Э.С. Шестаков, М.Д. Шелехова

Э.С. Шестаков, М.Д. Шелехова

СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНАЯ РЕГИСТРИРУЮЩАЯ
АППАРАТУРА

Учебное пособие
для студентов геологических факультетов,
обучающихся по специальности 020 302 «Геофизика»

 

Издательский центр «Наука»

Саратов – 2012

 

УДК 550.8.053:519

ББК 26.2

ББК 26.21

Ш51

 

 

Характеристики сейсмического сигнала

Сейсмическая разведка является частным случаем геофизических методов исследования геологических объектов и имеет целью наблюдение и измерение искусственно созданных (существенно реже - естественных) полей упругих колебаний, последующую обработку и геологическое истолкование результатов измерений.

Поле упругих колебаний представляет собой суперпозицию огромного числа отдельных волн. Каждая из них несет информацию об источнике, сформировавшем её ( например, t_{отр. волны} ~ H; A_{отр. волны} ~ К_отр и т.п.).

Сейсмическое волновое поле наблюдается, измеряется и регистрируется с помощью аппаратурного комплекса, ориентированного на выделение полезной компоненты и подавления мешающей (помехи). 

Следовательно: характеристики аппаратурного комплекса могут быть опре­делены только при конкретизации понятий «полезная информация» и «по­меха» (понятия «полезная информация» и «помеха» определяются, прежде всего, методом сейсморазведки: МОВ или МПВ).

Характеристики аппаратурного комплекса определяются, главным обра­зом, параметрами сигналов полезных волн. Наиболее важные из них:

Динамический диапазон : отношение амплитуды самого сильного полезного сигнала к амплитуде самого слабого полезного сигнала (т.е. определяется в рамках конкретной задачи):                     D_сигн = A_{max пол} / A_{min пол}

D_сигн определяется в логарифмических величинах (децибеллах):               D_сигн, дб = 20lg [A_{max пол} / A_{min пол}]

Для перевода линейных величин D_сигн в логарифмические полезно запомнить соотношения    

Величина отношения	1.41	1.99	3.98	10	100	1000	10000	100000	1 млн
Дб	3	6	12	20	40	60	80	100	120

Приближённые значения динамического диапазона составляют:

~ наземная cейсмоpазведка КМПВ D_сигн, дб £ 20 ¸ 40;

~ наземная cейсмоpазведка МОВ D_сигн, дб £ 100 ¸ 120;

~ морская cейсмоpазведка МОВ D_сигн, дб £ 150.

Частотный диапазон  зависит от конкретной методики сейсморазведки:

Р-волны: ~ Региональные работы (ГСЗ, КМПВ) » 3 ¸ 5 Гц.

~ МОВ, Н_max = 4 ¸ 5 км, ЗМС        » 20 ¸ 70 Гц.

(в высокоразрешающей сейсморазведке        – до 100 ¸ 150 Гц)

~ МОВ, Н_max = 4 ¸ 5 км, без ЗМС    » 10 ¸ 200 Гц

Контрольные вопросы

1. Что представляет собой поле упругих колебаний, регистрируемое в сейсморазведке?

2. Каким образом характеристики геологической среды отображаются в сформировавшемся в ней поле упругих колебаний?

3. Каков основной критерий выбора характеристик сейсморазведочного аппаратурного комплекса?

4. Какими основными параметрами характеризуется поле упругих колебаний?

5. Что понимается под динамическим диапазоном сейсмического волнового поля?

6. В каких единицах измеряется динамический диапазон?

7. Каковы соотношения между основными значениями логарифмическими и линейными единицами отношений величин?

8. Каковы значения динамического диапазона для полей отраженных и преломленных волн?

9. Что понимается под частотным диапазоном сейсмического волнового поля?

10. Каковы значения частотного диапазона для полезных волн, используемых в методах отраженных и преломленных волн?

Комментарии

= О пунктах 1,2.

Из рассмотрения приведённых выше графиков амплитудно-частотных характеристик видно, что при b = b_критич, отмечается малая крутизна склона (низкая крутизна S _(a))., что свидетельствует о слабой селекции НЧ и ВЧ составляющих сигнала.

При b < b_опт наблюдается резонансный пик, что приводит к повышенной длительности собственных процессов и, соответственно, к снижение временной разрешённости записи.

Из этого следует, что  b_опт < b < b_критич.

= О пункте 3.

При выборе b_опт < b < b_критич исключаются резонансные явления, ведущие к снижению временной разрешённости сейсмической записи.

= О пункте 4. 

Стремление максимизировать чувствительность вытекает из необходимо­сти превышения сигнала над электрическими наводками (компонента  аддитивных случайных помех):

-   высокая чувствительность сейсмоприёмника позволяет снизить мощность источника и повысить его сейсмический эффект,

-  чувствительность a=     определяется как КЭМС (КЭМС в соответствии с (31 )  = ), так и соотношением сопротивления нагрузки R₂ и полного сопротивления цепи  R=R₁+R₂, откуда следует, что нужно обеспечивать  R₂ >> R₁ .

~  с другой стороны: величина затухания a_с=  определяется главным образом электрическим  демпфированием D₁= ² / R ( в современных конструкциях, где коэффициент вязкого трения D ® 0, демпфирование осуществляется за счёт D₁  путём шунтирования  катушки дополнительным сопротивлением), откуда видно, что при заданном D₁ определяется только величиной R, а она жёстко связана с выбранным затуханием b

~ Увеличение   =  возможно за счёт:

»   увеличения числа витков катушки ( что противоречит требованию снижения R₁)

»   Увеличение градиента магнитного потока  достигается за счёт применения магнитных сплавов с высокой коэрцетивной силой, уменьшение зазора между катушкой и магнитом менее эффективно, поскольку снижает механическую надёжность сейсмоприёмника.

