Устройство для выделения сейсмических сигналов продольных и поперечных волн от источника с известным квадрантом его нахождения

 

Использование: в сейсмологии для выделения линейно-поляризованных продольных P-волн и поперечных S-волн. Сущность изобретения: устройство использует анализ знаковых соотношений регистрируемых сигналов по трем компонентам в каждый момент времени. Устройство содержит блок исходной информации в виде трехкомпонентного сейсмометра, первый, второй и третий входные фильтры, два формирователя управляющих импульсов, шесть ключей и шесть выходных фильтров с соответствующими связями. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к сейсмологии, конкретно к устройствам обработки регистрируемой сейсмической информации при выделении линейно-поляризованных продольных P-волн и поперечных S-волн или Р и Lg волн. К устройствам предъявляются требования по точности выделения компонент полного вектора при высоком быстродействии и простоте реализации.

Известно устройство селекции сейсмических волн Р и S типа [1] устройство полярной корреляции, которое может обеспечить хорошие эффективность и быстродействие, однако это достигается значительным усложнением аппаратурной реализации необходимо увеличивать количество сейсмометров.

Известно устройство для обработки сейсмических сигналов [2] которое по записи двухкомпонентных сигналов позволяет выделять линейно-поляризованные сигналы Р и S волн по известному направлению на источник. Устройство содержит блок исходной информации двухкомпонентный сейсмометр и звено, состоящее из двухвходовых сумматора и вычитателя.

Устройство довольно простое в реализации, имеет высокое быстродействие, однако точность определения векторов Р и S волн недостаточна, так как не определяются три компоненты полного вектора. Эффективность способа зависит также и от правильной пространственной ориентации плоскости измерительных осей относительно источника, что в реальных условиях выполнить трудно.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для обработки сейсмических сигналов. Такое устройство для выделения сейсмических сигналов Р- и S-волн от источника с известным квадрантом нахождения содержит блок исходной информации в виде трехкомпонентного сейсмометра, три звена двухвходовых сумматоров, три звена двухвходовых вычитателей, коммутатор знака и формирователь управляющих импульсов. Измерительные оси трехкомпонентного сейсмометра блока исходной информации располагают по осям декартовых координат X,Y,Z, (к примеру, оси Х, Y расположены в плоскости горизонта, а ось Z направлена вертикально вверх).

Устройство имеет существенные преимущества по сравнению с [2] по точности определения компонент полного вектора, однако устройство имеет дополнительные аппаратурные (инструментальные) погрешности при выполнении операции инвертирования сигнала коммутатором знака, а также при суммировании и вычитании сигналов. Кроме этого реальные сейсмические сигналы продольных и поперечных волн имеют несколько отличный друг от друга частотный диапазон. Поэтому точность определения компонент полного вектора несколько ограничена.

Целью изобретения является уменьшение погрешности обработки сейсмических сигналов при упрощении конструкции устройства.

В устройстве для выделения сейсмических сигналов продольных и поперечных волн от источника с известным квадрантом его нахождения, содержащем блок исходной информации, выполненный в виде трехкомпонентного сейсмометра, первый формирователь управляющих импульсов, цель достигается тем, что оно дополнительно содержит три входных фильтра, шесть ключей и шесть выходных фильтров, при этом первый, второй и третий выходы блока исходной информации соединены с входами соответствующего входного фильтра, первый и второй выходы первого, второго и третьего входных фильтров подключены к информационным входам ключей с первого по шестой, первый, второй и третий входы первого формирователя управляющих импульсов подключены к первым выходам, соответственно, первого, второго и третьего входных фильтров, а первый, второй и третий входы второго формирователя управляющих импульсов подключены к вторым выходам, соответственно, первого, второго и третьего входных фильтров, управляющие входы первого, третьего и пятого ключей объединены и подключены к выходу первого формирователя управляющих импульсов, управляющие входы второго четвертого и шестого ключей объединены и подключены к выходу второго формирователя управляющих импульсов, входы выходных фильтров с первого по шестой подключены к выходам ключей с первого по шестой, соответственно, выходы первого, третьего и пятого выходных фильтров являются выходами соответствующей компоненты полного вектора продольных волн, а выходы второго, четвертого и шестого выходных фильтров являются выходами соответствующей компоненты полного вектора поперечных волн.

