Новые способы, аппаратура и устройства, повышающие эффективность сейсмических исследований

Сенин, Лев Николаевич

Автореферат диссертации по теме "Новые способы, аппаратура и устройства, повышающие эффективность сейсмических исследований"

На правах рукописи

ои-з

Сенин Лев Николаевич

НОВЫЕ СПОСОБЫ, АППАРАТУРА И УСТРОЙСТВА, ПОВЫШАЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Специальность 25.00.10 - «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

- 3 ЛЕН 2009

Екатеринбург - 2009

003486662

Работа выполнена в Институте геофизики УрО РАН (г. Екатеринбург)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Силаев Валерий Аркадьевич

доктор технических наук Астраханцев Юрий Геннадьевич

доктор геолого-минералогических наук,

профессор Кашубин Сергей Николаевич

Научный консультант:

Советник РАН, Главный научный сотрудник ИГф УрО РАН, член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор В. И. Уткин

Ведущая организация: Пермский государственный

университет (кафедра геофизики)

Защита состоится « 24 » декабря 2009 г. в 10 часов в актовом зале на заседании диссертационного совета Д 004.009.01 при Институте геофизики УрО РАН по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, дом 100.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института геофизики УрО РАН.

Автореферат разослан «_»_2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор физико-математических наук, профессор

Хачай Ю. В.

Актуальность темы

Известно, что проблема изучения Земных недр является прерогативой геофизических исследований, среди которых ведущее место занимают сейсмические методы, позволяющие получать сведения о глубинном строении Земли, заниматься решением задач поиска предвестников землетрясений, решать прикладные вопросы, касающиеся увеличения минерально-сырьевых запасов, в том числе топливно-энергетических, решать задачи инженерно-геологического характера и т. д.

Основополагающим при производстве сейсмических работ является критерий качества регистрации сейсмической информации, определяемый способностью сейсморегистрирующей и обрабатывающей систем минимизировать влияние различных искажающих факторов на исходный сейсмический сигнал в процессе измерения.

Другим существенным критерием для сейсмических исследований является наиболее высокая информационная емкость по сравнению с любым другим методом геофизики, что затрудняет оперативность выдачи конечного результата.

Отмеченные факторы оказывает существенное влияние как на развитие аппаратурной базы, сейсморегистрирующих, обрабатывающих систем, так и на формирование методических приемов при производстве сейсмических исследований.

Таким образом, создание новых способов и средств, улучшающих технические параметры сейсморегистрирующих систем, внедрение их в аппаратуру, разработка оригинальных методов и сейсмоизмерительных приборов, повышающих эффективность сейсмических исследований, является актуальной задачей, решению которой посвящена настоящая работа.

Цель работы

Разработка способов и устройств преобразования аналоговых сейсмических сигналов, обеспечивающих снижение плотности цифрового потока данных без потери полезной информации, повышение точности преобразования, а также разработка алгоритма и аппаратной реализации цифровой коррекции смещения нуля.

Разработка способа сейсмических исследований, позволяющего длительное время проводить автономную регистрацию сейсмического поля и опера-

тивно оценивать динамику его поведения во времени, т. е. сократить время принятия решения в случае возникновения стрессовой ситуации.

На базе перечисленных аппаратно-методических разработок создание экономичной компактной сейсмической станции и универсального автономного регистратора сейсмических сигналов.

Научная новизна

На основе теоретических исследований, компьютерного и физического моделирования, изучения и сравнения технических и эксплуатационных характеристик макетных образцов разработанных устройств и методов, воплощенных в устройства, автором сформулирован ряд технических предложений, новизна которых подтверждена 7-ю патентами и 2-мя авторскими свидетельствами на изобретение.

1. На базе алгоритма дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) разработан новый способ преобразования аналоговых сейсмических сигналов, характеризующийся снижением плотности потока цифровых данных на выходе и повышением эффективной разрешающей способности, т. е. расширением динамического диапазона преобразования.

2. Предложены две оригинальные схемы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), реализующие новый способ, первая из которых дополняет петлю обратной связи ДИКМ фильтром низкой частоты (ФНЧ) и усилителем, во второй схеме используется управляемый ФНЧ следящего типа.

3. Предложены и реализованы схемы АЦП для сейсморегистрирующей аппаратуры, в основе работы которых лежит принцип дельта-модуляции (ДМ). Устройства обеспечивают многоканальность и хорошую степень точности преобразования. Введенный в одну из схем блок адаптации управляет размером шага квантования, изменяя его в зависимости от скорости изменения входного аналогового сигнала. При этом сохраняется максимальное разрешение на экстремумах сигнала при относительно низкой частоте дискретизации.

4. Разработаны способ сейсмического мониторинга и регистратор сейсмических сигналов, реализующий данный способ, позволяющие оперативно оценивать динамику изменения сейсмического поля в точке наблюдения. Для реализации функции оперативности и значительного увеличения времени непрерывной регистрации в алгоритм сейсмического мониторинга вводится новый элемент - вычисление энергии сейсмических волн по измеренным компонентам смещений (Ъ, X, У) с последующей регистрацией результата вычисления в точке измерения за некоторый заранее установленный интервал времени (времен-

ное окно), выбираемый в зависимости от полосы частот регистрируемых сигналов и длительности затухания сейсмической волны до фонового уровня при импульсном воздействии. При площадных наблюдениях полученные энергетические уровни сводятся в единую динамическую карту вариаций распределения сейсмической энергии для соответствующих компонент смещений.

Аналого-цифровой преобразователь регистратора выполнен на базе разработанных автором способа и устройства преобразования аналоговых сигналов, что обеспечило уже при 12-разрядном кодировании качественное мгновенное преобразование входных сейсмических сигналов в диапазоне порядка 92 дБ (15 - 16 разрядов при традиционной ИКМ) и, одновременно, позволило увеличить время непрерывной регистрации за счет снижения плотности цифрового потока данных на выходе АЦП.

5. Разработана компактная, моноблочная, экономичная сейсмическая станция с гибкой архитектурой встроенной мультиконтроллерной системы управления и обработки. Станция позволяет осуществлять многократные синхронные суммирования входных сейсмических сигналов со знаком «+» или «-», причем последнее весьма существенно при регистрации поперечных волн БН. В станцию введен разработанный автором алгоритм цифровой коррекции смещения нуля. Это позволило значительно снизить влияние или полностью устранить такие факторы, как температурный дрейф нуля, смещение нуля, обычно проявляющие себя в цепях аналоговой обработки сейсморегистрирующего канала и вносящие существенные искажения в режиме многократных синхронных суммирований входных сигналов. Экономичность и компактность станции обеспечили надежную работу прибора при производстве полевых сейсмических исследований бригадой из 2 - 3 человек в течение 7-8 полноценных рабочих смен без дополнительной подзарядки аккумуляторной батареи емкостью всего 16- 18 Ахч.

Защищаемые положения

1. Новый способ преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой вид, отличающийся тем, что за счет комбинации традиционных методов модуляции повышается точность преобразования при малых уровнях входных сигналов, уменьшаются или полностью устраняются искажения полезной информации при передаче ее в блок сохранения, обеспечивается адекватность входных и выходных данных, что позволяет повысить детальность обработки и интерпретации сейсмической информации и в конечном счете повышает достоверность геофизических материалов.

2. Новый способ оперативного сейсмического мониторинга и регистратор сейсмических сигналов, реализующий данный способ, в основе которых лежит алгоритм вычисления энергии одной или нескольких компонент измеренного сейсмического сигнала с последующей регистрацией результатов вычислений в точке наблюдения. В отличие от традиционного сейсмического мониторинга, при площадных работах за счет многократного снижения плотности информационного потока способ обеспечивает оперативную качественную оценку изменения динамики поведения одной или нескольких компонент сейсмического поля практически в реальном времени. За счет введенного в регистратор нового комбинированного АЦП обеспечивается дополнительное снижение плотности потока выходных данных, расширение динамического диапазона измеряемых сигналов и точность их представления в цифровом виде, в результате чего повышается достоверность кинематической и динамической обработки и дальнейшей интерпретации сейсмограмм.

3. Серия новых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для сейсморе-гистрирующей аппаратуры на основе комбинации импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) и дельта-модуляции (ДМ), отличающаяся от известных организацией мультиканального режима при измерениях относительных величин выборок входного сигнала; введением оригинальных узлов адаптации, обеспечивающих расширение динамического диапазона преобразования; снижением плотности информационного потока на выходе по меньшей мере на 25%; повышением точности преобразования на экстремумах входного сигнала.

4. Накопительная сейсмическая станция с новым алгоритмом цифровой коррекции смещения нуля. Реализованный алгоритм вычисления и введения поправки смещения нуля в каждую сейсмическую трассу станции отличается простотой, минимальными затратами вычислительных мощностей, малым временем выполнения операции, не влияющим на производительность работ. В результате практически полностью устраняются такие факторы, как температурный дрейф нуля и смещение нуля сейсмической трассы, искажающие информацию при выполнении операции многократных синхронных суммирований входных сигналов. Сравнительный анализ с известными мировыми образцами аппаратуры данного класса по пунктам «экономичность» и «компактность» показал превосходство разработанной станции, а широкий рабочий температурный диапазон позволил реально использовать ее практически в любых климатических зонах без каких-либо дополнительных условий кондиционирования.

Апробация работы

Основные результаты работы неоднократно докладывались, а разработанная аппаратура демонстрировалась на Ученом Совете и секции Ученого Совета «Региональные геофизические методы изучения земных недр» Института геофизики УрО РАН; на международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы» (г. Екатеринбург, 1998); на научно-промышленном форуме «Приборостроение - 2002» (г. Екатеринбург, 2002); на научно-промышленном форуме «Приборостроение - 2004» (г. В. Пышма Свердловской области, 2004); на Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело. Оборудование. Технологии.» (г. Екатеринбург, 2006); на III Урало-Сибирской научно-промышленной выставке «Научно-промышленная политика и перспективы развития Урала и Сибири» (г. Екатеринбург, 2007). Кроме того, научные результаты по теме работы представлены 28 публикациями, в том числе 12 работами, включенными в список ВАК, и 1 авторской монографией.

