Патент на изобретение №2331087

(54) АВТОНОМНЫЙ РЕГИСТРАТОР СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области сейсмической разведки. Автономный регистратор сейсмических сигналов включает микропроцессорный блок управления, высокостабильный генератор тактовой частоты, соединенное с первым входом-выходом микропроцессорного блока управления запоминающее устройство и соединенные последовательно, по меньшей мере, один предварительный усилитель, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь (дельта-сигма модулятор) и цифровой фильтр, а также блок световой индикации. Для обеспечения высокоточной временной синхронизации автономный регистратор сейсмических сигналов содержит GPS-приемник и блок временной синхронизации, включающий формирователь точного секундного импульса и соединенные последовательно связанный с информационным выходом GPS-приемника дешифратор, блок регистров времени и даты и блок счетчиков времени и даты. Кроме того, автономный регистратор сейсмических сигналов содержит систему тестирования, включающую связанные с одним из выходов микропроцессорного блока управления, соединенные последовательно формирователь кода управления тестовым сигналом и генератор тестового сигнала, выход которого через, по меньшей мере, один коммутатор связан с входом соответствующего предварительного усилителя, при этом управляющий вход каждого из указанных коммутаторов связан с управляющим выходом микропроцессорного блока управления. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области сейсмической разведки, в частности к процессу проведения наземных пространственно-распределенных сейсмических работ различными методами, с использованием, в том числе, многоканальных систем сбора и регистрации сейсмических данных.

Известен регистратор сейсмических сигналов, содержащий N сейсмоприемников, N блоков усиления, аналого-цифровой преобразователь, блок управления, включающий арифметико-логический модуль, постоянное запоминающее устройство, блок буферной памяти, формирователь частот, блок времени, оконечный усилитель, блок управления усилением, формирователь калибровочного сигнала. Данный регистратор сейсмических сигналов работает в трех режимах: регистрация по обнаружению сейсмического события, непрерывный режим регистрации, регистрация в заранее заданные моменты времени (патент РФ №2205428, G01V 1/24).

Известно также бескабельное устройство для регистрации сейсмических данных (патент на полезную модель №41376, G01V 1/24, G01V 1/22), содержащее блок управления и, по меньшей мере, один регистратор сейсмических сигналов, включающий блок управляющей логики, запоминающее устройство и соединенные последовательно предварительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь (дельта-сигма модулятор) и цифровой фильтр, высокостабильный генератор тактовой частоты и согласователь интерфейса, синхронизация работы регистратора происходит во время программирования режимов со стороны блока управления.

К недостаткам известных технических решений следует отнести то, что в них не в полной мере решена задача высокоточной временной синхронизации работы регистраторов, что обуславливает недостаточную достоверность регистрируемой сейсмической информации и приводит к нарушению однозначного сопоставления зарегистрированных данных эксперимента как с моментом возбуждения сейсмических колебаний, так и данных отдельных регистраторов, входящих в систему сбора регистрации сейсмических данных. К недостаткам известных технических решений следует также отнести недостаточную надежность работы регистраторов, что особенно важно при их использовании в удаленных районах и в особо сложных географических и климатических условиях.

Задачей изобретения является повышение надежности работы автономных регистраторов сейсмических данных и достоверности получаемой информации при длительных сеансах регистрации сейсмических сигналов, а также повышение производительности проведения полевых сейсмических работ.

Техническим результатом изобретения является обеспечение высокоточной временной синхронизации работы автономных регистраторов сейсмических сигналов с привязкой результатов наблюдения к мировому времени независимо от длительности сеанса регистрации, количества и пространственного расположения точек наблюдений.

Техническим результатом изобретения является также то, что для обеспечения достоверности регистрируемых сейсмических данных и надежности работы автономные регистраторы сейсмических сигналов, согласно изобретению, снабжены встроенной системой самотестирования, которая позволяет проверять в полевых условиях исправность регистраторов, значительно упрощает процесс периодической поверки устройства путем проведения регламентных работ, позволяющих, в том числе, контролировать работоспособность подключенных сейсмоприемников на местности.

