Новые способы, аппаратура и устройства, повышающие эффективность сейсмических исследований

Актуальность темы

.

Известно, что проблема изучения Земных недр является прерогативой геофизических исследований, среди которых ведущее место занимают сейсмические методы, позволяющие получать сведения о глубинном строении Земли, заниматься решением задач поиска предвестников землетрясений, решать прикладные вопросы, касающиеся увеличения минерально-сырьевых запасов, в том числе топливно-энергетических, решать задачи инженерно-геологического характера и т. д.

Основополагающим при производстве сейсмических работ является критерий качества регистрации сейсмической информации, определяемый способностью сейсморегистрирующей и обрабатывающей систем минимизировать влияние различных искажающих факторов на исходный сейсмический сигнал в процессе измерения.

Другим существенным критерием для сейсмических исследований является наиболее высокая информационная емкость по сравнению с любым другим методом геофизики, что затрудняет оперативность выдачи конечного результата.

Отмеченные факторы оказывает существенное влияние как на развитие аппаратурной базы, сейсморегистрирующих, обрабатывающих систем, так и на формирование методических приемов при производстве сейсмических исследований.

Таким образом, создание новых способов и средств, улучшающих технические параметры сейсморегистрирующих систем, внедрение их в аппаратуру, разработка оригинальных методов и сейсмоизмерительных приборов, повышающих эффективность сейсмических исследований, является актуальной задачей, решению которой посвящена настоящая работа.

Цель работы.

Разработка способов и устройств преобразования аналоговых сейсмических сигналов, обеспечивающих снижение плотности цифрового потока данных без потери полезной информации, повышение точности преобразования, а также разработка алгоритма и аппаратной реализации цифровой коррекции смещения нуля.

Разработка способа сейсмических исследований, позволяющего длительное время проводить автономную регистрацию сейсмического поля и оперативно оценивать динамику его поведения во времени, т. е. сократить время принятия решения в случае возникновения стрессовой ситуации.

На базе перечисленных аппаратно-методических разработок создание экономичной компактной сейсмической станции и универсального автономного регистратора сейсмических сигналов.

Научная новизна.

На основе теоретических исследований, компьютерного и физического моделирования, изучения и сравнения технических и эксплуатационных характеристик макетных образцов разработанных устройств и методов, воплощенных в устройства, автором сформулирован ряд технических предложений, новизна которых подтверждена 7-ю патентами и 2-мя авторскими свидетельствами на изобретение.

1. На базе алгоритма дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) разработан новый способ преобразования аналоговых сейсмических сигналов, характеризующийся снижением плотности потока цифровых данных на выходе и повышением эффективной разрешающей способности, т. е. расширением динамического диапазона преобразования.

2. Предложены две оригинальные схемы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), реализующие новый способ, первая из которых дополняет петлю обратной связи ДИКМ фильтром низкой частоты (ФНЧ) и усилителем, во второй схеме используется управляемый ФНЧ следящего типа.

3. Предложены и реализованы схемы АЦП для сейсморегистрирующей аппаратуры, в основе работы которых лежит принцип дельта-модуляции (ДМ). Устройства обеспечивают многоканальность и хорошую степень точности преобразования. Введенный в одну из схем блок адаптации управляет размером шага квантования, изменяя его в зависимости от скорости изменения входного аналогового сигнала. При этом сохраняется максимальное разрешение на экстремумах сигнала при относительно низкой частоте дискретизации.

4. Разработаны способ сейсмического мониторинга и регистратор сейсмических сигналов, реализующий данный способ, позволяющие оперативно оценивать динамику изменения сейсмического поля в точке наблюдения. Для реализации функции оперативности и значительного увеличения времени непрерывной регистрации в алгоритм сейсмического мониторинга вводится новый элемент — вычисление энергии сейсмических волн по измеренным компонентам смещений (Ъ, X, У) с последующей регистрацией результата вычисления в точке измерения за некоторый заранее установленный интервал времени (временное окно), выбираемый в зависимости от полосы частот регистрируемых сигналов и длительности затухания сейсмической волны до фонового уровня при импульсном воздействии. При площадных наблюдениях полученные энергетические уровни сводятся в единую динамическую карту вариаций распределения сейсмической энергии для соответствующих компонент смещений.