Практическая ценность

С помощью аппаратуры, разработанной автором в период с 1993 по 2009 г.г., проводились следующие сейсмические исследования. Опытные работы МПВ на территории г. Екатеринбург, участки «Зеленая роща», лесопарковая зона района Юго-западный, участок района «Уктус». Опытные и опытно-производственные мониторинговые работы в обсерватории ИГф УрО РАН «Арти», на территории Ильменского заповедника (Челябинская область), на территории ПО «Маяк» (Челябинская область); производственные профильные работы МПВ в районе г. Северобайкальск (Читинская область), работы выполнялись ООО «Сибгеотехносервис» на сейсмостанции ИГф УрО РАН; производственные работы МПВ на территории г. Сухой Лог и в пригороде г. Камышлов (Свердловская область): обследование автодорожного полотна; площадные мониторинговые наблюдения по проекту МНТЦ КЛ-187-2 (Республика Кыргызстан); опытно-методические работы МПВ на Суранском флюоритовом месторождении (Башкортостан); площадные опытно-методические работы МПВ при обследовании археологических захоронений в районе древнего поселения Ар-каим (пос. Ольгино, пос. Коноплянка, Челябинская область); научно-исследовательские и опытно-методические работы по изучению резонансных и автоколебательных характеристик конструкций и элементов строительных сооружений (г. Екатеринбург); изыскательские работы по выбору площадки под строительство Южно - Уральской АЭС (Челябинская обл.) и т. д.

Разработанная и переданная заказчикам аппаратура использовалась и используется в настоящее время Институтом геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар; ФГУГП «Баженовская геофизическая экспедиция», г. Заречный Свердловской области; «Исследовательским центром студенческой молодежи», г. Нефтеюганск (аппаратура передана в порядке оказания технической помощи для использования в учебном процессе); ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург; ООО «Геостройком», г. Москва; «Уральская государственная горно-геологическая академия», г. Екатеринбург (аппаратура передана для использования в учебном процессе); ООО «Техноуголь», г. Владивосток и др.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, непосредственной разработке, испытаниях аппаратуры и способов, предназначенных для сейсмических исследований. Разработка и развитие аппаратных и методических комплексов осуществлялись под общим руководством автора и при его непосредственном участии на всех этапах, включая обоснование алгоритмических, схемотехнических и методических решений, планирование и проведение экспериментов, написание статей, монографии и оформление заявок на изобретения, в том числе:

-разработка способа преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой эквивалент, обеспечивающего повышение точности соответствия исходной сейсмической информации цифровым данным, подлежащим компьютерной обработке и интерпретации при построении скоростных и глубинных моделей изучаемой геологической среды;

-разработка способа сейсмического мониторинга, направленного прежде всего на реализацию возможности оперативной качественной оценки поведения сейсмического волнового поля в изучаемом секторе пространства в реальном масштабе времени;

-разработка функционального построения, схемотехнического решения и принципиальных электронных схем аналого-цифровых преобразователей сейсмических сигналов, в основе которых лежат принципы дифференциальной им-пульсно-кодовой модуляции и дельта-модуляции;

-разработка алгоритма и функционирования на уровне принципиальных электронных схем универсального регистратора сейсмических сигналов «Регистр», реализующего как традиционную задачу прямого фиксирования реальных сейсмических сигналов, так и задачу измерения величины смещения одной или нескольких компонент сейсмического сигнала, вычисления энергии сигнала соответствующей компоненты в заданном окне и ее регистрацию в точке наблюдения;

-алгоритмизация работы мультиконтроллерной 24-канальной сейсмической станции «Синус», разработка всех схемотехнических и топологических решений, разработка и введение в рабочий алгоритм стации вычисления поправки за смещение нуля каждой сейсмической трассы в соответствии с принципами, изложенными в патенте 1Ш №2248592.

Неоценимую помощь при разработке, создании и внедрении способов и аппаратуры для сейсмометрических исследований, изложенных в настоящей работе, оказала автору высококвалифицированный программист, научный сотрудник лаборатории сейсмометрии Татьяна Егоровна Сенина.

Автор выражает глубокую признательность Директору Института Геофизики УрО РАН член-корреспонденту РАН, д.ф-м.н., профессору Петру Сергеевичу Мартышко за оказание помощи в исследованиях, организации НИР и производственных работ, обеспечивающих подтверждение и научную значимость настоящих исследований; Советнику РАН, Главному научному сотруднику ИГф УрО РАН, член-корреспонденту РАН, д.т.н., профессору, Владимиру Ивановичу Уткину, Заместителю директора по науке ИГф УрО РАН, доктору физико-математических наук Виктору Тихоновичу Беликову за ценные указания, разъяснения и консультации по ряду вопросов, возникавших в процессе работы над диссертацией; Главному научному сотруднику ИГф УрО РАН, доктору геолого-минералогических наук Азе Григорьевне Дьяконовой, Главному научному сотруднику ИГф УрО РАН, доктору технических наук Александру Ивановичу Человечкову за полезное сотрудничество в процессе работы над диссертацией, участие в обсуждении возникающих проблем прикладного характера.

Автор благодарит сотрудников лаборатории сейсмометрии Института геофизики ведущего научного сотрудника, кандидата геолого-минералогических наук Владимира Степановича Дружинина, старшего научного сотрудника Па-рыгина Геннадия Ивановича, старшего научного сотрудника Гуляева Александра Николаевича, инженера Владимира Михайловича Сень, водителя спецавтомобиля Сергея Александровича Колясникова, зам. директора ИГф, кандидата геолого-минералогических наук Виктора Сергеевича Иванченко, зав. лаборатории - обсерватории «Арти», кандидата геолого-минералогических наук Олега Александровича Кусонского, старшего научного сотрудника лаборатории региональной геофизики, к. ф-м. н. Аркадия Васильевича Овчаренко за поддержку, творческое участие в решении ряда вопросов, оказание помощи в организации и проведении полевых работ.

Содержание работы

Диссертационная работа содержит 284 страницы машинописного текста, состоит из введения, пяти глав и заключения, в том числе 18 таблиц и 110 рисунков. Список литературы включает 88 наименований.

В первой главе диссертации рассматриваются теоретические основы методов аналого-цифрового преобразования, применяемых в сейсморегистрирую-щих системах, структура сейсморегистрирующего канала, основные требования к его элементам.

Далее здесь рассматриваются основные положения, определяющие принципы преобразования аналоговых сигналов применительно к наиболее распространенным методам модуляции: дискретизация по времени, квантование по уровню и кодирование в импульсно-кодовой модуляции (ИКМ); предсказание сигнала и характеристики некоторых специфических искажений в классической дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ); формирование выходной одноразрядной кодовой последовательности в линейных дельта-модуляторах (ЛДМ), сигма-дельта модуляторах (СДМ) и адаптивных дельта-модуляторах (АДМ).

Проработка теоретических и схемотехнических основ аналого-цифрового преобразования позволила выделить наиболее перспективные направления для оптимизации АЦП сейсморегистрирующих приборов с целью улучшения их технических характеристик и в конечном итоге повышения адекватности получаемой геофизической информации реальным геологическим условиям.

Первое защищаемое положение

Новый способ преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой вид, отличающийся тем, что за счет комбинации традиционных методов модуляции повышается точность преобразования при малых уровнях входных сигналов, уменьшаются или полностью устраняются искажения полезной информации при передаче ее в блок сохранения, обеспечивается адекватность входных и выходных данных, что позволяет повысить детальность обработки и интерпретации сейсмической информации и в конечном счете повышает достоверность геофизических материалов.

Известно, что цифровое преобразование аналоговых сигналов обеспечивают устройства, от которых, в конечном счете, зависит качество сигнала, восстановленного после декодирования. В частности, такой параметр, как коэффициент гармоник (Кг), тесно связан с количеством разрядов преобразования. На-

пример, при идеальном 16-разрядном преобразовании предельно достижим Кг и 0,002 %. В реальных условиях этот параметр несколько хуже (0,05 %), что объясняется неидеальностью самого преобразователя и элементов, окружающих его. Уровень шума квантования акв (дБ) и число двоичных разрядов N преобразования связаны между собой зависимостью:

акв = 6,02И+1,76,

что теоретически обеспечивает уровень шума квантования при 16-разрядном преобразовании -98 дБ.

Таким образом, 15... 16 -разрядный преобразователь ИКМ позволяет решить задачу высококачественного цифрового преобразования аналоговых сигналов.

При этом для полевой аппаратуры актуальной остается задача снижения количества разрядов преобразователя, т. е. уменьшение относительной плотности (скорости) выходного цифрового потока данных. Такую возможность дает, например, ДИКМ. Однако этот способ в классическом виде имеет существенный недостаток - сложность восстановления исходного сигнала при появлении серии ошибок в процессе передачи или записи цифрового сигнала.

Указанный недостаток ДИКМ можно устранить в значительной степени, если попытаться скомбинировать его с традиционной ИКМ. Оригинальность здесь заключается в том, что в цифровую форму преобразуется не разность между входным и восстановленным сигналами, как в классической ДИКМ, а сумма входного сигнала и усиленная разность входного сигнала и сигнала, восстановленного после цифрового преобразования.

Этот метод можно было бы назвать разновидностью многоуровневой дельта-модуляции, если бы не одно существенное отличие. При любой дифференциальной модуляции цифровому преобразованию подвергается разность текущего значения выборки и выборки, восстановленной из цифровой последовательности. Если эта разность отсутствует или мала, то отсутствует или мал уровень сигнала, преобразованного в цифровую форму. В этом случае появление ошибок в процессе передачи цифровых данных сказывается на качестве восстановленного сигнала, так как следующие после ошибок отсчеты преобразованного сигнала чрезвычайно искажены.

Если же при малом значении или отсутствии разности между текущим значением сигнала и сигналом, восстановленным из цифровой последовательности, преобразованию подвергнуть сигнал, близкий по значению или равный входному, то ошибки передачи не будут оказывать такого большого влияния при восстановлении сигнала, так же, как и при обычной ИКМ. Поэтому данный

способ преобразования скорее можно назвать не разновидностью какого-либо дифференциального метода, а ИКМ, дополненной ДИКМ или комбинированным способом, в котором ИКМ трансформируется в ДИКМ и наоборот в зависимости от параметров входного аналогового сигнала. При этом повышается качество преобразования по сравнению с традиционной ИКМ тем заметнее, чем лучше используется дополнение ДИКМ, но всегда не хуже исходной ИКМ. Комбинированный способ при определенных условиях позволяет уже с 8 - 12 разрядами цифрового кода получить такое же высокое качество преобразования, как при обычной ИКМ с 14 -16 разрядами.