Указанный технический результат достигается за счет того, что автономный регистратор сейсмических сигналов, включающий микропроцессорный блок управления, высокостабильный генератор тактовой частоты, соединенное с первым входом-выходом микропроцессорного блока управления запоминающее устройство и соединенные последовательно, по меньшей мере, один предварительный усилитель, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь (дельта-сигма модулятор) и цифровой фильтр, выход которого соединен с первым входом микропроцессорного блока управления, первый выход которого подключен к управляющим входам предварительного усилителя, аналого-цифрового преобразователя и цифрового фильтра, согласно изобретению, содержит связанный со вторым выходом микропроцессорного блока управления блок световой индикации, GPS-приемник и блок временной синхронизации, включающий формирователь (счетчик-делитель частоты) точного секундного импульса и соединенные последовательно связанный с информационным выходом GPS-приемника дешифратор, блок регистров времени и даты и блок счетчиков времени и даты, выход точного секундного импульса (синхронизирующий выход) GPS-приемника связан с установочными входами формирователя точного секундного импульса и блока счетчиков времени и даты, счетный вход которого связан с первым выходом формирователя точного секундного импульса, тактовый вход формирователя точного секундного импульса связан с выходом высокостабильного генератора тактовой частоты, второй вход микропроцессорного блока управления связан со вторым выходом формирователя точного секундного импульса блока временной синхронизации, третий вход микропроцессорного блока управления связан с выходом блока счетчиков времени и даты блока временной синхронизации, при этом второй вход-выход микропроцессорного блока управления является входом-выходом программ/данных автономного регистратора сейсмических сигналов.

Поставленная задача решается также тем, что автономный регистратор сейсмических сигналов дополнительно содержит связанные с третьим выходом микропроцессорного блока управления соединенные последовательно формирователь кода управления тестовым сигналом и генератор тестового сигнала, выход которого через, по меньшей мере, один коммутатор связан с входом соответствующего предварительного усилителя, при этом управляющий вход каждого из указанных коммутаторов связан с первым выходом микропроцессорного блока управления.

Кроме того, поставленная задача решается тем, что автономный регистратор сейсмических сигналов дополнительно содержит измеритель температуры, влажности, питающих токов и напряжений, связанный с третьим входом-выходом микропроцессорного блока управления.

На фиг.1 приведена структурная схема автономного регистратора сейсмических сигналов согласно изобретению, на фиг.2 – электрическая схема коммутатора 1 (один канал).

Автономный регистратор сейсмических сигналов содержит (в количестве, соответствующем количеству входных каналов) соединенные последовательно, по меньшей мере, один коммутатор 1, по меньшей мере, один предварительный усилитель 2, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь (дельта-сигма АЦП) 3, многоканальный цифровой фильтр 4. Выход цифрового фильтра 4 связан с первым входом (входом данных) микропроцессорного блока 5 управления. Первый выход (управляющий) микропроцессорного блока 5 управления связан с управляющими входами коммутатора 1, предварительного усилителя 2, аналого-цифрового преобразователя 3 и цифрового фильтра 4. Блок 6 временной синхронизации включает формирователь 7 точного секундного импульса (счетчик-делитель) и соединенные последовательно дешифратор 8, блок 9 регистров времени и даты и блок 10 счетчиков времени и даты. Тактовый вход формирователя 7 точного секундного импульса соединен с высокостабильным генератором 11 тактовой частоты, а установочный вход – с импульсным выходом (выходом сигнала PPS точного секундного импульса) GPS-приемника 12 и установочным входом блока 10 счетчиков времени и даты. Счетный вход блока 10 счетчиков времени и даты связан с первым выходом формирователя 7 точного секундного импульса, второй выход которого связан со вторым входом микропроцессорного блока 5 управления. Выход блока 10 счетчиков времени и даты связан с третьим входом микропроцессорного блока 5 управления. Последовательный порт (информационный выход) GPS-приемника 12 связан с входом дешифратора 8 блока синхронизации 6. Второй выход микропроцессорного блока 5 связан с блоком 13 индикации. Третий выход микропроцессорного блока 5 управления связан с соединенными последовательно формирователем 14 кода управления тестовым сигналом и генератором 15 тестового сигнала, выход которого связан с входом коммутатора 1. Другие входы коммутатора 1 связаны с сейсмоприемниками (датчиками сейсмических сигналов, не показаны). Первый и третий входы-выходы микропроцессорного блока 5 связаны, соответственно, с запоминающим устройством 16 памяти программ и данных и с измерителем 17 температуры, влажности, питающих токов и напряжений.

Второй вход-выход микропроцессорного блока 5 управления является входом-выходом регистратора и через разъем 18 подключается к внешнему блоку управления, управляющему компьютеру (не показан).

Коммутатор 1 (фиг.2) включает группу управляемых от микропроцессорного блока 5 управления контактов, через которые предварительный усилитель 2 подключается к выходам сейсмоприемников (не показаны) и/или к выходу генератора 15 тестовых сигналов через согласующие резисторы.

Коммутатор 1 может быть реализован, например, на микросхемах типа ADG511BR.

