Устройство для подавления импульсных помех в сейсмических сигналах

ОП ИСАКИИИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС) ВУ(51)Я. Кл. 0 01 Ч 1/37 Гввуэрственый квинтет есе йв евам нзвбретеви и еткрытийСпециальное конструкторское бюро сейсиическо приборостроенияЗаявитель ОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ИИПУЛЬСНйПОМЕХ В СЕЙСИИЧЕСКИХ СИГНАЛАХ 15 1Изобретение относится к сейсмической разведке и предназначено для подавления импульсных помех в процессе накопления сейсмических сигна-, лов.При сейсмической разведке с не" взрывными источниками возбуждения сейсмических колебаний общее вреия регистрации сейсмических сигналов велико, что связано с необходииосв тью производить накапливание сейсиических сигналов при иногократных возбуждениях, а также со значительной длительностью каждого возбуждения в случае использования вибрационного метода. Поэтому повышается вероят" ность появления в сейсмических сигналах иипульсных поиех, которые недостаточно эффективно ослабляются в процессе накопления сейсмической информации, так как их амплитуды зачастую во много раз превышают амплитуду полезного сейсмического сигнала. 2Известно устройство для подавле" ния шума в сейсмических записях, содержащее входное устройство, первое запоминающее устройство, пиковый детектор, второе запоминающее устройство, генератор эталонных сигналов, бракующий детектор, выполняющий роль компаратора, и генератор времени браковки. В устройстве происходит сравнение коэффициентов усиления принятых сейсиических сигналов с эталонными коэффициентаии усиления. В случае превышения разностью этих коэффициентов . определенной пороговой величины прае исходит обнуление принимаемого сигнала в течение заранее выбранного интервала вреиени. Эталонные коэффициенты усиления устанавливаются постоянными в каждом временном окне, на которые разбивается все время регистрации сейсиических колебаний, и могут обновляться в процессе накопления 1 .Недостатком устройства является то, .что исключение сигнала из записи3 10009 происходит в течение априорно выбранного промежутка времени, который может превышать длительность помехи, и, следовательно, привести к исключению полезных сейсмических сигналов, Кро- з ме зтого, для работы устройства необходимо задавать эталонные коэффициенты усиления, что предполагает проведение предварительных работ для определения ожидаемого уровня сейсми ческих сигналов.Известно устройство, содержащее входное устройство, схему сравнения, формирователь уровней редактирования шума и устройство автоматического исключения шума и предназначенное для1 исключения из записи сигнала, содержащего импульсную помеху. 8 отличие от устройства 1 3 это устройство осуществляет исключение сигнала с по мехой в интервале времени, соответствующем двойному изменению знака выборок входного сигнала, т,е. за период импульсной помехи2 1Недостатком устройства также является необходимость установки уровней редактирования шума,что предполагает априорное значение уровня сейсмических сигналов на протяжении всей записи.Наиболее близким техническим ре .шением к предлагаемому является устройство для подавления импульсных помех в сейсмических сигналах, содержащее цифровой интегратор, компаратор, селектор помехи, мультиплексер, первый вход которого подключен к входу устройства, а второй вход соединен с выходом селектора помехи. Кроме того, устройство содержит блок установки уровня первоначального входного сигнала, сумматор, а также второй мультиплексер. В процессе регистрации сейсмических сигналоь от каждого возбуждения среды в устройстве происходит определение среднего значения характеристики сейсмического сигнала. Усреднение проивводится по времени от начала записи до текущей выборки, причем при наличии во входном сигна ле импульсной помехи на вход цифрового интеграла, осуществляющего усреднение, вместо характеристики входного сейсмического сигнала поступает усредненное значение характеристики сигнала с выхода интегратора. Наличие импульсной помехи во входном сигнале определяется по превышения характеристикой входного сейсмического сигнала суммы усредненной характеристики и выбранного порога. Устройство выдает характеристику сейсмического сигнала, равную характеристике входного сигнала, либо усредненной характеристике, если входной сигнал содержит импульсную помеху3 .Недостатком устройства является его низкая способность отличать полезные сейсмические сигналы большой амплитуды от импульсной помехи. Из-за большого интервала усреднения (от начала записи до текущей выборки) величина усредненной характеристики сигнала медленно меняется в процессе регистрации. В результате этого значительные локальные изменения амплитуды полезного сигнала могут превышать значения усредненной характерис- тики сигнала с учетом выбранного порога и клиссифицироваться устройством как импульсная помеха. Кроме этого, применение устройства в сейсморегистрирующих системах с цифровыми накопителями приводит к дополнительным нелинейным искажениям при суммировании сигналов на тех же временных участках, на которых были обнаружены импульсные помехи, так как характеристика сигнала с импульсной помехой в этом случае заменяется на усредненную по времени характеристику сигналов от этого же возбуждения.