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 выходы трех усилителей-ограничителей подключены к входам первых трех элементов НЕ, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И-НЕ, выход первого элемента И-НЕ соединен с входом четвертого элемента НЕ, а выход второго элемента И-НЕ соединен с входом пятого элемента НЕ, при этом выходы четвертого и пятого элементов НЕ подключены к элементу ИЛИ-НЕ, выход которого соединен с выходом формирователя управляющих импульсов.

На фиг.1,2 даны функциональные схемы предлагаемого устройства.

Устройство содержит: трехкомпонентный блок 1 исходной информации (сейсмометр); первый входной фильтр 2, второй входной фильтр 3, третий входной фильтр 4; первый формирователь 5-1 управляющих импульсов, второй формирователь 5-2 управляющих импульсов; первый ключ 6-1, второй ключ 6-2, третий ключ 6-3, четвертый ключ 6-4, пятый ключ 6-5, шестой ключ 6-6; первый выходной фильтр 7-1, второй выходной фильтр 7-2, третий выходной фильтр 7-3, четвертый выходной фильтр 7-4, пятый выходной фильтр 7-5, шестой выходной фильтр 7-6.

Блоки в устройстве для выделения сейсмических сигналов продольных и поперечных волн от источника с известным квадрантом его нахождения соединены следующим образом. Первый выход сейсмометра 1, соответствующий оси Х, подключен к входу первого входного фильтра 2; второй выход сейсмометра 1, соответствующий оси Y, подключен к входу второго входного фильтра 3; третий выход сейсмометра 1, соответствующий оси Z, подключен к входу третьего входного фильтра 4. Первый и второй выходы первого входного фильтра 2 подключены к информационным входам, соответственно, первого и второго ключей 6-1 и 6-2. Первый и второй выходы второго входного фильтра 3 подключены к информационным входам, соответственно, третьего и четвертого ключей 6-3 и 6-4. Первый и второй выходы третьего входного фильтра 4 подключены к информационным входам соответственно пятого и шестого ключей 6-5 и 6-6. Первый, второй и третий входы первого формирователя 5-1 управляющих импульсов подключены к первым входам, соответственно, первого, второго и третьего входных фильтров 2, 3, 4. Первый, второй и третий входы второго формирователя 5-2 управляющих импульсов подключены к вторым входам, соответственно, первого, второго и третьего входных фильтров 2-4.

Управляющие входы первого, третьего и пятого ключей 6-1, 6-3 и 6-5 объединены и подключены к выходу первого формирователя 5-1 управляющих импульсов, а управляющие входы второго, четвертого и шестого ключей 6-2, 6-4 и 6-6 объединены и подключены к выходу второго формирователя 5-2 управляющих импульсов.

Входы выходных фильтров 7-1-7-6 (с первого по шестой) подключены к выходам ключей 6-1 6-6 (с первого по шестой), соответственно. Выходы первого, третьего и пятого выходных фильтров 7-1, 7-3, 7-5 подключены к выходам соответствующей компоненты полного вектора продольных волн (Px, Py, Pz), а выходы второго, четвертого и шестого выходных фильтров 7-2, 7-4, 7-6 подключены к выходам соответствующей компоненты полного вектора поперечных волн, Sx, Sy, Sz, соответственно.

Функциональная схема формирователей 5-1 и 5-2 управляющих импульсов представлена на фиг.2. Формирователь 5-1 управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя 8-1, 8-2, 8-3, первый, второй, третий элемменты НЕ 9-1, 9-2, 9-3, первый и второй элементы И-НЕ 10-1, 10-2, четвертый и пятый элементы НЕ 11-1, 11-2 и элемент ИЛИ-НЕ 12. Входы усилителей-ограничителей 8-1, 8-2, 8-3 соединены с соответствующими входами формирователя 5-1 управляющих импульсов. Выходы усилителей-ограничителей 8-1, 8-2, 8-3 (компараторов) подключены, соответственно, к трем входам первого элемента И-НЕ 10-1 и к входам трех первых элементов НЕ 9-1, 9-2, 9-3, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И-НЕ 10-2. Выходы элементов И-НЕ 10-1, 10-2, соответственно, соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ 11-1, 11-2. Выходы этих элементов НЕ 11-1 и 11-2 подключены к входам элемента ИЛИ-НЕ 12, выход которого соединен с выходом формирователя 5-1 управляющих импульсов.

Принцип работы устройства для выделения сейсмических сигналов продольных и поперечных волн от источника с известным квадрантом его нахождения заключается в следующем.