Высокостабильный генератор тактовой частоты 11 может быть выполнен на термостатированном генераторе фирмы «МОРИОН» типа ГК80-ТС-2-5В-10М-В1 и обеспечивать стабильность частоты не хуже 10^-8.

АЦП 3 может быть построен на микросхеме CS5372 (дельта-сигма модуляторы 4-го порядка).

Запоминающее устройство 16 может быть построено на «Flash»-памяти общим объемом до 4 Гбайт, что достаточно для обеспечения автономности в пределах нескольких суток непрерывного наблюдения.

Цифровой фильтр 4 может быть выполнен на части микросхемы программируемой логики серии «Асех 1K» или «Cyclone» фирмы «Altera», например, ЕР1С6Т144Т8.

Микропроцессорный блок 5 управления может быть построен на оставшейся части микросхемы программируемой логики серии «Асех 1K» или «Cyclone» фирмы «Altera» и микропроцессоре фирмы Atmel 89C5132-IL.

В качестве оконечного разъема 18 может быть использован 16-контактный разъем СН-41Б-16.

Автономный регистратор сейсмических сигналов согласно изобретению работает следующим образом.

Автономный регистратор сейсмических сигналов через разъем 18 подключается к управляющему компьютеру (не показан) и программируется в соответствии с утвержденным планом эксперимента. Программирование включает в себя: указание времени начала наблюдения (год, месяц, день, часы, минуты, секунды или сейчас же), длительность наблюдения (часы, минуты, секунды), режимы регистрации (коэффициенты усиления по каждому из каналов регистрации, период квантования), источник сигнала – геофон, с указанием диапазона его допустимого внутреннего сопротивления, и/или встроенный тестовый генератор 15 с указанной частотой и амплитудой выходного сигнала и типом выхода (синфазный-парафазный). Заданные программы настройки сохраняются в запоминающем устройстве 16. Используя различные коммутации входных цепей коммутатора 1 (фиг.2), в качестве режимов работы автономного регистратора можно установить: режим регистрации сейсмических данных, режим тестирования сейсмоприемников, режим тестирования аналогового (измерительного) канала регистратора. Обрабатывая данные регистрации тестового сигнала, можно, в том числе в полевых условиях, проконтролировать работоспособность канала регистрации.

Для проведения тестирования записываются несколько тестовых сеансов наблюдений. Параметры и тип тестового сигнала в зависимости от необходимой задачи тестирования, соответственно, задаются микропроцессорным блоком 5 управления и формируются с помощью формирователя 14 кода управления тестового генератора. При этом по сигналу управления с микропроцессорного блока 5 управления, с тестового генератора 15 через коммутатор 1 на вход соединенных последовательно предварительного усилителя 2, дельта-сигма АЦП 3 и цифрового фильтра 4 поступает заданный микропроцессорным блоком 5 управления тестовый сигнал. Микропроцессор 5 принимает и записывает данные наблюдения в тестовом режиме в запоминающее устройство 16. Результаты тестирования могут быть считаны во внешний управляющий компьютер (не показан) и обработаны. В результате обработки тестовых сигналов указанным управляющим компьютером могут быть получены и проанализированы (например, оператором) метрологические параметры канала измерения: амплитуда максимального неискаженного сигнала, коэффициент нелинейных искажений, мгновенный динамический диапазон, уровень собственных шумов тракта измерения, уровень подавления синфазной помехи, точность установки коэффициентов усиления, коэффициент взаимного влияния каналов, амплитудно-частотная характеристика канала измерения, сопротивление источника сигнала.

При проведении сейсмических исследований производится расстановка группы запрограммированных автономных регистраторов сейсмических сигналов на местности и подключение их к сейсмоприемникам. После включения питания каждый из автономных регистраторов начинает работать в автоматическом режиме. Временная синхронизация работы автономных регистратора в течение длительного времени обеспечивается за счет использования сигналов точного мирового времени следующим образом.