 Поэтому: Решение задачи повышения чувствительности при выбранном затухании b - компромиссно.

=О пунктах 5,6

Стабильность работы СП предполагает неизменность его характеристик в частности - фазовой идентичности СП. Фазовый сдвиг (разброс)

, где -фазовые характеристики СП₁ иСП₂

 

 ~ Наименьший фазовый разброс будет ,если фазовые характеристики будут слабо зависеть от w, т.е. при w >> w_0c и  w << w_0c это менее выгодно по соображениям оптимальности К_с(w).

- Стабильность работы и min нелинейных искажений обеспечиваются :

 ~ продуманной  конструкцией СП,

~ тщательностью изготовления деталей

~ минимально возможным зазором между катушкой и  магнитопроводом.

Замечание: Плоские центрирующие пружины - больное место индукционного сейсмоприёмника. При их деформации происходит перекос катушки и затирание её в узком зазоре, сейсмоприёмник становится неработоспособным при исправной электрической цепи.

Особые требования предъявляются к сейсмоприёмникам в системах с цифровой регистрацией, т.к. их высокие возможности могут быть реализованы при :

~ высоким D_сп при высокой чувствительности.

~ оптимальном частотном диапазоне.

~ min нелинейных искажений.

Индукционные СП отличаются друг от друга главным образом:

~ резонансной частотой,

~ способом установки,

~ надёжностью

4.4 Характеристика направленности СП

Пьезоэлектрические СП ,работающие в жидкой среде, неизбирательны по отношению к направлению подхода волны .

Электро-динамические (индукционные) СП имеют одну степень свободы и регистрируют одну компоненту смещения  x=ô ô cosb, (где - вектор смещения, а  b- угол между и осью СП).

Направленные свойства СП используются для селекции волн по типу (P,S) и направления подхода.

~ при регистрации P – волн в наземной сейсморазведке,( при наличии ЗМС!) направление волн квазивертикально® используется СП с вертикальной осью ( вертикальные СП );

~ горизонтальные СП используются для регистрации X и Y –компоненты поля S волн.

~ для регистрации всех компонентов поля используется комбинация 3-х СП ориентированных вдоль осей координат ( часто оси образуют не прямые углы, а 120°). 

Такие комбинированные СП используются в поляризационном методе сейсморазведки.

 

Контрольные вопросы

1. Назначение сейсмоприёмника?

2. Как в сейсморазведке понимается термин «аналоговый»?

3. Какие физические явления используются для преобразования механических колебаний грунта в электрический сигнал?

4. Какие сейсмоприёмники используются в сухопутной и морской сейсморазведке?

5. Каков принцип действия индукционного сейсмоприёмника?

6. Какие виды смещений под действием внешних сил рассматриваются при выводе уравнения действия сейсмоприёмника?

7. В какой области (временной или частотной) выводится уравнение действия сейсмоприёмника?

8. Какие механические силы действуют на инертную массу сейсмоприёмника?

9. Запишите выражение силы упругости во временной и частотной области.

10. Запишите выражение силы инерции во временной и частотной области.

11. Запишите выражение силы затухания во временной и частотной области.

12. Запишите выражение ЭДС во временной области.

13. Запишите выражение КЭМС.

14. Запишите выражение электромагнитной силы во временной области.

15. Запишите выражение электромагнитной силы в частотной области.

16. Запишите выражение связывающее движение грунта и движение катушки сейсмоприёмника.

17. Запишите выражение описывающее действие индукционного в частотной области.

18. Запишите выражение затухания сейсмоприёмника.

19. Запишите выражение собственной частоты сейсмоприёмника.

20. Запишите выражение «чувствительности» сейсмоприёмника.

21. Что является входной функцией преобразователя СП?

22. Что является выходной функцией преобразователя СП?

23. Запишите обобщённое выражение комплексной частотной характеристики.

24. Запишите выражение относительной частоты колебаний СП.

25. Запишите выражение коэффециента затухания , отнесённое к собственной частоте.

26. Запишите выражение комплексной частотной характеристики СП в относительных величинах.

27. Запишите выражение АЧХ как функции относительных аргументов.

28. Запишите выражение ФЧХ как функции относительных аргументов.

29. Что выражает АЧХ сейсмоприёмника?

30. Что выражает ФЧХ сейсмоприёмника?

31. Какие характерные точки выделяются на графике АЧХ сейсмоприёмника?

32. В каких пределах выбирается значение относительного затухания СП и чем это обусловлено?

33. Каковы значения оптимального и критического относительного затухания?

34. Запишите выражение для логарифмической крутизны АЧХ сейсмоприёмника.

35. Чему равно значение логарифмической крутизны АЧХ при ν << 1 и что это означает?

36. Чему равно значение логарифмической крутизны АЧХ при 1 ≈ ν >> 1 и что это означает?

37. Каково значение нижней границы частотного диапазона СП при b_опт?

38. Каково значение нижней границы частотного диапазона СП при b_крит?

39. Каковы особенности ФЧХ сейсмоприёмника?

40. Как используется пересечение ФЧХ сейсмоприёмника (с различными значениями относительного затухания b) в одной точке при ν = 1?

41. Чем обусловлен выбор относительного затухания в интервале b_опт ≤ b ≤ b_крит с точки зрения обеспечения оптимальных ФЧХ сейсмоприёмника?

