Устройство обработки сейсмических сигналов при выделении р и s волн по известному направлению на источник сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 1 28 си 6 ТЕМ К ПАТЕ Н Изобретение отн в частности к устройс мической информаци ляют выделение лин продольных Р-волн и нии требований высок деления, быстроде реализации,осится к таам об и, котор ейно-пол Я-волн и ой эффе йствия сеисмологии, аботки сейсые осуществяризованных ри обеспечетивности выи простоты ньшение понент полного эффективностройств ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Гальперин Е,И, Поляризационный метод сейсмических исследований. М., Недра, 1977, с. 44-45, с. 46-47.Ершова А.С. Двухкомпонентная самонастраивающаяся система, МНаука, 1973.Рябинкин А.А, Теория и практика метода РНП, М., Гостоптехиздат, 1962, с, 27.Патент США % 4813029, кл, 6 01 Ч 1/18, кл. 367-188, 1990.(54) УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ Р И Я ВОЛН ПО ИЗВЕСТНОМУ НАПРАВЛЕНИЮ НА ИСТОЧНИК СИГНАЛОВ(57) Использование; в области сейсмологии для выделения линейно-поляризованных Цель изобретения - уме грешности определения компо вектора Р и Я волн (повышение сти).Функциональная схема представлена на фиг,1,817856 АЗ продольных Р-волн и Я-волн. Сущность изобретения; устройство построено на принципе попарного суммирования и вычитания трехкомпонентных зарегистрированных и вновь сформированных соответствующих сигналов, знаки которых анализируются в каждый момент времени. Устройство содержит блок исходной информации, коммутатор знака, формирователь управляющих импульсов, три сумматора и три вычитателя. Устройство позволяет эффективно выделить потри компоненты полного вектора Р волны и полного вектора Я волны, Достоинством устройства является также возможность обработки сейсмической информации в реальном масштабе времени при минимальном использовании аппаратурных средств, что особенно важно в полевых условиях работы.2 з,п. ф-лы, 3 ил. Устройство содержит трехкомпонентный блок 1 исходной информации; коммутатор знака 2; формирователь 3 управляющих импульсов; три сумматора 4-1, 4 - 2, 4-3; три вычитателя 5 - 1, 5 - 2, 5 - 3,Блоки в устройстве обработки сейсмической информации соединены следующим образом. Три выхода блока 1 исходной информации подключены к одноименным попарно соединенным трем входам коммутатора знака 2 и формирователя 3 управляющих импульсов, Выход формирователя 3 управляющих импульсов . соединен с четвертым (управляющим) входом коммутатора знака 2, Параллельно сое1817856 5 10 15 20 25 30 40 45 55 циненные входы каждого звена из сумматоров 4 - 1 и вычитателей 5-1 соединены с одноименными выходами трехкомнонентного блока 1 исходной информации и одноименными выходами коммутатора знака 2. Три выхода сумматоров 4 - 1, 4 - 2, 4 - 3 и три выхода вычитателей 5 - 1, 5-2, 5 - 3 являются выходами устройства.Блок 1 исходной информации представляет собой трехкомпонентный сейсмометр, измерительные оси которых ортогональны между собой, и в состав которого могут входить усилители и фильтры.Блок-схема формирователя 3 управляющих импульсов представлена на фиг,2 формирователь 3 управляющих импульсов содержит три усилителя-ограничителя 6-1, б - 2, б - 3 (компаратора), первый, второй, третий цифровые элементы НЕ 7-1, 7-2, 7 - 3, первый и второй элементы И - НЕ 8 - 1, 8-2,четвертый и пятый элементы НЕ 9 - 1, 9 - 2 и элемент ИЛИ - НЕ 10. Входы усилителей-ограничителей 6-1, 6-2, 6 - 3 соединены с соответствующими входами формирователя 3 управляющих импульсов, Выходы усилителей-ограничителей 6 - 1, 6-2, 6 - 3 (компараторов) подключены, соответственно, к трем входам первого элемента И-НЕ 8 - 1 к входам трех первых логических элементов НЕ 7 - 1, 7-2, 7 - 3, выходы которых подключены к трем входам второго логического элемента И-НЕ 8-2. Выходы логических элементов И - НЕ 8 - 1, 8 - 2, соответственно, соединены с входами четвертого и пятого элементов НЕ 9-1, 9-2. Выходы этих элементов НЕ 9-1 и 35 9 - 2 подключены к входам логического элемента ИЛИ - НЕ 10, выход которого соединен с выходом формирователя 3 управляющих импульсов,Блок-схема коммутатора знака 2 представлена на фиг.