Источником сигналов точного времени в начальный момент синхронизации является GPS-приемник 12. Сигналы мирового времени, принимаемые GPS-приемником 12, синхронизуют связанный с высокостабильным тактовым генератором 11 блок 6 временной синхронизации. GPS-приемник 12 формирует два сигнала: импульсный сигнал точного секундного импульса (PPS), фронт которого совпадает с началом секунды, и последовательную посылку данных, содержащую информацию о текущем годе, месяце, сутках, часе, минуте и секунде, ежесекундно формирующаяся на выходе последовательного порта указанного GPS-приемника 12 и поступающую на вход дешифратора 8. Дешифратор 8 в последовательном коде формирует сигналы текущего года, месяца, суток, часа, минуты и секунды в параллельном двоичном коде и загружает данные в соответствующие регистры блока 9 регистров времени и даты. В условиях устойчивого приема импульс сигнала PPS с GPS-приемника 12 поступает на установочный вход формирователя (счетчика-делителя частоты) 7 точного секундного импульса и сбрасывает его в «0». Одновременно этот же сигнал поступает на установочный вход блока 10 счетчиков времени и даты и заносит в них текущее значение времени и даты с блока 9 регистров времени и даты. На тактовый вход формирователя 7 точного секундного импульса поступают импульсы с выхода генератора 11 тактовой частоты. С первого выхода формирователя 7 точного секундного импульса тактовый сигнал поступает на счетный вход блока 10 счетчиков времени и даты. Таким образом, на выходах блока временной синхронизации 6 формируются сигналы точного времени: миллисекунды и микросекунды со второго выхода формирователя 7 точного секундного импульса поступают на второй вход микропроцессорного блока 5 управления; секунды, минуты, часы, дни, месяцы, годы с выхода блока 10 счетчиков времени и даты поступают на третий вход микропроцессорного блока 5 управления.

При пропадании сигнала на входе GPS-приемника 12 отсутствует и сигнал PPS. В этом случае точность формирования секундного импульса определяется только стабильностью генератора 11 тактовой частоты. Блок 10 счетчиков времени и даты продолжает счет секундных импульсов с выхода формирователя 7 точного секундного импульса.

Микропроцессорный блок 5 управления сравнивает данные точного времени, поступившие на его второй и третий входы с блока 6 временной синхронизации, с заданными и принимает решение об изменении режима работы регистратора – переход в режим регистрации или переход в режим ожидания. В режиме регистрации микропроцессорный блок 5 управления заносит в запоминающее устройство 16 данные о точном времени при записи каждого пакета сейсмической информации. Данные точного времени записываются в заголовок пакета.

Время выхода высокостабильного тактового генератора 11 в рабочий режим составляет не более 30 минут. В течение этого времени производится тестирование сейсмоприемников. При этом на входы регистратора через коммутатор 1 автоматически подключается генератор 15 тестового сигнала. Результирующий сигнал коммутатора 1 усиливается предварительным усилителем 2 и оцифровывается дельта-сигма АЦП 3, битовый поток данных поступает на вход цифрового фильтра 4. Микропроцессор 5 анализирует отчеты цифрового фильтра 4 и вычисляет внутреннее сопротивление сейсмоприемников. Вычисленное значение внутреннего сопротивления сравнивается микропроцессорным блоком 5 управления с записанным при программировании. Микропроцессорный блок 5 управления выдает соответствующий сигнал на мультиплексный световой индикатор 13, который тем или иным образом отображает то или иное состояние внутреннего сопротивления каждого геофона (например, соответствие исправному состоянию – зеленым цветом или несоответствие – красным цветом). Одновременно световая индикация на блоке индикации 13 в соответствии с данными измерителя 17 температуры, влажности, токов и напряжений, получаемыми от микропроцессорного блока 5 управления, отображает то или иное состояние питающих батарей (не показаны), наличие или отсутствие сигнала синхронизации от GPS-приемника 12, текущий режим работы регистратора (ожидание или регистрация). Оператор имеет возможность устранить выявленные неисправности на месте в течение 30 минут, по истечении которых автономный регистратор переходит к ожиданию момента начала регистрации, при этом коммутатор 1 по управляющему сигналу с микропроцессора 5 отключает генератор 15 тестовых сигналов.

За счет организованной, встроенной системы временной синхронизации, обеспечивающей высокоточную привязку регистрируемых сейсмических сигналов к единому мировому времени, автономные регистраторы, согласно изобретению, позволяют регистрировать сейсмические колебания как от пассивных, так и от активных источников возбуждения различного типа (взрывных и невзрывных). При использовании активных источников возбуждение сейсмических колебаний производят в режиме, соответствующем технологии проведения геофизического эксперимента. В этом случае момент воздействия должен быть тем или иным образом зафиксирован, например, с использованием системы синхронизации возбуждения (ССВ) или по собственным высокоточным часам, синхронизованным сигналами мирового времени.

В режиме регистрации сейсмические сигналы, регистрируемые многоканальными сейсмоприемниками (не показаны), в аналоговом виде поступают через коммутатор 1 и предварительный усилитель 2 на вход дельта-сигма АЦП 3. Битовый поток с выхода дельта-сигма АЦП 3 обрабатывается цифровым фильтром 4 и поступает на первый вход микропроцессорного блока 5 управления, который формирует пакеты сейсмических данных с указанием (как показано выше) точного времени формирования и их направляет в запоминающее устройство 16. Одновременно с сейсмическими данными в запоминающее устройство 16 с измерителя 17 периодически поступают данные о температуре окружающей среды, влажности и параметры источника питания.