Измерительные оси трехкомпонентного блока 1 исходной информации (сейсмометра) соответствуют ортогональным направлениям X, Y, Z (к примеру, оси Х, Y расположены в плоскости горизонта, Y направлена на север, Х на восток, а ось Z вертикально вверх).

Рассмотрим вариант, когда сейсмоисточник расположен, например, в третьем квадранте на плоскости координат XY, а сейсмометр расположен в центре координат.

При таком расположении источника сейсмических сигналов относительно направления измерительных осей трехкомпонентного сейсмометра необходимо выделять три компоненты продольных волн Px, Py, Pz на выходе, то есть обеспечить прохождение сигнала в те интервалы времени, когда знаки регистрируемых сигналов по компонентам X, Y, Z совпадают между собой, а когда это условие не выполняется, на этих выходах должен быть нулевой сигнал. На выходах компонент поперечных волн Sz, Sy, Sz необходимо обеспечить прохождение сигнала в те интервалы времени, когда знаки регистрируемых компонент сигналов не совпадают между собой, то есть когда осуществляется линейная поляризация S-волн в плоскости, перпендикулярной направлению распространения фронта волн. А когда знаки совпадают между собой, как для Р-волн, на выходах Sx, Sy, Sz должен быть нулевой сигнал. То есть, должны выполняться аналогичные требования обеспечения на выходах устройства сигналов отдельно Р- и S-волн. Эту задачу выполняет предложенное устройство, несложное по конструкции, однако позволяющее повысить точность обработки регистрируемых сигналов.

Устройство работает следующим образом.

На трех выходах блока 1 исходной информации формируются три электрических напряжения Ux, Uy, Uz, которые поступают, соответственно, на три входа первого, второго и третьего входных фильтров 2, 3, 4. Эти напряжения пропорциональны входному сейсмическому воздействию, например, скорости колебания грунта по соответствующей измерительной оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации. На выходах трехкомпонентного сейсмометра получают квазисинусоидальные напряжения Ux, Uy, Uz, коррелированные между собой во времени для различных групп продольных и поперечных типов волн, степень их корреляции определяется степенью линейности поляризации волн.

Сигналы Ux, Uy, Uz, содержащие исследуемые колебания разных типов волн, фильтруют, выделяя на первых выходах входных фильтров 2, 3, 4 напряжения U2-1, U3-1, U4-1 с частотным диапазоном, соответствующим сигналам Р-волн, а на вторых выходах входных фильтров 2, 3, 4 получают напряжения U2-2, U3-2, U4-2 с частотным диапазоном, соответствующим сигналам поперечных волн. Напряжения с выходов входных фильтров поступают на информационные входы аналоговых ключей 6-1 6-6, на управляющие входы которых поступают управляющие напряжения U5-1 и U5-2 с выходов идентичных формирователей 5-1 и 5-2 управляющих импульсов, соответственно, работу которых рассматривают на примере формирователя 5-1 управляющих импульсов. Сигналы U2-1, U3-1, U4-1 поступают на входы усилителей-ограничителей 8-1, 8-2, 8-3 (компараторов) и на их выходах формируются сигналы логической единицы, если на их входах сигналы больше нуля, или формируется сигнал логического нуля, если на их входах сигналы меньше нуля. С выходов усилителей-ограничителей (компараторов) 8-1, 8-2, 8-3 логические сигналы поступают одновременно на входы первого трехвходового логического элемента И-НЕ 10-1 и через логические элементы 9-1, 9-2, 9-3 на входы второго трехвходового логического элемента И-НЕ 10-2. Таким образом, на выходе первого элемента И-НЕ 10-1 установится логический ноль, когда выполняется первая часть выбранного условия по совпадению знаков регистрируемых сигналов, то есть комбинация знаков Ux > 0, Uy > >0, Uz > 0; соответственно, на выходе второго элемента И-НЕ 10-2 также установится логический ноль, но уже для второй части условия совпадения знаков, комбинация знаков Ux < 0, Uy < 0, Uz < 0.

С выходов логических элементов И-НЕ 10-1, 10-2 цифровые сигналы поступают на логические элементы НЕ 11-1, 11-2, на выходах которых устанавливаются логические единицы при соответствующей комбинации знаков входных сигналов. С выходов логических элементов НЕ 11-1, 11-2 цифровые сигналы поступают на двухвходовый логический элемент ИЛИ-НЕ 12, 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.