Рассмотрим реализацию данного способа, опираясь на функциональную схему, приведенную на рис. 1. Преобразователь состоит из сумматора М1, 11-разрядного АЦП М2, п-разрядного ЦАП МЗ, фильтра нижних частот М4, устройства вычитания М5 и усилителя Мб.

Рис. 1. Функциональная схема комбинированного преобразователя аналоговых сигналов

ЦАП МЗ, ФНЧ М4, устройство вычитания М5 и усилитель Мб образуют петлю обратной связи, схожую с петлей обратной связи в ДИКМ. На выходе сумматора М1 будет действовать напряжение:

и, = ивх + (ивх-иФ)Кус; (1)

где иВх - напряжение входного сигнала, КуС - коэффициент усиления усилителя Мб, и® - напряжение на выходе ФНЧ М4, которое можно выразить следующим образом:

иФ = ицдп х Кф, (2)

где ицдп - напряжение на выходе ЦАП МЗ, Кф - коэффициент передачи ФНЧ М4. Напряжение на выходе ФНЧ М4 можно представить как:

иФ=[(ивх-и^/Кус]+ ивх- (3)

Из соотношения (3) следует, что напряжение на выходе ФНЧ тем точнее повторяет входное напряжение, чем больше Кус усилителя Мб. Так как выходное напряжение ЦАП может принимать только дискретные значения, то процесс преобразования протекает таким образом, что входной сигнал и сигнал на выходе ФНЧ совпадают в среднем.

В результате на выходе фильтра М4 появляется восстановленный из цифрового кода исходный аналоговый сигнал с наложенной высокочастотной составляющей, амплитуда которой зависит от соотношения частоты дискретизации Ггакт и частоты среза ФНЧ 5ср. Количественно уменьшение высокочастотных составляющих при увеличении соотношения ^акт^ср определяется способностью ФНЧ подавлять высокочастотные составляющие сигнала. Хорошо их подавляют фильтры высокого порядка, однако они вносят большой фазовый сдвиг на высоких частотах, что при увеличении коэффициента усиления Кус усилителя Мб может привести к самовозбуждению устройства. Поэтому не следует использовать фильтры выше второго порядка. В этом случае при увеличении соотношения (глетчер уровень высокочастотных составляющих прямо пропорционально снижается, что позволяет при увеличении коэффициента усиления Кус усилителя Мб прямо пропорционально увеличивать точность преобразования малых изменений входного сигнала.

Учитывая выше изложенное, можно оценить выигрыш от использования комбинированного способа преобразования. Например, если £глктЯср = 2, то это эквивалентно повышению разрешающей способности преобразования в 2 раза, т. е. соответствует прибавлению одного разряда преобразования по отношению к методу ИКМ. Соотношение Гтакт^ср = 64 уже эквивалентно добавлению сразу шести разрядов и т. д.

Второе защищаемое положение

Новый способ оперативного сейсмического мониторинга и регистратор сейсмических сигналов, реализующий данный способ, в основе которых лежит алгоритм вычисления энергии одной или нескольких компонент измеренного сейсмического сигнала с последующей регистрацией результатов вычислений в точке наблюдения. В отличие от традиционного сейсмического мониторинга, при площадных работах за счет много-

кратного снижения плотности информационного потока способ обеспечивает оперативную качественную оценку изменения динамики поведения одной или нескольких компонент сейсмического поля практически в реальном времени. За счет введенного в регистратор нового комбинированного АЦП обеспечивается дополнительное снижение плотности потока выходных данных, расширение динамического диапазона измеряемых сигналов и точность их представления в цифровом виде, в результате чего повышается достоверность кинематической и динамической обработки и дальнейшей интерпретации сейсмограмм.

Сейсмический мониторинг в настоящее время известен и востребован как один из способов долговременных сейсмических исследований, который в общем виде можно алгоритмизировать следующим образом (рис. 2). На первом этапе осуществляется прием и аналого-цифровое преобразование сейсмических сигналов в точке наблюдения (In/ADC), затем полученные данные записываются и временно хранятся в буферной памяти (RAM), далее происходит передача данных (TXD) в пункт сбора и обработки, где информация интерпретируется в соответствии с заданными требованиями (Processing). На последнем этапе результат обработки выдается пользователю (Display).

R1 R2 Rn

Рис. 2. Алгоритм традиционной модификации сейсмического мониторинга.

Этапы 1-3 выполняются непосредственно в полевых условиях и являются составной частью алгоритма работы автономного сейсмического регистратора. При проведении площадных наблюдений таких регистраторов может быть множество: Rj, R2,..., Rn-

Вместе с тем, в ряде случаев при проведении мониторинговых наблюдений нет необходимости использовать полную сейсмическую информацию, особенно, если приоритетной является задача оперативного контроля временных изменений активности сейсмического поля исследуемого участка, например, наблюдения за производством карьерных взрывов, в частности, если карьер расположен недалеко от жилых или промышленных сооружений. В таких случаях достаточно осуществлять оперативную качественную оценку развития сейсмо-динамических процессов, т. е. временное картирование изменения энергии одной или нескольких измеренных компонент сейсмического поля в точках регистрации с дальнейшей интерполяцией градиентов энергии между точками. Естественно, составление подобных карт возможно лишь с использованием компьютерных технологий. На аппаратном уровне для решения данной задачи не требуется регистрация реального сейсмического сигнала. Достаточно вычислять и фиксировать величину энергии сигнала, измеренного по одной или нескольким компонентам, что значительно уменьшает плотность цифрового потока данных на выходе, упрощает структуру регистрирующего устройства, снижает стоимость сейсморегистрирующей мониторинговой системы в целом.

Разработанный способ сейсмического мониторинга основан на использовании принципа пропорциональности регистрируемых в течение фиксированного интервала времени сейсмических сигналов какой-либо компоненты энергии сейсмического поля данной компоненты в точке приема. Конечно, в результате примененного преобразования теряется детальность исследований, однако в ряде случаев эта потеря с избытком восполняется оперативностью качественной оценки временных изменений структуры сейсмического поля.

В методе используется известная теорема Релея, которая формулируется следующим образом: если дана какая-либо функция F(t) и известен ее амплитудно-частотный спектр Ф(со), то

+00 +00

J F2(t)dt = 1/ttJ Ф2(со)ёсо. (4)

-со о

Пусть F(t) является функцией импульсного колебания, тогда F2(t) будет представлять собой аналогичную по форме, одностороннюю кривую.

В теореме показано, что интеграл, стоящий в левой части выражения (4), представляет собой энергию импульса F(t), а интеграл в правой части - площадь, ограниченную осью абсцисс и кривой квадрата амплитудно-частотного спектра.

Рассмотрим операцию вычисления энергии Z-компоненты сейсмической волны в точке измерения на примере. Рис.За иллюстрирует сейсмограмму события от импульсного воздействия, где Ti и Тз - время, в течение которого регистрировались фоновые значения сигнала, а Т2 - собственно импульсное воздействие с затуханием до уровня фона. Из преобразований теоремы Релея понятно, что для прямой регистрации энергии сейсмических сигналов достаточно предусмотреть операцию вычисления площади кривой, которая в цифровой регистрирующей системе осуществляется простым суммированием выборок, т. е., зная величину выборки U¡ в каждый момент времени t¡, в нашем случае определенного периодом дискретизации, можно рассчитать энергию для всей сейсмограммы, что является суммарной площадью положительных и отрицательных полуволн сигнала.

и. 200 150 100 ЕО О

-LOO -150 -200

100 ?5 50 25 Е LOO 75 50 25

Рис.3. Сейсмограмма импульсного воздействия (а) и расчетные гистограммы энергии при различных интервалах суммирования Twin (b, с).

Однако если рассчитывать энергию для всей сейсмограммы, получим некоторое значение, не отражающее поведение сигнала. Очевидно, следует производить вычисление энергии в некотором окне, позволяющем отобразить изменения энергетических уровней адекватно изменениям сигнала на исходной сейсмограмме. Опыт показал, что оптимальным является окно (интервал суммирования), длительность которого составляет 3-10 видимых периодов на-

чальной фазы волны (Ts на рис.За), возникающей при импульсном воздействии. С другой стороны, окно не должно превышать время от момента возникновения волны до ее затухания (интервал Тг).

На рис.ЗЬ,с показаны гистограммы изменения энергии, вычисленные соответственно для окна Twin = 0,5Тг и Twin = 0,25Т2. В первом случае расчетное окно вмещало 10 видимых периодов Ts, во втором - 5. Расчет энергии внутри каждого окна производился по формуле:

Ewin = КДТ( |Ui I + IU2 I + ... + IUnI), (5)

с учетом формата представления цифровых данных, где К - некоторый эмпирический коэффициент пропорциональности; ДТ - шаг дискретизации; |Ui|, |U2U ..., |Un| - абсолютные значения амплитуд выборок сигнала внутри окна WIN.

Поскольку К и ДТ являются константами и задаются как параметры для цикла наблюдений, операция вычисления энергии сводится к простейшей процедуре суммирования выборок, с которой легко справится в режиме реального времени практически любой современный микромощный контроллер.

r1 r2 rn

сейсмического мониторинга.

Таким образом, алгоритм описанной версии сейсмического мониторинга будет выглядеть, как показано на рис. 4, где дополнительная операция вычисления энергии Ewjn включается между операцией приема и аналого-цифрового преобразования (In/ADC) и процедурой записи и временного хранения данных (RAM). Результаты вычисления, т. е. выборки энергии, рассчитанные по формуле (5) в соответствии с установленным окном Twin: Ewini, E\vin2, •■•> EwiNm, согласно приведенному алгоритму, временно сохраняются в памяти (до момента передачи данных в пункт сбора и обработки).

Вариантом представления результата сейсмических наблюдений может быть карта изолиний энергии поля, основой для построения которой являются массивы данных Ewin, полученные от множества регистраторов R] - Rn, размещенных на площади наблюдения.

