Действительно, три выходных сигнала, равные полусуммам, будут соответствовать трем компонентам Р-вектора, так как в них сигналы P-волн складываются, à S-волн вычитаются и практически отсутству ат, а дру- 3 гие три выходных сигнала, раиных полуразностям, будут соответствовать трем компонентам S-вектора, так как в них сигна, лы S-волн складываются, а P-волны вычитаются, и также практически отсутствуют. 3

Таким образом, шесть сформированных выходных сигналов являются тремя компонентами, соответствующими P-волне и тремя компонентами, cooTBGTGTBóþùèìè

5-волне. 4

В приведенном примере при формировании трех дополнительных сигналов V», lI>y, U1z ИНВЕртИрОВаНИЕ ЗНаКОВ СИГНаЛОВ

0, Uy, О производилось, когда знаки этих сигналов не соответствовали комбинации 4 знаков для P.— âîëí, поэтому при формировании сигналов полусумм выделялись компоненты P-волны, а при формировании полуразности — $-волны. Если выбрать комбинацию знаков, соответствующую кампо- 5 нентам S-волны, то при суммировании сигналов выделялись бы компоненты S-волны, а при вычитании сигналов — P-волны.

Таким образом, в зависимости от вы-. бранной комбинации знаков выходные сиг- 5 налы в виде полусуммы или полуразнасти будут соответствовать или P или S-волнам.

Практически, в дальнейшем выходные сигналы в виде полусумм и полуразнастей дополнительно фильтруют по фазе и частополусуммам и полуразнастям первичных и дополнительных сигналов: (Ux+ и»)П; (Ux - и»)/2l (О„+ Uly)/2; (О„- U ly)а; (Uz+ и1,)П; (Uz Ь,) (1) те, так как реальные сигналы после обработ-. ки 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 — все знаки отрицательные.

Устройство работает следующим обра10 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 трех

15 управляемых усилителей I I — 1, I!-2, I I — 3.

Эти сигналы пропорциональны входному сейсмическому воздействию, например, скорости колебания грунта по соответствующей измерительной оси трехкомпонентО ного сейсмометра блока 1 исходной информации, На управляемые усилители

l l-1, I I — 2, I! — 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

О нуля, или формируется сигнал логического нуля если на их входах сигнал меньше нуля.

С выходов усилителей-ограничителей (компараторов) 6 — I, 6 — 2, 6 — 3 логические сигналы поступают одновременно на входы первого

5 трехвходоваго логического элемента И-НЕ

8 — 1 и через логические элементы 7 — 1, 7 — 2 и

7 — 3 на входы второго трехвходового логического элемента И вЂ” НЕ 8-2. Таким образам, на выходе первого элемента И вЂ” НЕ 8-1 устаО новится логический ноль, когда выполняется первая часть выбранного условия комбинации знаков Ux > О, Uy > О, Uz > О; соответственно, на выходе второго элемента И-НЕ 8 — 2 также установится логический

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

С выходов логических элементов И вЂ” НЕ

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

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

1817856, комбинации знаков не выполняется. В зависимости от выбранного управляющего сигнала — логический ноль или логическая единица — управляемые усилители 11-1, 112, 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

Ulx = Ux, Uly = Оу, Ulz = Uz, а когда не удовлетворяется, их коэффициенты передачи равны — 1, и на их выходах формируются сигналы Ulx =--Ux, Uly = — Uy, Ulz=-Uz.

Пары сигналов: Ux, Ulx, Uy, Uly, Uz, Ulz непосредственно с выходов блока 1 исходной информации и выходов коммутатора знака 2 (управляемых усилителей 1 1-1, 112, 1 I— - 3) поступают параллельно на два входа каждого звена сумматоров 4i и вычитателей 5ь имеющих коэффициенты передачи К = 0,5. На их выходах формируются, соответственно, полусуммы и полуразности первичных и дополнительных сигналов: (Ui

+ 0ц)/2 и (Ц вЂ” Ult)I2.Для выбранного условия комбинации знаков в соответствии с характеристикой

Р-волны на выходе сумматоров 4i будут сигналы, определяющие компоненты P-волны, а на выходе вычитателей 5 будут сигналы, определяющие компоненты S-волны.

Устройство построено с помощью стандартных электронных схем: — управляемые усилители — (ба); — усилители-ограничители (компараторы) — (6б); — сумматоры и вычитатели — (бв). — логические элементы построены на стандартной серии цифровых микросхем, Устройство имеет высокое быстродействие, так как измерение сигналов и последующая обработка непосредственно электрических аналогoB сигналов для определения компонент векторов проводится в реальном масштабе времени.

Погрешность определения компонент векторов Р и S-волн 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

P u S волн осуществляется при наличии единственного трехкомпонентного сейсмометра, что позволяет упростить аппаратурную реализацию, Такое устройства имеет особенное преимущество в полевых условиях как при исследовании природных сейсмических явлений, так и при проведении физических экспериментов.

Формула изобретения

5 1. Устройство обработки сейсмических сигналов при выделении P u S волн по известному направлению на источник сигналов, содержащее блок исходной информации и звено из двухвходовых сумматора и вычита10 теля, одни из двух входов соединены и подключены к одному из выходов блока исходной информации, а их выходы являются выходами устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что s устройство дополнительно вве15 дены два звена двухвходовых сумматоров и вычитателей, коммутатор знака, формирователь управляющих импульсов, а блок исходной информации выполнен трехкомпонентным, причем три входа коммутатора

20 знака и формирователя управляющих импульсов попарно соединены и подключены соответственно к трем выходам блока исходной информации, выход формирователя управляющих импульсов соединен с четвер25 тым управляющим входом коммутатора знака, причем параллельно соединенные входы каждого звена сумматоров и вычитателей соединены с одноименными выходами блока исходной информации и коммутатора

30 знака, а выходы дополнительных сумматоров и вычитателей являются выходами устройства.

2"; Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что коммутатор знака содержит три

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

40 подключены к трем соответствующим выходам коммутатора знака.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что формирователь управляющих импульсов содержит три усилителя-ограни45 чителя, входы которых подключены к соответствующим входам формирователя . управляющих импульсов, пять цифровых элементов HF, два элемента И-НЕ и элемент ИЛИ вЂ” НЕ, причем попарно соединен50 ные три входа первого элемента И-КЕ и три выхода усилителей-ограничителей (компараторов) подключены к входам первых трех элементов НЕ, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И-НЕ, вы55 ходы элементов И вЂ” 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.

1817856

Фиг 1

Заказ 1741 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Проиааодстаанно-иэдательокий комбинат "Патент", г. ужгород. Ул.Гагарина, 101 г

Редактор Т. Иванова

Составитель Б. Калехсаев

Техред M. Моргентал Корректор Л. Ливринц