Аналого-цифровой преобразователь регистратора выполнен на базе разработанных автором способа и устройства преобразования аналоговых сигналов, что обеспечило уже при 12-разрядном кодировании качественное мгновенное преобразование входных сейсмических сигналов в диапазоне порядка 92 дБ (15 — 16 разрядов при традиционной ИКМ) и, одновременно, позволило увеличить время непрерывной регистрации за счет снижения плотности цифрового потока данных на выходе АЦП.

5. Разработана компактная, моноблочная, экономичная сейсмическая станция с гибкой архитектурой встроенной мультиконтроллерной системы управления и обработки. Станция позволяет осуществлять многократные синхронные суммирования входных сейсмических сигналов со знаком «+» или «-», причем последнее весьма существенно при регистрации поперечных волн ЭН. В станцию введен разработанный автором алгоритм цифровой коррекции смещения нуля. Это позволило значительно снизить влияние или полностью устранить такие факторы, как температурный дрейф нуля, смещение нуля, обычно проявляющие себя в цепях аналоговой обработки сейсморегистрирующего канала и вносящие существенные искажения в режиме многократных синхронных суммирований входных сигналов. Экономичность и компактность станции обеспечили надежную работу прибора при производстве полевых сейсмических исследований бригадой из 2 — 3 человек в течение 7−8 полноценных рабочих смен без дополнительной подзарядки аккумуляторной батареи емкостью всего 16−18 Ахч.

Практическая ценность.

С помощью аппаратуры, разработанной автором в период с 1993 по 2009 г. г., проводились следующие сейсмические исследования. Опытные работы МПВ на территории г. Екатеринбург, участки «Зеленая роща», лесопарковая зона района Юго-западный, участок района «Уктус». Опытные и опытно-производственные мониторинговые работы в обсерватории ИГф УрО РАН «Арти», на территории Ильменского заповедника (Челябинская область), на территории ПО «Маяк» (Челябинская область) — производственные профильные работы МПВ в районе г. Северобайкальск (Читинская область), работы выполнялись ООО «Сибгеотехносервис» на сейсмостанции ИГф УрО РАНпроизводственные работы МПВ на территории г. Сухой Лог и в пригороде г. Камышлов (Свердловская область): обследование автодорожного полотнаплощадные мониторинговые наблюдения по проекту МНТЦ КЯ-187−2 (Республика Кыргызстан) — опытно-методические работы МПВ на Суранском флюоритовом месторождении (Башкортостан) — площадные опытно-методические работы МПВ при обследовании археологических захоронений в районе древнего поселения Аркаим (пос. Ольгино, пос. Коноплянка, Челябинская область) — научно-исследовательские и опытно-методические работы по изучению резонансных и автоколебательных характеристик конструкций и элементов строительных сооружений (г. Екатеринбург) — изыскательские работы по выбору площадки под строительство Южно — Уральской АЭС (Челябинская обл.) и т. д.

Разработанная и переданная заказчикам аппаратура использовалась и используется в настоящее время Институтом геологии Коми НЦ УрО РАН, г. СыктывкарФГУГП «Баженовская геофизическая экспедиция», г. Заречный Свердловской области- «Исследовательским центром студенческой молодежи», г. Нефтеюганск (аппаратура передана в порядке оказания технической помощи для использования в учебном процессе) — ИГД УрО РАН, г. ЕкатеринбургООО «Геостройком», г. Москва- «Уральская государственная горно-геологическая академия», г. Екатеринбург (аппаратура передана для использования в учебном процессе) — ООО «Техноуголь», г. Владивосток и др.

Апробация работы.

Основные результаты работы неоднократно докладывались, а разработанная аппаратура демонстрировалась на Ученом Совете и секции Ученого Совета «Региональные геофизические методы изучения земных недр» Института геофизики УрО РАНна международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы» (г. Екатеринбург, 1998) — на научно-промышленном форуме «Приборостроение — 2002» (г. Екатеринбург, 2002) — на научно-промышленном форуме «Приборостроение — 2004» (г. В. Пышма Свердловской области, 2004) — на Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело. Оборудование. Технологии.» (г. Екатеринбург, 2006) — на III Урало-Сибирской научно-промышленной выставке «Научно-промышленная политика и перспективы развития Урала и Сибири» (г. Екатеринбург, 2007). Кроме того, научные результаты по теме работы представлены 28 публикациями, в том числе 12 работами, включенными в список ВАК, и 1 авторской монографией.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, непосредственной разработке, испытаниях аппаратуры и способов, предназначенных для сейсмических исследований. Разработка и развитие аппаратных и методических комплексов осуществлялись под общим руководством автора и при его непосредственном участии на всех этапах, включая обоснование алгоритмических, схемотехнических и методических решений, планирование и проведение экспериментов, написание статей, монографии и оформление заявок на изобретения, в том числе:

