Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование принципов дельта-модуляции и создание на их основе аналого-цифровых преобразователей мейсморегистрирующей аппаратуры

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Исследование принципов дельта-модуляции и создание на их основе аналого-цифровых преобразователей мейсморегистрирующей аппаратуры"

РГ6 од

1 10СЧ российская академия наук

УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ . Ордена Трудового Красного Знамени Институт геофизики

На правах рукописи

СЕНИН ЛЕВ НИКОЛАЕВИЧ

удк 550.838.084

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ ДЕЛЬТА-ЦОДУЛЯЦИИ И СОЗДАНИЕ НА ИХ ОСНОВЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СЕИСМОРЕГИСТРИРУИЦЕИ АППАРАТУРЫ

Специальность 0,4.00.12 - геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых.

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

ЕКАТЕРИНБУРГ 1934г.

Работа выполнена в лаборатории сейсмометрии Ордена Трудового Красного Знамени Института геофизики УрО РЛИ.

Научные руководители: член-корреспондент академии естественных наук РСФСР, доктор технических наук В.И.Уткин,

кандидат геолого-минералогических наук В.С.Друьинин.

Официальные оппоненты: профессор, доктор технических наук

В.П.Силаев,

кандидат геолого-минералогических наук . С.П.Каиубин.

Ведущее предприятие: Центр региональных геофизических и геоэкологических исследований "Геон" (г.Москва)

Защита диссертации состоится ".31" МАЯ — -1ЭП1 г. вП- часов на заседании специализированного Ученого Совета Д 003. 31.01 в Ордена Трудового Красного Знамени Институте геофизики Уральского отделения РАН. по адресу:

620219, г.Екатеринбург, ГСП-144. ул. Амундсена, 100, Институт геофизики УрО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Инсти тута геофизики УрО РАН.

Автореферат разослан .Л'Ъш^Л... 1394 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета доктор физико-математических наук

Ю.Хачай

(ЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТКИ!! естественным образок определяется теки требованиями, который выдвигаются на передний план при проведении сейсмических исследований. Например, при региональных работах, методом ГСЗ. прежде всего это геологическая информативность. По сути своей данный параметр является основным комплексным критерием оценки системы и сейсуорегистрирующей системы в частности.

Геологическая информативность при сейсмически;-, исследованиях может быть в больней или меньшей степени адекватна реальной геологической обстановке и зависит от:

а) геологических условий в пункте исследования;

б) методики работ, прегде всего принятой системы наблюдений;

в) разрешающей способности регистрирующей сейсмической аппаратуры;

г) разрешающей способности сейсмообрабатнвающего комплекса. Поскольку геологические условия включают в себя естественный сейсмический фон (или искусственный, например, в зонах с высокой степенью интеграции индустриальных и промышленных объектов), то исследователь, как правило, в некоторой степени мояет влиять на данный фактор, например, путем выбора оптимальной методики исследований, выбора времени проведения измерений. При наличии достаточно мощного средства вычислительной техники и соответствующего пакета программ в некоторых случаях можно получить достаточно точное отражение геологической обстановки даже в случае интенсивных сейсмических шумов. Однако в большинстве своем низкая разрешающая способность преобразовательно-регистрирующего тракта сейсмиче -?ой аппаратуры сводит на нет усилия исследователя по восстановлению реальной геологической обстановки

на основании полученных сейсмических данных. Поэтому проблема улучшения отношения сигнал/шум сейсыорегистрирующего устройства, предназначенного для региональных сейсмических исследований является весьма актуальной.

В то же время, не менее важна проблема улучшения шумовых характеристик для аппаратуры, использующейся при сейсмологических наблюдениях, поскольку точность определения параметров сейсмического события зависит главным образом от точности отображения этого события на сейсмограмме, т.п. опять таки от разрешающей способности преобразовательно-регистрирующего тракта сейсмической аппаратуры.

В связи с этим в работе проведено исследование нетрадиционного способа преобразования аналоговых сейсмических сигналом и цифровой вид - дельта-модуляция, позволяющего улучшить шумовые характеристики тракта аналого-цифрового преобразователя (П1[И) аппара тури, расширить динамический диапазон АЦП. построить простую и гибкую систему преобразовании, оперативно меняющую свои параметры в за висимости от изменения параметров входного аналогового сигнала.

ЦЕЛЫ) РАП0ТИ является исследование метода дельта-модуляции как способа аналого-цифрового преобразования, применимого в сейс-морегистрирующей аппаратуре; изучение модификаций метода и возможных откликов системы преобразовании при поступлении на ее вход сейсмических сигналов, различных по своему энергетическому и спектральному составу; разработка ПЦП для сейсмических регистраторов на базе модифицированных вариантов дельта модулятора (ДМ); разра боткп сейсморегистрируюцей аппаратуры, использующей в своем со ставе АЦП на базе ДМ-преобразователей.

Указанные цели реализованы в лаборатории сейсмометрии Института геофизики ИрО РАН. Автор является ведущим разработчиком и руководителем группы, которая сконструировала действующий макет сейсмического регистратора "Дельта", предназначенного для проведения длительных сейсмологических наблюдений.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ.

1. Исследование принципов дельта модуляции.

2. Анализ работы линейного ДМ преобразователя с аналоговой цепью интегрирования в петле обратной связи.

• 3. Анализ работы узла адаптации в составе линейного дельта -модулятора (ЛДМ).

4. Разработка, макетирование и экспериментальные лабораторные исследования линейного дельта-модулятора и дельта-модулятора с включенным узлом адаптации.

5. Разработка варианта компактного сейсмического регистратора с использованием адаптивного дельта-модулятора (ЛДМ) в качестве АЦП.

0. Организация временного канала сейсмического регистратора.

7. Расчет и анализ работы линейного дельта-модулятора с цифровым интегратором в петле обратной связи.

Й. Разработка, макетирование и лабораторные исследования ЛДМ с цифровым интегратором.