Множество массивов Ewin, представленных в виде гистограмм, синхронизируются и подготавливаются необходимым образом, например, для графического редактора Surfer.

На рис.5 приведен пример гистограмм энергии Z-компоненты сейсмического сигнала в пяти точках наблюдения, равномерно распределенных по площади 3-го этажа здания Института геофизики. Измерения сейсмических сигналов проводились синхронно с помощью пяти 1-канальных регистраторов «Ре-гистр-1К», разработанных автором (частотный диапазон 32 Гц), а вычисления энергии и запись результатов в каждой точке наблюдения осуществлялась в окне суммирования 0,5 секунд. Время непрерывной записи составляло около 48 часов. На всех гистограммах хорошо отличаются по интенсивности дневные (более активные) и ночные периоды.

Очевидно, что карт Ewin будет множество. Применяя известные компьютерные технологии, нетрудно осуществить операцию последовательного представления имеющегося массива карт Ewin на экране дисплея, т. е. наблюдать временное изменение энергии сейсмического поля на исследуемой площади. А учитывая, что описываемый способ подразумевает многократное снижение плотности потока данных на выходе каждого полевого регистратора, то реальной становится возможность оперативной качественной оценки изменения динамики сейсмического поля, что позволяет сократить время принятия решения в случаях его резкой активизации в секторе проведения мониторинга.

1-а*з—га_»--■ --ца«»

Рис. 5. Гистограммы энергии 2-компоненты сейсмического сигнала в пяти точках наблюдения, равномерно распределенных по площади 3-го этажа здания ИГф УрО РАН.

Для практической реализации разработанного способа оперативного сейсмического мониторинга были сконструированы несколько версий универсальных 1-й 3-канальных регистраторов сейсмических сигналов, обеспечивающих как запись реальной сейсмограммы, так вычисление и регистрацию энергии сигналов в течение десятков и сотен суток в зависимости от установленного интервала (окна) суммирования. Накопленный опыт лабораторных и полевых испытаний позволил скомпоновать наиболее адекватный вариант прибора.

В табл. 1 приведены технические характеристики регистратора. Здесь отмечены два основных режима работы, условно названные «Поток» и «Сумма».

В режиме «Поток» обеспечивается непрерывная регистрация всех выборок сигнала с трех независимых сейсмических каналов в течение некоторого времени с момента старта. Длительность регистрации обусловлена двумя устанавливаемыми параметрами: частотой среза ФНЧ (шаг дискретизации) и выбранным числом сейсмограмм, размещаемых в рабочей области диска. Взаимная зависимость трех упомянутых величин показана в таблице 2 (данные приведены для базового варианта регистратора с объемом флэш-диска 8 Мбайт).

Табл. 1. Основные технические параметры регистратора «Регистр»

TevHirpyKip» хпрлкт«пн<-тикн

Число каналов 3

Входной импеданс Дифференциальный 5к // O.OlpF

Ступени усиления 2,8,32,128

Частотны с диапаз оны (Гц) 2,4, 8,16,32

Шаг дискретизации См сек) 7.8125; 15.625; 31.25; 62 5; 125

В строенный календарь, часы есть

АЛП

Тип Комбинированный (ДИКМ дополненный ИКМ)

Число двоичных разрядов 12

Мгновен. динам диапазон преобразования (Дб) 92

Уровень шумов приведен, ко вх при Кус-2 (мкВ) 0.3

Систтд...... ............... ...... - ..... ...................

Управляющий контроллер AVRATmega

Долговременное хранение данных Флэш диск ^ 8 Мбайт

Интерфейс USB

Режимы раб оты* «Поток», «Сумш»

ОбшЯР .......

Напряжение питания (В) 10...20

Максимальный токпотребления (мА) 30

йбочии температурный диапазон ("С) -30...-И5

Габаритные размеры (мм) 155x65x95

Масса, не более (кг) 0.5

Табл. 2. Зависимость длительности одной сейсмограммы от параметров ФНЧ и числа выбранных сейсмограмм для режима «Поток»

Кол-во выбрал сАравш F среза ФНЧ (Гц) Вреэхя регистр одаон с/храаш (ч:мгс) F среза ФНЧ (Гц) Врет регистр одной сАранэх (ч:м:с) F среза ФНЧ (ГЦ) Время регистр одкок страша (ч:м:с) F среза ФНЧ (Гц) fyeBBt регистр одаои с/храага (ч:псс) F среза ФНЧ (Гц) Врет регистр одаои сэрами (*:м:с)

1 Ч 3 3 2 3 3 •Ь 3

1 2 48:03:35 4 24:01:47 8 12:00:54 16 06:00:27 32 03:00:14

2 2 24:01:48 4 12:00:54 8 06:00:27 16 03.00:14 32 01:30:07

3 2 16:01:11 4 08:00:36 8 04:00:18 16 02:00:09 32 01:00:04

4 2 12:00:54 4 06:00:27 8 03:00:14 16 01:30:07 32 00:45:03

5 2 09:36:43 4 04:48:21 8 02:24:10 16 01:12:05 32 00:36:02

6 2 08:00:35 4 04:00:18 8 02:00:09 16 01:00:04 32 00:30:02

7 2 06:51:56 4 03:25:58 8 01:42:59 16 00:51:29 32 00:25:45

8 2 06:00:26 4 03:00:13 8 01:30:06 16 00:45:03 32 00:22:31

9 2 05:20:24 4 02:40:12 8 01:20:06 16 00:40:03 32 00:20:01

10 2 04:48:21 4 02:24:10 8 01:12:05 16 00:36:02 32 00:18:01

11 2 04:22:08 4 02:11:04 8 01:05:32 16 00:32:46 32 00:16:23

12 2 04:00:18 4 02:00:09 8 01:00:04 16 00:30:02 32 00:15:01

В режиме «Сумма» по каждой из компонент измеряемого сигнала обеспечивается вычисление и запись на диск энергии сейсмического поля в точке наблюдения за некоторый заранее установленный промежуток времени соответствующий интервалу суммирования (Twin)-

По сути, эта процедура сводится к вычислению площади огибающей квазигармонического сигнала, поступающего на вход устройства от сейсмического датчика. Контроллер осуществляет снятие выборок из АЦП, суммирование их друг с другом по модулю, отслеживание длительности заданного временного интервала Twin, по истечении которого производится запись на флэш-диск результата суммы. После этого операция суммирования следующей порции выборок повторяется, и так далее вплоть до заполнения диска либо принудительной остановки регистратора.

Интервал (окно) суммирования задается при установке параметров регистрации и может принимать значения 0.25, 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 10, 60 или 120 секунд. В режиме «Сумма» предусмотрена запись только одной сейсмограммы, длительность которой определяется размером флэш-диска и установленным окном суммирования. Для базовой модификации диска емкостью 8 Мбайт время непрерывной регистрации в режиме «Сумма», например, при окне суммирования 0,25 сек будет составлять 02 суток 02 часов 03 минут 41 секунд, а при окне суммирования 120 секунд длительность записи превысит 1000 суток.

Режим «Сумма», введенный в алгоритм работы автономного сейсмического регистратора «Регистр», предназначенного для мониторинговых исследований, позволяет серьезно уменьшить объем требуемой памяти для промежуточного хранения цифровых массивов данных. При этом плотность выходного информационного потока в среднем снижается на 2 порядка по сравнению с плотностью на выходе аналого-цифрового преобразователя. Конкретная величина плотности выбирается и зависит от интервала суммирования. При необходимости и соответствующей организации связи между полевыми регистраторами и пунктом сбора данных в режиме площадных наблюдений с использованием множества регистрирующих аппаратов можно обеспечить визуальное представление изменения активности и структуры сейсмического поля в реальном времени. Заметим, что до сих пор получить подобный отчет в реальном времени не представлялось возможным, поскольку плотность информационного потока выборок сейсмического сигнала от многих полевых регистраторов чрезвычайно высока.

Кроме того, снижение плотности потока информации практически снимает проблему автономности использования полевых регистраторов в непрерывном режиме наблюдения. Остается лишь критерий емкости аккумуляторной батареи, предназначенной для питания аппаратуры. С учетом того, что регистратор выполнен на микромощных элементах с минимальным энергопотреблением,

длительность автономной работы на аккумуляторах емкостью 12-18 Ахч может достигать нескольких месяцев.

Если отказаться от накопления информации непосредственно в точке наблюдения и пойти по пути организации телеметрии между каждым регистратором и единым пунктом сбора данных, то с целью улучшения помехозащищенности цифрового канала связи на этапе приема и первичной обработки цифровой последовательности предложено воспользоваться критерием инерционности изменения амплитуды полезного сигнала, суть которого заключается в том, что каждый последующий импульс считается сигнальным, если он отличается по амплитуде от предыдущего сигнального не более, чем на установленный допуск. Этот допуск определяется значением порога относительно амплитуды последнего прошедшего сигнального импульса (при использовании критерия общей амплитуды порог устанавливается пропорционально общему уровню амплитуды полезного сигнала). Применение критерия инерционности по сравнению с критерием общей амплитуды приводит к более высокой степени подавления помех, т. к. порог в промежутке между полезными импульсами практически не изменяется и, кроме того, его принудительно корректируют каждым сигнальным импульсом. В результате канал связи становится менее чувствительным к электромагнитным воздействиям различного типа.

Третье защищаемое положение

Серия новых аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для сейс-морегистрирующей аппаратуры на основе комбинации импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) и дельта-модуляции (ДМ), отличающаяся от известных организацией мультиканального режима при измерениях относительных величин выборок входного сигнала; введением оригинальных узлов адаптации, обеспечивающих расширение динамического диапазона преобразования; снижением плотности информационного потока на выходе по меньшей мере на 25%; повышением точности преобразования на экстремумах входного сигнала.

Комбинированные аналого-цифровые преобразователи

Автором разработаны два варианта АЦП указанного типа, которые являются аппаратной реализацией комбинированного способа аналого-цифрового преобразования, представленного в первом защищаемом положении.

В соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 1, были разработаны электрическая принципиальная схема преобразователя и топология схемы, размещенная на печатной плате выбранного типоразмера.

