Ультразвуковая компьютеризированная станция

 

Изобретение относится к сейсмической разведке и может быть использовано для исследования горных пород, бетона и других материалов. Ультразвуковая компьютеризированная станция содержит источник упругих колебаний, подключенный к генератору зондирующих импульсов, приемник упругих колебаний с предварительным и основным усилителями, аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ в качестве устройства управления, обработки и регистрации информации. Дополнительно введены тактовый генератор, узел оптронной развязки и сигнальный процессор. Тактовый генератор связан со схемой запуска сигнального процессора и генератором зондирующих импульсов, который питается от источника высокого напряжения. Узел оптронной развязки связывает тактовый генератор и генератор зондирующих импульсов и обеспечивает их гальваническую развязку. Сигнальный процессор, связанный через интерфейс с управляющей ЭВМ, устанавливает режимы основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя и оснащен узлом синхронизации, связанным с тактовым генератором и буферной памятью, в которой накапливаются данные, поступающие с аналого-цифрового преобразователя, и результаты обработки. Технический результат - улучшение соотношения сигнал - помеха, ускорение процесса обработки информации и глубинности исследования. 1 ил.

Изобретение относится к сейсмической разведке и может быть использовано для исследования горных пород, бетона и других материалов.

Известна скважинная цифровая геоакустическая станция [1], содержащая источник и приемник упругих колебаний с усилителем, генератор, устройства управления, обработки и регистрации, аналого-цифровой преобразователь, блок ввода информации, блоки синхронизации и управления, схему начальной установки, три блока памяти, три счетчика, выход каждого из которых подключен к первому входу соответствующего блока памяти, арифметико-логическое устройство, блок памяти дисплея и последовательно соединенные цифроаналоговый преобразователь и электронно-лучевую трубку, при этом вход источника упругих колебаний подключен к выходу генератора, выход приемника упругих колебаний соединен последовательно с входом усилителя и аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом устройства обработки, к выходам которого подключены входы арифметического устройства и устройств регистрации и управления, выходы последнего подключены к входам генератора, устройства обработки, аналого-цифрового преобразователя и вторым входам блока памяти, третьи входы которого соединены с выходом арифметического устройства, а выходы с входом арифметико-логического устройства, выходы блока ввода информации подключены к входам арифметического устройства блока синхронизации, выходы которого соединены с входами схемы начальной установки и блока управления, а выходы последнего подключены к входу каждого счетчика, к второму входу каждого из которых подключен выход схемы начальной установки.

Недостатками данного устройства являются невозможность полноценной цифровой обработки сигнала, включая его накопление и фильтрацию, недостаточная помехоустойчивость и оперативность.

Известна также скважинная цифровая геоакустическая станция [2], содержащая скважинный источник упругих колебаний, подключенный к генератору, и скважинные приемники упругих колебаний с усилителями, аналого-цифровой преобразователь, устройство управления и регистрации, два блока памяти, цифровую вычислительную машину, блоки синхронизации и ввода информации. Станция дополнительно снабжена схемой запуска, наземными передатчиком и приемником, цифроаналоговым преобразователем, интерфейсами системы излучения и системы приема, времяамплитудным анализатором, мультиплексором, дополнительными скважинными приемниками с усилителями, дешифратором и устройством видеомультипликации, причем вход генератора связан с выходом схемы запуска, вход которой связан с выходом наземного приемника, соединенного радиоволновой связью с наземным передатчиком, вход которого связан с выходом цифроаналогового преобразователя, вход которого связан с выходом интерфейса системы излучения, вход которого связан с первым выходом блока синхронизации, первый вход которого связан с выходом интерфейса системы приема, вход которого связан с выходом второго блока памяти, вход которого связан с выходом аналого-цифрового преобразователя, вход которого связан с выходом времяамплитудного анализатора, вход которого связан с выходом мультиплексора, к входу которого через усилители подключены скважинные приемники упругих колебаний, второй вход блока синхронизации связан с первым выходом устройства управления, вход которого связан с первым выходом блока ввода информации, второй выход блока синхронизации связан с первым входом первого блока памяти, второй вход которого связан с выходом дешифратора, вход которого связан со вторым выходом блока ввода информации, второй выход устройства управления связан со вторым входом цифровой вычислительной машины, первый выход которой связан с входом устройства видеомультипликации, второй выход которой связан с устройством регистрации.

Совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения - источник упругих колебаний, подключенный к генератору со схемой запуска, приемники упругих колебаний с усилителями сигнала, аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ в качестве устройства управления, обработки и регистрации информации. Поэтому данный аналог, как наиболее близкий к заявляемому, взят за прототип.

Недостатками прототипа является отсутствие возможности обработки сигналов (цифровой фильтрации, накопления и др.) в режиме "реального времени", что приводит к снижению помехоустойчивости, а также отсутствие возможности операций над числами с плавающей точкой, что ограничивает динамический диапазон регистрации сигнала, аппаратная зависимость длины оцифрованного сигнала от размеров ОЗУ.

Целью изобретения является улучшение соотношения сигнал - помеха. Ускорение процесса обработки информации и глубинности обследования, что особенно важно при решении инженерно-геофизических задач в условиях строящихся или эксплуатируемых сооружений.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковую компьютеризированную станцию, содержащую источник упругих колебаний, подключенный к генератору зондирующих импульсов, приемник упругих колебаний с предварительным и основным усилителями, аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ в качестве устройства управления, обработки и регистрации информации, вводятся внешний тактовый генератор, узел оптронной развязки и сигнальный процессор, причем тактовый генератор размещен на блоке аналоговых устройств и связан со схемой запуска сигнального процесса и генератором зондирующих импульсов, который питается от источника высокого напряжения; узел оптронной развязки, который также размещен на блоке аналоговых устройств, связывает тактовый генератор и генератор зондирующих импульсов и обеспечивает их гальваническую развязку, а сигнальный процессор, размещенный на блоке цифровой обработки и управления и связанный через интерфейс с управляющей ЭВМ, устанавливает режимы основного усилителя, аналого-цифрового преобразователя и оснащен узлом синхронизации, связанным с тактовым генератором на блоке аналоговых устройств, и буферной памятью, в которой накапливаются данные, поступающие с аналого-цифрового преобразователя, и результаты обработки.

Блок аналоговых устройств включает тактовый генератор, оптронную развязку, усилитель-формирователь, генератор зондирующих импульсов, согласующее устройство, узел предварительных усилителей, аттенюаторы и аналоговые фильтры.

Блок цифровой обработки и управления включает узел синхронизации, основной усилитель, аналого-цифровой преобразователь, буферную память, сигнальный процессор и ЭВМ.

На чертеже приведена функциональная схема ультразвуковой компьютеризированной станции.

Станция содержит тактовый генератор 1, который через оптронную развязку 2 и усилитель-формирователь 3 подключен к генератору зондирующих импульсов 4, соединенному через согласующее устройство 6 с источником упругих колебаний 7; n приемников ультразвуковых колебаний 9 подключены к узлу предварительных усилителей 10, соединенных через аттенюаторы 11 и аналоговые фильтры 12 с программируемыми основными усилителями 13, выходы которых подключены к аналого-цифровому преобразователю 14, который через буферную память (ОЗУ) 15 связан с сигнальным процессором 16 и ЭВМ 17. Вход узла синхронизации 8 соединен с тактовым генератором 1, а выход - с сигнальным процессором 16.

В качестве источника упругих колебаний 7 и приемника упругих колебаний 9 могут быть использованы пьезокристаллические и пьезокерамические преобразователи. Генератор 4 может быть выполнен в виде импульсного тиристорного генератора, питаемого высоким напряжением с блока питания 5.