9. Анализ работы варианта ЛДМ с цифровым интегратором в рениме

обработки трех сейсмических каналов.

10. Разработка и опробование 3-канального дельта-модулятора с цифровым интегратором.

11. Анализ работы, расчет и разработка цепей сейсмического регистратора "Дельта", использующего в качестве АЦП трехканаль-ний дельта модулятор с цифровым интегратором.

12. Разработка устройства связи аппаратурного блока регистратора "Дельта" с компьютерной частью регистратора (ЭВМ).

13. Разработка и отлаживапие пакета программ, обеспечивающего непрерывную регистрации сейсмической информации.

¡4. Проработка печатных плат и нонтага узлов аппаратурного блока регистратора "Дельта".

15. Испытания и доводка регистратора "Дельта" в лабораторных условиях.

16. Полевые испытании аппаратуры в стационарном пункте приема сейсмической информации п. Миассово (Челябинская область).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Сделано теоретическое обоснование и получено практическое подтверждение улучшения помехоза^ищеытсти и расширения динамического диапазона тракта аналого-цифрового преобразования сейсморегистрирувщей аппаратуры при использовании дельта-модулятора в качестве АЦП.

2. Выполнены расчеты характеристик различны/, вариантов линейного и адаптивного дельта-модуляторов; оптимизированы параметры преобразователей в соответствии с реиением задач обработки входных сейсмических сигналов.

3. Продлозено и разработано простое и эффективное устройство, позволяющее в процессе аналого-цифрового преобразования компрессировать сигнал, расширяя дипамичсскйй диапазон чреобразователя более, чем на 20 дП и сохранять относительную помехозащищенность системы на уровне линейного режима преобразования с повышенной час тотой выборки.

4. Предложено и разработано надежное и достаточно точное устройство кодирования отметки момента взрыва, позволяющее организовать прененпой капал сейсмического регистратора.

5. Продлоген и разработан 3-канальный вариант дельта-модулятора с цифровым интегратором, сохраняющий положительные черты ДМ преоб разователя с аналоговым интегратором, кроне того, предложенный вариант вместе с последовательным ДМ кодом имеет на выходе K.ip.i тле ль

з

ний n-разрядный двоичный код, хорошо согласующийся с последующими аппаратно-программными средствами сбора и обработки сейсмической информации.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РОПОТУ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЕЕ РЕЗУЛЬТАТОВ. '

Описанный в диссертационной работе способ аналого-цифрового преобразования сейсмических сигналов позволяет улучшить такие параметры сейсморегистрирующей аппаратуры, как отношение сигнал/шум 'Квантования, динамическая погрешность преобразования, разрешающая способность, динамический диапазон, т.е. параметры, достаточно сильно влияющие на результативность сейсмических исследований. В конечном итоге улучшение данных параметров аппаратуры позволяет повысить reo логическую эффективность исследований.

Конкретные разработки различных вариантов АЦП па базе метода дельта-модуляции, в которых учтена специфика применения в сейсмо регистрирующей аппаратуре, являются практической реализацией данного метода в сейсмике, а варианты предложенных в работе сейсмических регистраторов с ДИ-преобразователями могут быть с успехом приняты за базовые при разработке, например телеметрической сейсморе гистрирующей аппаратуры или при организации стационарных сейсмологических комплексов.'

Результаты проведенных исследований, воплощенные в виде действующих макетов сейсмических регистраторов и кодирующего отметчика момента взрыва, использовались при проведении полевых и опытно мп тодических работ в партии ГСЗ Паженовской геофизической экспедиции ИГО "Уралгеология", а также полевым отрядом лаборатории сейсмометрии Института геофизики УрО РАН (Свердловская и Челябинская область, регистраторы - 1987.-1932. 1993 г.г., кодировщик 1904 ШЗг.г.).

ДОСТОВЕРНОСТЬ ОСНОВНЫХ ВЫВОДОВ диссертационной работы об улучшении точностных параметров сейсмического капала регистратора при использовании в качестве АЦП - дельта-модулятора, подтверждается практическими исследованиями макетов предложенных разработок, а также данными компьютерного и физического моделирования, полученными в процессе исследования погрешностей в спектре модельного сейсмического сигнала, прошедшего преобразование в канале регистратора. При расчете погрешностей в спектрах применялась методика, предложенная и апробированная сотрудниками ИФЗ РАН З.И.Арановичем и С.А.Не-гребецким.

АНРОНАЦИЯ РАБОТЫ

Основные результаты работы неоднократно докладывались на секции Ученого Совета "Региональные геофизические методы изучения земных недр" Института геофизики УрО РАИ, а танке в рабочем порядке обсуждались с ведущими разработчиками сейсмической аппаратуры ИФЗ РАН З.И.Ррановичем, С.А.Негребецким и с ведущим разработчиком Центра "['сон" от Минрадиопрома Н.Семейкиным.

Масть результатов исследований по теме диссертационной работы, сведенная в отчет, передана в отдел 111 Института Фгзики Земли РАИ.

ПУШКАЦИИ

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретение и 1 заявка на Российский патент.

ObTjEM И СТРУКТУРА PAiiOTH

Диссертационная работа содержит 119 страниц навшнописного текста. состоит из введения, четырех глав и заклвчения, иллюстрирована 4ii рисунками. Список литературы включает 45 наименований.

Работа над диссертацией выполнялась в 1989 - 1993 г.г. под руководством член-корреспондента.академии естественных наук РСФСР, доктора технических наук В.И.Уткина и кандидата геолого-минералогических наук В.С.Дружинина н лаборатории сейсмометрии Института геофизики УрО РАН.

Автор благодарит сотрудников лаборатории сейсмометрии ИГ УрО РАН с.u.c. Ф.Ф.Юнусова, н.с. Г.И.Парыгина, СЛ.Никитина, В.А.Па-ншшеина за постоянную поддержку, творческое учезстие в решении многих вопросов, оказании помощи в организации и проведении полевых работ.