Цель изобретения - повышение эффективности подавления импульсных помех в сейсмических сигналах при накоплении сигналов. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для подавления импульсных помех в сейсмических сигналах, содержащее цифровой интегратор, компаратор, селектор помехи, мультиплексер, первый вход которого подключен .к входу устройства, а второй вход соединен с выходом селектора помехи, введены вычитатель, аппроксиматор и цифровой накопитель, причем первый вход вычитателя подключен к входу устройства, а выход соединен с входом цифрового интегратора и первым входом компаратора, второй вход которого подключен к выходу цифрового интегратора, а выход компаратораи соединен с третьим входом мультиплексера и первым входом аппроксиматора, выход которого соединен с первым входом селектора помехи, второй вход50 5 10 ООЧ которого подключен к входу устройства, а выход соединен с первым входом цифрового накопителя, второй вход которого соединен с выходом мультиплексера, а выход подключен к второму 5 входу выцитателя второму входу аппроксиматора, третьему входу селектора помехи и четвертому входу мультиплексера.Принимаемый сейсмический сигнал 10 вклюцает в себя в общем случае полезный сейсмический сигнал, стационарный шум, амплитуда которого постоянна в течение всего накопления, и импульсную помеху длительность которой мала 15 по сравнению с временем регистрации сигналов, а амплитуда может значительно превышать амплитуду полезного сигнала.Принцип действия предлагаемого уст 20 ройства заключается в следующем. Сейсмицеские сигналы от первого возбуждения среды записываются в оперативную память цифрового накопителя без изменения. При приеме сигналов от вто" рого возбуждения среды вычисляется разность между соответствующими выборками сигналов первого и второго возбуждений:ДХ; = Х;2- Х 11, (1) где 1 - номер выборки;Х 11-1-я выборка сигнала от первоговозбуждения;Х 1-1-я. выборка сигнала от второговозбуждения.35Эта разность не содержит полезного сейсмического сигнала, так как условия возбуждения и приема сигнала оди- наковы при обеих записях и, следовательно, в них будут одинаковы ампли- ф 0 туды и фазы полезного сигнала для каждого момента времени. Поэтому, при вычитании составляющие полезного сейсмического сигнала взаимоисключаются. Если произвести усреднение мо- ф 5 дуля разности (1) по достаточно большому отрезку времени, то получится величина где Й - число выборок, по которымпроизводится усреднение, будет характеризовать уровень только стационарного шума, так как вклад импульснойпомехи при усреднении мал из-за незначительной ее длительности по сравнению с временем усреднения. Тогда 76 б показателем наличия импульсной помехи в одной из записей будет выполнение условия1 ДХ;( Юхгде 1 - коэффициент, определяющий порог обнаружения импульсной помехи по отношению к среднему уровню стационарного шума.Определение номера записи, в которой содержится импульсная помеха в ходе приема сигналов второго возбуждения, может быть произведено путем аппроксимации сигнала по выборкам, предшествующим той выборке, при котсрой обнаружена импульсная помеха, т.е. при которой выполняется условие (3).Известен достаточно точный способ определения частоты и амплитуды основной гармоники сигнала по трем выборкам, что вполне достаточно для определения предположительных значе" ний сигнала в следующей выборке. Принимая наиболее близкую к этому знаце" нию выборку из двух записей за сигнал,не содержащий импульсной помехи, делается заключение, что соответствующая выборка другой записи содержит импульсную .помеху. Так как требуемая точность аппроксимации для определения номера сейсмической записи, выборка которой содержит импульсную помеху, невелика, то можно применить более простую линейную аппроксимацию, для чего в качестве исходных данных требуются знацения только двух предыдущих выборокХ 1= 2 Х;- Х 2 (11) В этом случае существенно упрощается аппаратурная реализация способа определения номера записи,. содержащей импульсную помеху, Если в процессе. приема сигналов от второго возбуждения установлено, что импульсная помеха содержится в первой записи, хранящейся в памяти накопителя, то соответствующие выборки этой записи заменяются на значение выборок от второго возбуждения. В противоположном случае сигнал второго возбуждения не пропускается в накопитель, так как он содержит импульсную помеху. После двух возбуждений среды в памяти накопителя оказывается сформированным результат суммирования сигналов от этих возбуждений без импульсных помех. В ходе приема сигналов от последующих возбуждений при выполнении условия (3) в цифровой на 7 10009копитель в качестве очередного слагаемого для суммирования вместо входного сигнала подается нормированныйрезультат предыдущей суммы, т.