5.0. Логические элементы и элементы
счётно-решающих устройств

Рассмотрим конкретную реализацию регистрирующей части сейсморазведочных ИИС на примере современной компьютеризированной сейсмической станции Прогресс-Л и сопоставим её с телеметрической системой Прогресс-Т на уровне функциональных схем. Для этого необходимо ознакомиться с работой логических элементов и элементов счетно-решающих устройств, на базе которых формируются функциональные схемы.

Для определенности примем в качестве логической “1” высокий уровень напряжения, а в качестве логического ”0” – низкий уровень. Обозначим входные сигналы как U, в выходные – V.

5.1.   Логические элементы

5.1.1. Логический элемент «НЕ» (инвертор)

Алгоритм работы элемента «НЕ»: при подаче на вход логической еди­ницы на выходе возникает логический нуль (элемент обращает фазу сигнала).

5.1.2. Логический элемент «ИЛИ»

Логический элемент «ИЛИ» имеет два входа (А и В), на которые подаются сигналы U₁ и U₂, соответственно, и один выход с которого снимается сигнал V.

Алгоритм работы элемента: при появлении на одном из входов логической единицы независимо от значения сигнала на другом на выходе возникает логическая единица, логический нуль на выходе возникает только при нулевых значениях сигналов на обоих входах.

5.1.3. Логический элемент «И» (схема совпадений)

Логический элемент»И», также как и элемент «ИЛИ», имеет два входа (А и В), на которые подаются сигналы U₁ и U₂, соответственно, и один выход с которого снимается сигнал V.

Алгоритм работы элемента: логическая единица на выходе возникает только при единичных значениях сигналов на обоих входах.

Логические схемы «И» используются для построения электронных клю­чей, являющихся распространёнными элементами счётно-решающих.

Алгоритм работы ключа: если строб-сигнал имеет высокий уровень, то пропущенный сигнал тождественен пропускаемому, если строб-сигнал имеет низкий уровень, пропущенный сигнал тождественно равен логическому нулю, независимо от значений пропускаемого сигнала.

5.1.4.  Триггер

Триггер – логический элемент, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний, одно из них условно принимается за единичное, другое – за нулевое. Он имеет три входа («Установка в единичное состоя­ние», «Установка в нулевое состояние» и «Счётный вход») и два выхода («Единичный» и «Нулевой»).

Алгоритм работы триггера: 

- единичному состоянию триггера соответствует высокий уровень на единичном выходе и низкий – на нулевом, и наоборот;

- триггер управляется путём подачи импульсов высокого уровня на один из его входов;

- если триггер случайным образом принял нулевое состояние, то при подаче импульса на единичный вход он устанавливается в единичное состояние, повторная подача импульса на тот же вход не меняет состояния триггера;

- если триггер находится в единичном состоянии, то при подаче импульса на нулевой вход он устанавливается в нулевое состояние, повторная подача импульса на тот же вход состояния триггера не меняет;

- подача импульса на счётный вход меняет состояние триггера независимо от того, в каком состоянии он находился перед подачей импульса.

На базе рассмотренных выше логических элементов строятся элементы счетно-решающих устройств (один из них – электронный ключ – был рассмотрен выше). Рассмотрим три наиболее употребительных – регистр, сдвигающий регистр и счётчик.

5.2. Элементы счётно-решающих устройств

5.2.1. Регистр

На базе многоразрядных регистров строится динамическая память счётно-решающих устройств (динамическая память сохраняет информацию до тех пор, пока она находится во включенном состоянии, при выключении питания инфор­мация теряется). Рассмотрим функциональную схему 3-х разрядного регистра.

Алгоритм работы регистра:

- цикл работы регистра включает в себя очистку регистра от старой информации, запись информации в регистр, выдачу информации по запросу;

- для очистки регистра на нулевые входы триггеров одновременно подается высокий уровень сигнала «Сброс регистра в ноль», который устанавливает все триггеры регистра в нулевое состояние;

- записываемая информация поступает на входы схем «И» нижнего уровня;

- в момент подачи строб-сигнала «Запись» информация попадает на единичные входы триггеров, те из них, где на входы была подана логическая единица, устанавливаются в единичное состояние;

- хранящаяся в регистре информация выдается на выход регистра в момент подачи строб-сигнала «Чтение» на входы схем «И» верхнего уровня.

5.2.2. Сдвигающий регистр

Сдвигающий регистр позволяет перемещать хранимую информацию по разрядной сетке. Такая операция необходима при выполнении алгоритма умножения и деления чисел, при организации последовательного опроса каналов и т.п. Сдвигающий регистр аналогичен обычному, но единичные выходы триггеров младшего разряда соединены через дифференцирующую цепочку (элемент D на схеме, приведённой ниже) с единичными входами следующих старших.

На данной функциональной схеме не показана схема занесения информации в регистр – она аналогична описанной выше.

Схема дифференцирующей цепочки:

Алгоритм работы цепочки:

- Пусть на вход схемы подан высокий уровень напряжения и конденсатор С заряжен, так как постоянный ток через конденсатор не течёт, то падение напряжения на резисторе R будет нулевым (низкий уровень на выходе схемы).

- При снятии напряжения со входа происходит разряд конденсатора через резистор и на выходе схемы возникнет импульс высокого уровня, дли­тельность которого равна постоянной времени цепочки RC (по окончании разряда конденсатора на выходе схемы вновь устанавливается низкий уровень).

- При подаче на вход цепочки высокого уровня конденсатор С заряжается, ток через резистор R течет в направлении противоположном току разрядки и на выходе схемы возникает импульс низкого уровня (в схеме сдвигающего регистра он не используется и блокироваться , например, включением в неё полупроводникового диода в соответствующей полярности).