Первый, третий, пятый ключи 6-1, 6-3, 6-5 при поступлении на их управляющие входы напряжения U5-1 логического нуля (совпадения знаков) пропускают на входы соответствующих выходных фильтров 7-1, 7-3, 7-5 сигналы напряжений Ux, Uy, Uz, то есть те сигналы, поляризация которых соответствует продольным волнам Р типа, а при поступлении логической единицы к выходу ключа подключают нулевой потенциал.

Аналогично, второй, четвертый и шестой ключи 6-2, 6-4, 6-6н при поступлении на их управляющие входы логической единицы напряжения U5-2 в соответствующие интервалы времени пропускают на выходы ключей, соответственно, на входы выходных фильтров 7-2, 7-4, 7-6 сигналы напряжений Ux, Uy, Uz, то есть те сигналы, поляризация которых соответствует поперечным волнам S типа. Таким образом, ключи 6-1, 6-3, 6-5 отличаются от ключей 6-2, 6-4, 6-6 лишь значением логического управляющего сигнала, при котором ключи, соответственно, открыты или закрыты.

Выходные фильтры обеспечивают частотную фильтрацию выделенных сигналов соответствующих типов волн для повышения точности определения характеристик сейсмических сигналов.

Таким образом, на выходах трех выходных фильтров 7-1, 7-3, 7-5, соответственно, на трех выходах устройства выделяются сигналы компонент Р-волн напряжения U(Px), U(Py), U(Pz), а на трех выходах выходных фильтров 7-2, 7-4, 7-6, соответственно, на трех других выходах устройства выделяют сигналы компонент поперечных S волн U(Sx), U(Sy), U(Sz).

Устройство построено на стандартных микросхемах: фильтры построены на операционных усилителях; усилители-ограничители (компараторы); ключи и логические элементы построены с помощью стандартных микросхем. В качестве ключей можно использовать, к примеру, двухвходовые аналоговые ключи серии 564КН.

Устройство имеет высокое быстродействие, так как измерение сигналов и последующая обработка регистрируемых сигналов для определения компонент векторов проводится в реальном масштабе времени. Погрешность определения компонент полного вектора продольных и поперечных волн ниже, чем в устройстве-прототипе, так как отсутствуют погрешности коэффициента передачи управляемых усилителей и сумматоров, вычитателей. Точность измерений повышается и за счет использования фильтрации сигналов в соответствующей выделяемой группе волн частотном диапазоне. Достоинством предлагаемого устройства является и упрощение конструкции за счет использования малогабаритных цифровых микросхем.

Формула изобретения

1. Устройство для выделения сейсмических сигналов продольных и поперечных волн от источника с известным квадрантом его нахождения, содержащее блок исходной информации, выполненный в виде трехкомпонентного сейсмометра, и первый формирователь управляющих импульсов, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит три входных фильтра, шесть ключей и шесть выходных фильтров, при этом первый, второй и третий выходы блока исходной информации соединены с входами соответствующего входного фильтра, первый и второй выходы первого, второго и третьего входных фильтров подключены к информационным входам ключей с первого по шестой, первый, второй и третий входы первого формирователя управляющих импульсов подключены к первым выходам соответственно первого, второго и третьего входных фильтров, а первый, второй и третий входы второго формирователя управляющих импульсов подключены к вторым выходам соответственно первого, второго и третьего входных фильтров, управляющие входы первого, третьего и пятого ключей объединены и подключены к выходу первого формирователя управляющих импульсов, управляющие входы второго, четвертого и шестого ключей объединены и подключены к выходу второго формирователя управляющих импульсов, входы выходных фильтров с первого по шестой подключены к выходам ключей с первого по шестой соответственно, выходы первого, третьего и пятого выходных фильтров являются выходами соответствующей компоненты полного вектора продольных волн, а выходы второго, четвертого и шестого выходных фильтров являются выходами соответствующей компоненты полного вектора поперечных волн.

2. 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 соединены три входа первого элемента И НЕ и выходы трех усилителей-ограничителей подключены к входам первых трех элементов НЕ, выходы которых подключены к трем входам второго элемента И НЕ, выход первого элемента И НЕ соединен с входом четвертого элемента НЕ, а выход второго элемента И НЕ соединен с входом пятого элемента НЕ, при этом выходы четвертого и пятого элементов НЕ подключены к элементу ИЛИ НЕ, выход которого соединен с выходом формирователя управляющих импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2