В качестве ЭВМ 17 может применяться мини-ЭВМ типа "Note book", удобная для операций в полевых условиях. Сигнальный процессор 16, программируемый основной усилитель 13, аналого-цифровой преобразователь 14 и буферная память 15 могут быть выполнены на основе известных стандартных элементов и узлов.

Ультразвуковая компьютеризированная станция работает следующим образом.

Тактовый генератор 1 блока аналоговых устройств вырабатывает импульсы, синхронизирующие работу системы. Импульсы поступают на узел оптронной развязки 2, на выходе которого находится усилитель-формирователь 3. Сформированный импульс запуска используется для открывания тиристорного генератора зондирующих импульсов 4, высокое напряжение для которого поступает с высоковольтного генератора блока питания 5. Зондирующий импульс через узел согласования 6 подается на пьезопреобразователь 7.

Импульс тактового генератора поступает также на вход узла синхронизации 8 цифровой обработки и блока управления. С этого момента начинается процесс регистрации сигнала, поступающего с пьезопреобразователя 9. Сигнал усиливается предварительным усилителем 10. Коэффициент усиления предварительного каскада устанавливается ручным ступенчатым аттенюатором 11. Далее сигнал фильтруется аналоговым фильтром 12. Коэффициент основного усилителя 13 устанавливается программно. Аналого-цифровой преобразователь 14 преобразует усиленный сигнал по заданному программой номеру канала. Результат оцифровки размещается в буферном ОЗУ 15 и обрабатывается сигнальным процессором 16 (DSP). Рассмотренный процесс повторяется столько раз, сколько указано в счетчике накоплений управляющей программы. По запросу программы управляющей ЭВМ 17 результаты обработки передаются для визуализации и сохранения на магнитном носителе ЭВМ.

Блок аналоговых устройств и блок цифровой обработки и управления питаются от блока 18. Общее электропитание станции может осуществляться как от сети переменного тока 220 В, так и от источника постоянного тока +12В.

Источники 7 и приемники 9 упругих колебаний могут при работе находиться как на поверхности объекта, так и внутри его, например в скважинах и шпурах.

Использование сигнального процессора 16 позволяет намного повысить оперативность и скорость цифровой обработки сигналов, расширить возможный набор манипуляций с сигналом, таких как различные виды накопления сигнала, его цифровой фильтрации. Все это приводит к существенному увеличению полезного сигнала на фоне помех, повышает размер базы возможных ультразвуковых измерений.

Применение оптронной развязки повышает надежность работы прибора, так как препятствует возможному попаданию высокого напряжения и импульсных помех на низковольтные схемы ЭВМ и DSP.

Применение автономного тактового генератора обеспечивает широкий выбор режимов работы станции: в ждущем, одиночном, периодическом режиме, что расширяет возможности станции.

Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР N 1242881, G 01 V 1/40 от 02.01.1985.

2. Патент РФ N 2050012, G 01 V 1/40 от 24.03.1992.

Формула изобретения

Ультразвуковая компьютеризированная станция, содержащая источник упругих колебаний, подключенный к генератору зондирующих импульсов, приемник упругих колебаний с предварительным и основным усилителями, аналого-цифровой преобразователь и ЭВМ в качестве устройства управления, обработки и регистрации информации, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены тактовый генератор, узел оптронной развязки и сигнальный процессор, причем тактовый генератор через оптронную развязку и усилитель-формирователь подключен к генератору зондирующих импульсов, соединенному через согласующее устройство с источником упругих колебаний, n приемников ультразвуковых колебаний подключены к узлу предварительных усилителей, соединенных через аттенюаторы и аналоговые фильтры с программируемыми основными усилителями, выходы которых подключены к аналого-цифровому преобразователю, который через буферную память связан с сигнальным процессором и управляющей ЭВМ, при этом вход узла синхронизации соединен с тактовым генератором, а выход - с сигнальным процессором.

РИСУНКИ

Рисунок 1