накопительная сейсмическая станция с цифровой коррекцией смещения нуля

Формула изобретения

Накопительная сейсмическая станция с цифровой коррекцией смещения нуля, состоящая из последовательно соединенных сейсмоприемника, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, сумматора, оперативного запоминающего устройства и цифроаналогового преобразователя, а также датчика отметки момента ударного воздействия и устройства управления, причем выход датчика отметки ударного воздействия соединен со стартовым входом устройства управления, выход генератора - с тактовым входом устройства управления, а три управляющих выхода устройства управления подключены к соответствующим управляющим входам аналого-цифрового преобразователя, сумматора и оперативного запоминающего устройства, отличающийся тем, что она содержит устройство цифровой коррекции смещения нуля, первый вход которого подключен к четвертому управляющему выходу устройства управления, второй вход - к выходу оперативного запоминающего устройства, а выход соединен со входом оперативного запоминающего устройства, при этом аналоговым выходом сейсмической станции является выход цифроаналогового преобразователя, а цифровым - выход оперативного запоминающего устройства.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области геофизического приборостроения и может быть использовано, например, в сейсморазведочных станциях.

Известно, что в состав канала сейсмической станции входят такие узлы, как усилители, фильтры, аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Необходимость наличия данных узлов связана со спецификой регистрируемых сейсмических сигналов: широкий динамический диапазон (до 120 дБ), различные диапазоны частот, в зависимости от вида работ, геологических условий и т.п., множество факторов, искажающих реальный сейсмический сигнал, например геосейсмические шумы как естественного, так и искусственного происхождения. Чувствительность канала сейсморегистрирующей аппаратуры приближается к уровню шумов современных прецизионных операционных усилителей и составляет 100...200 нВ, а коэффициент усиления для переносных, компактных станций, типа “Бизон”, “Максейс”, как правило изменяется с шагом 6 или 12 дБ в диапазоне от 0 до 80 дБ. Естественно, в сейсмическом канале станции возникают и аппаратурные искажения. В частности, к таковым относится смещение нуля u_cm, температурный дрейф нуля А_ЕТ. Как правило, смещение нуля и температурный дрейф возникают на этапе аналоговой обработки сигнала: в усилителе, в меньшей степени в фильтрах и входных узлах АЦП. Погрешность данного типа главным образом обусловлена применением интегральных операционных усилителей (ОУ), входные каскады которых являются наиболее “ответственными”, т. к. именно здесь минимизируется напряжение смещения, обусловленное неточным согласованием напряжений база - эмиттер входных транзисторов ОУ [1]. Так, если в канале станции требуется реализовать усилитель на ОУ с коэффициентом усиления 60 дБ, то несбалансированность входного дифференциального каскада ОУ всего на 5 мкВ вызовет смещение нуля на выходе усилителя 5 мВ, что как правило соответствует 1...3 младшим разрядам АЦП станции. Поскольку сейсмическая станция эксплуатируется в полевых условиях, следует учитывать также влияние температурного дрейфа ОУ, который даже для прецизионных операционных усилителей (К140УД17) может достигать 6 мкВ/град.С [2]. Для накопительных сейсмостанций, в которых осуществляется многократное синхронное суммирование исследуемых сигналов, смещение будет накапливаться вместе с полезной информацией, что в конечном итоге может привести к непригодности регистрируемых данных или к их сильному искажению.

Известно, что для коррекции смещения нуля обычно используются дополнительные выводы балансировки ОУ, к которым подключается переменный резистор, например, как в сейсмостанциях ряда “Прогресс” [3]. Однако такое решение далеко не оптимально. Во-первых, переменный (подстроечный) резистор сам по себе вносит дополнительную нестабильность в работу ОУ, во-вторых, являясь механическим устройством, часто выходит стабильность в работу ОУ, во-вторых, являясь механическим устройством, часто выходит из строя.

Коррекция смещения нуля в канале сейсмической станции также осуществляется с помощью межблочных разделительных конденсаторов, которые одновременно выполняют функцию пассивного фильтра высокой частоты (ФВЧ). С одной стороны, такое решение является рациональным, позволяющим “отсекать” постоянную составляющую практически на любом этапе аналоговой обработки сейсмического сигнала, с другой стороны, применение конденсаторов привносит дополнительные шумы и погрешности, связанные, например, с температурной нестабильностью конденсаторов.