З,Коммутатор знака 2 содержит три управляемых усилителя 11 - 1, 11 - 2, 11 - 3; первые входы которых подключены к трем соответствующим входам коммутатора знакэ 2, четвертый вход которого соединен со вторыми входами управляемых усилителей 11-1, 11-2, 11-3, а их выходы подключены к трем соответствующим выходам коммутатора знака.Принцип работы устройства обработки сейсмических сигналов заключается в следующем.Измерительчые оси трехкомпонентного сейсмометра блока 1 исходной информации располагают по осям декартОвых координат Х, У, Е, которые в пространстве ориентированы, к примеру, так, что оси Х, У,расположены в плоскости горизонта, одна и: осей направлена на север, другая - на восток, а ось Е - направлена вертикально вверх.Рассмотрим вариант, когда сейсмоисточник расположен, например, в третьем квадранте на плоскости координат ХУ, а сейсмометр расположен в центре координат. При таком расположении источника относительно системы координат, условия в виде комбинации. знаков по отношению к . направлениям измерительных осей будут иметь следующий вид. Р-волна, линейно поляризована в вертикальной плоскости, а ее вектор имеет проекции на вертикаль и горизонтальную плоскость. Для частиц в период времени, когда их движение совпадает с направлением распространения фронта волны, выполняется первая часть условия, то есть знаки сигналов по трем компонентам будут положительны, а в период времени, когда движение частиц в волне не совпадает с направлением распространения Р-волны, выполняется вторая часть условия, то есть знаки сигналов по этим же осям будут отрицательными,Комбинация знаков может быть любой, в зависимости от взаимного расположения сейсмоисточника, сейсмометра и от выбранного направления его измерительных осей.С выходов трехкомпонентного сейсмометра снимают квазисинусоидальные электрические сигналы. Так как обычно реальный сигнал является суммой искомого сигнала и помехи, то для увеличения отношения сигнал/шум исходный сигнал предварительно фильтруют в определенном известном частотном диапазоне, устраняя при этом и постоянную составляющую. Предварительно отфильтрованные сигналы Ох, Оу, О с выхода блока 1 исходной информации коррелированы между собой во времени для Р и Я волн, степень их корреляции определяется степенью линейности поляризации волн. Анализ во времени знаков сигналов Ох, Оу, О производится в каждый момент времени по управляющим сигналам с выхода формирователя 3 управляющих импульсов. При формировании трех дополнительных сигналов 01 х, О 1 у, 01 а знак этих сигналов не будет меняться, если знаки сигналов Ох, Оу, О будут совпадать с выбранной комбинацией знаков, но знак этих сигналов будет противоположным по сравнению со знаком соответствующего анализируемого сигнала в те моменты времени, когда знак хотя бы одного из сигналов не совпадает со знаком другого соответствующего сигнала, Затем формируют еще шесть сигналов, равныхР-волны поляризованы в плоскости,совпадающей с фронтом распространениясейсмической волны, а движение частиц вЯ-волне происходит в плоскости, перпендикулярной направлению распространенияФронта волны,Так как условие комбинации знаков дляпримера было выбрано в соответствии сдвижением частицв Р-волне, то для линейно- поляризованных Р-волн будут формироваться три дополнительных сигнала, равныетрем основным сигналам, а для Я-волн тридополнительных сигнала будут равны тремосновным сигналам с противоположными 2знаками. Если из трех основных и трех дополнительных сигналов образовать ещешесть сигналов, равных их полусуммам иполуразностям; то они будут выходнымисигналами, 2Действительно, три выходных сигнала,равные полусуммам, будут соответствоватьтрем компонентам Р-вектора, так как в нихсигналы Р-волн складываются, а Я-волн вычитаются и практически отсутствуют, а другие три выходных сигнала, раиныхполуразностям, будут соответствовать тремкомпонентам Я-вектора, так как в них сигна, лы Я-волн складываются, а Р-волны вычитаются, и также практически отсутствуют. 