Т.О. на выходе дифференцирующей цепочки при изменении напряжения с высокого уровня на низкий с некоторой задержкой (обусловленной наличи­ем в ней реактивного элемента) возникает импульс высокого уровня (еди­ничный импульс).

Алгоритм работы сдвигающего регистра:

- Пусть в регистр занесено число 01011.

- На все нулевые входы триггеров одновременно подается импульс высоко­го уровня (строб-сигнал «Сдвиг»).

- Триггеры Тр₃ и Тр₅ не меняют своего состояния (низкий уровень на единич­ном выходе), триггеры Тр₁, Тр₂, Тр₄ переходят из единичного в нулевое состояние. Вследствие этого через дифференцирующие цепочки на единич­ные входы триггеров Тр₂, Тр₃, Тр₅ с некоторой задержкой подается им­пульс высокого уровня, который переустанавливает эти триггеры в единичное состояние.

- Таким образом, состояние регистра после подачи сигнала «Сдвиг» будет 10110, т.е. информация сдвинется на один разряд в сторону бóльших значений.

Примечание:   Добавление связи, обозначенной на схеме пунктиром (с единичного выхода последнего триггера через дифференцирующую цепочку на единичный вход первого триггера) создаёт кольцевой сдвигающий регистр.

5.2.3. Счётчик

На ниже следующем рисунке приведена схема трехразрядного двоичного счётчика и временная диаграмма его работы.

Счётчик считает в двоичной системе счисления количество импульсов высокого уровня, поступивших на его вход (счётный вход первого триггера). Перед началом счёта содержимое счётчика обнуляется (на нулевые входы всех триггеров подается импульс высокого уровня).

Первый импульс, пришедший на вход счётчика устанавливает Тр₁  в еди­ничное состояние, второй импульс переводит его в нулевое состояние, а по дифференцирующей цепочке на счётный вход Тр₂ подается импульс, перево­дящий его в единичное состояние. Таким образом, состояние счётчика будет 010, что соответствует цифре «2» в десятичной системе счисления. Третий импульс установит Тр₁ в единичное состояние не меняя состояние второго, т.е. счётчик примет состояние 011, что соответствует цифре «3». Легко убедиться, что по мере поступления импульсов информация на выходе счётчика будет принимать следующие значения:

Номер импульса	Информация на выходе	Десятичное значение
0	000	0
1	001	1
2	010	2
3	011	3
4	100	4
5	101	5
6	110	6
7	111	7

 Подача на вход восьмого импульса переведёт счётчик в нулевое состо­яние, т.е. число возможных состояний трёхразрядного двоичного счётчика равно 8, четырёхразрядного – 16, пятиразрядного 32, десятиразрядного – 1024.

Два следующих устройства рассмотрим на уровне их обозначений на функциональных схемах.

5.2.4. Электронный ключ

Электронный ключ пропускает входной сигнал при наличии разрешаю­щего сигнала (строб-сигнал). В таком качестве может в принципе использо­ваться логическая схема «И». Реальные схемы электронных ключей представляют собой комбинацию нескольких последовательно включённых схем «И», поскольку одиночная схема в режиме запирания не обладает бесконечно высоким сопротивлением и на выходе будет присутствовать ослабленный входной сигнал.

5.2.5. Компаратор

Компаратор – логическая схема, сравнивающая по напряжению входной сигнал с эталонным и выдающая на выходе высокий уровень, если входной сигнал равен или превышает эталонный, и низкий уровень, если входной сигнал меньше эталонного. Сравнение выполняется при высоком уровне стробирующего сигнала. Меняя уровень эталонного напряжения можно построить логическую схему, определяющую численную величину входного сигнала (схема аналогово-цифрового преобразователя, АЦП).

5.2.6. Упрощенный аналогово-цифровой преобразователь (АЦП)

АЦП такого типа использовались в сейсмостанциях 1 – 3 поколений Преобразователи такого типа могли иметь в разрядной сетке выходного слова не более 14-ти двоичных разрядов (что обеспечивало максимальный динамический диапазон 84 дБ). Соответственно процесс оцифровки импульса аналогового сигнала (выборки) выполнялся за 14 тактов..

Алгоритм его действия состоит в последовательном «взвешивании» амплитуды сигнала «гирями» «весом» от 0.5 до4 096 мВ.

Действие АЦП рассмотрим на примере: пусть U_выб = + 5376 мВ:

- Дискретизированный аналоговый сигнал (импульс с амплитудой, равной амплитуде аналогового сигнала в дискретный момент времени, выборка) подаётся на вход устройства хранения выборки (УХВ) и сохраняется там в течение времени определения численного значения амплитуды (оцифровки).

- Перед началом оцифровки определяется полярность импульса: если
U_выб > 0, то в знаковый разряд засылается значение “0”, если U_выб < 0, то в знаковый разряд засылается “1”.

Такт 1. Выбирается максимально «тяжёлая» «гиря»: U_этал =4096 мВ и сравнивается с U_выб , результат сравнения – U_выб > U_этал, в старший (1-ый) разряд формируемого слова (в выходной регистр) засылается “1”.

Такт 2. К U_этал =4096 мВ добавляется следующая по «весу» «гиря»: U_этал =
= 4096 + 2048 = 6144 мВ и вновь сравнивается с U_выб: U_выб < U_этал,
во 2-ой разряд выходного регистра засылается “0”.

Такт 3. U_этал = 4096 + 1024 = 5120 мВ, U_выб > U_этал , “1” Þ в 3-ий разряд.

Такт 4. U_этал = 4096 + 1024 + 512 = 5632 мВ, U_выб > U_этал , “0” Þ в 4-ый разряд.