Автор признателен сотрудникам ИФЗ РАН З.И.Арановичу и С.А. Негребецкому, а также ведущему разработчику сейсмической аппаратуры Центра "Геон" от Минрадиопрома Н.Семейкину за активное участие в обсуждении ряда проблем, касающихся диссертационной работы и ценные замечания и рекомендации, полученные в процессе данных обсуждений.

Особую благодарность автор выражает инженеру- программисту лаборатории сейсмометрии ИГ УрО РАИ Т.Е.Сениной за активную творческую помощь в реализации ряда идей и предложений, являющихся элементами диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РППОТН

В первом разделе (ВВЕДЕНИИ) изложены вопросы актуальности исследований, научной новизны и практической ценности работы, указаны цели и основные задачи исследований.

Во втором разделе (МЕТОДЫ М1ПЛ0Г0-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ) проводится сопоставительный анализ наиболее распространенных в настоящее время методов аналого-цифрового преобразования. В частно сти рассматривается традиционный метод импульспо-кодовой модуляции (ИКМ). В связи с основополагающими принципами критериев Иайквйста при представлении непрерывных аналоговых сигналов в виде дискретных выборок, достаточно подробно освещены вопросы дискретизации по времени, а также квантования но уровню и кодирования. В зтой части раздела рассматриваются возникающие в процессе дискретизации и квантования погрешности преобразования ( сдискр. ибквант.) и ме тоды, позволяющие их минимизировать. Так например, если принять дискретизацию по времени как задачу аппроксимации функций, с учетом линейной интерполяции при восстановлении, то для случая, когда дискретизации подвергаются гармонические колебания х -(при А - 1), максимальная ошибка дискретизации определяется как (и.К.Поликов. 1373): (дП2

| ¿У"дискр. I «ах 8 (1)

Тогда после несложных преобразований и подстановок в выражение (1) необходимых величин можно показать, чго для искажений дискретизации не выше 3 дй (т.е. для (Гдискр. - 0.2П) необходимо, чтобы частота дискретизации превышала максимальную частоту в спектре гармонического сигнала в 4.И раз, т.е. Рдискр. - 4.14 Ртах.

При квантовании по уровню ошибка определяется разрешающей способностью квантователя, т.е. в соответствии с соотношением Р.Хартли в - 1одгЫ, зависит от N - числа шагов квантования в ин тервале преобразования сигнала, чем больше шагов квантования -тем меньше величина В квант.

Кроме метода ИКМ во втором разделе рассматривается метод дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ), в котором при меньшем числе порогов квантования обеспечивается преобразование, по точности сопоставимое с полпоразрядной ИКМ. Это обеспечивается самой структурой преобразователя, в котором присутствует устройство, формирующее промежуточные суммы и выполняющее функцию линейного ирг азателя (Н1И.Пилипчук, В.П.Яковлев, 19ЯП; И.М.Дворецкий,

б

И.Н.Дриацкий 1ПП'Л. Эффективность системы преобразования с Щ'У характеризуется отношением дисперсий ошибки предсказания и определяется как К •- 10!()( 6\/ &z), где ( б~х/ 6"!) имеет прямую функциональную зависимость с J> i - коэффициентом корреляции между отсчетами, отстоящими друг от друга на i периодов дискретизации. Собственно говоря, коэффициент К определяет выигрыш в динамическом диапазоне преобразования при использовании ДИКМ, который для оптимальных линейных предсказателей может достигать 16 д!5.

Метод дельта-модуляции (ДМ) отличается от рассмотренных выше методов аналого-цифрового преобразования прежде всего самим принципом формирования выходной цифровой последовательности, представленной п виде однобитового непрерывного потока данных. Суть метода заключатся в следующем. В каждый, дискретизируемый тактовой частотой интервал времени происходит сравнение величин выборок входного сигнала l)( t) и восстановленного (аппроксимирующего) напряжения U (t). В результате сравнения формируется сигнал ошибки сравнения Z(t)B виде +1, если U(t)>U*(t) или -1, если UCD^U'tt). Сигнал ошибки Z(t) записывается в ячейку памяти триггера, где хранится в течение одного тактового периода. Спустя один период тактовой частоты, сигнал Z(t) поступает на интегратор, где суммируется с предыдущими значениями сигналов ошибки сравнения. На интеграторе происходит Формирование аппроксимирующего напряжения U (t), с точностью до вага квантования повторяющего входной сигнал UCt). Такова структура и принцип действия классического линейного дельта-модулятора (ЛДМ), являющегося устойчивой одноконпараторной системой преобразования с замкнутой петлей обратной связи (Р.Стил, 1373; М.Д.Венедиктов, В.П.Ееиевский и др. 1976). Здесь зе рассматриваются пумы, возникавшие в процессе преобразования в системе с ЛДМ. В частности дается характеристика иумов, вызванных специфической, свойственной методу ДМ перегрузкой по крутизне, при которой аппроксимирующее напряжение U*(t) не успевает отслеживать быстрые изменения входного сигнала. Для устранения искажения данного типа необходимо, чтобы при увеличении напряжения входного сьгнала до (,'вх.вох .рабочая точна кодера не смещалась выэо установленной границы перегрузки.

В заключительной части второго раздела проводится сравнительная оценка рассмотренных методов преобразования, а также сопоставляются устройства, реализупцие методы ИКМ, ДИКМ и ДИ.

Во-первых результаты сопоставления показыпаят, что переход от ИКИ к ДИКН сопровождается усложнением схемы за счет добавления но -вых элементов и связей. И наоборот, ДМ реализуется прож.е, чем ИКИ

и ДИИМ как со с торопи кодера, так и по сторони декодера.