3Таким образом, шесть сформированныхвыходных сигналов являются тремя компонентами, соответствующими Р-волне и тремя компонентами, соответствующимиЯ-волне.В приведенном примере при формировании трех дополнительных сигналов О 1,01 у, О 1 инвертирование знаков сигналовО, Оу, О производилось, когда знаки этихсигналов не соответствовали комбинации 4знаков для Р-волн, поэтому при формировании сигналов полусумм выделялись компоненты Р-волны, а при формированииполуразности - Я-волны. Если выбрать комбинацию знаков, соответствующую компонентам Я-волны, то при суммировании.сигналов выделялись бы компоненты Я-волны, а при вычитании сигналов - Р-волны.Таким образом, в зависимости от выбранной комбинации знаков выходные сигналы в виде полусуммы или полуразностибудут соответствовать или Р или Я-волнам.Практически, в дальнейшем выходныесигналы в виде полусумм и полуразностейдополнительно фильтруют по фазе и частополусуммам и полуразностям первичных идополнительных сигналов: О + О 1)П; (О - О 1.)а; (.у+ О 1 у)а:(Оу- Оу)П;(О,+ О 1,)П,(О,-О 1,) 1) те, так как реальные сигналы после обработ-.ки могут иметь частотные и фазовые искажения.Устройство, приведенное на фиг,1, реа лизует вариант, когда в комбинации знаковдля первой части условия все знаки положительные, а в комбинации для второй части условия - все знаки отрицательные.Устройство работает следующим обра зом. На трех выходах блока 1 исходной информации формируются три электрических сигнала О, Оу, О, которые поступают, соответственно, на три входа коммутатора знака 2, в частности на входы трех 15 управляемых усилителей- 1,-2, 1 - 3,Эти сигналы пропорциональны входному сейсмическому воздействию, например, скорости колебания грунта по соответствующей измерительной оси трехкомпонент- О ного сейсмометра блока 1 исходнойинформации, На управляемые усилители-1,- 2,- 3 поступает управляющий сигнал с выхода формирователя 3 управляющих импульсов, который формируется сле дующим образом. Сигналы О, Оу, Огпоступают на входы усилителей-ограничителей 6-1, 6 - 2, 6-3 компараторов) и на их выходах формируются сигналы логической единицы, если на их входах сигнал больше О нуля, или формируется сигнал логическогонуля если на их входах сигнал меньше нуля.С выходов усилителей-ограничителей компараторов) 6 - 1, 6 - 2, 6 - 3 логические сигналы поступают одновременно на входы первого 5 трехвходового логического элемента И-НЕ8 - 1 и через логические элементы 7 - 1, 7 - 2 и 7 - 3 на входы второго трехвходового логического элемента И - НЕ 8-2. Таким образом, на выходе первого элемента И - НЕ 8-1 уста- О новится логический ноль, когда выполняется первая часть выбранного условия комбинации знаков ОО, ОуО, ОхО; соответственно, на выходе второго элемента И-НЕ 8 - 2 также установится логический 5 ноль, но уже для второй части условия комбинации знаков ОО, ОуО, ОгО,С выходов логических элементов И - НЕ8 - 1, 8-2 цифровые сигналы поступают на логические элементы НЕ 9-1, 9-2, на выхо- О дах которых устанавливаются логическиеединицы при соответствующей комбинации знаков входных сигналов, С выходов логических элементов НЕ 9 - 1, 9-2 цифровые сигналы поступают на двухвходовый 5 логический элемент ИЛИ-НЕ 10, на выходекоторого устанавливается логический ноль в моменты времени, когда выполняется хотя бы одно из двух частей условия выбранной комбинации знаков, и устанавливается логическая единица, когда условие выбраннойкомбинации знаков не выполняется. В зависимости от выбранного управляющего сигнала - . логический ноль или логическая единица - управляемые усилители 11-1, 11- 2, 11 - 3 в коммутаторе знака 2 будут иметь коэффициенты передачи плюс или минус единица, то есть, когда условие комбинации знаков удовлетворяется, коэффициенты передачи усилителей равны +1, и на их выходах формируются дополнительные сигналы 01 х = Ох, Оиру = Оу, 01 г = Ог, а когда не удовлетворяется, их коэффициенты передачи равны - 1, и на их выходах формируются сигналы 01 х =- - Ох, 01 у = - Оу, 01 а = -ОкПары сигналов: Ох, 01 х, Оу, 01 у, Оь 01 непосредственно с выходов блока 1 исходной информации и выходов коммутатора знака 2 (управляемых усилителей 