Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы методов аналого-цифрового преобразования, применяемых в сейсморегистрирующих системах ... 14
1.1. Структура сейсморегистрирующего канала. Основные требования к его элементам 14
1.2. Импульсно-кодовая модуляция 21
1.2.1. Дискретизация по времени 21
1.2.2. Квантование по уровню и кодирование 28
1.3. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция 31
1.3.1. Предсказание сигнала и характеристики некоторых специфических искажений в преобразователе ДИКМ 35
1.4. Дельта-модуляция 40
1.5. Сигма-дельта модуляция 47
1.6. Адаптивная дельта-модуляция 53
Глава 2. Новые способ и устройства аналого-цифрового преобразования для сейсморегистрирующих приборов 62
2.1. Комбинированный способ и устройства
преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид 62
2.2. Мультиканальный аналого-цифровой преобразователь с использованием дельта-модулятора с аналоговым интегрированием . 79
2.3. Мультиканальный дельта-модулятор с цифровой схемой интегрирования 85
2.4. Адаптивный дельта-модулятор с цифровым интегратором... 95
2.5. Адаптивный дельта-модулятор с управляемой аналоговой схемой интегрирования 101
2.6. Сравнительный анализ аналого-цифровых преобразователей для сейсморегистрирующей аппаратуры 116
Глава 3. Новые способ и аппаратура для оперативного сейсмического мониторинга 122
3.1. Способ оперативного сейсмического мониторинга 123
3.2. Универсальный сейсморегистрирующий прибор «Регистр» для сейсмического мониторинга 135
3.2.1. Блок Time - временная привязка регистратора сейсмических сигналов «Регистр» 147
3.2.2. Работа регистратора сейсмических сигналов «Регистр» в режиме обмена данными с компьютером PC... 156
Глава 4. Переносная сейсмическая станция «Синус» с цифровой коррекцией смещения нуля 166
4.1. Структура и работа основных модулей сейсмической станции «Синус» 169
4.2. Модуль управления сейсмической станции 171
4.3. Модуль АЦП сейсмической станции. Цифровая коррекция смещения нуля в модуле АЦП 178
4.4. Модуль усилителей сейсмической станции 187
4.4.1. Входной инструментальный усилитель 188
4.4.2. Режекторный фильтр 195
4.4.3. Фильтры высокой и низкой частоты 203
4.5. Обобщенные технические характеристики сейсмических станций «Синус». Сравнительный анализ некоторых анало гичных типов сейсморегистрирующей аппаратуры зарубежного и отечественного производства 212
Глава 5. Некоторые результаты опытно-методических и производ ственных работ, проведенных с использованием сейсмических станций «Синус» и регистраторов сейсмических сигналов «Регистр»... 221
5.1. Опытно-методические работы. «Полевые наблюдения МПВ с 24-канальной сейсмической станцией «Синус—24М». Результаты обработки МПВ» 222
5.2. Опытно-методические работы. «Проведение сейсмических исследований в комплексе с магниторазведкой, направленных на выявление кварц-флюоритовых жил на Суранском флюори-товом месторождении (Башкортостан) с целью определения возможностей данного комплекса при поисках месторождений аналогичного типа». 233
5.2.1. Общие сведения о месторождении 233
5.2.2. Краткая геологическая характеристика месторождения 23 5
5.2.3. Сейсмические исследования МПВ 238
5.2.4. Сопоставление результатов сейсморазведки МПВ
и магнитометрии 245
5.3. Научно-исследовательские работы. «Инструментальный сейсмический мониторинг остекленной крыши здания рези денции Губернатора Свердловской области» 249
5.3.1. Аппаратные и программные средства, использованные при проведении работ 250
5.3.2. Методика проведения полевых измерений 251
5.3.3. Общий качественный анализ сейсмограмм 255
5.3.4. Максимальные смещения на плоскостях и
ребрах пирамиды 259
5.3.5. Амплитудно-частотные спектры сигналов,
регистрируемых на элементах пирамиды при
активных и пассивных измерениях 264
5.3.6. Выводы 270
Заключение 274
Список литературы
- Квантование по уровню и кодирование
- Мультиканальный аналого-цифровой преобразователь с использованием дельта-модулятора с аналоговым интегрированием
- Универсальный сейсморегистрирующий прибор «Регистр» для сейсмического мониторинга
- Обобщенные технические характеристики сейсмических станций «Синус». Сравнительный анализ некоторых анало гичных типов сейсморегистрирующей аппаратуры зарубежного и отечественного производства
Введение к работе
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 опера-
тивно 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.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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 (Z, X, Y) с последующей регистрацией результата вычисления в точке измерения за некоторый заранее установленный интервал времени (времен-
ное 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 SH. 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 16-18Ахч.
Защищаемые положения
1. Новый способ преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой вид, отличающийся тем, что за счет комбинации традиционных методов модуляции повышается точность преобразования при малых уровнях входных сигналов, уменьшаются или полностью устраняются искажения полезной информации при передаче ее в блок сохранения, обеспечивается адекватность входных и выходных данных, что позволяет повысить детальность обработки и интерпретации сейсмической информации и в конечном счете повышает достоверность геофизических материалов.
-
Новый способ оперативного сейсмического мониторинга и регистратор сейсмических сигналов, реализующий данный способ, в основе которых лежит алгоритм вычисления энергии одной или нескольких компонент измеренного сейсмического сигнала с последующей регистрацией результатов вычислений в точке наблюдения. В отличие от традиционного сейсмического мониторинга, при площадных работах за счет многократного снижения плотности информационного потока способ обеспечивает оперативную качественную оценку изменения динамики поведения одной или нескольких компонент сейсмического поля практически в реальном времени. За счет введенного в регистратор нового комбинированного АЦП обеспечивается дополнительное снижение плотности потока выходных данных, расширение динамического диапазона измеряемых сигналов и точность их представления в цифровом виде, в результате чего повышается достоверность кинематической и динамической обработки и дальнейшей интерпретации сейсмограмм.
-
Серия новых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для сейсморе-гистрирующей аппаратуры на основе комбинации импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) и дельта-модуляции (ДМ), отличающаяся от известных организацией мультиканального режима при измерениях относительных величин выборок входного сигнала; введением оригинальных узлов адаптации, обеспечивающих расширение динамического диапазона преобразования; снижением плотности информационного потока на выходе по меньшей мере на 25%; повышением точности преобразования на экстремумах входного сигнала.
-
Накопительная сейсмическая станция с новым алгоритмом цифровой коррекции смещения нуля. Реализованный алгоритм вычисления и введения поправки смещения нуля в каждую сейсмическую трассу станции отличается простотой, минимальными затратами вычислительных мощностей, малым временем выполнения операции, не влияющим на производительность работ. В результате практически полностью устраняются такие факторы, как температурный дрейф нуля и смещение нуля сейсмической трассы, искажающие информацию при выполнении операции многократных синхронных суммирований входных сигналов. Сравнительный анализ с известными мировыми образцами аппаратуры данного класса по пунктам «экономичность» и «компактность» показал превосходство разработанной станции, а широкий рабочий температурный диапазон позволил реально использовать ее практически в любых климатических зонах без каких-либо дополнительных условий кондиционирования.
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 РАН; на 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.
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 РАН; производственные работы МПВ на территории г. Сухой Лог и в пригороде г. Камышлов (Свердловская область): обследование автодорожного полотна; площадные мониторинговые наблюдения по проекту МНТЦ KR-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 Ар-каим (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. Сыктывкар; ФГУГП «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. Екатеринбург; ООО «Геостройком», г. Москва; «Уральская государственная горно-геологическая академия», г. Екатеринбург (аппаратура передана для использования в учебном процессе); 000 «Техноуголь», г. Владивосток и др.
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 или нескольких компонент сейсмического сигнала, вычисления энергии сигнала соответствующей 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 RU №2248592.
Неоценимую помощь при разработке, создании и внедрении способов и аппаратуры для сейсмометрических исследований, изложенных в настоящей работе, оказала автору высококвалифицированный программист, научный сотрудник лаборатории сейсмометрии Татьяна Егоровна Сенина.
Автор выражает глубокую признательность Директору Института Геофизики УрО РАН член-корреспонденту РАН, д.ф-м.н., профессору Петру Сергеевичу Мартышко за оказание помощи в исследованиях, организации НИР и производственных работ, обеспечивающих подтверждение и научную значимость настоящих исследований; Советнику РАН, Главному научному сотруднику ИГф УрО РАН, член-корреспонденту РАН, д.т.н., профессору, Владимиру Ивановичу Уткину, Заместителю директора по науке ИГф УрО РАН, доктору физико-математических наук Виктору Тихоновичу Беликову за ценные указания, разъяснения и консультации по ряду вопросов, возникавших в процессе работы над диссертацией; Главному научному сотруднику ИГф УрО РАН, доктору геолого-минералогических наук Азе Григорьевне Дьяконовой, Главному научному сотруднику ИГф УрО РАН, доктору технических наук Александру Ивановичу Человечкову за полезное сотрудничество в процессе работы над диссертацией, участие в обсуждении возникающих проблем прикладного характера.
Автор благодарит сотрудников лаборатории сейсмометрии Института геофизики ведущего научного сотрудника, кандидата геолого-минералогических наук Владимира Степановича Дружинина, старшего научного сотрудника Па-рыгина Геннадия Ивановича, старшего научного сотрудника Гуляева Александра Николаевича, инженера Владимира Михайловича Сень, водителя спецавтомобиля Сергея Александровича Колясникова, зам. директора ИГф, кандидата геолого-минералогических наук Виктора Сергеевича Иванченко, зав. лаборатории - обсерватории «Арти», кандидата геолого-минералогических наук Олега Александровича Кусонского, старшего научного сотрудника лаборатории региональной геофизики, к. ф-м. н. Аркадия Васильевича Овчаренко за поддержку, творческое участие в решении ряда вопросов, оказание помощи в организации и проведении полевых работ.
Квантование по уровню и кодирование
Для визуализации регистрируемой информации применяется жидкокристаллический или плазменный дисплей. Управление работой всех элементов канала осуществляется либо централизованно, например, с использованием полевого варианта микро-РС, либо с помощью мультиконтроллерной системы.
Блок управления связан с панелью оператора через интерфейсный модуль, обеспечивающий наиболее продуктивный диалоговый режим работы.
В связи с тем, что минимальные измеряемые смещения почвы обычно не превышают 10" мкм [23], входные усилительные каскады сейсморегистрирую-щего канала должны обеспечивать усиление, достаточное для устойчивой работы последующих блоков, в частности, блока фильтров и АЦП. Для снижения электромагнитных помех, неизбежно наводящихся на длинный сейсмический кабель, а также влияния импульсных просадок по питанию входной усилитель обязательно должен выполняться по схеме дифференциального. При этом его входное сопротивление должно быть согласовано с выходным сопротивлением сейсмического датчика, т. е. R-вход Кддтчик во всем диапазоне регистрируемых частот.
Функция регулируемого усилителя заключается в согласовании уровней входных сигналов с динамическим диапазоном АЦП. Установленный коэффициент усиления должен обеспечивать работу всех последующих блоков схемы с минимальными искажениями типа смещения нуля, перегрузки по амплитуде и т. п.
Основное назначение блока фильтров - частотная селекция, обеспечивающая подавление сигналов, лежащих за пределами выбранной для регистрации полосы частот. Отчасти селекция осуществляется сейсмическим датчиком, так как практически невозможно сделать такой электродинамический сейсмо-приемник, который одинаково усиливал бы гармонические колебания любой частоты.
В случаях, когда ФНЧ, входящий в состав блока фильтров, используется одновременно в качестве антиаляйсинг фильтра, к нему предъявляются повышенные требования. В частности, подавление сигналов в полосе непропускания для такого фильтра должно быть не менее 12 дБ/окт (оптимально 20...40 дБ/окт). Что касается аналогового режекторного фильтра промышленных помех, то он необходим только в высокочастотной сейсморегистрирующей аппаратуре, для которой диапазон исследуемых сигналов включает частоты 50 или 60 Гц. Подавление на этих частотах должно быть не менее 30 дБ. Обычно предусматривается возможность отключения функции режекции. В аппаратуре, предназначенной для регистрации относительно низкочастотных колебаний, режекторный фильтр промышленных помех не устанавливается, поскольку диапазон регистрируемых частот обычно не превышает 30.. .40 Гц.
Так как частотные спектры полезных волн и волн-помех никогда заранее не бывают точно известны, то выбор АЧХ канала по большей части осуществляется опытным путем на основании результатов предварительных измерений, проведенных на участке планируемых работ, вследствие чего должна быть предусмотрена регулировка АЧХ каждого сейсмического канала.
Современная сейсморегистрирующая аппаратура почти всегда является многоканальной. Корреляция волн в сейсмических записях осуществляется на основании сопоставления различий и сходства колебаний, зарегистрированных на трассах. В связи с этим различные каналы должны быть идентичны, т. е. в одинаковой степени усиливать сигналы, одинаковым образом изменять их форму и задерживать регистрируемые сигналы на одно и то же время. Тогда все различия, наблюдаемые на сейсмограмме, будут объясняться изменениями амплитуды и формы сигналов, связанными с условиями образования и распространения волн.
Требование, предъявляемое к идентичности каналов, может быть сформулировано следующим образом. При идентичных входных сигналах амплитуды записей на различных каналах не должны отличаться более, чем на ± 2%, а сдвиги фаз по любому экстремуму - не более, чем на ± 0,05 ТВид (Твид - видимый период).
Основными требованиями, предъявляемыми к АЦП, являются максимальное быстродействие, разрешение, диапазон преобразуемых в цифровой вид сигналов и минимально возможная плотность цифрового потока данных на выходе.
Дисковый накопитель, независимо от его технической реализации, должен иметь емкость, достаточную для решения задач, стоящих перед данным типом сейсморегистрирующей аппаратуры. Например, в сейсмостанции, применяемой для инженерных исследований, минимальный объем дисковой памяти должен составлять 4...6 Мбайт; в 3-компонентном сейсмологическом регистраторе, предназначенном для длительных автономных наблюдений (регистрация реального сигнала) - 30.. .40 Мбайт.
Для полноценного представления текстовой и графической информации в сейсмической станции должен применяться дисплей с минимальным разрешением 320x240 пикселей (quarter VGA).
К управляющему контроллеру предъявляются стандартные требования: максимальное быстродействие, обеспечивающее функционирование всех узлов аппаратуры в реальном или близком к реальному времени, и минимальное энергопотребление.
Поскольку сейсморегистрирующий канал, как правило, является составной частью полевой аппаратуры, нередко условия его эксплуатации близки к экстремальным. Из этого следует, что все элементы структурной схемы должны сохранять свои технические характеристики в широком диапазоне изменения климатических условий (температура, давление, влажность и т. п.), напряжения питания, а также обладать достаточной виброустойчивостью и минимально возможным энергопотреблением.
Известно, что одним из наиболее значимых элементов структуры современной цифровой измерительной аппаратуры, в том числе и сейсморегистрирующей, является блок АЦП, определяющий в конечном итоге степень соответствия сигналов, восстановленных из цифрового массива данных, аналоговым сигналам, присутствующим на входе измерительного прибора. Поэтому остановимся на данном вопросе более подробно.
Мультиканальный аналого-цифровой преобразователь с использованием дельта-модулятора с аналоговым интегрированием
Из соотношения (2.4) следует, что напряжение на выходе ФНЧ тем точнее повторяет входное напряжение, чем больше Кус усилителя Мб. Так как выходное напряжение ЦАП может принимать только дискретные значения, т. е. почти никогда точно не совпадает с напряжением входного сигнала, то процесс преобразования протекает таким образом, что входной сигнал и сигнал на выходе ФНЧ совпадают в среднем, причем функцию усреднения выполняет собственно ФНЧ М4.
В результате на выходе фильтра М4 появляется восстановленный из цифрового кода исходный аналоговый сигнал с наложенной высокочастотной составляющей, амплитуда которой зависит от соотношения частоты дискретизации frAKT и частоты среза ФНЧ fCp. Количественно уменьшение высокочастотных составляющих при увеличении соотношения ітАКт/fcp определяется способностью ФНЧ подавлять высокочастотные составляющие сигнала. Хорошо их подавляют фильтры высокого порядка, однако они вносят большой фазовый сдвиг на высоких частотах, что при увеличении коэффициента усиления КУС усилителя Мб может привести к самовозбуждению устройства преобразования на этих частотах. Поэтому не следует использовать фильтры выше второго порядка, а лучше ограничиться ФНЧ первого порядка. В этом случае при увеличении соотношения ітлкт/fcp уровень высокочастотных составляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличении коэффициента усиления Кус усилителя Мб прямо пропорционально увеличивать точность преобразования малых изменений входного сигнала, т. е. повышать разрешающую способность преобразования. Кроме того, снижение уровня высокочастотных составляющих ведет к снижению шума квантования.
Значение Кус выбирается максимально большим, но обеспечивающим устойчивую работу цифрового преобразователя, причем Кус может быть тем больше, чем больше отношение fxAKT/fcp Учитывая выше изложенное, можно оценить выигрыш от использования комбинированного способа преобразования. Например, если fiAKi /fcp — 2, то это эквивалентно повышению разрешающей способности преобразования в 2 раза, т. е. соответствует прибавлению одного разряда преобразования по отношению к методу ИКМ. Соотношение же ГЛКТ/ҐСР = 64 эквивалентно добавлению сразу шести разрядов и т. д.
Поднять отношение ґтлкт/ґср можно двумя способами: либо увеличивая тактовую частоту, либо уменьшая частоту среза фильтра. Для практического использования этих рекомендаций необходимо хорошо представлять ограничения, накладываемые как на возможность увеличения Гтлкъ так и на возможность снижения fCP.
Известно, что при использовании ИКМ частота дискретизации глкт должна в два или более раз превышать частоту преобразуемого сигнала, что следует из теоремы Котельникова. Для уменьшения плотности выходного цифрового информационного потока обычно стремятся выбирать ітлкт как можно ниже, т. е. берут ее в 2 раза выше верхней частоты спектра сигнала. Если необходимо иметь частоту ІТАКТ минимально возможной, то улучшить качество преобразования можно, снижая частоту fCp. При этом появляется возможность увеличить Кус и за счет обратной связи компенсировать частотные искажения, так как, согласно формуле (2.4), напряжение на выходе ФНЧ тем точнее будет повторять входное напряжение, чем больше величина Кус-Однако максимальный уровень сигнала на выходе ФНЧ, а значит, и устройства преобразования будет в этом случае зависеть от частоты. Чем выше частота сигнала по сравнению с fcp, тем меньше максимальный уровень выходного сигнала устройства преобразования, что видно из соотношения (2.4). Действительно, с учетом формулы (2.3) ицдп - [(UBX - Щ/Кус + ивх]/КФ, (2.5) откуда следует, что напряжение сигнала на выходе ЦАП будет увеличиваться обратно пропорционально уменьшению Кф. Но так как напряжение на выходе ПАП повторяет напряжение на входе АЦП, то преобразование сигнала с частотой выше fCp в ФНЧ будет происходить с усилением, обратно пропорциональным Кф, т. е. с подъемом высших частот, и поэтому на этих частотах раньше будет достигаться максимальный уровень преобразования. Это означает, что частоту среза ФНЧ в данном случае следует выбирать не в соответствии с верхней частотой сигнала, а в соответствии со спектральной плотностью. Например, если использовать данные, приведенные в [11] для звуковых сигналов в диапазоне 10 кГц, что соответствует высокочастотной области сейсмических сигналов, то максимальная мощность снижается до 6 дБ/окт, начиная с частоты 2 ... 4 кГц. Поэтому, если в устройстве использовать ФНЧ первого порядка с частотой fCp = 2 ... 4 кГц, то хотя преобразование будет идти с подъемом частот выше 2 ... 4 кГц по уровню 6 дБ на октаву, это не будет вызывать перегрузки на высших частотах, но позволит существенно улучшить качество преобразования. Рассмотрим аппаратную реализацию комбинированного способа аналого-цифрового преобразования. Прежде всего, зададимся исходными характеристиками преобразователя, которые будут удовлетворять условиям обработки входного гармонического сигнала, близкого по своим параметрам к стандартному сейсмическому в высокочастотной сейсморазведке:
Частотный диапазон изменения входных сигналов 5-Ю4 Гц. Тогда, в соответствии с теоремой Котельникова, минимальное значение fTaicr. = 20 кГц. Чтобы иметь возможность анализа работы схемы, необходимо предусмотреть генератор с перестраиваемой тактовой частотой в диапазоне 20 ... 200 кГц.
Динамический диапазон изменения входных сигналов 80 дБ при минимально возможном коэффициенте гармонических искажений. В данном случае требуется интегральный АЦП среднего быстродействия, например, поразрядного уравновешивания, с отношением сигнал/шум порядка 70 дБ, т. е. имеющий не менее 12 разрядов преобразования, и соответствующий ему ЦАП. Для реализации указанных требований по своим скоростным и статическим параметрам подходят микросхемы АЦП - AD7892-1 [52], ЦАП - AD7392 [68].
Означенные частотный и динамический диапазоны работы преобразователя позволяют в остальных блоках устройства использовать цифровые микросхемы серии 74АС [53] и аналоговые операционные усилители ОР177,[77].
На рис. 2.2 приведена принципиальная электрическая схема устройства, сконструированного с учетом изложенных выше требований. Аналоговый сигнал поступает на ФНЧ второго порядка с частотой среза около 15 кГц, предназначенный для ограничения спектра входных сигналов. С выхода ФНЧ, выполненного на операционном усилителе D1, сигнал поступает на один из входов сумматора D2. Выходной сигнал последнего никогда не превышает значения напряжения, допустимого для преобразования 12-разрядного АЦП, выполненного на микросхеме D4. На вход АЦП D4 сигнал поступает с выхода сумматора D2.
Универсальный сейсморегистрирующий прибор «Регистр» для сейсмического мониторинга
Вместе с тем, в ряде случаев при проведении мониторинговых наблюдений нет необходимости использовать полную сейсмическую информацию, особенно, если приоритетной является задача оперативного контроля временных изменений активности сейсмического поля исследуемого участка, например, наблюдения за производством карьерных взрывов, в частности, если карьер расположен на недостаточном расстоянии от жилых или промышленных сооружений. В таких случаях достаточно осуществлять оперативную качественную оценку развития сейсмодинамических процессов, т. е. временное картирование изменения энергии сейсмического поля в точках регистрации с дальнейшей интерполяцией градиентов энергии между точками. Естественно, составление подобных карт возможно лишь с использованием компьютерных технологий. На аппаратном уровне для решения данной задачи не требуется регистрация реального сейсмического сигнала. Достаточно вычислять и фиксировать величину энергии сигнала, измеренного по одной или нескольким компонентам, что значительно уменьшает плотность цифрового потока данных на выходе, упрощает структуру регистрирующего устройства, снижает стоимость сейсморегистрирующей мониторинговой системы в целом.
Разработанный способ сейсмического мониторинга [60] основан на использовании принципа пропорциональности регистрируемых в течение фиксированного интервала времени, сейсмических сигналов какой-либо компоненты энергии сейсмического поля данной компоненты в точке приема. Конечно, в результате примененного преобразования теряется детальность исследований, однако в ряде случаев эта потеря с избытком восполняется оперативностью качественной оценки временных изменений структуры сейсмического поля.
В методе используется известная теорема Релея [2, 54], которая формулируется следующим образом: если дана какая-либо функция F(t) и известен ее амплитудно-частотный спектр Ф(со)
По аналогии можно считать интеграл, определяемый выражением (3.4) при любом физическом значении импульса F(t) мерой его энергии. Таким образом, интеграл, стоящий в левой части выражения (3.1), представляет собой энергию импульса F(t), а интеграл в правой части — очевидно, площадь, ограниченную осью абсцисс и кривой квадрата амплитудно-частотного спектра.
Рассмотрим операцию вычисления энергии Z-компоненты сейсмической волны в точке измерения на следующем примере. Рис.3.За иллюстрирует сейсмограмму события от импульсного воздействия, где Ті и Тз - время, в течение которого регистрировались фоновые значения сигнала, аТ2- собственно импульсное воздействие с затуханием до уровня фона. Из преобразований теоремы Релея понятно, что для прямой регистрации энергии сейсмических сигналов достаточно предусмотреть операцию вычисления площади кривой, которая в цифровой регистрирующей системе осуществляется простым суммированием выборок, т. е., зная величину выборки Uj в каждый момент времени tj, в нашем случае определенного периодом дискретизации, можно рассчитать энергию для всей сейсмограммы, что является суммарной площадью положительных и отрицательных полуволн сигнала.
Однако если рассчитывать энергию для всей сейсмограммы, получим некоторое значение, не отражающее поведение сигнала. Очевидно, следует производить вычисление энергии в некотором окне, позволяющем отобразить изменения энергетических уровней адекватно изменениям сигнала на исходной сейсмограмме. Опыт показал, что оптимальным является окно (интервал суммирования), длительность которого составляет 3 — 10 видимых периодов начальной фазы волны (Ts на рис.3 .За), возникающей при импульсном воздействии. С другой стороны, окно не должно превышать время от момента возникновения волны до ее затухания (интервал Т2).
В первом случае расчетное окно вмещало 10 видимых периодов Ts, во втором - 5. Расчет энергии внутри каждого окна производился по формуле EWiN = KAT(u1 + U2 I+...+ UN), (3.7) с учетом формата представления цифровых данных, где К - некоторый эмпирический коэффициент пропорциональности; AT - шаг дискретизации; Uj, U2, ..., UN - абсолютные значения амплитуд выборок сигнала внутри окна WEST. Поскольку К и AT являются константами и задаются как параметры для цикла наблюдений, операция вычисления энергии сводится к простейшей процедуре суммирования выборок, с которой легко справится в режиме реального времени практически любой современный микромощный контроллер.
Таким образом, алгоритм описанной версии сейсмического мониторинга будет выглядеть, как показано на рис. 3.4, где дополнительная операция вычисления энергии EWIN включается между операцией приема и аналого-цифрового преобразования (In/ADC) и процедурой записи и временного хранения данных (RAM). Результаты вычисления, т. е. выборки энергии, рассчитанные по формуле (3.7) В СООТВеТСТВИИ С установленным ОКНОМ TWiN: EWINI, согласно приведенному алгоритму, временно сохраняются в памяти (до момента передачи данных в пункт сбора и обработки).
На рис.3.5 приведен пример гистограмм энергии Z-компоненты сейсмического сигнала в пяти точках наблюдения, равномерно распределенных по площади 3-го этажа здания Института геофизики. Измерения сейсмических сигналов проводились синхронно с помощью пяти 1-канальных регистраторов «Регистр-1К», разработанных автором (частотный диапазон 32 Гц), а вычисления энергии и запись результатов в каждой точке наблюдения осуществлялась в окне суммирования 0,5 секунд. Время непрерывной записи составляло около 48 часов. На всех гистограммах хорошо отличаются по интенсивности дневные (более активные) и ночные периоды.
Обобщенные технические характеристики сейсмических станций «Синус». Сравнительный анализ некоторых анало гичных типов сейсморегистрирующей аппаратуры зарубежного и отечественного производства
Переносные сейсмические станции — это особый класс сейсморегистри-рующей аппаратуры, предназначенной для изучения структурных особенностей верхней части геологической среды. Глубина исследований обычно не превышает первых десятков метров. Очень важные характеристики для такого рода станций - экономичность, компактность, стабильность работы в широком диапазоне изменения температур, устойчивость к механическим воздействиям. Обязательными условиями являются наличие графического (матричного) дисплея для визуальной оценки качества регистрируемой информации и удобного клавиатурного интерфейса, обеспечивающего работу в диалоговом режиме.
Большинство современных модификаций переносных сейсмических станций включают, по меньшей мере, два блока: блок предварительной аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования входных сигналов, а также блок предварительной цифровой обработки и накопления данных. При этом второй блок - персональный компьютер типа Notebook, подключенный к первому через какой-либо стандартный порт ввода-вывода. Почему полиблочная структура станций нашла сегодня широкое распространение среди разработчиков и производителей, понять нетрудно. Во-первых, отпадает необходимость разработки и изготовления цифровой части сейсмостанции, во-вторых, программу обработки и управления легко написать на языке высокого уровня, причем можно оптимально сконструировать пользовательский интерфейс, обладающий высоким уровнем сервисности.
Вместе с тем, за относительно невысокие затраты на ОКР (опытно-конструкторские работы) и изготовление полиблочной переносной сейсмической станции впоследствии расплачивается пользователь. Прежде всего, станция перестает быть экономичной и компактной, превращаясь из носимой в транспортируемую на автомобиле. Вследствие этого применение станции огра 167 ничивается проходимостью автомобиля, т. е. в труднодоступных участках местности исследования проводить практически невозможно.
Использование Notebook в составе полевой аппаратуры подразумевает, что компьютер должен быть выполнен, по меньшей мере, в варианте Industrial, а лучше Military (прочный дюралюминиевый корпус, устойчивость к вибрациям и механическим воздействиям, расширенный рабочий диапазон температур и т. п.). Однако стоимость таких модификаций Notebook в несколько раз превышает стоимость коммерческой версии компьютера. По этой причине пользователь, как правило, предпочитает именно коммерческий вариант, заведомо ограничивая возможности станции. Например, в зимнее время работать с такой аппаратурой нельзя.
Справедливости ради, следует отметить, что некоторые фирмы - производители продолжают выпускать моноблочные варианты сейсмостанций [80, 87] с использованием в качестве системы управления и цифровой обработки встроенную модель micro-PC, обычно на базе процессоров 486DX или Р-133 [80]. Однако даже в этом случае станция имеет высокое энергопотребление (более 35 Вт) и значительные массогабаритные параметры (вместе с источником питания масса может достигать нескольких десятков кг). Такие характеристики приводят к снижению производительности работ и увеличению затрат.
Вместе с тем, одним из самых перспективных направлений, активно развиваемых общеизвестными корпорациями Motorola, Atmel, Microchip и т. д., являются 8-, 16-разрядные микроконтроллеры общего назначения. Они представляют собой мощный инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных многоцелевых систем. Это направление резко активизировалось в 1994 г., когда норвежские изобретатели Альф Боген и Вегард Воллен предложили корпорации Atmel идею создания нового RISC-ядра, на базе которого был разработан 8-разрядный микроконтроллер AVR, впервые снабженный Flash-памятью программ на кристалле.
Сегодня архитектура Flash-микроконтроллеров AVR 8-bit RISC является одной из самых удачных на мировом рынке микроконтроллеров. Наличие трех типов памяти на кристалле, высокая производительность, низкое энергопотребление, отличная адаптивность к языкам программирования высокого уровня (C/C++), разнообразные периферийные модули, широкий диапазон напряжений питания и совместимость кристаллов семейства «снизу вверх» снискали заслуженное уважение и авторитет во всем мире.
Семейство микроконтроллеров AVR укомплектовано полноценным, профессиональным и доступным набором средств поддержки разработок - как аппаратных, так и программных. Объемы производства и продаж AVR постоянно увеличиваются, это является гарантией их развития и соответствия мировым требованиям, предъявляемым к современным микроконтроллерам.
Используя микроконтроллер AVR класса mega в системе управления переносной сейсмической станции, можно добиться результатов не хуже, чем с применением micro-PC, но при этом система будет значительно экономичнее и компактнее. Именно этот путь был выбран при разработке сейсморегистри-рующей системы «Синус» [42, 43, 45].
Ориентируясь на соотношение «цена - производительность - энергопотребление», подходящим для применения в переносной сейсмостанции является микроконтроллер AVR ATmega8515, производства корпорации Atmel [74]. Контроллер имеет Flash-память программ объемом 8 Кбайт, ОЗУ объемом 512 байт (с возможностью расширения до 64 Кбайт), EEPROM-память данных объемом 512 байт, максимальное число линий ввода/вывода - 35, к каждой из которых можно программно подключить внутренний «подтягивающий» резистор. Кроме того, контроллер содержит полнодуплексный универсальный синхронный/асинхронный приемопередатчик USART и последовательный синхронный интерфейс SPI, обеспечивающий внутрисистемное программирование микросхемы. Важной характеристикой, касающейся всех контроллеров семейства AVR, является то, что большинство команд выполняется за один машинный цикл, равный одному периоду частоты тактового генератора.
К настоящему времени проработана техническая документация, отлажены все узлы, изготовлены действующие экземпляры моноблочных сейсмиче 169 ских станций «Синус», которые успешно эксплуатируются в Приморском крае, Восточной и Западной Сибири, на Урале, в Московской области. Система унифицирована и при незначительных доработках легко трансформируется в 6-, 12-, 24- или 32-канальный вариант. При этом все основные технические характеристики, приведенные в таблице 4.6, сохраняются. Использование оригинальных методических и приборных разработок, а также тщательная проработка топологии печатных плат станции позволили получить многоканальный измерительный инструмент с чувствительностью 0,3 мкВ, т. е. на уровне собственных шумов лучших мировых образцов операционных усилителей.
Рассмотрим обобщенную структуру моноблочной сейсмической станции на примере ее 12-канального варианта (модификация «Синус-12М ).
На рис. 4.1 показана блок-схема такой сейсмостанции. Ядром ее является модуль управления. Система может обслуживать большее или меньшее число каналов, в зависимости от выбранной конфигурации. Схема включает собственно модуль управления (МУПр), модуль аналого-цифрового преобразователя (МАЦП), два идентичных модуля аналоговых усилителей (Мус), каждый из которых содержит 6 каналов и модуль питающих напряжений (МПит)- Кроме того, в состав станции входит плазменный дисплей фирмы Planar [77] или жидкокристаллический экран фирмы WinStar [88] (МдиСпл), обеспечивающий визуализацию данных с разрешением 320x240 пикселей (quarter VGA), и защищенная матричная клавиатура 4x4 фирмы Grayhill (Мкл) Всего система включает два контроллера AVR, один из которых расположен в модуле управления, другой -в модуле АЦП, причем первый всегда настроен как ведущий (master