— разработка способа преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой эквивалент, обеспечивающего повышение точности соответствия исходной сейсмической информации цифровым данным, подлежащим компьютерной обработке и интерпретации при построении скоростных и глубинных моделей изучаемой геологической среды;

— разработка способа сейсмического мониторинга, направленного, прежде всего, на реализацию возможности оперативной качественной оценки поведения сейсмического волнового поля в изучаемом секторе пространства в реальном масштабе времени;

— разработка функционального построения, схемотехнического решения и принципиальных электронных схем аналого-цифровых преобразователей сейсмических сигналов, в основе которых лежат принципы дифференциальной им-пульсно-кодовой модуляции и дельта-модуляции;

— разработка алгоритма и функционирования на уровне принципиальных электронных схем универсального регистратора сейсмических сигналов «Регистр», реализующего как традиционную задачу прямого фиксирования реальных сейсмических сигналов, так и задачу измерения величины смещения одной из компонент сейсмического сигнала, вычисления энергии сигнала данной компоненты в заданном окне и ее регистрацию в точке наблюдения;

— алгоритмизация работы мультиконтроллерной 24-канальной сейсмической станции «Синус», разработка всех схемотехнических и топологических решений, разработка и введение в рабочий алгоритм стации вычисления поправки за смещение нуля каждой сейсмической трассы в соответствии с принципами, изложенными в патенте 1Ш № 2 248 592.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа содержит 284 страницы машинописного текста, состоит из введения, пяти глав и заключения, в том числе 18 таблиц и 110 рисунков.

Список литературы

включает 88 наименований.

5.3.6. Выводы.

Результаты, полученные по завершении работ по сейсмическому обследованию остекленной пирамидальной крыши здания Резиденции Губернатора Свердловской области, расположенного по адресу г. Екатеринбург, ул. М. Горького, 21, позволяют сделать следующие выводы.

1. Наиболее ответственным для данной конструкции и ее элементов, с точки зрения возникновения автоколебательных и резонансных процессов, является частотный диапазон 6 — 25 Гц. К отрицательным аспектам данного положения можно отнести то, что в указанном диапазоне упругие (сейсмические) колебания в виде головных преломленных, поверхностных, обменных волн могут распространяться в пределах земной коры на очень значительные расстояния. Положительным аспектом является то, что указанный диапазон не «соприкасается» с промышленной частотой сетевого напряжения. Позитивность здесь I заключается в том, что на урбанизированных территориях, каковой, несомненно, является территория расположения обследуемого объекта, чрезвычайно высок уровень электромеханических шумов (50 Гц), излучаемых множеством самых разнообразных электромеханических установок промышленного и бытово-8 го назначения. Дополнительным подтверждением тому служит пример спектрограммы, изображенной на рис. 5.33а, где при Бизл. = 50 Гц отклик на плоскости 3 не превышает 1700 ЕМР, а на остальных плоскостях сопоставим с -' уровнем сигнала при пассивных наблюдениях (около 700 ЕМР).

Спектрограмма сигналов на плоскостях при Ризл = 50 Гц Спектрограмма сигналов на плоскостях при Ризл. = 51 Гц.

Г Т <ГЦ

Спектрофамма сигналов на плоскостях при Ризл.= 52 Гц Спектрограмма сигналов на плоскостях при Ризл. = 53 Гц иоо.

Спектрофамма сигналов на плоскостях при Ризл.= 54 Гц Спектрофамма сигналов на плоскостях при Ризл.= 55 Гц.

1200 т «» 10 т «» Ч> измерениях (Ризл = 50.55 Гц).

Спектрограмма сигналов на плоскостях при Гизл.= 44 Гц Спектрограмма сигналов на плоскостях при Гизл. = 46 Гц.