11-1, 11- 2, 1 - 3) поступают параллельно на два входа каждого звена сумматоров 4 и вычитателей 5 ь имеющих коэффициенты передачи К = 0,5, На их выходах формируются, соответственно, полусуммы и полуразности первичных и дополнительных сигналов: (В + 01)/2 и (Ь - Ои)(2Для выбранного условия комбинации знаков в соответствии с характеристикой Р-волны на выходе сумматоров 41 будут сигналы, определяющие компоненты Р-волны, а на выходе вычитателей 51 будут сигналы, определяющие компоненты Я-волны,Устройство построено с помощью стандартных электронных схем:- управляемые усилители - ба);- усилители-ограничители (компараторы) - (6 б);- сумматоры и вычитатели - 6 в).- логические элементы построены на стандартной серии цифровых микросхем,Устройство имеет высокое быстродействие, так как измерение сигналов и последующая обработка непосредственно электрических аналогов сигналов для определения компонент векторов проводится в реальном масштабе времени. Погрешность определения компонент векторов Р и 3-волн значительно ниже, чем в устройстве-прототипе, и составляет единицы процентов, так как анализ сигналов производят в каждый момент времени по трем компонентам. Достоинством предлагаемого устройства является и то, что эффективность выделения повышается, так как измерения трех компонент полного вектора Р и Я волн осуществляется при наличии единственного трехкомпонентного сейсмометра, что позволяет упростить аппаратурную реализацию, Такое устройствоимеет особенное преимущество в полевых условиях как при исследовании природных сейсмических явлений, так и при проведениифизических экспериментов.Ф ор мул а изобретения5 1. Устройство обработки сейсмическихсигналов при выделении Р и Я волн по известному направлению на источник сигналов,содержащее блок исходной информации извено из двухвходовых сумматора и вычита 10 теля, одни из двух входов соединены и подключены к одному из выходов блокаисходной информации, а их выходы являются выходами устройства, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что в устройство дополнительно вве 15 дены два звена двухвходовых сумматорови вычитателей, коммутатор знака, формирователь управляющих импульсов, а блокисходной информации выполнен трехкомпонентным, причем три входа коммутатора20 знака и формирователя управляющих импульсов попарно соединены и подключенысоответственно к трем выходам блока исходной информации, выход формирователяуправляющих импульсов соединен с четвер 25 тым управляющим входом коммутатора знака, причем параллельно соединенные входыкаждого звена сумматоров и вычитателейсоединены с одноименными выходами блока исходной информации и коммутатора30 знака, а выходы дополнительных сумматоров и вычитателей являются выходами устройства.2"; Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что коммутатор знака содержит три35 управляемых усилителя, первые входы которых подключены к трем соответствующимвходам коммутатора знака, четвертый входкоторого соединен с вторыми входами управляемых усилителей, выходы которых40 подключены к трем соответствующим выходам коммутатора знака,3, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что формирователь управляющихимпульсов содержит три усилителя-ограни 45 чителя, входы которых подключены к соответствующим входам формирователя. управляющих импульсов, пять цифровыхэлементов НЕ, два элемента И-НЕ и элемент ИЛИ - НЕ, причем попарно соединен 50 ные три входа первого элемента И-НЕ и тривыхода усилителей-ограничителей (компараторов) подключены к входам первых трехэлементов НЕ, выходы которых подключенык трем входам второго элемента И-НЕ, вы 55 ходы элементов И - НЕ попарно соединеныс входами четвертого и пятого элементовНЕ, выходы которых подключены к элементуИЛИ-НЕ, выход которого соединен с выходом формирователя управляющих импульсов.1817856 Фиг 1 Рог Составитель Б. КалехсаТехред М. Моргентал ектор Л. Ливринц едактор Т. Ивано роиээодстеэнно-иэдатеэьокий коибинат "Патент", г. Ужго л. Гагарина,Заказ 1741 ВНИИПИ Го Тиражтвенного комитет 113035. Москва,Подписноепо изобретениям и открытиям при35, Раушская наб., 4/5