 

Такт 5. U_этал = 4096 + 1024 + 256 = 5376 мВ, U_выб » U_этал . В этом случае возможны два сценария продолжения процесса:

~ в 5-тый разряд случайным образом засылается “1”, тогда в 6 – 14 такты во все оставшиеся разряды, соответствии с данным алгоритмом оцифровки, будут засланы “0”, значение мантиссы будет 10 101 000 000 000;

~ в 5-тый разряд случайным образом засылается “0”, тогда в 6 -14 такты во все оставшиеся разряды будут засланы “1”, значение мантиссы будет 10 100 111 111 111.

Полученные значения различаются на величину младшего разряда, отно­сительная ошибка составит (0.5 мВ / 5376 мВ)·100% » 0.00001%.

Недостатком данного алгоритма является необходимость точного зада­ния 14-ти эталонных напряжений. Технически достижимая точность их зада­ния составляет » 0.5 – 2 мкВ, что по отношению к минимальному уровню эталонного напряжения создает погрешность от 0.01 до 0.4 %. Из этого сле­дует, что увеличение числа разрядов преобразователя неминуемо ведёт к потере точности оцифровки.

Решение проблемы расширения динамического диапазона преобразовате­ля было найдено в 80-х годах ХХ столетия в США, где был предложен алгоритм «дельта-сигма» преобразования (DS-модуляции). Он предполагает ис­пользование одного эталонного напряжения (порядка 2 В), заведомо превос­ходящего измеряемые напряжения, относительная погрешность которого составляет всего 0.00005 %.

 

5.2.7. Принцип работы АЦП на основе «дельта-сигма» преобразования

АЦП, основанный на алгоритме DS-модуляции имеет в своём составе 2 устройства: собственно DS-преобразователь, формирующий последователь­ность однобитных цифровых данных (последовательность нулей и единиц), и процессор цифрового сигнала, преобразующий однобитную последовательность в 24-битные двоичные числа («слова»).

Рассмотрим принцип действия наиболее простой схемы собственно DS-преобразователя – DS-преобразователя первого порядка (его функциональная схема приведена ниже) на следующем примере, заимствованном из учебника Бондарева В.И.

Пусть измеряемое напряжение V_вх = + 0.21 В, пусть эталонное напряже­ние V_этал = ± 1 В.

Измеряемое и эталонное напряжения поданы на входы дифференциального усилителя (дифференциальный усилитель – электронная схема с двумя входами и одним выходом, сигнал на выходе дифференциального усилителя равен разности сигналов на его входах, умноженной на некоторый коэффициент, в нашем случае примем его равным 1), т.е. V₁ = V_вх - V₃. Так как в начале измерения эталонное напряжение не подается, то на выходе дифференциального усилителя и интегратора (накапливающего с учётом знака напряжения,  подаваемые с выхода дифференциального усилителя) равно измеряемому напряжению, т.е. V₁ = V₂ = V_вх . Компаратор в данной схеме работает по алгоритму:

- если V₂.> 0, то f_вых = «+ 1» – логическая единица со знаком плюс;

- если V₂.< 0, то f_вых = «- 1» – логическая единица со знаком минус.

Следовательно, на компараторе в первом такте измерения реализуется условие  V₂.= 1·V_вх + 0· V_этал  > 0, вследствие чего вырабатывается выходной сигнал «+ 1» (1-ый такт)

По цепи обратной связи сигнал «+ 1» с выхода АЦП подаётся в одноби­товый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который работает по следующему алгоритму:

- если f_вых = «+ 1», то V₃ .= + V_этал;

- если f_вых = «- 1»., то  V₃.= - V_этал

Таким образом, по завершении первого такта измерений напряжение V₃ будет равно + 1 В.

Во втором такте на выходе дифференциального усилителя напряжение V₁.= + 0.21 – 1 =  – 0.79 В, а на выходе интегратора V₂.= + 0.21 + (– 0.79) =
= – 0.58 В. Условие на компараторе можно записать как 2·V_вх - 1· V_этал  < 0, следовательно в конце второго такта V₃.= - V_этал.

В третьем такте V₁.= + 0.21 – (– 1) = + 1.21 В, V₂.= (– 0.58) + (+1.21) =
= (+0.63) В и т.д. Распишем в соответствии с рассмотренными алгоритмами ситуации, возникающие в АЦП в ходе первых 20-ти тактов оцифровки сигнала в виде ниже следующей таблицы.

 

№ такта	V1 (В)	V2 (В)	Условие на компараторе	fвых	V3. (В)	Vсредн (В)
0	0	0	0	0	0	0
1	0.21	0.21	1·Vвх + 0· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	1.000
2	- 0.79	- 0.58	2·Vвх - 1· Vэтал  < 0	«- 1»	- 1	0.000
3	1.21	0.63	3·Vвх + 0· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.333
4	- 0.79	- 0.16	4·Vвх - 1· Vэтал  < 0	«- 1»	- 1	0.000
5	1.21	1.05	5·Vвх + 0· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.200
6	- 0.79	0.26	6·Vвх - 1· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.333
7	- 0.79	- 0.53	7·Vвх - 2 ·Vэтал  < 0	«- 1»	- 1	0.143
8	1.21	0.68	8·Vвх - 1· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.250
9	- 0.79	- 0.11	9·Vвх - 2· Vэтал  < 0	«- 1»	- 1	0.111
10	1.21	1.10	10·Vвх - 1· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.200
11	- 0.79	0.31	11·Vвх - 2· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.273
12	- 0.79	- 0.48	12·Vвх - 3· Vэтал  < 0	«- 1»	- 1	0.167
13	1.21	0.73	13·Vвх - 2· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.231
14	- 0.79	- 0.06	14·Vвх - 3· Vэтал  < 0	«- 1»	- 1	0.143
15	1.21	1.15	15·Vвх - 2· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.200
16	- 0.79	0.36	16·Vвх - 3· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.250
17	- 0.79	- 0.43	17·Vвх - 4· Vэтал  < 0	«- 1»	- 1	0.176
18	1.21	0.78	18·Vвх - 3· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.222
19	- 0.79	-0.01	19·Vвх - 4· Vэтал  < 0	«- 1»	«- 1»	0.158
20	1.21	1.2	20·Vвх - 3· Vэтал  > 0	«+ 1»	+ 1	0.200