Г СИ' 1= (ГЦ).

Спектрофамма сигналов на плоскостях при Гизл.= 46 Гц Спектрофамма сигналов на плоскостях при Гизл.= 47 Гц С 8.

1 плоскость.

2 плоскость.

3 ПЛОСКОСТЬ ¦ плоскость в.

4А.

10 20 30 40 50 60 О.

30 эо <0 ¡-о г си-.

Спектрофамма сигналов на плоскостях при Гизл.= 48 Гц Спектрофамма сигналов на плоскостях при Гизл.= 49 Гц.

8 0-а.

— с е 3.

1 плоскость 2плоскость 3 плоскость д е й.

30 т ПО.

60 о.

X <0 г ГЦ).

2. Наиболее нежелательной частотой, с точки зрения воздействия на конструкцию, является частота 24 Гц, на которой возникают максимальные смещения всех четырех плоскостей пирамиды (рис. 5.28а), достигающие 24 мкм на плоскости 1. Однако данное смещение не является критическим ни для зданий, ни для сооружений и их конструкций.

3. В процессе активных измерений выявлено, что отклик максимальной амплитуды возникает на плоскости 2 при Гизл. = 44 Гц (спектрограмма на рис. 5.34а) и достигает величины 4400 ЕРС. Отклики на остальных плоскостях при данной частоте воздействия также достаточно велики и находятся в пределах 2000. .3000 ЕРС. Это означает следующее: хотя смещения на данной частоте не являются пиковыми (рис. 5.28а), тем не менее, следует избегать воздействия на конструкцию частоты 44 ± 1 Гц.

4. Стыковочные ребра пирамиды не обладают значительной восприимчивостью к внешним упругим воздействиям ни в виде акустических излучений, ни в виде механических колебаний и, как отмечалось выше, являются лишь передаточным звеном в цепи распространения упругих колебаний. Pix резонансные отклики на различные частоты воздействия в среднем ниже в 2 — 5 раз, чем аналогичные отклики на плоскостях.

Заключение

.

Прежде всего, необходимо сказать, что проведенные в работе исследования как отдельных элементов, так и законченных структур различных сейсмо-регистрирующих систем явились основой новых конструкторских разработок, реализация которых, в конечном итоге, позволила решить стоящие перед автором задачи и цели. Итоги исследований можно резюмировать в следующих пунктах.

1. Рассмотрены теоретические основы и принципы построения аналого-цифровых преобразователей, реализующие практически все известные методы, применяющиеся в современной сейсморегистрирующей аппаратуре: импульс-но-кодовая модуляция, дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, дельта-модуляция, сигма-дельта-модуляция, адаптивная дельта-модуляция. Проанализированы возможности классических методов и устройств аналого-цифрового преобразования, варианты их комбинированного использования для решения задач улучшения параметров сейсморегистрирующего канала.

2. На основе наиболее перспективных методов аналого-цифрового преобразования квазигармонических сейсмических сигналов — дельта-модуляция, сигма-дельта-модуляция и адаптивная дельта-модуляция — осуществлены теоретические расчеты и экспериментальные моделирования, воплощенные в серию конструкторских разработок аналого-цифровых преобразователей, обеспечивающих мультиканальность сейсморегистрирующих систем как с аналоговыми, так и с цифровыми схемами построения интеграторов, расширение мгновенного динамического диапазона при относительно невысокой частоте дискретизации (снижение плотности потока данных на выходе АЦП), достижение высокой точности преобразования при использовании совокупности двух факторов: относительно длительное удержание на конденсаторе устройства выборки-хранения стабильного потенциала и скоростная обработка данной аналоговой выборки с помощью ДМ.

3. С целью решения задачи снижения плотности потока данных на выходе сейсморегистрирующего канала обоснован и практически реализован в приборе новый способ преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид. Способ основан на комбинации двух классических приемов преобразования — ИКМ и ДИКМ. Дополнение классической ИКМ элементами дифференциального преобразования позволило сконструировать устройство, позволяющее: во-первых, как минимум на 25% снизить плотность потока данных на выходе АЦПвовторых, уже при 8−12 разрядах обеспечивается качество преобразования, соответствующее 14 — 16-разрядному преобразованию при обычной ИКМ.