Во-вторых использование метода дельта-модуляции для .шалого-' цифрового преобразования сейсмических сигналов позволяет осуществлять данное преобразование с более высокой степенью точности и в большем динамическом диапазоне, по сравнении) с методами, применяемыми в сейсморегистрирушщей аппаратуре до настоящего времени (главным образом метод последовательных приближений - разновидность ИКЮ, поскольку:

а) метод ДМ является высокоскоростным, что дает возможность не прибегая к дополнительным аппаратурным ухищрениям снизить требования ко входным антипляйсинговым фильтрам;

б) метод позволяет не использовать на «ходе такого аналого-цифрового преобразователя (ПЦП) традиционного аналогового устройства выборки-хранения (УВХ), так как однокоипараторная система практически не имеет динамической погрешности в пределах одной выборки;

в) конкретные схемные разработки, использующие принцип ДМ весьма устойчивы в работе, так как содержат в своем составе минимальное число аналоговых элементов;

г) в связи с тем, что разрешающая способность метода определяется разрешающей способностью всего одного компаратора, помехозащищенность такой системы преобразования значительно выше помехозащищенности традиционных Я!£П и может достигать 100 - 120 дВ.

В третьем разделе (АДАПТИВНЫЙ ДКШ.ТП-КОДЯЛЯТОР) рассматривается предложенный в работе вариант адаптивного дельта-модулятора (АДМ). Приводится пример расчета основных параметров функциональных узлов АДМ. На базе предложенного варианта адаптивного ДМ кодера осуществляется разработка автономного компактного регистратора сейсмических сигналов. В заключительной части раздела рассматривается устройство, обеспечивающее организацию временного канала сейсмического регистратора.

Анализ, проведенный во втором и третьем разделах настоящей работы, а также данные из литературы (Р.Стил, 1979; м.Д.Венедиктов, Ю.П.Женевский и др. 1976; Г.Н.Котович, В.Ф.Ламекиг, 138В; Х.Иног.и, И.Иаг.уда, Ю.Иураками и др. 1963) показывают, что для обработки входных сигналов, изменяющихся в диапазоне 70 - 100 дБ, необходимо превышение тактовой частоты линейного дельта-модулятора над частотой входного сигнала более чем в 400 раз. С одной стороны - это хорошо, поскольку спектр шумов' квантования смещается в высокочастотную об-

ласть и следовательно уже не требуется на входе такого кодера -высокодобротного, сложного фильтра низкой частоты (ФИЧ). С другой стороны плотность выходного цифрового потока такого преобразователя чрезвычайно высока и чтобы снизить ее, на выходе линейного Декодера необходимо вклинить дополнительный сумматор-накопитель, преобразующий последовательный ДМ код в стандартный параллельный, для последующего прореживания выборок в соответствии с критерием Майк-виста.

С целью получения компромиссного решения в данной ситуации, в работе предложено ввести в линейный дельта-модулятор простой и эффективный узел адаптации [П. непрерывно анализирующий крутизну входного сигнала и, в зависимости от этой крутизны, формирувчий различные по величине ваги квантования, т.е. имеет место одноком-параторннй АЦП с переменным иагом квантования.

Введение узла адаптации в линейный дельта-модулятор позволило на порядок снизить тактовую частоту (а следовательно и плотность цифрового потока на выходе), сохранив при этом относительную помехозащищенность кодера на уровне линейного режима работы с повышенной частотой выборки. Реальная конструкция предложенного адаптив- . кого дельта-модулятора позволяет прегбразовывать входные сигналы в диапазоне их изменения до 70 дб.

Количественная оценка эффективности работы цепи адаптации (Г. Н.Котович, В.Ф.Ланекин, 1386) определяется как:

(1

Ч = 20 1в —. ■ (2)

Уа1Рс / Ркв1

где (1 - амплитудный диапазон изменения входного сигнала; дГРс / Рим! - изменение отнопения мотгчости сигнала к мощности ицма' квантования. Из выражения (2) видно, ч,о максимальная степень сжатия динамического диапазона дта*будет равна величине динамического диапазона кодера Г1 при й(Рс / Ркв] - !, а минимальная птсп - 0 "ри д[Рс / Ркв) -(1 . Отспда следует, что для оптимизации параметров цепи адаптации необходимо минимизировать параметр Д [Рс / Ркв], которой в сноп очередь зависит от числа разрядов сдвигового регистра цепи адаптации, т.е. от числа соседних бит, участвующих в анализе степени крутизны входного сигнала. Так при двухразрядном регистре сдвига величина Л 1 Рс / Ркв! уменьшается в (I раз и одновременно снимется тактовая частота Гта1!т, поскольку между д I Рс / Ркв1 и ¡-'такт суцествует при мая функци-шальная зазисимость. !) работе отмечается таг.ге, что ¡и,а большей эффективности преобразования йДМ достигает при 3 - 0 р.и;.^ •

дах сдвигового регистра узла адаптации, т.е. когда анализ крутизны входного сигнала осуществляется по 3 - 6 соседним битам АДМ кода.

На основе методики определения параметров функциональных узлов адаптивного дельта модулятора (А.Я.Мепцис, Г.Г..Станке, М.П. Усанов, 1981) и с учетом специфики входных сейсмических сигналов в работе сделан расчет предложенного варианта адаптивного дельта -модулятора, предназначенного для использования в качестве АЦП ав топомного сейсмического регистратора. По результатам расчетов был изготовлен и опробован в лабораторных условиях действующий макет АДМ [11, имеющий следующие основные технические характеристики:

Частотный диапазон входных сигналов (Гц)...........O.ü lfi

Динамический диапазон преобразования (дБ)..........fifi

Частота дискретизации (Гц).........................1000

Минимальный наг квантования (мВ)...................ü

Степень жатия динамического диапазона (дБ)........2Í¡

Минимальное отношение сигнал/пун квант. (дБ)........09

Кроме того, для разработанного АДМ была рассчитана основная характеристика, выражающая зависимость отношения мощности сигнала к мощности шума квантования от величины входного сигнала, измени ющегося в диапазоне 1 - 2000 мВ. В соответствии с полученной характеристикой помехозащищенность П кодера (в диапазоне изменения величины входного сигнала) меняется в Я.б раза, что хорошо коррелиру -етоя с изменением помехозащищенности, выраженной через число разрядов сдвигового регистра устройства адаптации ( дА для трехразряд пого регистра сдвига - 9). Тогда максимальная помехозащищенность кодера будет около 9В дБ.

На базе рассмотренного адаптивного дельта-модулятора била разработана конструкция-малогабаритного автономного одпоканального регистратора сейсмических сигналов [?.], предназначенного для работ методом ГСЗ. Регистратор позволяет обрабатывать и записывать сейсмические сигналы, изменяющиеся в диапазоне частот 0.5 1П Гц и в ампли тул1п,,< диапазоне 100 дБ (с учетом аттенюатора ручной регулировки усиления). Большая часть узлов регистратора выполнена на цифровых элементах КМ0П. Кроме своей компактности (масса без встроенных батарей питания 0.8 кг), малого энергопотребления ( максимальный ток потребления в режиме "запись" - 42 мА) и примененного в качестве АЦП адаптивного дельта-модулятора, разработанная модель регистратора имеет еще несколько специфических свойств, отличающих ее от существующих аналогов:

1. В качестве накопителя сейсмической информации, преобразо-

ю

ванной в цифровой вид, в регистраторе используется "твердая память", выполненная на микросхемах 034 статического типа. Соответственно, отсутствие механических частей повышает надежность регистрации.

В рег траторе используется свойство обратимости дельта-модулятора, заключающееся в том. что ДИ-кодер п то же время может выполнять Функции декодирующего устройства. Поэтому использование одних и тех же узлов схемы АДМ для аналого-цифрового преобразования и последующего восстановления исходного сигнала сводит к минимуму погрешности, вносимые неидентичностью элементов кодера и декодера.

В заключительной части третьего раздела диссертационной работы рассмотрено предложенное устройство, позволявшее сформировать временной канал сейсмического регистратора, находящегося на расстоянии от пункта взрыва, например при работах методом ГСЗ. Сущность формирования временного канала заключается в следующем. Кодирующий отметчик момента взрыва Г31 размещается в пункте возбуждения сейсмических колебаний и выход его подключается ко входу радиостанции. В момент подрыва устройство начинает вырабатывать последовательность импульсов различной длительности, которые модулируются в передатчике радиостанции и посылаются в Эфир. Па приемной стороне (в точке регистрации сейсмической информации) импульсная последовательность демодулируется и записывается параллельно сейсмической информации. При обработке сейсмограмм осуществляется дешифрация записанной импульсной последовательно! и и временная привязка любого участка сейсмограммы к моменту взрыва. Предложенный кодирующий отметчик момента возбуждения сейсмических колебаний отличается простотой. надежностью в работе и обеспечивает в низкочастотной сейсмической разведке точность временной привязки, сопоставимую с вагон дискретизации при цифровой регистрации. Кроме того, необходимо отметить, что структуру и длительность импульсной последовательности пользователь может достаточно легко менять, подбирая ее в соответствии с мощностью передатчика, расстоянием до пунктов приема, эфир ннм прохождением в данное время суток или в данной местности, наконец исходя из максимального удобства дешифрации при осуществлении временной привязки сейсмограммы. Для смены структуры или длительности кода необходимо лишь заменить микросхему 113!), в которую "зашита" информация о новой импульсной последовательности.

В четвертом разделе (ЛЦП НА ПАЗЕ ДШТА--МОДУЛЯТОРА С ЦИФРОВОЙ СХЕМОЙ ИНТЕГРИРОВАНИЯ В ПЕТЛЕ ОЬРАТНОИ СВЯЗИ) рассмотрен вариант

линейного дельта-модулятора с цифровым интегратором.

Но сути своей узел адаптации, рассмотренный в третьей главе работы, является нетрадиционным вариантом компрессора (или экспандера,когда осуществляется режим демодуляции). Но коыпандерпий режим, обладая хорошей помехозащищенностью, в то же время не может обеспечить регистрацию слабых сигналов на фоне интенсивных помех. Л как известно, в ряде случаев, например при сесыологических исследованиях возникают именно такие ситуации. Поэтому в таких случаях требуется применение линейных преобразователей с неизменным тагом квантования.

Ii соответствии с данным требованием, в четвертой главе работы предложен модифицированный вариант линейного дельта-модулятора с цифровым интегратором в петле обратной связи. Что дает использование такого ДК-кодера?

По-первых, в модифицированном варианте сохраняются все поло ¡сителыше черты, присущие ЛДК с аналоговым интегратором и перечисленные выше.

Во-вторых, цифровой интегратор является сумматором накопителем, который позволяет сформировать одновременно с последовательным ¡['А кодом параллельный двоичный код. Следовательно отпадает необходимость в дополнительном сумматоре-накопителе (как это было в ЛДК с аналоговым интегратором), предназначенном для процедуры прореживания выходных бит с целью снижения плотности выходного потока данных. В предложенной ыодификации прореживание выборок можно осуществлять непосредственно внутри дельта-модулятора, например на зтапе съема информации с разрядов цифрового интегратора.

В-третьих, наличие на пиходе делста-модулятора стандартного параллельного двоичного кода (прямого или дополнительного) облегчает связь ПЦП с последующими аппаратно-программными средствами, поскольку в большинстве своей обработка сейсмической информации ¡< настоящее время производится но данный, представленным в параллельных кодах.

Предложенная схена дельта-модулятора с цифровыи интегратором M,fi! содержит, как и схема с аналоговым интегратором, входной компаратор, формирующий сигнал Z(t) ошибки сравнения входного (КО и «чппропсиыирь'шчего U П.) напряжений, триггер задержки на один такт, но роль интегратора здесь выполняет двоичный реверсивный счетчик, осучгегг.лявчнй накопление' сигналов 7(1) и интегральный цифро-аналоговой преобразователь (.'¡ПП), на котором происходит восстановление плир'ШН'ич t!*(i.Дифференциальная нелинейность /кали преобразования

такого дельта-модулятора определяется гласным образом дифференциальной нелинейностью используемого ЦЛП (поскольку система продолжает оставаться однококпараторной) и, например, для 12-разрядн )й микросхемы ЦП" КЗ С Hfll не пропивает 0.012 7., В то ае время аналогичный параметр для широко распространенного 12-разрядного АЦП последовательного приближения К572 ПВ1 достигает 0.4 У. (Б.Г.Оедорков, П.А. Телец, 1Я30).

Сопоставляя работу предложенной схемы, со схемой дельта-модулятора с аналоговым интегратором, нужно остановиться на следующем моменте. Как отмечалось выше, одш.й из пумовых составляющих в дельта-модуляторе является шум перегрузки по крутизне. Это положение справедливо и для /ДО-прообразователя с цифровым интегратором. Однако реакция такой системы на перегрузку будет несколько иной в отличие от реакции системы с аналоговым интегратором. В схеме с цифровым интегратором управлявшим является реверсивный счетчик, который реально имеет ограниченное число двоичных разрядов п, причем п и опорное напряжение !(АП (Нопор) 'определяют максимально возможную амплитуду входного напряясния IKt). В случае превышения сигналом II(t.) порога, устапонлешюго опорным напряжением Нопор, происходит переполнение разрядной сетки реверсивного счетчика и на выходе ЦАИ формируется специфическое скачкообразное искажение (резкая смена кода на разрядах реверсивного счетчика, например из состояния 1111... в состояние 0000...). Если превышение входного сигнала над опорным i пряжением достаточно длительное, то может наблюдаться несколько скачкообразных искажений, следующих одно за другим.

Для нейтрализации искажения описанного типа в предложенной схеме используется цифровой сигнал, формируемый па выходе "переполнение" реверсивного счетчика и один элемент "исключающее или", выполняющий роль управляемого инвертера. Применение этих элементов позволяет ввести режим искусственного ограничения аппроксимирующего напряжения ll*(t) на уровне Uonop (при превышении входным сигналом (!((,) опорного напряжения Нопор), который вносит значительно меньшие искажения по сравнение с искажениями типа "скачкообразной перегрузки" .

Рассматривая параметр помехозащищенности предложенной схемы, в четвертом раздело работы сделаны расчеты конкретной реализации дель та-кодера с цифровым интегратором, предназначенного для преобразования сейсмических сигналов в полосе частот 0.5 - 3 Гц и в диапазоне изменения амплитуд 72 дБ. Максимальная помехозащищенность такого

преобразователя йшах достигает 114 дБ при частоте дискретизации Ртакт г ЮО кГц.

Исходя из того, что при исследовании сейсмических сигналов необходимо осуществлять регистрации одновременно по нескольким сейсмическим каналам (например при сейсмологических наблвдепиях желательно иметь минимум три компоненты), возникает вопрос, нельзя ли с помощью одного дельта модулятора осуществлять преобразование сразу нескольких аналоговых сигналов. Поскольку структура ДИ-кодеров такова, что в них формируются всего лишь приращения выборок сигнала относительно друг друга, то создастся впечатление;, что мпогока пплышй вариант дельта-нреобпазонателя построить невозможно. Вмес те с тем в предлогенном варианте ЛДЫ с цифровым интегратором в процессе операции интегрирования формируется параллельный код. который, с учетом соблюдения временной диаграммы преобразования, можно подвергать процедуре мультиплексирования.

На основе этого вывода и используя в качестве базового одно-канальный вариант дельта-модулятора с цифровым интегратором, бил разработан З-каиалышй вариант дельта-модулятора с цифровы м интеграторов Г4.61, предназначенный для использования в качестве АЦП сейсмологического регистратора.

Дополнительно к элементам, входящим в состав 1-канального ЛДЦ, в З-капальноы варианте используется входной 3-канальный мультиплексор аналоговых сигналов, цифровое буферное оперативное зано-иинавцее устройство (03!»') и счетчик адреса, управляющий работой ОЗУ. Суть обработки трех аналоговых сигналов с ь,.мощью одного дельта-модулятора заключается в следующей. Входной мультиплексор аналоговых сигналов (ИХ) формирует выборки трех сейсмических каналов (с учетом критерия Найквиста) и последовательно подает их на вход дельта-модулятора. Высокоскоростной дельта-модулятор преобразует какдун выборку в цифровой эквивалент, который записывается в определенную ячейку памяти буферного ОЗУ. При поступлении на вход дельта- -модулятора очередной выборки канала, из ячейки памяти ОЗУ считы-вается цифровой эквивалент предыдущей выборки этого ¡ее канала и перезаписывается в регистры реверсивного счетчика цифрового интегратора. Таким образом, дельта-модулятором непрерывно осуцествпяется обработка последующей выборки по отношению к предыдущей выборке од-Ш'тчнного канала. Такая процедура обработки позволяет несколько снизить тактовует частоту дельта-модулятора, Польсинствп функций по преобразования в предлозенной схеме передано цифровни элементам обработки. обладавшим значительно больней детерминированностью поведения

1л

по сравнению t аналоговыми.

!'. пятом разделе работу (РЕГИСТРАТОР НИЗШПСТ0Т1ШХ СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ' ИСПОЛЬЗОВАНИЕ« АЦП НА ПАЗЕ 3-КАНАЛЬНОГО ДЕЛЬТА ИОД'Л-ДЯТОРА С ЦИФР0В1Ш ИНТЕГРАТОРОМ В ПЕТЛЕ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ) рассматривается разработанный макет сейсмологического регистратора, предназначенного для длительных стационарных наблюдений за сейсмической активностью исследуемой зоны.

Основными Функциональными блоками регистратора являются: стандартный трехкомпонептный сойсмоприемник С К1 — П» блок преобразователя и ÍПК совместимая ЭВМ. Влок преобразователя включает устройство предварительной анапоговой обработки трех компонент сейсмической информации, 3 канальный дельта-модулятор (АЦП) и формирователь кода, обеспечивающий связь выхода ДМ-преобразователя с интерфейсной линией (RS-232) ЭВМ. Регистратор обеспечивает обработку и запись сейсмической информации в полосе частот 0.05 - 2 Гц и диапазоне изменения амплитуд fe учетом аттенюатора ручной регулировки усиления) 102 дВ. Рожимы работы регистратора: ЗАПИСЬ - непрерывный прием, преобразование и накопление сейсмической информации на жестком диске ЗПМ; ЧТЕНИЕ - возможен выбор любого Фрагмента записанной сейсмической информации, горозонтальпое и вертикальное масштабирование, визуализация в дискретно аналоговом виде на экране диелтея,.определение амплитудных и временных параметров для любой точки сейсмограммы; К0МПАРАТ0РНАЯ СЕЛЕКЦИЯ режим, щ котором осуществляется непрерывное сравнение амплитуд регистрируемых сигналов с установленным пороговым значением, при превышении которого участок информации записывается, в противном случае - стирается; ОСТАНОВ ~ обесточи-вапип всех блоков регистратора после заполнения жесткого диска ЭВМ информацией. Все режимы работы регистратора обеспечивает пакет прикладных программ, выполненный па языке Паскаль, версия 6.О.,

Основная функция, выполняемая формирователем кода (ФК) блока преобразователя, состоит в установлении и поддержке бесперебойной связи между выходом дельта-модулятора и входом ЭВМ. С этой целью ФК обеспечивает прием И-разрядных цифровых слов (1?. бит информации i 2 бита номер сейсмическог о канала) от дельта-модулятора, преобразование и упаковку слов в соответствии с протоколом интерфейса ?.?,?. и выдачу цифровой информации в стандартном коде ASCII в приемнуш линию ЭВМ. Скорость передачи информации 2400 бод.

В процессе лабораторных испытаний макета регистратора был про веден расчет суммарной погрешности, возникающей при прохождении

сигнала через узлы и блоки сейсмического канала регистратора вплоть до интерфейсной линии. При этом использовалась методика П.М.Про-пович. С.А.Негребецкий, 1980), заключающаяся в сравнении спектра модельного сигнала, поступающего на вход исследуемой системы со спектром полученного выходного сигнала. В качестве модельного при расчетах использовался импульс Берлаге вида КЬ) - П-е • яШ«-'!.), форма которого близка к первым вступлениям прямых продольных волн. Расчет спектров входного и выходного сигналов проводился с использованием метода ДПФ (Л.Рабииер. Б.Гоулд, 1978) на ЭВМ, причем при расчете спектра исходного сигнала (его спектр принимался за идеальный) использовалась полная разрешающая способность а при рас-счете спектра выходного сигнала разрешение ограничивалось числом разрядов преобразования дельта-модулятора. Результат сопоставления идеального и реального спектров сигналов представлен в работе и виде графика распределения относительных погрешностей в полосе частот 0.01 - С Гц. Относительная погресность в заданной для регистратора полосе частот (0.05 - 2 Гц) не превышает 0.3 У. для входного сигнала амплитудой 10 мЬ, что с учетом коэффициента усиления регулируемого усилителя 60 дВ, обеспечивает перекрытие шкалы преобразования дельта-модулятора па 2 д5 меньше максимально возможного.

В заключительной части пятой главы работы приводится описание подготовки регистратора к проведению полевых работ, порядок установки его в точке наблюдения, соблюдение необходимых условий при установке.

Макет описанного регистратора проходил полеьое опробование в декабре 1992 и затем в июле 1993 г.г. в п.Киассовэ (Челябинская обл.. Ильменский Государственный заповедник). Был зарегистрирован ряд сейсмических событий, которые можно квалифицировать как события местного значения, а также несколько удаленных землетрясений. В частности. в работе делается попытка по компонентам Х,У,7. обработать сейсмограмму'удаленного землетрясения с магнитудой 8.0, произошедшего 12.07.93г. в районе острова Хоккайдо (Япония). При расчете основных параметров землетрясения (азимут на эпицентр, азимутальное раг.г.то-укие. координаты эпицентра, магнитуда) использовалась методика, подробно описанная в "Инструкции о'порядке производств.'! к обработки иаялздел'.ий на сейсмических станциях единой системы сейсмических наблюдений СССР" (Москва, Наука, 1981г.).

Полученные результаты характеризуют разработанный сейсмический регистратор и в том числе 3-канллышй АЦП на базе дельта-модулятора с циороь-ым интегратором, как надежное устройство, позволяющее запи-

1Ь

сыпать сейсмическую информацию в цифровом виде и получать контрастные сейсмограммы в ниде, удобном для обработки.

В вестом разделе (ЗАКЛЮЧЕНИЕ) подведены итоги проведенных исследований, с эмулированы основные зачищаемые положения, намечены направления развития темы.

Проведенные теоретические и практические исследования нового в геофизике метода аналого-цифрового преобразования - дельта-модуляции, а также полевые испытания аппаратуры, использующей в своем составе устройства, реализующие данный принцип преобразования, являются основой для дальнейшего развития метода в области сейсмического приборостроения.

Итоги представленных исследований можно резюмировать в следующих пунктах.

1 ) 1'а(;смотрсни теоретические основы и принцип аналого-цифрового преобразования метода дельта-модуляции применительно к квази-гармопическим сигналам, структура и спектральный состав которых близки по своим свойствам к аналогичным параметрам сигналов сейсмических полей. Проведен сопоставительный анализ свойств АЦП, основанных на различных принципах преобразования аналоговых сигналов. В результате анализа показано, что по своим технико-экономическим показателям ДМ~преобразователь является наиболее совериен-пой моделью АЦП но сравнению с существушцими до настоящего времени типами АЦП, применяемыми в сейсморегистрирующей аппаратуре.

?.) Разработана практическая ( ема модифицированного адаптивного дельта-модулятора, предназначенного для аналого-цифрового преобразования сейсмических сигналов, изменяющихся в динамическом диапазоне более 00 дБ и полосе частот 0,5 - 16 Гц. Оригинальный и простой как в изготовлении, так и в налаживании узел адаптации позволяет осуществлять цифро-аналоговую компрессию входных сигналов более, чем в 10 раз. Кроме того, существенным достоинством .предложенной схемы является снижение частоты выборки по сравнению со схемой исходного линейного дельта-модулятора. При этом не происходит заметного уменьшения защищенности сигнала в процессе преобразования.

3) Па базе предложенного адаптивного дельта модулятора разработана конструкция одноканального компактного сейсмического регистратора. который с успехом может быть применен при проведении работ, например, методом ГСЗ. Кроме отмеченных положительных качеств АДН, схема регистратора проработана таким образом, что используется свойство обратимости адаптивного дельта-кодера, чте означает

способность одних и тех же узлов схемы осуществлять процедуры кодирования и декодирования исходного сигнала.

4) На базе существующего способа временной привязки сейсмической информации, основанного на формировании строго фиксированной импульсной последовательности, предложено и сконструировано кодирующее устройство для отметки момента сейсмического возбуждения. Структура и последовательность формирования кодов может задаваться пользователем по своему усмотрении, исходя из удобства дешифрации отметки момента взрыва.

5) Предложена и разработана конструкция трехканального дельта-модулятора с цифровым интегратором в петле обратной связи. Данное техническое решение позволило, во-первых сохранить положительные черты, присущие ЛДИ с аналоговым интегратором; во-вторых, цифровой интегратор, являясь сумматором накопителен, позволяет сформировать одновременно с последовательным ДН-кодом параллельный дв''ич ный код. Следовательно отпадает необходимость в дополнительном сумматоре накопителе, предназначенном для процедуры прореживания с целью снижения плотности выходного потока данных; в-третькх. наличие на выходе дельта-модулятора стандартного параллельного кода облегчает связь АЦП с последующими анпаратно-программныки средствами.

в) На основе трехканального дельта-модулятора с цифровым интегратором разработан и изготовлен действующий макет регистратора низкочастотных сейсмических сигналов. Регистратор предназначен для приема, предварительной аналоговой обработки, аналого-цифрового преобразования, предварительной цифроврй оиработки и накопления трех независимых каналов сейсмической информации. Все функции по управлению и обработке цифровых данных выполняются любым ГНК-совместимым компьютером с помощью специального пакета программ.

?) Проведен анализ работы отдельных узлов и блоков регистратора. В частности, исследовался отклик всего сейсмического канала на воздействие модельным импульсом Берлаге. Получена реальная спектрограмма отклика, которая сопоставлялась с идеальной. Результатом сопоставления явилась кривая относительных погрешностей, вносимых в процессе преобразования в спектры исследуемых сигналов. Анализ кривой погрешностей позволяет рекомендовать предложенный ЛИП как нреабраг.шгатгль, превосходящий по а.оии точностным показателям другие гивы АЦП, применяемые в цифровой сейсмической аппаратуре.

ОСНОВНЫЕ ЗАЗИЗАЕИИЕ ГШШ!:1!Иа

1, Впервые в геофизическим приборостроении предложено и прак-

1В

тически реализовано применение нетрадиционного способа аналого-цифрового преобразования - дельта-модуляция в различных модификациях.

2. Свойс а предложенных преобразователей таковы, что они позволяют значительно уменьшить динамически погрешность сейсмореги-стрирующей аппаратуры, что в свою очередь ведет к новывенип точности обработки сейсмических данных.

На основе полученных результатов исследований видятся следующие основные пути развития данной темы:

а) дальнейшее расширение разрядной сетки цифрового интегратора дельта модулятора с целью доведения динамического диапазона преобразования до 100 дП и более;

0) проведение исследований в области цифровой фильтрации, в основе которой лежит обработка сигналов, представленных относительными величинами приращений, т.е. создание прямоточных цифровых дельта фильтров; решение этой проблемы в совокупности с использованием в качестве ПЦП дельта- модулятора позволит полностьв исключить аналоговые схемы из структуры сейсмического регистратора.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

(.Использование дельта-модуляции для аналого-цифрового преобразования сейсмического сигнала. Геофиз. аппаратура,.Санкт-Петербург. Недра. 1!)!)?., внп.9Г), с. 102 - 107.

Я.Нстройство для регистрации ейсмических сигналов, йвт. сви-дет. N 11)81203. приоритет 27.06.П9.

3.Кодирующее устройство для отметки момента возбуждения сейсмических колебаний. Пвт. спид. N 1190761, приоритет 4.05.134.

4.Дельта сигма модулятор с цифровым интегратором - АЦП еей-сморегистрирувщей аппаратуры. Геофиз. аппаратура.' Санкт-Петербург, Недра, 1994. вып.99, в печати.

¡¡.Комнандерный аналого-цифровой преобразователь с использованием дельта-модуляции для регистрации сейсмических сигналов. Сейсмические приборы, Москва, Наука, 1393, вып.23, с.

б.Многоканальный аналого-цифровой преобразователь для сейсмических исследований с использованием дельта модуляции. Заявка на Российский патент N 5041754, приоритет 15.0G.92.

/

ПОДПИСАНО К ПЕЧАТИ 15.03.94г. "ФОРМАТ 60x84 1/16 ОБЪЕМ 1.0 ПЛ. ТИРАЖ 100 ЗАКАЗ 320

цЕХ 4 АООТ , ПОЛИГРАФИСТ'

ЕКАТЕРИНБУРГ.ТУРГЕНЕВА.20