Результаты сравнительных испытаний схемы данного преобразователя приведены в табл. 2 и 4. Сравнение проводилось со стандартным ИКМ преобразователем, имеющим 16-разрядную шкалу. Измерялись коэффициент гармонических искажений Кг и динамический диапазон преобразования Вс при Кг<10% по известной методике, описанной в работе Бриндли К. Электронные контрольно-измерительные приборы. М: Энергоатомиздат, 1989.

Декодирование и фильтрация сигнала осуществлялись в дополнительном цифро-аналоговом преобразователе, схема которого также была разработана, причем узлы ЦАП и ФНЧ первого порядка аналогичны соответствующим узлам схемы комбинированного преобразователя, а дополнительный фильтр низкой частоты четвертого порядка выполнен на двух операционных усилителях. Испытания проводились при уровнях входного сигнала Рс = 0,5 от максимально возможного на частотах 102, 103, 5х103 и 104 Гц при частоте дискретизации £гакт= 45 и 90 кГц.

Табл.З.Результаты сравнительных испытаний схемы комбинированного

преобразователя при 45 кГц

Число разрядов 6 8 10 12

Преобраюв. ИКМ Комб. ПКМ Комб. ИКМ Комб. ИКМ Комб.

Кг (%) Рс=102 Гц 2,2 0,22 0,51 0,08 0,18 0,04 0,11 <0,02

Кг (%) Рс=103 Гц 2 0,22 0,5 0,08 0,18 0,03 0,1 <0,02

Кг (%) Рс=5х103 Гц 1,7 0,2 0,51 0,09 0,18 0,03 од <0,02

Кг (%) Рс=104 Гц 1,9 0,2 0,51 0,07 0,18 0,04 0,09 <0,02

Рс. (дБ) при Кг <10% 22 47 34 59 44 71 53 80

Приведенные в таблицах значения показывают, что при увеличении количества разрядов преобразования практически линейно снижается уровень гармонических искажений и только при переходе от 10 к 12 разрядам снижение искажений замедляется. Это можно объяснить влиянием погрешностей микросхем АЦП, ЦАП и других элементов, а также малым уровнем самих искажений.

Табл. 4.Результаты сравнительных испытаний схемы комбинированного преобразователя при Ггакг^ 90 кГц

Число разр. 6 8 10 12

Преобразов. икм Комб. ИКМ Комб. икм Комб. ИКМ Комб.

Кг (%) Рс=102 Гц 2 0,09 0,4 0,04 0,15 0,02 0,08 <0,02

Кг(%) Рс=103 Гц 1,6 0,08 0,4 0,03 0,16 <0,02 0,07 <0,02

Кг(%) Рс=5х103Гц 1,4 0,08 0,4 0,02 0,14 <0,02 0,06 <0,02

Кг (%) Рс=104Гц 1,2 0,09 0,4 0,02 0,15 <0,02 0,05 <0,02

Бс. (дБ) при Кг <10% 27 58 39 71 51 82 60 89

Таким образом, комбинированный аналого-цифровой преобразователь, структурная схема которого изображена на рис. 1, практически обеспечивает повышение точности преобразования в точках экстремума входного сигнала, где разность между соседними отсчетами становится незначительной.

Поскольку ФНЧ в этом преобразователе имеет фиксированную частоту среза, трудно избежать ситуации, когда возникает перегрузка на высших частотах при больших уровнях входного сигнала, т. е. переполнение разрядной сетки АЦП М2 (рис. 1). Для уменьшения искажений такого типа в схему комбинированного преобразователя, показанного на рис. 1 вводится дополнительный блок, функциональное назначение которого заключается в формировании сигнала, управляющего работой ФНЧ (изменение частоты среза), причем исходным для этого блока является выходной сигнал преобразователя У. В дополнительном блоке управления ФНЧ производится анализ цифровых кодов выходного сигнала У на близость их значений к максимуму преобразования. В результате анализа формируется управляющая частота Гупр, которая с выхода блока управления подается на вход управления ФНЧ на переключаемых конденсаторах чем обеспечивается изменение частоты среза последнего и сниже-

ние влияния перегрузки на высших частотах при больших уровнях входного сигнала.

Следует добавить, что, как и в предыдущей версии комбинированного преобразователя, для правильного восстановления аналогового сигнала из цифровой последовательности У необходимо использовать ЦАП, ФНЧ и блок управления с такими же параметрами, как ЦАП, ФНЧ и блок управления собственно преобразователя.

Мультиканальные дельта-модудяторы с аналоговым и цифровым интеграторами

Известно, что в основе большинства классических методов и методик сейсмических исследований лежит обработка многоканальных сейсмограмм. Известно также, что хорошими преобразователями, с точки зрения их высокой разрешающей способности, являются дельта-модуляторы. Однако существует ряд факторов, главным из которых является относительность преобразуемых в цифровой код величин, мешающих организации мультиканального варианта АЦП с использованием ДМ. Тем не менее, данную техническую проблему до некоторой степени удалось разрешить.

В схеме ДМ-кодера функция интегрирования передается устройству выборки-хранения (УВХ), способному сохранять заряд на обкладках конденсатора относительно длительное время. В этом случае становится возможным разместить в дельта-модуляторе п таких УВХ, управляемых внешними сигналами. На каждом из УВХ в течение некоторого фиксированного интервала времени будет сохраняться промежуточная сумма (относительный уровень) преобразуемого аналогового сигнала (предыдущая выборка), относительно которого и будет вестись отсчет следующей выборки. Таким образом, число включенных в ДМ-кодер УВХ определяет число сейсмических каналов преобразования.

Еще один вариант ДМ - устройство, в схеме которого традиционно используемый аналоговый интегратор заменен цифровым, обладающим большей детерминированностью поведения.

Собственно цифровой интегратор включает двоичный реверсивный счетчик, ЦАП, число разрядов которого совпадает с числом разрядов означенного счетчика, и несколько п-разрядных ячеек памяти в виде регистра или оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) статического типа. В целом же схема дельта-модулятора сохраняет свой классический. Дополнительно включенные входной коммутатор каналов и ОЗУ для хранения промежуточных данных

обеспечивают многокаиальность преобразователя аналоговых сейсмических сигналов в цифровой вид.

Адаптивный дельта-модулятор с цифровым интегратором

Рассмотренный вариант линейного ДМ, в котором используется цифровой интегратор, после доработки схемы позволяет перевести его в режим работы с адаптацией к скорости нарастания входного сигнала. Это снижает плотность выходного потока данных, повышает стабильность работы устройства, расширяет динамический диапазон преобразователя, существенно не увеличивая частоту дискретизации, сохраняет максимальное разрешение на экстремумах сигнала. Цифровой интегратор формирует параллельный двоичный код, а последовательный выходной код дельта-модулятора удобно использовать, например, для задержки сейсмического сигнала при его обработке.

Преобразователь содержит традиционный дельта-модулятор с цифровой схемой интегрирования и дополнительное устройство адаптации. Собственно дельта-модулятор преобразует входной аналоговый сигнал и в последовательность импульсов У, где каждому импульсу соответствует приращение напряжения ±Д . При этом дополнительное устройство адаптации в каждый период тактовой частоты анализирует выходную бинарную последовательность дельта-модулятора и, в зависимости от результатов анализа, либо увеличивает шаг квантования Д по величине, либо уменьшает его. В итоге на экстремумах входного сигнала, где его относительные изменения невелики, происходит преобразование с максимальной точностью, в то же время динамический диапазон преобразования расширяется за счет увеличения шага квантования при увеличении «размаха» входного сигнала.

Адаптивный дельта-модулятор с управляемой аналоговой схемой интегрирования

Вариант дельта-модулятора, рассмотрению которого посвящен настоящий раздел, имеет следующие отличительные особенности. Во-первых, в преобразователе применено входное аналоговое устройство выборки-хранения с целью удержания уровня измеряемого напряжения в течение достаточно длительного времени. Это позволяет разбить весь процесс преобразования на две составляющие. Первая - частота дискретизации соответствует критерию Найквиста. Вторая - ДМ - преобразованию со сверхдискретизацией подвергаются выборки, фиксируемые в УВХ в течение периода времени, соответствующего критерию Найквиста. Во-вторых, алгоритм адаптации реализован с использованием

функции управления постоянной интегрирования интегратора, расположенного в цепи обратной связи дельта-модулятора.

Понятно, что введение узла, обеспечивающего способность к адаптации, позволяет снизить частоту дискретизации, расширить динамический диапазон преобразователя. Однако при входных сигналах с высокой «крутизной» (высокочастотные сигналы или сигналы большой амплитуды) устройство адаптации будет формировать максимальный шаг квантования, что не позволит с максимально возможной точностью (т. е. с минимальным шагом квантования) преобразовать в цифровой вид участки сигнала с высокой «крутизной».

Высокая информативность (широкий динамический диапазон плюс высокая разрешающая способность) в АЦП, работающем по принципу дельта-модуляции, может быть получена путем введения в линейный ДМ-кодер следующего алгоритма адаптации: вводится переменный шаг квантования, обеспечивающий быстрое нарастание аппроксимирующего напряжения с последующим переходом в линейный режим работы с целью минимизации шага квантования для максимально точного повторения любой выборки исследуемого аналогового сигнала. Если принять, что шаг квантования для данного алгоритма изменяется по закону

Л т = 2 ш, (6)

где ш - порядковый номер шага квантования, то шаги квантования могут принимать следующие значения: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и т. д. условных единиц. Рассмотрим процесс формирования сигнала и* (аппроксимирующее напряжение) на примере конкретной выборки и (входной сигнал) величиной 39,5 условных единиц.

В соответствии с графиком (рис. 6) первые 10 тактов ДМ- преобразователь будет обрабатывать входной сигнал и = 0 с максимальной точностью, т. е. с шагом квантования Д = 1. В момент прихода выборки и = 39,5 (т = 10) устройство начинает изменять шаг квантования в соответствии с закономерностью (6). При т = 16 произойдет превышение напряжения и* над уровнем выборки И, что приведет к изменению направления аппроксимирующего напряжения и*. Далее наблюдается процесс релаксации, который при т = 22 полностью заканчивается и аппроксимирующее напряжение и* отслеживает уровень выборки и с точностью минимального шага квантования, равного 1.