4. Как отмечалось в работе, чрезвычайно актуален вопрос снижения плотности цифрового потока данных для области мониторинговых сейсмических исследований. Поскольку сейсмический мониторинг можно условно разделить на два этапа: предварительный и детальный сейсмический мониторинг, каждый из которых специфичен и имеет определенные цели и задачи, то возникла мысль о неформальном разделении этих двух этапов с точки зрения методической и аппаратурной реализации. Была сформулирована задача первого этапа сейсмического мониторинга: выявить временное распределение энергии сейсмического волнового поля в пределах некоторой исследуемой площади. Если данный участок с точки зрения сейсмики не является активным, переходить к изучению следующего участка. Напротив, только при обнаружении сейсмической активности в пределах участка переходить к дорогостоящим детальным сейсмическим исследованиям. Таким образом, с целью решения задач первого этапа был разработан новый простой и эффективный способ оперативного сейсмического мониторинга и аппаратура, обеспечивающая его практическую реализацию.

Способ позволяет оперативно оценивать динамику изменения сейсмического поля в точке наблюдения. Для реализации функции оперативности и значительного увеличения времени непрерывной регистрации в алгоритм сейсмического мониторинга введен новый элемент — вычисление энергии сейсмических волн по измеренной компоненте смещений с последующей регистрацией результата вычисления в точке измерения за некоторый, заранее установленный интервал времени (временное окно), выбираемый в зависимости от полосы частот регистрируемых сигналов и длительности затухания сейсмической волны до фонового уровня при импульсном воздействии. При площадных наблюдениях полученные энергетические уровни сводятся в единую динамическую карту вариаций распределения сейсмической энергии соответствующей компоненты по площади исследования.

Решение данной задачи в ряде случаев прикладного использования позволяет повысить оперативность принятия решения при возникновении экстремальных ситуаций (резкое возрастание сейсмической активности).

5. Новый способ оперативного сейсмического мониторинга реализован с помощью разработанного универсального регистратора сейсмических сигналов, который, во-первых, может работать как в автономном режиме, так и в стационарево-вторых, способен как производить регистрацию реальных сейсмических сигналов, так и осуществлять вычисление энергии сейсмических волн и сохранять результат вычисления в точке наблюдения. Последняя функция является аппаратурной реализацией нового способа оперативного сейсмического мониторинга. Аналого-цифровой преобразователь регистратора выполнен на базе разработанных автором способа и устройства преобразования аналоговых сигналов, что обеспечило качественное мгновенное преобразование входных сейсмических сигналов в диапазоне порядка 92 дБ (15 — 16 разрядов при традиционной импульсно-кодовой модуляции) и одновременно позволило снизить поток выходной информации не менее, чем на 25%.

6. Еще одной, весьма немаловажной проблемой при регистрации сейсмических сигналов является проблема смещения нулевой линии сейсмической трассы. При возникновении искажения данного типа в канале сейсмостанции с синхронным накоплением (суммированием) входных сигналов возможна такая ситуация, когда суммирование с одноименным знаком информации «полезный сигнал + смещение» приведет к полной потере сейсмических данных. В связи с этим был разработан алгоритм оперативной цифровой коррекции смещения нуля в сейсморегистрирующем канале станции, что позволило значительно снизить влияние или полностью устранить температурный дрейф нуля АЕТ, смещение нуля 11 см.

Разработанный алгоритм был встроен как неотъемлемая часть программного обеспечения компактной, моноблочной сейсмической станции с гибкой архитектурой мультиконтроллерной системы управления и обработки. Станция позволяет осуществлять многократные синхронные суммирования входных сейсмических сигналов со знаком «+» или «-». Гибкость архитектуры подразумевает несложные программные модификации, позволяющие менять целый ряд технических параметров аппаратуры.

В результате выполненных теоретических исследований, компьютерного моделирования и расчетов, экспериментальных разработок, а также лабораторных и полевых испытаний были созданы действующие образцы сейсморегист-рирующей аппаратуры, обеспечившие реализацию как нового способа преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой эквивалент, так и нового способа оперативного сейсмического мониторинга. Последнее, по мнению автора, является интересным и перспективным направлением, несомненно, требующим продолжения исследований, как в теоретическом аспекте, так и в плане новых конструкторских разработок.