к. помеха может содержаться только во вход-ном сигнале,На Фиг.1 показана структурнаясхема устройства для подавления импульоных помех в сейсмических сигналах; на фиг,2 - Функциональная схема 16накопителя, входящего в состав предлагаемого устройства.Устройство состоит. из мультиплексера 1, цифрового накопителя 2, цифрового интегратора 3, вычитателя 4, 15компаратооа 5, аппроксиматора 6 и селектора 7 помехи. Вход устройствасоединен с первым входом 8 мультиплексера 1, выход которого подключенк второму входу 9 цифрового накопителя 2, выход которого подключен к второму входу 10 вычитателя 4, первыйвход 11 которого подключен к входуустройства, а выход соединен с пер"вым входом 12 компаратора 5 и входом 213 цифрового интегратора 3, выход которого подключен к второму входу 14компаратора 5, выход которого подключен к третьему входу 15 мультиплексера 1 и первому входу 16 аппроксимато- Звра 6, второй вход 17 которого соеди"нен с выходом цифрового накопителя 2,а выход подключен к первому входу 18селектора 7 помехи, второй вход 19 которого соединен с входом устройства,тоетий вход 20 с выходом цифрового накопителя 2, а выход с первым входом 21цифрового накопителя 2 и вторым вхо-.дом 22 мультиплексера 1, четвертыйвход 23 которого соединен с выходом 4 оцифрового накопителя 2, который подсоединен к выходу устройства.Накопитель 2 содержит (,Фиг.2)сумматор (СМ ) 24, в котором осуществляется сумчирование цифровых кодов 4 фсигналов; устройство нормировки входного сигнала (УНВ) 25, в котором значение входного сигнала делится на величину, равную целой степени числа 2,причем показатель степени этой вели- фчины увеличивается на единицу всякийраз, когда число накоплений становится равным целой степени числа 2; устройство нормировки суммы (УНС) 26, вкотором полученная сумма делится на 2,всякий раз, когда число накопленийстановится равным целой степени числа 2; оперативную память (ОП) 27, в которой хранятся значения промежуточных. сумм, участвующих в процессе накой-ления и поступающих на второй вход сумматора 24, и результата накопления; устройство управления (УУ) 28, управляющее работой всех блоков накопителя.Если помеха обнаружена в сигнале от первого возбуждения, находящемся в ОП 27, то по управляющему сигналу, поступающему на УУ 28 через первый ,вход 2 1 накопителя 2, происходит замена кодов сигналов первого возбуждения на значения соответствующих выборок сигналов второго возбуждения путем обнуления кода сигнала, поступающего из ОП 27 на второй вход СМ 24 и блокировки устройства 26 нормировки суммы после второго возбуж- дения.В блоке цифрового интегратора 3 происходит определение среднего по модулю значения стационарного шума для каждого канала по формуле (2), Поэтому цифровой интегратор содержитсхемы определения модуля числа, сумматор и устройство нормировки. Нормировка осуществляется по приближенному алгоритму путем деления получеиной суммы модулей на 2 всякий раз,когда число слагаемых, участвующихв усреднении, равно целой степеничисла 2. Кроме этого, цифровой интегратор 3 запоминает-вреднее по модулю значение стационарного шума для каждого канала в оперативной памяти для использования этих величин при проверке сигналов на наличие в них импульсной помехи. Емкость этой оперативной памяти по количеству слов должна быть равна канальности регистрирующей системы.В вычитателе 4 происходит вычисление разности между соответствующими выборками принятого сигнала от текущего возбуждения и накопленной нормированной суммы выборок сигналов предыдущих возбуждвний в соответствии с выражением (1). По своей структуре вычитатель 4 представляет собой арифметическое устройство обычного типа, выполняющее операцию вычитания.Компаратор 5 определяет выполнение условия (3) и имеет обычную юидон вую структуруАппроксиматор 6 работает тольково время второго возбуждения, когда импульсная помеха может присутство10 20 25 Х 30 35 40 45 50 55 вать как во входном сигнале, так ив сигнале, записанном в цифровом накопителе от первого возбуждения, Вданном варианте выполнения устройства аппроквиматор б производит вычисление аппроксимированного значениясигнала по Формуле (4) и представляет собой обычный сумматор.Селектор помехи 7 определяет, в какой из первых двух записей содержится импульсная помеха. Это осу ществляется путем сравнения модулей разности между соответствующими значениями выборок этих записей и аппроксимированным значением сигнала, Условие наличия импульсной помехи в первой записи, которая хранится в памяти цифрового накопителя, имеет вид:1 Х- Х 11 Ъ 1 Х 12 Х 1 (5) где Х- значение 1-выборки сигнала первой записи; Х 2 - энацение 1-выборки сигнала второй записи;- значение аппроксимирован ного сигнала для 1-выборки. Селектор помехи включает в себя арифметическое устройство для вычисления разностей, интервалы для определения модулей величин, регистры для хранения промежуточных значений и компаратор для определения выполнения условий (,5 ).Предлагаемое устройство в динамике функционирует следующим образом.