Параметр  V_средн. в таблице подсчитывался в соответствии с равенством

,

где    n      – число тактов измерения,
 f_вых (i) – значение выходного сигнала в i-том такте измерения,        |V_этал| – модуль эталонного напряжения (в данном примере 1 В)/

Из анализа колонки V_средн. видно, что начиная с пятого такта среднее зна­чение на нечётном такте представляет собой нижнюю границу измеряемой величины, а следующее за ним среднее значение на чётном такте – верхнюю границу. По мере увеличения числа тактов интервал между нижней и верх­ней границей оценки сокращается, т.е. V_средн. асимптотически приближается к истинному значению. Изменение соотношения значений последовательности кодов f_вых, V_средн. и истинного значения V_вх от такта к такту видно из графика, приведённого ниже:

Здесь 1 – последовательность значений f_вsх,
2 – график текущего V_средн.,
3 – истинное значение измеряемого сигнала.

Из сказанного выше следует:

- последовательность импульсов постоянной амплитуды f_вsх на выходе DS-АЦП кодирует значение измеряемого напряжения, полагая амплитуду импульса единичной на выходе АЦП мы имеем однобитовую последовательность;

- точность кодирования тем выше, чем большее число тактов используется при кодировании, откуда следует необходимость использования при оцифровке существенно более высоких тактовых частот, чем это необходимо для дискретного представления непрерывного сигнала (в АЦП сейсмостанции «Прогресс-Л» используется частота свехдискретизации 256 кГц, тогда как дискретизации с шагом d t = 0.5 мс соответствует частота 2 кГц, а d t = 1 мс ~ 1 кГц);

- алгоритм преобразования однобитовой последовательности f_вsх в многобитовые отсчеты (слова) основан на низкочастотной фильтрации и её разрядке (децимации), при этом временной шаг отсчетов и их разрядность взаимосвязаны (в сейсмостанции «Прогресс-Л» при d t = 0.5 мс мантисса слова М = 22 разрядам, а при d t = 1 мс и более  – М = 24 разрядам).

Контрольные вопросы

1. Что понимается под логической «1» и логическим «0»?

2. Каков алгоритм работы логической схемы «НЕ»?

3. Каков алгоритм работы логической схемы «ИЛИ»?

4. Каков алгоритм работы логической схемы «И»?

5. Что понимается под инвертором?

6. Что понимается под схемой совпадения?

7. Что понимается под триггером?

8. Какие входы имеет схема триггера?

9. Какие выходы имеет схема триггера?

10. Как изменяется состояние триггера при подаче логической «1» на единичный вход?

11. Как изменяется состояние триггера при подаче логической «1» на нулевой вход?

12. Как изменяется состояние триггера при подаче логической «1» на счётный вход?

13. Нарисуйте функциональную схему 3-х разрядного регистра.

14. С какой целью используется регистр в счётно-решающих устройствах?

15. Каков алгоритм работы регистра?

16. С какой целью используется сдвигающий регистр в счётно-решающих устройствах?

17. Какова функциональная схема дифференциальной цепочки?

18. Каков алгоритм работы дифференциальной цепочки?

19. Каков алгоритм работы сдвигающего регистра?

20. С какой целью используется счётчик в счётно-решающих устройствах?

21. Нарисуйте функциональную схему 3-х разрядного счётчика.

22. Каков алгоритм работы счётчика?

23. С какой целью используется электронный ключ в счётно-решающих устройствах?

24. Какая логическая схема лежит в основе электронного ключа?

25. Что представляют собой схемы электронных ключей в реальных счётно-решающих устройствах?

26. Каково назначение компаратора?

27. Нарисуйте функциональную схему компаратора.

28. Каково назначение АЦП?

29. Нарисуйте функциональную схему упрощенного АЦП.

30. В чём суть алгоритма упрощённого АЦП?

31. Какие составные элементы входят в DS-АЦП?

32. Нарисуйте функциональную схему DS-преобразователя первого порядка.

33. В чём суть алгоритма работы дифференциального усилителя?

34. Каков алгоритм работы DS-преобразователь первого порядка?

35. В какой форме выдает информацию DS-преобразователь?

36. От чего зависит точность кодирования и число разрядов в выходных отсчётах DS-АЦП?

37. Почему в DS-АЦП используются высокие тактовые частоты (частоты сверхдискретизации)?

38. Каким образом выходные однобитовые последовательности DS-преоб­разователя преобразуются в многобитовые отсчёты?

 

Состав ЦРК и его функции

ЦРК включает в себя следующие элементы:

- блок центральный, включающий в себя входные порты;

- управляющий компьютер с мониторами (в некоторых ТСС, например, Sercel-428 UL , управление ТСС осуществляется отдельным сервером на базе рабочей станции Sun, а интерфейс с пользователем организуется на базе персонального компьютера с несколькими мониторами);

- устройство визуализации информации на твердый носитель;

- устройства управления и синхронизации источников упругих колебаний.