Рис. 6. Пояснение алгоритма работы адаптивного дельта-модулятора с управляемой аналоговой схемой интегрирования

Для примера на рис. 6 серой линией показана работа линейного дельта-модулятора. Очевидно, что в данном режиме аппроксимирующее напряжение и* достигнет уровня выборки 1Г намного позднее.

Сравнительный анализ аналого-цифровых преобразователей для сейсморегистрирующей аппаратуры

Основываясь на исследованиях, проведенных в предыдущих разделах работы, можно дать некую обобщенную характеристику аналого-цифрового преобразователя. АЦП представляет собой устройство для автоматического преобразования непрерывно меняющихся во времени аналоговых величин (обычно электрических напряжений) в эквивалентные, разделенные во времени значения цифровых кодов. От качества преобразования во многом зависит качество восстановленного впоследствии исходного аналогового сигнала, поэтому для всех АЦП существуют определенные нормирующие характеристики, выход за пределы которых нежелателен, а в отдельных случаях недопустим.

В таблице 2.3 приведены основные технические параметры для двух АЦП, выпускаемых промышленным образом, а также трех разработанных АЦП и представленных в настоящей работе.

Для каких типов сейсморегистр. приборов наиболее приемлем. с- Пизкочастотн. автономи. регистратор Регистратор, станция Регистратор, станция. 1 | . Я 3 р- а 5 а ? 2 В " о. Регистратор, станция.

Мощность потребления (мВт) о о т »л о СП 8 СЧ 3

Напряжение питания (В) «о + 1 и-1 + сч + 1 СЧ +1 «л +1

Диапазон входных напряжений (В) «Л сч* +1 'Л. сч" + 1 О +1 о + 1 «л + 1

Интерфейс го 1 Поел. 3 О С Н Я ж о. с § 1 Поел., иарал. а Си Я С

Наличие ИОН сч £ § -а А § .а §

Плотность потока данных на выходе при 1 пр.= 1 мс (Кбод) - СЧ сч О сч сч сч

Гармонические искажения (%) о <0,02 <0,02 «г? сч о* 00 о о* г <0,02

Среднеквадратический уровень шумов при миним. 1 пр. (мкВ) а\ сч о о СЧ сч г— СП 40 «з-

Шумы АЦП эо Гист. 1 (рис. 2.20а) Гист.2 (рис. 2.206) СП н О о яО Я О, г* С_ ' сч Гист. 4 (рис. 2.20г) Гист. 5 (рис. 2.20д)

Динамический диапазон преобразования (дБ) при миним 1 пр г» Оч с\ оо 00 1Л 00 СЧ 0\

Минимально возможное время преобразования, 1 пр. (мкс) о оо т}- о о «л о

Наличие УВХ «о Л н о и л 5 и в л 5

Число каналов - * о - -

Разрядность (бит) СЛ сч г» о сч 10 мант +2 пор (Ч

Классификация (тип) АЦП сч с дм лииейн икм ЛИ11СЙИ дм линейи ДМ адапт. икм- ДИ1Ш адапт

Наименование - АЛ7716* * * сч 00 ел 3 Мультиканальн. дельта-модулятор с цифров интегр. (раздел 2.3) Адаптивный дсльта-модулягор с цифров. [ шгтегр. (раздел 2.4) Комбинированный АЦП (разделы 2.1, 3.2)

АЦП Промышлен. Разработанные АЦП

В колонке 1 приведены наименования АЦП, а в колонке 2 их классификация в соответствии с типом преобразования. Заметим, что СДМ AD7716 фирмы Analog Devices Corp. используется в таких сейсморегистрирующих системах, как «ТСМ», «Дельта-Геон» (Россия), а преобразователь ADS8321 фирмы Burr-Brown Соф. - в отдельных вариантах сейсмических станций «McSeis» (США).

Колонки 3 - 6 в дополнительных комментариях не нуждаются.

В колонке 7 таблицы приведены значения реального динамического диапазона, который почти никогда не соответствует теоретическому. Реальный динамический диапазон преобразования соответствует эффективной разрешающей способности и может быть много ниже теоретического. Для АЦП AD7716 при минимальном t пр. = 448мкс число эфф. разрядов уменьшается до 16, что определяет реальный динамический диапазон АЦП не более 100 дБ. Количество эффективных разрядов определяется суммарным значением всех шумов для конкретного АЦП.

Наиболее полно суммарные параметры шумов АЦП выражаются в виде неопределенности выходного кода для входного постоянного сигнала. Повторяющиеся преобразования фиксированного входного сигнала должны давать один и тот же выходной код. Однако существует некоторый диапазон выходных кодов для заданного входного напряжения. Если подать на вход АЦП постоянный сигнал и записать большое число преобразований, то в результате получится распределение кодов, которое можно подогнать к гауссовскому, при этом стандартное отклонение будет примерно эквивалентно среднеквадратиче-скому значению шумов АЦП.

На рис. 7 приведены гистограммы результатов 5000 преобразований для всех АЦП из таблицы 2.3 (колонка 8). Входное постоянное напряжение устанавливалось, исходя из диапазона входных напряжений для каждого АЦП (колонка 14 таблицы), по возможности ближе к центру кода.

Как видно из приведенных гистограмм, все результаты преобразований распределены в диапазоне от 3 до 5 кодовых комбинаций. При этом способностью к наиболее качественному преобразованию (минимальный уровень шумов) обладает «Комбинированный АЦП», поскольку его гистограмма распределения кодов (рис. 7д) говорит о том, что почти все преобразования дают один и тот же код.

I ^Частота появления кода

(х-Э) (х-2) (х-1) х (х+1) (х»2) (х+3) (х-3) (х-2) (х-1) X (х+1) (х+2) (*+3)

Рис. 7. Шумы АЦП. Гистограммы результатов 5000 преобразований входного напряжения постоянного уровня (к таблице 2.3).

Максимальными шумами характеризуется «Мультиканальный линейный дельта-модулятор с цифровым интегратором» (гистограмма «в» на рис. 7). Однако следует отметить, что при разработке данного варианта АЦП во главу угла ставилась реализация именно мультиканальности в системах с ДМ преобразованием, в остальном же относительно невысокие технические параметры окупаются простотой и дешевизной устройства.

Сопоставляя среднеквадратический уровень шумов АЦП, приведенных в таблице 2.3 (колонка 9), а также коэффициенты гармонических искажений (колонка 10), можно утверждать, что наиболее качественным преобразователем является промышленный 22-разрядный АЦП А1)7716. Однако «Комбинированный АЦП» ИКМ-ДИКМ весьма близок к лидеру практически по всем показателям и при этом обладает двумя существенными достоинствами с позиции его применения в сейсморегистрирующей аппаратуре: во-первых, минимальное время преобразования данного АЦП более, чем на порядок превышает аналогичный параметр А1)7716, что обеспечивает возможность его использования в

высокочастотных сейсмических станциях; во-вторых, количество информационных бит в «Комбинированном АЦП» почти в 2 раза меньше, чем в А07716, а это снижает плотность цифрового потока данных на выходе также почти в 2 раза (колонка 11 таблицы 2.3). Последнее положение является чрезвычайно важным для сейсморегистрируюгцих приборов, в особенности работающих в автономном режиме.

Четвертое защищаемое положение

Накопительная сейсмическая станция с новым алгоритмом цифровой коррекции смещения нуля. Реализованный алгоритм вычисления и введения поправки смещения нуля в каждую сейсмическую трассу станции отличается простотой, минимальными затратами вычислительных мощностей, малым временем выполнения операции, не влияющим на производительность работ. В результате практически полностью устраняются такие факторы, как температурный дрейф нуля и смещение нуля сейсмической трассы, искажающие информацию при выполнении операции многократных синхронных суммирований входных сигналов. Сравнительный анализ с известными мировыми образцами аппаратуры данного класса по пунктам «экономичность» и «компактность» показал превосходство разработанной станции, а широкий рабочий температурный диапазон позволил реально использовать ее практически в любых климатических зонах без каких-либо дополнительных условий кондиционирования.

Большинство современных модификаций переносных сейсмических станций включают, по меньшей мере, два блока: блок предварительной аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования входных сигналов, и блок предварительной цифровой обработки и накопления данных. При этом второй блок - это персональный компьютер типа Notebook, подключенный к первому через какой-либо стандартный порт ввода-вывода. Почему полиблочная структура станций нашла сегодня широкое распространение среди разработчиков и производителей, понять нетрудно. Во-первых, отпадает необходимость разработки и изготовления цифровой части сейсмостанции, во-вторых, программу обработки и управления легко написать на языке высокого уровня, причем можно оптимально сконструировать пользовательский интерфейс, обладающий высоким уровнем сервисности.

Вместе с тем, за относительно невысокие затраты на опытно-конструкторские работы (ОКР) и изготовление полиблочной переносной сейсмической станции впоследствии расплачивается пользователь. Прежде всего, станция перестает быть экономичной и компактной, превращаясь из носимой в транспортируемую на автомобиле. Вследствие этого в труднодоступных участках местности исследования проводить практически невозможно.

Использование Notebook в составе полевой аппаратуры подразумевает, что компьютер должен быть выполнен, по меньшей мере, в варианте Industrial, а лучше Military. Однако стоимость таких модификаций Notebook на порядок превышает стоимость коммерческой версии. По этой причине пользователь, как правило, предпочитает именно коммерческий вариант, заведомо ограничивая возможности станции.

Вместе с тем, одним из самых перспективных направлений, активно развиваемых корпорациями Motorola, Atmel, Microchip и др., являются 8-, 16-разрядные AVR микроконтроллеры общего назначения. Они представляют собой инструмент для создания современных высокопроизводительных и экономичных многоцелевых систем.

Используя контроллер AVR класса Mega в системе управления переносной сейсмической станции, можно добиться результатов не хуже, чем с применением microPC, но при этом система будет значительно экономичнее и компактнее. Именно этот путь был выбран при разработке сейсморегистрирующей системы «Синус».

Ориентируясь на соотношение «цена - производительность - энергопотребление», подходящим для применения в переносной сейсмостанции является микроконтроллер AVR ATmega85I5, производства корпорации Atmel. К настоящему времени проработана техническая документация, отлажены все узлы, изготовлены действующие экземпляры моноблочных сейсмических станций «Синус», которые успешно эксплуатируются в различных регионах Российской Федерации. Система унифицирована и при незначительных доработках легко трансформируется в 6-, 12-, 24- или 32-канальный вариант. При этом все основные технические характеристики, приведенные в таблице 5, сохраняются.