Сейсмический сигнал от первого возбуждения среды через мультиплек сер 1 проходит с входа устройства на второй вход цифрового накопителя 2 для записи в ОП 27 накопителя 2 без изменений. Во время второго возбуждения в цифровом интеграторе 3 формируется усредненный уровень стационарного шума с помощью вычиателя 4 (величина (2). Кроме этого, во время второго возбуждения компаратором 5 производится определение для каждой выборки наличия импульсной помехи в записи первого возбуждения или во входном сигнале от второго возбуждения Если компаратор 5 не обнаруживает импульсной помехи, т.е. условие(3) не выполняется, то сигнал с входа устройства через мультиплексер 1 подается на второй вход цифрового накопителя 2 для суммирования, При обнаружении импульсной помехи аппроксиматор б по двум предыдущим выборкам,взятым из цифрового накопителя, опре-. деляет ожидаемое значение сигнала без помехи для данной выборки ( Формула 4 ) и подает его в селектор 7 помехи. Селектор 7 помехи по наибольшей разности между знацением сигнала каждой записи и аппроксимированным значением его определяет номер записи, в которой присутствует импульсная помеха. Если помеха обнаружена в первой записи, то по сигналу с селектора 7 помехи мультиплексер 1 пропускает сигнал с входа устройства на второй вход цифрового накопителя 2, и в цифровом накопителе 2 происходит эа" мена выборки первой записи на значе" ние соответствующей выборки сигнала от второго возбуждения. При обнаружении помехи в сигнале от второго возбуждения мультиплексер 1 пропускает на первый вход цифрового нако" пителя 2 сигнал с выхода накопителя для суммирования вместо входного сигнала. содержащего помеху. При последующих возбуждениях среды аппроксиматор б и селектор 7 .помехи 7 йе работают, так как импульсная помеха может присутствовать только во вход-. ном сигнале. В этом случае проверку входного сигнала на наличие импульсной помехи производит компаратор 5 который в зависимости от результата проверки вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на второй вход 15 мультиплексера 1. Иультиплексер 1 по этому сигналу подает на второй вход накопителя 2 либо значение выборки с выхода накопителя, если импульсная помеха обнаружена компаратором, либо значение выборки свхода устройства, если импульсной помехи во входном сигнале не обнаружено,Применение предлагаемого устройства в цифровых сейсморегистрирующих системах позволяет исключать импульс" ные помехи из сейсмических сигналов в процессе записи при произвольной зависимости мощности сигнала от времени. Это дает возможность применять описываемое, устройство как при импульсном, так и вибрационном способе возбуждения сейсмических волн. Отсутствует этап предварительной подготовки устройства, связанный с проведением работ по определению ожида" емого уровня сигнала во время записи. Анализ на наличие импульсной помехи производится для каждой выборки сиг 10009нала, что обеспечивает минимальную потерю полезной сейсмическойинФормации при устранении помех. Замена сейсмического сигнала, содержащего импульсную помеху, перед подачей его в сумматор накопителя нанормированный сигнал с выхода накои тепя, ке сдержащий импульсной помехи и являющийся результатом усреднения по нескольким возбуждениям сре- оды для одних и тех же выборок сигнала,уменьшает нелинейные искажения всуммарном сигнале и тем самым приводит к повышению качества накопленногоматериала,15Формула изобретенияУстройство для подавления импульс- о ных помех в сейсмических сигналах, содержащее циФровой интегратор, компаратор, селетор помехи, мультиплексер, первый вход которого подключен к входу. устройства, а второй вход соединен с выходом селектора помехи, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения эФФективности подавления импульсных помех в сейсмических сигналах при накоплении сигналов, в уст- ЗО 76 12ройство введены вычитатель, аппроксиматор и циФровой накопитель, причемпервый вход вычитателя подключен квходу устройства, а выход соединен свходом циФрового интегратора и первымвходом компаратора, второй вход которого подключен к выходу циФрового интегратора, выход компаратора соединенс третьим входом мультиплексера и первым входом аппроксиматора; выход которого соединен с первым входом селектора помехи, второй вход которогоподключен к входу устройства, а выходсоединен с первым входом циФровогонакопителя, второй вход которого соединен с выходом мультиплексера, авыход подключен к второму входу вычитателя, второму входу аппроксиматора,третьему входу селектора помехи и четвертому входу мультиплексера. Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент США М 3924260,кл. 340-15,5, опублик. 1975.2. Авторское свидетельство СССРГ 837216, кл. 0 01 Ч 1/28, 1979.3. Патент США Ю 3894222,кл. 235-151.3, опублик. 1975 (прототип).1600976 2 ель Т.Райко . Коштура . оста ехре Корректо 50 Тираж 70 В ИИПИ Государственног по делам изобретений .35, Иосква, Ж, Ра аказ 1381/ ное Ужгород, ул или тная Редактор Е.Папп фП "Патент Под комитета ССС открытий ская наб., д