Функции ЦРК:

- управление наземным комплексом аппаратуры;

- контроль параметров НКА;

- контроль расстановки сейсмоприёмников;

- обработка сейсмических сигналов в процессе их регистрации в ЦРК (в реальном времени) или после неё, включающая в себя:

~  вертикальное или взвешенное вертикальное накопление сигналов;

~ корреляционное преобразование вибротрассы до или после накапливания;

~ редактирование пиковых значений (выбросов) сигналов;

~ построение амплитудно-частотных спектров сейсмограмм;

~ фильтрация ВЧ и НЧ при воспроизведении сигналов в визуальной форме;

~ ручная, программная или автоматическая регулировка при воспроизведении сигналов в визуальной форме;

~ построение растрового изображения сейсмограмм для визуализации на экране монитора или на твёрдом носителе.

- регистрация на внешний промежуточный носитель в формате SEG-D или SEG-Y;

- формирование файлов, описывающих реальную систему наблюдения и порядок её отработки (SPS-файлов);

- управление источниками упругих колебаний (импульсными или вибрационными) по радиоканалу с помощью специализированных устройств управления.

Недостатки ТСС.

Основными недостатками ТСС по отношению к классическим сейсмостанциям с линейным разделением каналов являются следующие:

- высокая сложность и стоимость оборудования;

- повышенная технологическая сложность проведения полевых работ (необходимость размещения на местности не только групп сейсмоприёмников и соединительных кабелей, но и оборудования НКА);

- повышенная организационная сложность эксплуатации ТСС (обеспечение работоспособности и сохранности оборудования НКА распределённого на площади работ вне прямой видимости).

Тем не менее, анализ тенденций развития современной сейсморазведки показывает, что в производственных геофизических организациях происходит вытеснение классических сейсмостанций телеметрическими системами, несмотря на отмеченные выше недостатки. Причина этого:

- в высоких технических характеристиках ТСС, недостижимых в сейсмостанциях с линейным разделением каналов по канальности и уровню взаимных влияний;

- в универсальности ТСС по отношению к методике работ;

- в возможности наращивания канальности регистрирующих систем;

- в возможности проведения работ в труднодоступной местности при использовании беспроводных каналов передачи информации.

В настоящее время во многих разведочных геофизических организациях классические сейсмостанции используются главным образом при проведении работ по изучению строения верхней части разреза и используют для этого лишь часть СрК. Это в свою очередь породило спрос на цифровые сейсмостанции с числом каналов 24 ¸ 96. Количество станций Прогресс-Л с пониженной канальностью, выпущенных Саратовским ОАО «СКБ СП» практически сравнялось количеством полноканальных вариантов.

Современные тенденции развития ТСС состоят:

- в снижении весовых показателей и энергоёмкости оборудования НКА;

- в выпуске оборудования, позволяющего использовать каналы передач информации различных (проводные и беспроводные), в том числе и одновременно (например, ТСС Sercel-428XL, «Роса-А», ТЕЛЛС-3);

- в разработке оборудования НКА, позволяющего проведение работ на мелководных участках акваторий (например, возможно использование НКА ТСС на глубинах: Sercel-428XL – до 15 м., ТЕЛЛС-3 – до 30 м., Прогресс-Т-3 – до 30 м. в стандартном исполнении и до 50 м. в специальном контейнере БСД), что даёт возможность пересечения акваторий без потери информативности и проведения работ в транзитных зонах.

Более подробно проблемы цифровой регистрации сейсморазведочной информации рассмотрены к книге В.И. Бондарева «Сейсморазведка», издания 2007 года [2].

На кафедре геофизики Саратовского университета в настоящее время имеется сейсмостанция Прогресс-Л с канальностью 24 и телеметрическая сейсморазведочная регистрирующая система Теллс-1, с которой вы столкнётесь при прохождении учебной практики по сейсморазведке.

 

Контрольные вопросы

1. Какие существуют виды цифровых регистрирующих сейсморазведочных систем и в чём их заключаются отличия?

2. Чем отличаются СрК аналоговых и цифровых регистрирующих сейсморазведочных систем?

3. В чём принципиальные отличия сейсмостанций 1-го поколения от последующих?

4. Какова структура сейсмического слова в формате SEG-B?

5. В чём суть мультиплексного представления сейсморазведочных данных?

6. Нарисуйте функциональную схему сейсмостанции Прогресс-1.

7. Каково назначение входных устройств сейсмостанции Прогресс-1?

8. Каково назначение предварительного усилителя и фильтров аналоговой части сейсмостанции Прогресс-1?

9. Каково назначение мультиплексора в сейсмостанции Прогресс-1?

10. Какие составные части имеет ПАК сейсмостанции Прогресс-1?

11. Каково назначение и функции МАРУ сейсмостанции Прогресс-1?

12. Каково назначение АЦП?

13. Каково назначение устройства управления в сейсмостанции Прогресс-1?

14. Какие режимы работы предусмотрены в сейсмостанции Прогресс-1 и в чём их суть?

15. Каково назначение пульта оператора в сейсмостанции Прогресс-1?

16. Каково назначение магнитного регистратора в цифровой сейсмостанции Прогресс-1?

17. Какие элементы входят состав блока ФАРУ сейсмостанции Прогресс-1 и их функции?

18. Каково назначение ЭСПУ в сейсмостанции Прогресс-1?

19. Каковы особенности сейсмостанций ряда Прогресс-1, 2 и 3?

20. Каковы особенности коммутатора входов сейсмостанции Прогресс-96?

21. Каково назначение и функции НЦС сейсмостанции Прогресс-96?

22. Какие элементы входят в состав системы диагностики сейсмостанции Прогресс-96?