Рассмотрим обобщенную структуру моноблочной сейсмической станции на примере ее 12-канального варианта (модификация «Синус-12М»). На рис. 8 показана блок-схема этой станции, ядром которой является модуль управления.

Табл. 5. Основные технические характеристики сейсмостанций «Синус»

Число сейсмических каналов <5,12,24.32

Полоса регистрируемых частот (Гц) 5 -4000

Число разрядов АЦП* 16 или 22

Ступени усиления (дБ) 0, 12. 24. 36. 48

Динамический диапазон регистрируемых сигналов с учетомусиления (дБ, не менее) 120

Ступени ФНЧ (аналоговый) с подавлением 12 дБ/окт (Гц) 250, 500, 1000, 2000,4000

Ступени ФВЧ (аналоговый) с подавлением 12 дБ/окт (Гц) 5, 250, 500, 1000, 2000

Подавление РФ частоты 50 ±2Гц (дБ, не менее) 30

Максимальный входной сигнал (В) ± 2,5

Среднее эффективное значение уровня шумов при усилении 48 дБ (LSB) 3...5

Взаимное влияние между двумя соседними каналами (дБ, не более) -82

Период дискретизации (мкС)* 1000, 500, 250, 125. 62.5

Число выборокнаканал* 256. 512. 1024, 2048

Форматы сохраненияданных в компьютере SG («Синус»), SEG-Y, SEG-2, SU

Время задержки регистрации сшагом1 мС 0 -9999

Выполнение накопления (суммирования) Сознаком«+»иля «-»

Размер результирующего слова* (15разрядов+Знак) или (21 разряд + Знак)

Емкость флэш-диска, (Мбайт; не менее) б

Порт обмен а данными с ЭВМ PC USB

Использование Notebookнапрофиле Не требуется

Режимработы станции «Диалог с оператором»

Тип дисплея WG320.240C, Planar EL320.240. 36

Время форлировання сейсмограммы на экране дисплея (сек, не более) 1,5

Время записи сейсмограммы на флзш-диск со 100% контролем записи (сек, не более) 3

Время считывания сейсмограммы из флзш-диск а и вывод на экран дисплея (сек; не более) 2

Контроль сейсмической «косы» Есть

Контроль напряжения питания Есть

Старт pera стрщии данных Пьезодатчик, сейсмодатчик, разрыв контакта

Диапазон рабочих температур (град. С) -20 ...+45

Напряжение питания (В) 10...20

Максимальная мощность потребления (Вт) 4,5

Масса сейсмостанций (кГ, не более) 5

Габаритные размеры 24-канал. станции (мм) 250x160x300

Габаритные размеры 12-канал. станции (мм) 250x160x150

Примечание: Параметры, отметенные символом «А».могут mменяться программно

Система может обслуживать большее или меньшее число каналов, в зависимости от выбранной конфигурации. Схема включает собственно модуль управления (Мупр), модуль аналого-цифрового преобразователя (Мдцп), два идентичных модуля аналоговых усилителей (Мус), каждый из которых содержит 6 каналов и модуль питающих напряжений (Мпит)- Кроме того, в состав станции входит плазменный дисплей фирмы Planar или жидкокристаллический экран фирмы WinStar (Мдаспл). обеспечивающий визуализацию данных с разрешением 320x240 пикселей (quarter VGA), и защищенная матричная клавиатура 4x4 фирмы Grayhill (Мкл).

Рис. 8. Структурная схема 12-канальной сейсмической станции («Синус-12М»)

В состав системы включено два контроллера AVR, один из которых расположен в модуле управления, другой - в модуле АЦП, причем первый всегда настроен как ведущий (master), второй - как ведомый (slave).

К наиболее существенно влияющим на работу станции можно отнести два модуля: модуль управления и модуль АЦП. Модуль управления прежде всего обеспечивает организацию корректного «диалога» между системой и пользователем, при этом программа управления предусматривает возможность обращения к различным типам «подсказок», что позволяет освоить работу со станцией в кратчайшие сроки. Кроме того, значимой функцией управления является внутрисистемный обмен командами и данными.

Модуль АЦП несет основную вычислительную нагрузку, выполняя операции считывания данных из АЦП, сортировки и рационального размещения ин-

формации в ОЗУ, поканального суммирования или вычитания выборок, осуществляя расчет поправок за смещение нуля с точностью до ± 1 ЬБВ (единица младшего разряда) для каждой сейсмической трассы. Заметим, что контроллер оперирует с массивами данных, достигающими сотен Кбайт, и при этом корректно выполняет все установленные процедуры в течение 1 ...2 секунд, что абсолютно не сказывается на производительности полевых работ.

Остановимся более подробно на операции цифровой коррекции смещения нуля, поскольку данная процедура обеспечивает значительное улучшение качества регистрируемых сейсмических сигналов.

В соответствии со структурой станции в ее состав входят такие узлы, как усилители, фильтры, АЦП. Следовательно, в сейсморегистрирующем канале прибора возникают аппаратурные искажения. В частности, к таковым относится смещение нуля исм, температурный дрейф нуля Ант, как правило, возникающие на этапе аналоговой обработки сигнала: в усилителе, в меньшей степени в фильтрах и входных каскадах АЦП.

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. Большинство известных способов коррекции таких искажений в реализации оказываются трудоемкими и не обеспечивают необходимой стабильности в процессе работы.

В сейсмических станциях «Синус» смещение удалось скорректировать на этапе цифровой обработки. Известно, что для портативных накопительных сейсмических станций время регистрации сигнала приблизительно лежит в диапазоне 0,1...5 секунд. Но за такое время флуктуации смещения нуля, практически отсутствуют или имеют пренебрежительно малую величину. Поскольку исследуемый сейсмический сигнал является квазигармоническим, с относительно симметричным распределением положительных и отрицательных полуволн, то, 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:

иСм = (Ь1 + Ь2+...+ Ьш)/т, (7)

где Ь[, Ьг, ...Ьт - амплитуды выборок сигнала одной сейсмической трассы; т -количество выборок. Таким образом можно осуществить коррекцию смещения нуля для каждого канала сейсмической станции.

Из выражения (7) видно, что процедура вычисления поправки 1Гсм достаточно тривиальна и контроллером АТшеда 8515 при тактовой частоте 16 МГц и количестве сейсмических каналов 24 выполняется в течение 200 - 300 мС, что на практике никак не сказывается на производительности работ и субъективном восприятии обновления данных на экране дисплея станции.

Рис. 9. Пример цифровой коррекции смещения нуля (одна трасса).

На рис. 9а показана одна трасса сейсмограммы, полученной в результате 16 суммирований. На сейсмограмме сформирован контрастный сейсмический импульс, смещенный относительно нулевой линии на величину 11см. Рисунок 96 демонстрирует сейсмограмму, полученную аналогичным образом, но смещение нуля корректировалось при каждом суммировании в соответствии с соотношением (7).

К настоящему времени проработаны до уровня технической документации и выпуска опытных образцов следующие модификации сейсмических станций «Синус»:

• «Синус-12М»

• «Синус-12МЗ»

• «Синус-24М»

• «Синус-24МБ»

Перечисленные модификации станций успешно эксплуатируются в различных производственных и научно-исследовательских организациях Российской Федерации, самые ранние из которых работают уже более 8 лет. Для всех станций неизменными остаются алгоритм работы, иерархия и приоритеты выполнения отдельных программных блоков, а также структура практически всех модулей. Примененный во всех разработках сейсмостанций «Синус» алгоритм цифровой коррекции смещения нуля обеспечивает качественную регистрацию сейсмограмм даже при значительных (несколько десятков градусов С) перепадах температуры окружающей среды в течение одной рабочей смены. При этом число накоплений с одноименным знаком для одного физического наблюдения практически не оказывает ограничивающего влияния на динамику регистрируемых сигналов.

Таблица 6, приведенная ниже, является сравнительной. В нее сведены наиболее существенные параметры некоторых типов аналогичных сейсмических станций, выпускаемых различными зарубежными и отечественными производителями (открытая информация по официальным сайтам компаний производителей).

Сравнение приведенных в табл. 6 технических параметров близких по своему функциональному назначению сейсморегистрирующих приборов позволяет сделать главный вывод о том, что концептуально станции делятся на два типа: оборудование, не способное функционировать без дополнительного бортового компьютера типа notebook, и моноблочные, функционально законченные станции, не требующие применения внешних управляющих ЭВМ непосредственно на участке работ.

Изучение справочной литературы показывает, что в настоящее время практически 70% малоканальных переносных сейсмических станций, производится именно в варианте использования с бортовым notebook, что значительно снижает возможности применения данной аппаратуры в различных полевых ситуациях. К такому типу приборов относятся станции АВЕМ RAS-24 производства Швеции, отечественные станции ЛАККОЛИТ.

Другой тип станций - моноблочные, также указанные в табл. 6 - это японский прибор McSeis-SX24 и сейсмическая станция CHHYC-24MS, в целом имеющие достаточно близкие технические характеристики. Однако наличие в McSeis-SX24 встроенной micro PC на базе процессора i486DX4, с одной стороны, обеспечивает мощную инструментальную поддержку в плане управления и первичной обработки сейсмических данных, с другой стороны, такая конфигурация станции ведет к неоправданному повышению потребляемой мощности,

сужению рабочего температурного диапазона, увеличению необходимой емкости аккумуляторной батареи и, следовательно, к увеличению массогабаритных параметров полевой сейсморегистрирующей системы в целом.

Табл. 6. Сравнение основных технических параметров инженерных сейс-мостанций ведущих фирм производителей данной аппаратуры.