По завершении программы экспериментов производят считывание сейсмических данных из запоминающего устройства 16 через разъем 18. Полученные записи сейсмических данных от одного или группы регистраторов имеют, за счет организованной встроенной системы синхронизации с использованием GPS-приемников, высокоточную единую привязку к мировому времени.

Обработку данных производят в соответствии с поставленными задачами эксперимента. Анализу могут подвергаться как одноканальные записи регистраторов, так и сформированные многоканальные сейсмограммы, полученные из данных множества отдельных автономных регистраторов, входящих в систему наблюдений. В частности, многоканальная сейсмограмма ОТВ (общая точка взрыва) может быть получена из фрагментов записей, соответствующих конкретному временному интервалу, от заданных полевых модулей.

Возможность длительной непрерывной записи сейсмических сигналов с обеспечением высокоточной временной привязки позволяет в полевых условиях исключить необходимость точной синхронизации момента начала записи с началом возбуждения упругих колебаний. Иными словами, отсутствие жесткой синхронизации с моментом начала воздействия позволяет работать при свободном расписании источника возбуждения, что значительно упрощает эксплуатацию системы в целом. Системы наблюдений, построенные с использованием автономных регистраторов сейсмических сигналов, согласно изобретению, могут состоять из сверхбольшого количества пунктов приема, распределенных с переменной плотностью на площади исследований, которая определяется целевыми задачами, сейсмогеологическими условиями и методикой выполнения геолого-геофизических работ. При этом достигается высокая надежность системы наблюдений и достоверность сейсмических измерений, так как в такой системе практически исключена неработоспособность всей сети сбора данных из-за неисправности хотя бы одного регистратора.

Таким образом, в целом совокупность признаков технического решения, согласно изобретению, позволяет с высокой достоверностью и надежностью проводить сейсмические наблюдения на площадях любых размеров, повышает производительность проведения сейсмических работ в особо сложных полевых условиях.

Изобретение реализовано в сейсмической аппаратуре станции РОСА-А, которая позволяет проводить детальные глубинные исследования методом ГСЗ, в наземном варианте и в варианте «суша-море». Кроме того, ее можно использовать для регистрации сейсмических данных высокоразрешающих съемок, а также при проведении активного и пассивного сейсмического и сейсмологического мониторинга.

Формула изобретения

1. Автономный регистратор сейсмических сигналов, включающий микропроцессорный блок управления, высокостабильный генератор тактовой частоты, соединенное с первым входом-выходом микропроцессорного блока управления запоминающее устройство и соединенные последовательно, по меньшей мере, один предварительный усилитель, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь (дельта-сигма модулятор) и многоканальный цифровой фильтр, выход которого соединен с первым входом микропроцессорного блока управления, первый выход которого подключен к управляющим входам предварительного усилителя, аналого-цифрового преобразователя и цифрового фильтра, отличающийся тем, что он содержит связанный со вторым выходом микропроцессорного блока управления блок световой индикации, GPS-приемник и блок временной синхронизации, включающий формирователь (счетчик-делитель частоты) точного секундного импульса и соединенные последовательно связанный с информационным выходом GPS-приемника дешифратор, блок регистров времени и даты и блок счетчиков времени и даты, выход точного секундного импульса (синхронизирующий выход) GPS-приемника связан с установочными входами формирователя точного секундного импульса и блока счетчиков времени и даты, счетный вход которого связан с первым выходом формирователя точного секундного импульса, тактовый вход формирователя точного секундного импульса связан с выходом высокостабильного генератора тактовой частоты, второй вход микропроцессорного блока управления связан со вторым выходом формирователя точного времени блока временной синхронизации, третий вход микропроцессорного блока управления связан с выходом блока счетчиков времени и даты блока временной синхронизации, при этом второй вход-выход микропроцессорного блока управления является входом-выходом программ/данных автономного регистратора сейсмических сигналов.

2. Автономный регистратор сейсмических сигналов по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит связанные с третьим выходом микропроцессорного блока управления соединенные последовательно формирователь кода управления тестовым сигналом и генератор тестового сигнала, выход которого через, по меньший мере, один коммутатор связан с входом соответствующего предварительного усилителя, при этом управляющий вход каждого из указанных коммутаторов связан с первым выходом микропроцессорного блока управления.

3. Автономный регистратор сейсмических сигналов по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит измеритель температуры, влажности, питающих токов и напряжений, связанный с третьим входом-выходом микропроцессорного блока управления.

РИСУНКИ