23. Каковы отличительные особенности сейсмостанции Прогресс-96В?

24. Каковы особенности сейсмостанции Прогресс-96М?

25. Каково назначение и особенности сейсмостанции Прогресс-Л?

26. Какие возможности реализованы в сейсмостанции Прогресс-Л?

27. Какие элементы включает в себя блок аналоговый сейсмостанции Прогресс-Л?

28. Какие элементы включает в себя блок-хема сейсмостанции Прогресс-Л?

29. Каково назначение входной панели сейсмостанции Прогресс-Л?

30. Каково назначение коммутатора входов сейсмостанции Прогресс-Л?

31. Каков принцип работы коммутатора входов сейсмостанции Прогресс-Л?

32. Каково назначение ПУ и аналоговых фильтров в БА сейсмостанции Прогресс-Л?

33. Каковы особенности АЦП в сейсмостанции Прогресс-Л?

34. Каково назначение КБА в сейсмостанции Прогресс-Л?

35. Какие функции выполняет спецпроцессор сейсмостанции Прогресс-Л в процессе регистрации сигналов?

36. Какие функции выполняет спецпроцессор сейсмостанции Прогресс-Л в процессе визуализации зарегистрированных сейсмограмм?

37. Что представляет собой спецпроцессор сейсмостанции Прогресс-Л?

38. Какие функции выполняет управляющий компьютер сейсмостанции Прогресс-Л?

39. Какие устройства используются в сейсмостанции Прогресс-Л для управления источниками упругих колебаний?

40. Каково назначение, структура и вид рабочего окна управляющей программы сейсмостанции Прогресс-Л?

41. Какие режимы работы предусмотрены в сейсмостанции Прогресс-Л и каково их назначение?

42. Какие опции предусмотрены в управляющей программе сейсмостанции Прогресс-Л в окне «Параметры»?

43. Что включает в себя схема диагностики сейсмостанции Прогресс-Л?

44. Какие режимы диагностики предусмотрены в управляющей программе сейсмостанции Прогресс-Л в окне «Диагностирование»?

45. Каково назначение и основные характеристики генератора тестовых воздействий в сейсмостанции Прогресс-Л?

46. Какое устройство и по каким параметрам осуществляет контроль СрК в сейсмостанции Прогресс-Л?

47. Каковы основные недостатки сейсмостанций с кабельным подключением сейсмоприёмников?

48. Какие элементы включает в себя ТСС?

49. Какие элементы включает в себя НКА ТСС?

50. Каково назначение и размещение БСД ТСС?

51. Какие основные характеристики описывают БСД ТСС и каковы их средние значения?

52. Каково назначение и размещение БЛН ТСС?

53. Как организуется электропитание НКА ТСС?

54. Какими факторами определяется канальность ТСС и в каких пределах она колеблется?

55. Какие элементы включает в себя расстановка сейсмоприёмников?

56. В каких основных режимах работает ТСС и каково их назначение?

57. Какие элементы включает в себя БКА ТСС?

58. Какие элементы включает в себя ЦРК ТСС?

59. Каковы основные функции ЦРК ТСС?

60. Каковы основные недостатки ТСС?

61. В чём причины вытеснения классических сейсмостанций ТСС?

62. Каковы основные тенденции развития ТСС?

Рекомендуемая литература

1. Боганик Г.Н., Гурвич И.И. Сейсморазведка: Учебник для вузов. Тверь: Издательство АИС, 2006. 744 с.

2. Бондарев В. И. «Сейсморазведка» Екатеринбург: ООО «ИРА УТК» 2007г. 690 с.

3. Бескоровайный В.Л., Гнатюк А.И., Одиноков Н.В. и др. Телеметрическая сейсморазведочная система «Прогресс-Т2». //Приборы и системы разведочной геофизики. 02/2003, С.11-13.

4. Бескоровайный В.Л., Волчков В.Ю., Гнатюк А.И. и др. СТС «Прогресс-Т3» – современная аппаратура для выполнения сейсморазведочных работ на суше и в переходных зонах. //Приборы и системы разведочной геофизики. 03/2009, С.19-21.

5. Сагайдачная О.М., Сальников А.С., Сагайдачный А.В. и др. О построении многомерных сейсмических систем наблюдения на основе регистраторов семейства РОСА^® (автономных и телеметрических). //Приборы и системы разведочной геофизики. 04/2010, С.9-16.

6. Федотов А.С., Федотов С.А. Аппаратура «ЭЛЛИС-2», «ТЭЛЛС-1», «ЭЛЛИС-МСК» для малоглубинных сейсмических исследований. //Приборы и системы разведочной геофизики. 04/2008, С.20-21.

7. Федотов А.С. Харламов А.В. Телеметрическая система «ТЕЛЛС-3»: новые возможности. //Приборы и системы разведочной геофизики. 04/2010, С.21-22.

[1]    В сейсмостанциях фирмы SERCEL (Франция) блоки линий наблюдения (LAUL) подключаются не непосредственно к входному порту, а к блоку коммутации линий наблюдения (LAUX).

[2]   Визуализация любого объёма зарегистрированной информации может быть выполнена в режиме работы ЦРК, который можно условно назвать «Воспроизведение».

Э.С. Шестаков, М.Д. Шелехова

СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНАЯ РЕГИСТРИРУЮЩАЯ
АППАРАТУРА

Учебное пособие
для студентов геологических факультетов,
обучающихся по специальности 020 302 «Геофизика»

 

Издательский центр «Наука»

Саратов – 2012

 

УДК 550.8.053:519

ББК 26.2

ББК 26.21

Ш51

 

 

12345678Следующая ⇒

Поделиться: