Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аппаратура приема и анализа вибросигналов 13
1.1. Краткий обзор развития вибросейсмической техники в свете задач диссертации 13
1.2. Сейсморазведочный коррелятор цк- 22
1.3. Приємно-анализирующая аппаратура для вибросейсмических исследований "береза" 25
1.4. Аппаратурно-программный комплекс КАРС-ВПЗ 32
1.5. Многоцелевые сейсмостанции трал-смв и лава-см 42 выводы 49
Глава 2. Теоретические аспекты вибросейсмических преобразований 50
2.1. Методы абсолютных измерений амплитуд вибросейсмических колебаний в дальней зоне по результатам их корреляционного накопления - 50
2.2. Сравнительная помехоустойчивость широкополосных и монохроматических сигналов 61
Выводы 72
Глава 3. Экспериментальные исследования в дальней зоне мощных виброисточников... 74
3.1. Оценка глубинности и дальности сейсмозондирования 100-тонным вибратором с получением импульсных сейсмограмм 74
3.2. Измерения абсолютных уровней вибросейсмических сигналов и шумов 79
33. Оценка дальности приема моночастотных колебаний и сравнение их помехоустойчивости со свип-сигналами 81
3.4. Сопоставление сейсмической эффективности мощных вибраторов и взрывов 85
3.5. Мониторинг в районе байкала. Оценка стабильности повторных виброзондирований. Технология адаптивных
Разверток частоты 89
Выводы 97
Глава 4. Исследование нелинейных явлений в ближней зоне виброисточников 99
Выводы
- Сейсморазведочный коррелятор цк-
- Аппаратурно-программный комплекс КАРС-ВПЗ
- Сравнительная помехоустойчивость широкополосных и монохроматических сигналов
- Оценка дальности приема моночастотных колебаний и сравнение их помехоустойчивости со свип-сигналами
Введение к работе
Объектом исследования настоящей работы является совокупность
разработок приемно-анализирующей вибросейсмической аппаратуры и
выполненных с применением этой аппаратуры и мощных вибраторов
натурных экспериментов, способствовавших становлению
вибросейсмического метода в новых областях его применения, таких как глубинные сейсмические исследования, активный мониторинг, исследования нелинейных сейсмических эффектов.
Актуальность темы. Взрывной метод сейсморазведки на нефть и газ, полвека занимавший монопольное положение в мире, с 70-х годов XX века стал постепенно отступать под влиянием таких преимуществ вибросейсмического метода, как более высокая точность геофизического эксперимента, более высокая производительность и экологическая безопасность, обусловленных применением управляемых источников и отсутствием буро-взрывных работ.
В процессе освоения вибрационной сейсморазведки в СССР в конце 70-х годов возникла существенная трудность, связанная с отсутствием полевого коррелятора, без которого профильные работы приходилось вести вслепую — оператор не мог оценить материал, пока тот не подвергся обработке на вычислительном центре. Создание такого прибора было исключительно актуальной задачей того времени.
Основанный на новейших научно-технических и технологических достижениях механики и радиоэлектроники, вибросейсмический метод привлек к себе внимание ученых-сейсмологов СССР, увидевших в нем новый инструмент изучения внутренних оболочек Земли, возможность его использования в сейсмологии для исследования очаговых зон и другие применения в планетарной геофизике, которые прежде могли выполняться лишь с помощью весьма мощных взрывов или землетрясений (А.В.Николаев, Е.В.Артюшков, И.С.Чичинин, П.А.Троицкий, И.Н.Галкин).
4 По их инициативе, активно поддержанной академиками А.С.Алексеевым, М.М.Лаврентьевым, В.А.Магницким, Г.И.Марчуком, М.А.Садовским, Е.И.Шемякиным, с середины 70-х годов в АН СССР была начата реализация большой научной программы "Вибрационное просвечивание Земли" (ВПЗ), участие в которой приняли несколько Институтов Сибирского отделения Академии наук. В рамках этой программы необходимо было создать сейсмические вибраторы, на порядок превосходящие по мощности существовавшие в тот момент сейсморазведочные, и оценить их предельно достижимые характеристики по дальнодействию и глубинности. Тем самым была поставлена задача на практике проверить справедливость выдвинутого научного прогноза относительно перспектив глубинности вибросейсмического метода. Однако для проведения таких экспериментов необходим был не только вибратор, но и соответствующая приемно-анализирующая аппаратура, реализующая современные достижения теории оптимального приема сигналов. Никакая известная в тот момент аппаратура, включая существовавшие в сейсморазведке цифровые сейсмостанции, не отвечала требованиям таких экспериментов. Поэтому создание специализированного приемно-анализирующего комплекса, обеспечивающего прием и накопление неограниченных по длительности вибросейсмических сигналов, лежащих значительно ниже уровня шумов, и, что крайне важно, работающего в реальном масштабе времени, было исключительно актуальной задачей. Столь же актуальной задачей было и проведение первых экспериментов с мощными вибраторами, результаты которых должны были дать не только фундаментальные научные знания, но и лечь в основу коррекции программы работ, повлиять в значительной степени на то, будут ли далее вкладываться государственные средства в совершенствование мощных вибраторов и развитие глубинных вибросейсмических исследований.
В дальнейшем при проектировании мощных вибраторов большую остроту приобрела проблема их энергетической эффективности, а точнее,
5 проблема повышения коэффициента преобразования механической энергии в энергию сейсмических волн. Это потребовало углубленного исследования физических процессов, протекающих в реальной геологической среде в ближней окрестности сейсмического вибратора. Оказалось, что эти процессы заметно отличаются от линейных, тогда как существующая теория вибрационного излучения сейсмических волн построена в рамках линейной гипотезы. Известные методы исследования нелинейных явлений давали недостаточно конкретной информации о физических причинах, приводящих к наблюдаемым нелинейным эффектам. Это сделало весьма актуальной задачу детального изучения нелинейных сейсмических явлений в ближней зоне работающего мощного вибратора, то есть в области интенсивных динамических нагрузок в рыхлой среде.
Таким образом, обозначенный круг задач, решаемых соискателем на различных этапах развития вибросейсмического метода, был или остается до настоящего времени исключительно актуальным.
Цель работы: создание аппаратурно-методических комплексов для практических и научных исследований, обеспечивающих повышение производительности работ при вибрационной сейсморазведке нефтяных месторождений, проведение испытаний и оценки предельно достижимых характеристик мощных низкочастотных вибраторов как нового экологически безопасного и более точного инструмента глубинных сейсмических исследований, проведение активного вибросейсмического мониторинга, изучение нелинейных сейсмических явлений в ближней зоне виброисточника.
Задачи исследований
1. Разработать цифровой экспресс-коррелятор для оперативного
контроля методики полевых работ и анализа качества первичных материалов
вибрационной сейсморазведки.
2. Разработать полевой комплекс приемно-анализирующей аппаратуры,
обеспечивающий энергетически оптимальный прием вибросейсмических
6 сигналов в реальном масштабе времени при практически неограниченной дальности от источника колебаний и неограниченной длительности накопления с получением коррелограмм свип-сигналов и спектрограмм монохроматических сигналов.
3. Экспериментально оценить реальные предельно достижимые технико-методические характеристики мощных низкочастотных вибраторов, такие как дальность, глубинность, стабильность излучения с точки зрения применения таких источников для глубинных сейсмических исследований и активного вибросейсмического мониторинга сейсмоопасных зон.
4. Разработать и испытать на реальном объекте аппаратуру и методику исследования нелинейных сейсмических эффектов как в динамически возмущенной среде, так и эффектов релаксации в состоянии последующего покоя.
Методы исследования и фактический материал
Исследования, выполненные в работе, опираются на теорию сигналов и систем, корреляционный и спектральный анализ, теорию вибросейсмического зондирования, численное моделирование и обширный полевой экспериментальный материал, полученный при участии соискателя с помощью мощных вибраторов и разработанной им аппаратуры.
В качестве фактического материала при работе над диссертацией использовались:
- результаты разработки полевого экспресс-коррелятора ЦК-2,
выполненной при участии соискателя как ведущего исполнителя;
- результаты разработок, выполненных под техническим руководством
и при непосредственном участии соискателя (приемно-анализирующая
аппаратура «Береза», апп арату рно-программный комплекс КАРС-ВПЗ,
сейсмологическая станция ТРАЛ-СМВ, многоцелевая сейсмостанция ЛАВА-
СМ);
7 - результаты экспериментальных исследовательских работ, выполненных при ведущем участии соискателя. Первые эксперименты по определению дальнодействия стационарного 100-тонного вибратора ЦВ-100 с использованием свип-сигналов были выполнены под руководством соискателя с помощью аппаратуры "Береза" в 1980 г. на трассах Новоснбирск-Барабинск (100, 170 и 286 км), Новосибирск-Семипалатинск (470 км). В последующие годы были зарегистрированы монохроматические сигналы на дальностях 700 км (Новосибирск - Аягуз, Казахстан) и 1000 км (Новосибирск - юг оз. Балхаш). Сравнительный эксперимент по сопоставлению сейсмической энергии вибратора и взрыва выполнялся совместно с НОМВИП в Алтайском крае и был повторен на Байкале. Непрерывный 2-недельный эксперимент по активному вибросейсмическому мониторингу суточных вариаций параметров* коровых и мантийных волн с базой источник-приемник 125 км был проведен в сейсмоактивном районе Байкальской рифтовой зоны с помощью разработанного в СКБ ПГ и смонтированного НОМВЭ вибратора ЦВО-100 и аппаратуры КАРС-ВПЗ . В экспериментах, связанных с регистрацией вибросигналов в дальней зоне, работу виброисточников - генераторов колебаний - обеспечивали Институт горного дела и СКБ Прикладной геофизики Сибирского отделения Академии наук, НОМВЭ-АСОМСЭ. Нелинейные эффекты и релаксация изучались с помощью 30-тонного дебалансного и высокочастотного пьезокерамического вибраторов, построенных в ИГФ, и аппаратурных комплексов ТРАЛ-СМВ и ЛАВА-CM на Быстровском вибросейсмическом полигоне. Защищаемые научные результаты
Разработка и внедрение в практику сейсморазведочных работ первого отечественного цифрового экспресс-коррелятора ЦК-2.
Разработка полевых аппаратурно-технических комплексов «Береза» и КАРС-ВПЗ, а также вибросейсмическая модификация на их основе регистрирующей аппаратуры «Тайга», обеспечивших повышение
8 эффективности и достоверности научного эксперимента по проблеме глубинных сейсмических исследований.
Результаты экспериментов по оценке метрологических и предельно достижимых характеристик созданных в СО АН СССР мощных вибраторов, экспериментальная оценка "тротилового эквивалента" 100-тонного вибратора.
Экспериментальное обнаружение и теоретическое объяснение различной помехоустойчивости монохроматических и широкополосных вибросейсмических сигналов.
Методика и аппаратурно-программная реализация адаптивных нелинейных разверток частоты в практике активного вибросейсмического мониторинга.
Корреляционно-стробоскопический метод и результаты изучения нелинейных сейсмических явлений в реальной среде.
Научная новизна работы. Личный вклад
1. Экспериментально доказано, что сейсмические волны, порожденные
вибрационными источниками 100-тонного класса, работающими с
разверткой частоты, могут быть зарегистрированы при накоплении не более
1 часа и обращены в форму импульсных сейсмограмм на удалениях до
300 км. В режиме генерации фиксированных частот колебания такого
вибратора могут быть выделены в течение 10-минутного спектрального
накопления до удалений около 1000 км. С помощыо процедур накопления
впервые измерены абсолютные уровни вибросигналов 100-тонного
вибратора на удалениях до 300 км, лежащие значительно ниже уровня
естественного сейсмического шума.
2. Экспериментально обнаружено и теоретическое обосновано
существенное превышение помехоустойчивости монохроматических
сигналов над широкополосными, причем с увеличением дальности это
различие возрастает.
С помощью сравнительного эксперимента дана оценка сейсмической энергии 100-тонного вибратора в виде его "тротилового эквивалента".
Разработан комплекс программно-технических средств и проведены испытания методики активного вибросейсмического мониторинга. Получены экспериментальные оценки предельно достижимой аппаратурной точности и стабильности повторных вибропросвечиваний. Достигнута повторяемость сеансов "возбуждение-прием", превышающая на 1,5-2 порядка известные по литературе данные. Применены на практике для повышения разрешающей способности близких по времени прихода волн и повышения производительности мониторинга адаптивные нелинейные развертки частоты.
Разработана аппаратурыо-программная технология синтеза адаптивных нелинейных разверток частоты зондирующих вибросигналов с учетом пространственного разноса между пунктами излучения и приема колебаний в сотни километров. Эта технология, реально обеспечивающая существенное повышение разрешающей способности вибрационных сейсмограмм по временам пробега и оптимизацию требуемого времени зондирования, была успешно апробирована на практике в процессе активного вибросейсмического мониторинга в Байкальской рифтовой зоне.
Предложен и реализован новый метод анализа динамической нелинейности упругой среды, названный корреляционно-стробоскопическим, который позволяет дифференцированно оценить реактивную и диссипативную компоненты нелинейной составляющей реакции среды на переменную пульсирующую нагрузку отдельно в каждой фазе внешнего возмущающего воздействия.
Практическая значимость работы.
1. Цифровыми корреляторами. ЦК-2 были оснащены
9 производственных сейсмопартий, впервые начавших освоение
вибросейсмической технологии, что существенно способствовало
ускорению внедрения вибрационного метода в нефтяную сейсморазведку
10
в СССР. Только в экспедиции № 2 объединения «Центргеофизика» за
1981-1982 г.г. с помощью коррелятора ЦК-2 было обработано около 30 тыс. коррелограмм, что позволило получить подтвержденный экономический эффект в сумме 170,5 тыс. руб.
2. Приемно-анализирующая аппаратура "Береза" позволила впервые в мировой практике получить в импульсной форме вполне пригодные для сейсмической интерпретации вибрационные сейсмограммы на удалениях около 300 км от виброисточника. Тем самым была экспериментально доказана практическая возможность возобновления с помощью вибраторов 100-тонного класса региональных работ методом глубинных сейсмических исследований, которые прежде могли выполняться только с помощью мощных взрывов и которые по причине экологической опасности были практически запрещены даже в условиях Сибири. В 1984 г. аппаратура "Береза" была передана в специально организованную научно-производственную Новосибирскую опытно-методическую партию (впоследствии экспедицию НОМВЭ), где успешно использовалась до середины 90-х годов как основной инструмент преобразования сигналов при отработке метода ГСЗ с использованием вибраторов.
3. Создание малой серии унифицированного блока прецизионной синхронизации виброисточников и регистрирующих систем (БСПГ) позволило в несколько раз повысить производительность полевых работ при их проведении методом вибро-ГСЗ благодаря тому, что с помощью этих устройств удалось применить для записи вибросигналов после незначительной модернизации серийную регистрирующую аппаратуру "Тайга", что существенно увеличило число одновременно регистрируемых пространственно разнесенных каналов, расширило фронт работ по освоению метода вибро-ГСЗ. Обработка (корреляция) виброграмм при этом выполнялась аппаратурой "Береза".
4. Приемно-анализирующая система КАРС-ВПЗ позволила впервые на практике провести вибросейсмический мониторинг суточных вариаций
скоростей и затухания сейсмических волн, рефрагированных в коре и верхней мантии Байкальской рифтовой зоны и оценить практически достижимую точность таких измерений. Уникальность этого эксперимента состоит в величине базы "источник-приемник" (125 км) и практически полной автоматизации процесса повторных зондирований (непрерывно, в течение 2 недель с интервалом 2 часа). В этих экспериментах были также впервые успешно применены разработанные соискателем программно-аппаратные решения повышения эффективности и разрешающей способности мониторинга на основе адаптивных нелинейных свип-сигналов. 5. Корреляционно-стробоскопический метод, предложенный и реализованный соискателем при разработке сейсмостанции ТРАЛ-СМВ, явился новым эффективным инструментом изучения нелинейных эффектов, основанным на совместном использовании мощных гармонических сейсмических воздействий (накачки) и геоакустического просвечивания среды.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы неоднократно детально рассматривались на межведомственных совещаниях Академии наук и заинтересованных отраслевых министерств СССР, представлялись на конкурсы фундаментальных и прикладных работ Сибирского отделения АН СССР, где были дважды удостоены Диплома 1 степени (1984 и 1986 гг.), а также докладывались на многочисленных Всесоюзных, Российских и Международных конференциях: «Вибросейсмические методы исследования», Новосибирск-1981; Гомель-1983; SEG-ЕАГО, Москва-1993; EUROPROBE-1997; Международная конференция, посвященная 90-летию Э.Э.Фотиади, Новосибирск-1997; Международный семинар «Распределенная обработка информации» Новосибирск-1998; Международный семинар "Акустика неоднородных сред", Новосибирск-2002; Международная конференция "Геодинамика и напряженное состояние недр Земли", Новосибирск-2003 и др
Благодарности. Решающее влияние на выбор научного направления автора оказали первопроходцы отечественного вибросейсмического метода -патриарх вибрационной сейсмики И.С. Чичинин и его многолетний соратник В.И. Юшин, тесное сотрудничество с которыми продолжается и до настоящего времени, за что автор приносит свои искренние благодарности.
Автор благодарен также своим коллегам по институту и дружественным организациям: А.П.Гурееву, Юн Ен Дину, В.В.Белинскому, В.С.Саввиных, Н.Ф.Сперанскому, В.М. Носову, И.С.РуссковоЙ, Г.Д. Метеревой, Г.В.Егорову, Ю.Л.Тани, А.Ю.Булгакову, В.В.Мишурову, Ю.В.Мкртумяну, В.Н.Астафьеву, И.В.Сапрыкину и многим другим исследователям, с которыми делились трудности и радости первых шагов в экспериментах с мощными вибраторами. Автор всегда будет помнить о безвременно ушедших из жизни своих коллегах Г.Г. Хачияне, М.А. Мокшанове, В.К. Сагайдачном.
Особую благодарность автор хотел бы выразить разработчикам мощных виброисточников, талантливым конструкторам Н.В.Макарюку, В.Н.Кашуну, В.В.Маньковскому, В.В.Ковалевскому, без самоотверженного труда которых были бы невозможны полученные результаты.
В течение длительного периода работы автор пользовался бескорыстной поддержкой и помощью руководителя фирмы «Сигнатек» В.А. Козлачкова и его сотрудников, разработки которых лежат в основе вычислительного ядра сейсмостанций ТРАЛ-СМВ и ЛАВА, за что автор выражает особую признательность.
В многолетней совместной работе с коллективами Геофизической службы и АСОМСЭ автор с благодарностью воспринимал компетентные мнения по решению различных проблем руководителей этих организаций -B.C. Селезнева, А.Ф. Еманова, В.М. Соловьева.
Автор благодарен академику С.В, Гольдину за неизменную поддержку работ по нелинейной сейсмике, плодотворные обсуждения проблем, замечания и ценные советы по дальнейшим исследованиям.
Сейсморазведочный коррелятор цк-
Ссйсморазвсдочный коррелятор ЦК-2 /70, 73/ В 1975 г. на Армавирском заводе испытательных машин был начат выпуск первых отечественных гидравлических вибраторов СВ5-150 /54/. Вибраторы стали поступать в производственные сейсмопартии, которые были оснащены аналоговыми сейсмостанциями /44/. Цифровые сейсмостанции еще не вышли из стадии разработки. Единственным путем проведения вибросейсмических работ была малоэффективная работа на профиле практически "вслепую" с последующей обработкой виброграмм на вычислительном центре. Чтобы выправить эту абсурдную для геофизика ситуацию, в 1977 году группой сотрудников лаборатории вибросейсмических методов НИИМоргеофизики НПО «Южморгео» (г. Краснодар) при непосредственном участии соискателя был разработан проект цифрового коррелятора /70, 73/, ориентированного на работу в реальном масштабе времени с аналоговой сейсмостанцией СМОВ-0-24, наиболее распространенной сейсмостанцией того времени, применявшейся также для регистрации вибросейсмических сигналов. В техническом задании на коррелятор учитывалась близкая перспектива появления цифровых сеисмостанций ССЦ-3, которые, однако, также не были приспособлены для экпресс-анализа виброграмм. Поэтому при разработке алгоритма и структурной схемы коррелятора предусматривалась возможность его использования с цифровыми станциями в многоканальном варианте. Общий вид коррелятора, встроенного в узел воспроизведения аналоговой сейсмостанции СМОВ-0-24 показан на Рис. 1.7.
Алгоритм коррелятора основан на двух конструктивных идеях. Первая -это последовательный способ перебора данных (для вычисления каждой точки коррелограммы виброграмма текущего канала воспроизводится полностью и перемножается с опорным каналом с соответствующей задержкой /27/). Вторая идея - это принцип так называемой корреляции Стильтьеса /36/, когда опорный канал квантуется на малое число уровней, а сейсмический - по двоично-порядковому закону, что обеспечивает высокий динамический диапазон.
Алгоритм вычисления корреляционной функции, положенный в основу работы коррелятора ЦК-2, позволяет значительно сократить объем оперативных запоминающих устройств (особенно при многоканальной корреляции) и сводит операции умножения выборок сейсмических сигналов на выборки опорного сигнала к более простым операциям сдвига и сложения. При этом в достаточной степени сохраняются все модуляционные характеристики сейсмических сигналов. Следует отметить, что теоретических работ, посвященных анализу точности коррелятора как согласованного фильтра в это время авторам обнаружить не удалось, а применимость известных исследований по статистической точности обычных корреляторов к задаче вибросейсмики казалась сомнительной.
Поэтому главным критерием оптимальности конструкции были отзывы геофизиков, работавших с вибрационныыми сейсмограммами. Таким методом "опроса общественности" разрядность коррелятора была оптимизирована. Были получены достаточно высокие динамические характеристики коррелятора, приближающиеся по своим параметрам к полноразрядной корреляции при аппаратурной экономичности, близкой к релейной корреляции.
Цифровыми корреляторами ЦК-2 были оснащены 9 производственных сейсмопартий, впервые начавших освоение вибросейсмической технологии, что существенно способствовало ускорению внедрения вибрационного метода в нефтяную сейсморазведку в СССР. Только в экспедиции № 2 объединения «Центргеофизика» за 1981-1982 г.г. с помощью коррелятора ЦК-2 было обработано около 30 тыс. коррелограмм, что позволило получить подтвержденный экономический эффект в сумме 170,5 тыс. руб.
Аппаратурно-программный комплекс КАРС-ВПЗ
Общие требования к приёмно-аиализирующей аппаратуре, предназначенной для активного вибросейсмического мониторинга. Существуют две различные концепции относительно методики проведения вибромониторинга сейсмоопасных зон (назовём их условно «сейсмологическая» и «сейсморазведочная»), каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. Эти концепции определяют структуры аппаратурно-технических средств для реализации вибромониторинга. «Сейсмологическая» концепция предполагает максимальное использование стандартной сети сейсмологических станций с включением первичной вибросейсмической информации в общий поток сейсмологических данных. Обработка информации производится в локальных и региональных центрах обработки. Достоинство этой концепции только одно: совмещение регистрирующих средств с сейсмологической сетью. Недостатков же гораздо больше: не всегда подходящий частотный и динамический диапазон, как правило, точечная (одноканальная) регистрация сигналов, непригодность для этой цели сейсмостанций, работающих в ждущем (пороговом) режиме и др.
На начальном этапе исследования предельно достижимых характеристик активного мониторинга мы выбрали вторую, так называемую «сейсморазведочную» концепцию. Она заключается в том, что регистрирующий комплекс должен быть мобильным, автономным, многоканальным, обеспечивающим предварительную обработку информации в реальном масштабе времени. Должна быть предусмотрена возможность оперативного изменения трасс просвечивания и, в случае необходимости, возможность сгущения сети наблюдений. Кроме того, необходимо учесть особенность вибросейсмического метода - необходимость жёсткой синхронизации работы излучающего и приёмного пунктов, в том числе и при отсутствии надёжной радиосвязи.
Проведению вибромониторинга, как правило, должно предшествовать детальное изучение глубинного строения среды вибросейсмическим методом. С учетом всех перечисленных требований был разработан аппаратурный комплекс КАРС-ВПЗ. На базе этого комплекса, имеющего ряд целевых модификаций, разработан макет аппаратуры, предназначенной для проведения наблюдений по методике активного вибросейсмического мониторинга на Южно-Байкальском прогностическом полигоне.
Комплекс включает в себя приёмно-анализирующую аппаратуру дальней зоны КАРС-Д и аппаратуру управления и контроля вибратора КАРС-М.
Назначение и основные функции. Приёмно-анализирующая аппаратура КАРС-Д является одним из компонентов комплекса аппаратуры для региональных исследований и вибрационного просвечивания Земли (КАРС-ВПЗ). Она предназначена для решения задач дальней регистрации (на расстояниях от десятков до сотен и тысяч километров от виброисточников) и оперативной обработки вибросейсмической информации. Модификация КАРС-Б приспособлена для измерения параметров ближней зоны виброисточников - измерение частотных характеристик системы «виброисточник-грунт» и волнового поля в непосредственной близости от виброисточника, регистрация других физических величин, связанных с процессом генерации колебаний. Аппаратная и программная совместимость приёмно-анализирующей аппаратуры КАРС-Д и Б) позволяет также осуществлять дистанционное управление электронным модулем виброисточника КАРС-М, что, кроме решения проблемы автоматизации процессов измерения и контроля, избавляет оператора излучающей системы от неблагоприятных вибрационных воздействий.
Ядром приёмно-анализирующей аппаратуры КАРС-Д является разработанный под руководством соискателем оригинальный спецпроцессор реального масштаба времени, управляемый универсальным вычислительным комплексом типа ДВК-3 или специально разработанным крейт-эспандером системы, эмулирующим систему команд процессора типа «Электрон и ка-6 О». Основными режимами оптимального приема вибросейсмических колебаний реализованными в спецпроцессоре, являются: а) синхронное накопление импульсных воздействий, б) корреляционный прием широкополосных сигналов, г) панорамный спектральный анализ монохроматических сигналов и сейсмических шумов.
Взаимодействие универсальной микроЭВМ со спецпроцессором и с другими составляющими комплекса КАРС-Д осуществляется через группу специальных интерфейсов посредством программного обеспечения реального масштаба времени. Широкий набор периферийных и сервисных устройств позволяет производить непосредственно в полевых условиях вторичную обработку полученной информации с последующим документированием и архивацией результатов обработки.
Сравнительная помехоустойчивость широкополосных и монохроматических сигналов
При анализе вибросейсмических преобразований геологическую среду рассматривают как некоторую линейную динамическую систему, которая исчерпывающе характеризуется импульсной переходной функцией h(t). В разделе 3.1 рассмотрены случаи абсолютных измерений уровней сигналов при зондировании системы - среды - широкополосными линейно частотно- . модулированными сигналами (свипами). Корреляция таких сигналов-виброграмм дает сейсмограмму в импульсной форме, обеспечивает оптимальную помехоустойчивость и позволяет проводить интерпретацию традиционными методами анализа времен пробега, амплитуд, спектров и поляризации целевых волн.
Вместе с тем, первые же эксперименты с регистрацией колебаний вибратора на больших удалениях обнаружили показавшийся сначала парадоксальным факт значительно более высокой помехоустойчивости сигналов фиксированных частот, или монохроматических. Это потребовало дополнительного теоретического осмысления, результаты которого /88/ представлены в настоящем разделе.
Рассмотрим задачу сравнения помехоустойчивости корреляционного приема вибросейсмических сигналов при широкополосном и монохроматическом излучении. Пусть среда с импульсной переходной функцией h(t) просвечивается зондирующим сигналом b(t). Сигнал, прошедший через среду, замаскирован аддитивным случайным шумом n(t) и выделяется с помощью корреляции. Эффективность выделения характеризуется выходным отношением сигнал/шум (среднеквадратический критерий помехоустойчивости). Предполагая, что зондирующий сигнал b(t) представляет собой непрерывное квазигармоническое колебание постоянной амплитуды В и фиксированной длительности Т, шум n(t) (в вероятностном смысле) один и тот же, требуется определить, как зависит помехоустойчивость по среднеквадратическому критерию от энергии зондирующего сигнала и характеристики среды h(t).
Сейсмологическая среда как канал распространения сейсмических волн от источника колебаний до приёмника исчерпывающе характеризуется импульсной переходной функцией h(t) и может рассматриваться как обычная линейная динамическая система /1/, Пусть эта система возбуждается непрерывным квазигармоническим сигналом b(t) = BbQ(t), (1) где В - постоянная амплитуда, b0(t)- безразмерное колебание единичной амплитуды, существующее на интервале [О, Т\ , 60(0=sin(u),/+a/2) ; . (2) Функция 60(г) выступает как существенная часть сигнала, отображающая его частотно-фазовую и временную структуру. При а=0 этот сигнал будет представлять собой чисто гармоническое воздействие йоСО япю,/, 0 / Т. (3) При ненулевых значениях a b0(t) является свип-сигналом с граничными частотами у, и о, +2аТ и средней частотой у0 =UJ, +аТ. На выходе системы наблюдается сейсмический сигнал y{t)t состоящий из суммы регулярного вибросейсмического сигнала 0 (виброграммы) и аддитивного независимого от я(0 шума n(t)y y{t) = s(t) + «(/) (4) Сигнал y(t) далее подвергается корреляционному приёму u(T)=\y{t)b0(t)dt (5) о причём опорным сигналом для коррелятора служит вышеупомянутая существенная часть сигнала b(t) - нормированное по амплитуде колебание (2). На выходе коррелятора, очевидно, будет также две составляющих и(г) = А(г) + г(г) (6) из которых первая выражается как k(T)=\s(t)b0(t-r)dt (7) о и является полезным сигналом, а вторая z{f)=\n{i)bQ(t)dt (8) о - остаточным шумом: Поскольку виброграмму можно представить в виде свёртки s(t) = \h(9)b{t -6)dG = B jh(0)bo (t - в) d&, (9) . 0 r то регулярная составляющая на выходе коррелятора имеет вид к{т) = В\к(6)\{/(т-в)й9, (10) о где y{T-e)=\bQ(t-e)bu(t-r)dt (11) о есть интеграл автокорреляции опорного сигнала коррелятора.
Оценим теоретически энергетическую помехоустойчивость выделения регулярного сигнала при двух видах зондирующих сигналов: свипе и монохроматическом, игнорируя при этом отсутствие разрешающей способности по времени пробега волн у,последнего.
Оценка дальности приема моночастотных колебаний и сравнение их помехоустойчивости со свип-сигналами
Самая дальняя точка, в которой удалось зарегистрировать сейсмограмму со свип-сигналом, . отстояла от вибратора на 470 км (район г. Семипалатинска), однако для надежной идентификации волн она оказалась непригодной. Вместе с тем было замечено, что монохроматические колебания вибратора обнаруживаются значительно легче и за более короткое время накопления, чем широкополосные свип-сигналы. Хотя регистрировать сигналы известных фиксированных частот можно с помощью корреляционного приема, значительно эффективнее использовать многоканальное синхронное детектирование. Такой режим был встроен в аппаратуру "Береза". Это режим панорамного спектрального анализа C(f,t) в реальном масштабе времени с непрерывно возрастающим временем накопления: C(f,t) = -\x(t)cos(27rft)dt 1 о (показана одна квадратура из двух), (/)- исследуемый сигнал. Если в спектре вибросигнала присутствуют составляющие постоянных частот, то оператор после включения анализатора будет видеть на мониторе как рождаются, возрастают и сужаются спектральные линии этих сигналов. Шумовая компонента сейсмического сигнала х(() в таком спектральном представлении будет- иметь вид знакопеременной шумоподобной функции частоты, а спектральная линия монохроматического сигнала вибратора отобразится в виде короткого (не обязательно симметричного) импульса, расположенного на соответствующем месте частотной оси.
Если сигналы нестабильны по частоте, линии, возникнув, размываются. Вообще, очень много полезной информации и опыта дает возможность наблюдения за процессами накопления сигналов в реальном масштабе времени (Рис. 3.3).
Так с помощью режима спектрального анализа аппаратуры "Береза" были надежно зарегистрированы сигналы вибратора ЦВ-100 на удалениях около 1000 км. Причем оператор "Березы" не знал точного значения частоты, на которой будет работать вибратор, а сетка разрешенных частот имела шаг 0.001 Гц. Было известно лишь время его возможного включения. На Рис. 3.3 представлены результаты двух таких экспериментов, проведенных на удалениях около 700 км (Аягуз, Каз. ССР) и 1000 км (южная оконечность оз. Балхаш) от вибратора ЦВ-100, размещенного на Быстровском полигоне под Новосибирском. На рисунках представлены по три последовательных фотоснимка с экрана осциллографического монитора, сделанные через 2, 4 и 12 мин после начала накопления панорамы спектроанализатора. В обоих случаях оператор уверенно опознал факт включения вибратора всего за 2 минуты в первом случае и за 4 минуты - во втором, а затем, по окончании накопления, точно определил его частоту.
На рисунке видно, что на удалении 700 км сигнал вибратора с частотой 6.900 Гц уверенно выделяется из шума уже через 2 минуты после начала накопления. На удалении 1000 км сигнал с частотой 6.915 Гц можно опознать через 4 минуты, хотя в этом случае отношение сигнал/шум несколько ниже.
Такие экзотические "сверхдальние" эксперименты с монохроматическим сигналами доказывают, что даже очень слабые колебания способны распространяться на огромные расстояния. Более того, из сейсмологии известно, что траектории телесейсмических лучей проходят в глубинах мантии. Это вселяет оптимизм, что вибросейсмический метод не встречает принципиальных ограничений для изучения внутренних оболочек Земли в планетарном масштабе. Более того, известно успешное использование монохроматического зондирования для задач активного вибросейсмического мониторинга /1/.
В разделе 2.2 была рассмотрена теоретическая задача сравнения помехоустойчивости корреляционного приема широкополосных и монохроматических вибросейсмических сигналов, подтвердившая в целом замеченные на практике различие. Однако необходим был корректный эксперимент, который бы мог, во-первых, снять остающиеся сомнения и, во-вторых, оценить это различие количественно. Такая работа была нами проведена совместно с НОМВЭ (Рис. 3.4).
Эксперимент проводился на расстоянии 205 км от источника ЦВ-100. Регистрация сигналов осуществлялась по 8 каналам с линейных групп из 10 сейсмоприемников СВ-5, ориентированных поперек направления на источник, при шаге между каналами 100 м. Виброисточник работал в режимах излучения свип-сигнала в диапазоне частот-5,47-10,5 Гц и монохромного сигнала частотой 6,25 Гц. Длительность воздействий в обоих режимах была равной и составляла 36 минут. Для чистоты эксперимента обработка монохромного сеанса производилась также в режиме корреляции, где в качестве опорного сигнала использовалась синусоида 6,25 Гц.
Понятно, что результатом корреляции синусоиды в окне вывода параллельного коррелятора появится незатухающая косинусоида, амплитуда которой соответствует амплитуде вибросигнала в амплитудном или энергетическом масштабе (см. Гл. 2). В дополнение к рабочим сеансам для оценки уровня сейсмического шума в обоих режимах- была проведена регистрация при неработающем виброисточнике. Все полученные коррелограммы приведены на Рнс. 3.4. Разъяснения даны в подписи.
В результате этого эксперимента было убедительно показано, что амплитуды полученных коррелограмм монохрома при равных длительностях зондирования в 8-Ю раз превышают максимальные амплитуды коррелограмм свипа, тогда как остаточные шумы в обоих случаях одинаковы. Это убедительно доказывает, что, во-первых, повышенная помехоустойчивость монохрома не фантом, а физическая реальность, и, во-вторых, связана она с протяженностью импульсной сейсмограммы. Чем длиннее кода импульсной сейсмограммы, тем больше будет это различие. А поскольку длительность импульсных сейсмограмм увеличивается с расстоянием, эффект относительного увеличения помехоустойчивости монохрома будет соответственно возрастать.