В современных станциях, наряду с аналоговыми, применяются цифровые фильтры высокой и низкой частоты, свободные от таких недостатков, как температурная нестабильность или смещение нуля в аналоговых элементах. В основе работы таких фильтров, как правило, лежит та или иная модификация преобразования Фурье. Например, фильтр с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтр) задается уравнением:

,

где х_n, y_n - отсчеты входного и выходного сигналов; N - постоянные целые числа;

b_n - постоянные коэффициенты, описывающие заданный фильтр [4].

Однако для быстрой реализации подобных алгоритмов требуются большие вычислительные мощности и значительный объем памяти (для хранения промежуточных вычислений, “таблиц” с коэффициентами фильтров), которые трудно задействовать в компактной переноской сейсмостанции, в частности, в силу значительного энергопотребления и габаритов подобных вычислительных систем. Так в сейсморазведочной станции “Интромарин-240”, базирующейся в салоне автомобиля “Зил-131”, цифровые фильтры реализованы с помощью спецпроцессора ПОС-32, выполненного на двух DSP процессорах TMS-320C30 фирмы Texas Instruments [5].

Конечно, в малогабаритной станции процедуру цифровой фильтрации (ФВЧ) для устранения постоянной составляющей, проявляющейся на этапе аналоговой обработки сигнала, можно реализовать с помощью микромощного процессора, но в этом случае время обработки будет в несколько раз превышать время собственно регистрации сейсмического сигнала, что приведет к снижению производительности работ.

Известно, что для портативных накопительных сейсмических станций время регистрации сигнала обычно лежит в диапазоне 0,5...5 секунд. Это обусловлено назначением и спецификой работ с такой аппаратурой. Но за 0,5...5 секунд флуктуации смещения нуля практически отсутствуют или имеют пренебрежительно малую величину. То есть, если в канале станции присутствует погрешность в виде смещения нулевой линии на какую-то величину, то за время регистрации эта величина не изменяется (или изменяется незначительно).

Известно также, что исследуемый сейсмический сигнал является квазигармоническим, с относительно симметричным распределением положительных и отрицательных полуволн. Следовательно, имея запись сейсмической трассы с сигналом, смещенным относительно нулевой линии на некоторую величину, можно простыми арифметическими действиями вычислить данную величину смещения. Достаточно найти среднее арифметическое значение сигнала для всей трассы, а полученное значение ввести как поправку в каждую выборку трассы:

,

где a₁, a₂,...а_N - амплитуды выборок сигнала одной сейсмической трассы; N - количество выборок. Таким образом можно осуществить коррекцию смещения нуля для каждого канала сейсмической станции.

Целью работы является цифровая коррекция смещения нуля в каналах переносной накопительной сейсмической станции с минимизацией времени и вычислительных мощностей для осуществления данной процедуры. Настоящая цель реализуется включением простого арифметического устройства, обеспечивающего вычисление поправки U_cм в соответствии с алгоритмом (2) и введение данной поправки в каждую выборку регистрируемого сейсмического сигнала.

В [6] на рис.3б приведена структурная схема накопительной сейсмической станции, которая наиболее близка к предлагаемой и состоит из последовательно соединенных сейсмоприемника, усилителя, АЦП, сумматора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и цифроаналогового преобразователя (ЦАП), причем выход ОЗУ является цифровым выходом станции и соединен также со вторым входом сумматора. Блоками АЦП, ОЗУ и сумматором управляет устройство управления, работа которого в свою очередь синхронизирована тактовым генератором и датчиком отметки момента ударного воздействия.

Работает устройство следующим образом. В момент импульсного воздействия на земную поверхность формируются упругие колебания, воспринимаемые сейсмоприемником. Одновременно в датчике отметки момента ударного воздействия вырабатывается импульс, который поступает в блок управления. Под действием сигналов управления, синхронизированных тактовым генератором, в работу включаются АЦП, сумматор и ОЗУ, в результате чего сейсмический сигнал от сейсмоприемника усиливается, преобразуется в цифровые выборки, суммируется с аналогичными выборками от предыдущего ударного воздействия и далее записывается в ОЗУ, где хранится до следующего ударного воздействия. При этом цифровые выборки сейсмического сигнала могут быть считаны и переданы в какое-либо внешнее устройство, например для долговременного хранения, либо преобразованы в дискретно-аналоговый вид с помощью ЦАП с целью визуализации сейсмограммы. Поскольку каждое упругое воздействие строго “привязано” к электрическому импульсу датчика отметки момента, всякая последующая регистрация сейсмического сигнала обеспечивает синхронное суммирование полезной информации на фоне геосейсмических шумов. Если в такой аппаратуре, например в блоке усилителя или АЦП, присутствует постоянная составляющая (смещение нуля), то с каждым очередным накапливанием полезного сигнала будет пропорционально возрастать величина смещения. В некоторых случаях это может привести к полной потере сейсмической информации.

На фиг.1 приведена структурная схема накопительной сейсмической станции с устройством цифровой коррекции смещения нуля. Станция состоит из последовательно соединенных сейсмоприемника 1, усилителя 2, АЦП 3, сумматора 4, ОЗУ 5 и ЦАП 6, причем выход ОЗУ 5 соединен со вторым входом сумматора 4, а также из датчика 7 отметки момента ударного воздействия, устройства 8 управления, генератора 9 и дополнительно введенного устройства 10 цифровой коррекции смещения нуля, при этом выход датчика 7 отметки момента ударного воздействия соединен со входом устройства 8 управления, выход генератора 9 соединен с тактовым входом устройства 8 управления, четыре управляющих выхода которого подключены к соответствующим управляющим входам АЦП 3, сумматора 4, ОЗУ 5 и дополнительно введенного устройства 10 цифровой коррекции смещения нуля, второй вход которого соединен с выходом ОЗУ 5, а выход соединен со входом ОЗУ 5. Аналоговым выходом станции является выход 11 ЦАП, а цифровым - выход 12 ОЗУ.

Работает станция следующим образом. В исходном состоянии в каждую ячейку памяти ОЗУ 5 записан цифровой код нулевого сигнала в том формате, в котором числа представляются на выходе АЦП 3. В момент возбуждения сейсмических колебаний от датчика 7 отметки момента ударного воздействия в устройство 8 управления поступает стартовый импульс, по которому запускаются в работу АЦП 3, сумматор 4 и ОЗУ 5. Работа всех узлов сейсмостанции синхронизируется тактовой частотой генератора 9. На выходе АЦП 3 формируется цифровой код первой выборки сейсмического сигнала от сейсмоприемника 1, усиленного в усилителе 2. Цифровое значение выборки поступает на первый вход сумматора 4. Одновременно из первой ячейки памяти ОЗУ 5 на второй вход сумматора 4 приходит записанный ранее цифровой эквивалент нулевого сигнала. Результат суммы этих двух значений с выхода сумматора 4 поступает на вход ОЗУ 5 и перезаписывается в первую ячейку. Аналогичные действия происходят со 2, 3,...N выборками. Таким образом в ячейках памяти ОЗУ 5 формируется цифровой эквивалент сейсмического сигнала после первого накопления, в котором возможно присутствие некоторого смещающего значения U _см. Если оставить это значение без внимания, то, как отмечалось выше, последующие накопления полезного сейсмического сигнала приведут к увеличению u_см. Поэтому в станции далее происходит следующее. Устройство 8 управления выключает АЦП 3, сумматор 4 и включает устройство 10 цифровой коррекции смещения нуля, которое начинает последовательно считывать все коды выборок из ячеек памяти ОЗУ 5 с 1 по N, суммируя их с учетом знака, после чего вычисляет среднее арифметическое, т. е. поправку U_см. Далее устройством 10 цифровой коррекции смещения нуля осуществляется повторное последовательное считывание всех кодов выборок из ОЗУ 5, но при этом в каждую выборку вводится поправка u_см и отредактированный код перезаписывается в ту ячейку памяти ОЗУ 5, из которой был считан. Таким образом в памяти ОЗУ 5 формируется цифровой эквивалент сейсмограммы, для которой осуществлена коррекция смещения нуля. После этой операции устройство 8 управления переводит ОЗУ 5, устройство 10 цифровой коррекции смещения нуля в режим ожидания и станция готова к новому циклу накопления.

На фиг.2А приведен пример сейсмограммы (показана одна трасса), полученной на 24-канальной сейсмической станции “Синус-24”, разработанной в Институте геофизики. Длительность записи 0,8 секунд, количество выборок 512. На рисунке видно положительное смещение (u_см) сигнала относительно нулевой линии. В станцию было введено арифметическое устройство, вычисляющее поправку U_см, которая вычиталась затем из каждой выборки сигнала. В результате была получена сейсмограмма (фиг.2В), для которой смещение нуля скорректировано.

Устройство цифровой коррекции смещения нуля было реализовано на одном экономичном, недорогом процессоре АТ89С51 фирмы Atmel. Вся операция для 24 сейсмических трасс занимает по времени 150...200 мс, что практически никак не сказывается на производительности работ.