АВЕМ RAS-24 M:Seis-SX24 (АВЕМ (OYO Geophysics, Corporation, Швеция} Япония) Лакголкт 24-М (ОСО ЛогиС, Россия) СИН5С-24№ (ИГфУрО РАН, Россия)

Число регистрируемых га калов 12,24 1,3,6,12,24 24 б, 12,24,32

Диапазон регистрируем, частот, Гц 2 - 3300 4,5 - 4500 5-4000 5-4000

Разрздность АЦП 24 18 24 16 юга 22

Предускпенке, дБ Регулируемая аналоговая частоткая горрекикя. 12,24,36,43 24,36,43,60 Нет Нет 0,20,40 Нет 0,12,24,36,43 Есть

Регулируемая цифровая частоткая горрекшея. Есть Есть Есть Есть

Период дискретизации, мкС 125,250,500, (25), 50,100, 1000,2000, 200,500, 1000, 4000 2000 Минимальный 62 62, 125,250, 500, 1000

Количество выборок на канал 16334 1024,2043 До 3072 256,512,1024, 2048

Формат данных SEG-2, SEG-D ГчБ-DCS SEG-Y SG. SEG-Y, SEG-2.SU

Контроль сейсмокосы Есть Есть Есть Есть

Наличие встроенной геиего РС н Есть (i пет 486DX4) Нет Нет

Необходимость использования ^еЬоокка профиле Требуется Kt требуется ТртБ^ется Не туебзвтея

Напряжение питания, В notebook) 12 (без notebook) 10-20

Мощность потреблении, Вт 24 (без Зй notebook) 12 (без notebook) 4,5

Диапаээк рабочих теуятерет^р, град.С -30...+70 (Вез notebook) -30...+50 (без notebook) -20...+45

М*сса. кг 5 (без notebook) 8 5 (без notebook) 5

Габариты, мм S?2S2S 160x300*260 (без notebook) 250x160x300

В конечном итоге все это скажется на производительности работ и возможности использования сейсмической станции в экстремальных условиях, для чего, собственно говоря, такая аппаратура и предназначена.

Таким образом, данные, приведенные в табл. 6, позволяют сказать, что разработанная сейсмостанция «Синус-24М8» обладает техническими парамет-

рами, весьма близкими как к зарубежным, так и отечественным аналогам, что обеспечивает высококачественную регистрацию сейсмической информации при проведении работ в различных вариантах МПВ и MOB. Наряду с этим видны ее несомненные преимущества: во-первых, в плане минимизации энергопотребления; во-вторых, нет необходимости использовать дополнительную ЭВМ при работе в поле; в-третьих, малые массогабаритные параметры. Эти позиции реально открывают возможности использования прибора в самых сложных климатических и природных условиях, причем с минимальными затратами.

В заключительной части 4 главы диссертационной работы приведен пример упрощенного расчета экономической эффективности от использования сейсмостанции «Синус-24М8» в сравнении с наиболее близким аналогом «McSeis-SX24» (табл. 6). При равных условиях эксплуатации приборов в летний полевой период экономия средств в случае использования станции «Синус» составляет почти 40%. В зимнее время процент экономии еще выше.

В главе 5 диссертационной работы приведены примеры практического применения разработанной сейсморегистрирующей аппаратуры «Регистр» и «Синус» при производстве геофизических исследований, а также устройств и способов, воплощенных в эту аппаратуру.

Заключение

Прежде всего, необходимо сказать, что проведенные в работе исследования как отдельных элементов, так и законченных структур различных сейсмо-регистрирующих систем явились основой новых конструкторских разработок, реализация которых, в конечном итоге, позволила решить стоящие перед автором задачи и цели. Итоги исследований можно резюмировать в следующих пунктах.

1. Рассмотрены теоретические основы и принципы построения аналого-цифровых преобразователей, реализующие практически все известные методы, применяющиеся в современной сейсморегистрирующей аппаратуре: импульс-но-кодовая модуляция, дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, дельта-модуляция, сигма-дельта-модуляция, адаптивная дельта-модуляция. Проанализированы возможности классических методов и устройств аналого-цифрового преобразования, варианты их комбинированного использования для решения задач улучшения параметров сейсморегистрирующего канала.

2. На основе наиболее перспективных методов аналого-цифрового преобразования квазигармонических сейсмических сигналов - дельта-модуляция,

сигма-дельта-модуляция и адаптивная дельта-модуляция - осуществлены теоретические расчеты и экспериментальные моделирования, воплощенные в серию конструкторских разработок аналого-цифровых преобразователей, обеспечивающих мультиканальность сейсморегистрирующих систем как с аналоговыми, так и с цифровыми схемами построения интеграторов, расширение мгновенного динамического диапазона при относительно невысокой частоте дискретизации (снижение плотности потока данных на выходе АЦП), достижение высокой точности преобразования при использовании совокупности двух факторов: относительно длительное удержание на конденсаторе устройства выборки-хранения стабильного потенциала и скоростная обработка данной аналоговой выборки с помощью ДМ.

3. С целью решения задачи снижения плотности потока данных на выходе сейсморегистрирующего канала обоснован и практически реализован в приборе новый способ преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид. Способ основан на комбинации двух классических приемов преобразования - ИКМ и ДИКМ. Дополнение классической ИКМ элементами дифференциального преобразования позволило сконструировать устройство, позволяющее: во-первых, как минимум на 25% снизить плотность потока данных на выходе АЦП; во-вторых, уже при 8-12 разрядах обеспечивается качество преобразования, соответствующее 14 - 16-разрядному преобразованию при обычной ИКМ.

4. Как отмечалось в работе, чрезвычайно актуален вопрос снижения плотности цифрового потока данных для области мониторинговых сейсмических исследований. Поскольку сейсмический мониторинг можно условно разделить на два этапа: предварительный и детальный сейсмический мониторинг, каждый из которых специфичен и имеет определенные цели и задачи, то возникла мысль о неформальном разделении этих двух этапов с точки зрения методической и аппаратурной реализации. Была сформулирована задача первого этапа сейсмического мониторинга: выявить временное распределение энергии сейсмического волнового поля в пределах некоторой исследуемой площади. Если данный участок с точки зрения сейсмики не является активным, переходить к изучению следующего участка. Напротив, только при обнаружении сейсмической активности в пределах участка переходить к дорогостоящим детальным сейсмическим исследованиям. Таким образом, с целью решения задач первого этапа был разработан новый простой и эффективный способ оперативного сейсмического мониторинга и аппаратура, обеспечивающая его практическую реализацию.

Способ позволяет оперативно оценивать динамику изменения сейсмического поля в точке наблюдения. Для реализации функции оперативности и значительного увеличения времени непрерывной регистрации в алгоритм сейсмического мониторинга введен новый элемент - вычисление энергии сейсмических волн по измеренной компоненте смещений с последующей регистрацией результата вычисления в точке измерения за некоторый, заранее установленный интервал времени (временное окно), выбираемый в зависимости от полосы частот регистрируемых сигналов и длительности затухания сейсмической волны до фонового уровня при импульсном воздействии. При площадных наблюдениях полученные энергетические уровни сводятся в единую динамическую карту вариаций распределения сейсмической энергии соответствующей компоненты по площади исследования.

Решение данной задачи в ряде случаев прикладного использования позволяет повысить оперативность принятия решения при возникновении экстремальных ситуаций (резкое возрастание сейсмической активности).

5. Новый способ оперативного сейсмического мониторинга реализован с помощью разработанного универсального регистратора сейсмических сигналов, который, во-первых, может работать как в автономном режиме, так и в стационаре; во-вторых, способен как производить регистрацию реальных сейсмических сигналов, так и осуществлять вычисление энергии сейсмических волн и сохранять результат вычисления в точке наблюдения. Последняя функция является аппаратурной реализацией нового способа оперативного сейсмического мониторинга. Аналого-цифровой преобразователь регистратора выполнен на базе разработанных автором способа и устройства преобразования аналоговых сигналов, что обеспечило качественное мгновенное преобразование входных сейсмических сигналов в диапазоне порядка 92 дБ (15 -16 разрядов при традиционной импульсно-кодовой модуляции) и одновременно позволило снизить поток выходной информации не менее, чем на 25%.

6. Еще одной, весьма немаловажной проблемой при регистрации сейсмических сигналов является проблема смещения нулевой линии сейсмической трассы. При возникновении искажения данного типа в канале сейсмостанции с синхронным накоплением (суммированием) входных сигналов возможна такая ситуация, когда суммирование с одноименным знаком информации «полезный сигнал + смещение» приведет к полной потере сейсмических данных. В связи с этим был разработан алгоритм оперативной цифровой коррекции смещения нуля в сейсморегистрирующем канале станции, что позволило значительно сни-

зить влияние или полностью устранить температурный дрейф нуля Ает, смещение нуля Ucm-

Разработанный алгоритм был встроен как неотъемлемая часть программного обеспечения компактной, моноблочной сейсмической станции с гибкой архитектурой мультиконтроллерной системы управления и обработки. Станция позволяет осуществлять многократные синхронные суммирования входных сейсмических сигналов со знаком «+» или «-». Гибкость архитектуры подразумевает несложные программные модификации, позволяющие менять целый ряд технических параметров аппаратуры.

В результате выполненных теоретических исследований, компьютерного моделирования и расчетов, экспериментальных разработок, а также лабораторных и полевых испытаний были созданы действующие образцы сейсморегист-рирующей аппаратуры, обеспечившие реализацию как нового способа преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой эквивалент, так и нового способа оперативного сейсмического мониторинга. Последнее, по мнению автора, является интересным и перспективным направлением, несомненно, требующим продолжения исследований, как в теоретическом аспекте, так и в плане новых конструкторских разработок.

Основные результаты и положения диссертации изложены в следующих публикациях.

1.A. С. № 1190761. Кодирующее устройство для отметки момента возбуждения сейсмических колебаний. Приоритет 04.05.84. Зарегистрировано 08.07.85 (без соавторов)

2.А. С. №1681288. Устройство для регистрации сейсмических сигналов. Приоритет 27.06.89. Зарегистрировано 01.06.91 (без соавторов)

3.Использование дельта-модуляции для аналого-цифрового преобразования сейсмического сигнала. Геофизическая аппаратура, вып.96. С-Пб: Недра, 1992. С. 102-107 (без соавторов)

4.Патент РФ №2044330. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь для сейсмических исследований с использованием дельта-модуляции. Приоритет 12.05.92. Зарегистрирован 20.09.95 (без соавторов)

5.Компандерный аналого-цифровой преобразователь с использованием дельта-модуляции для регистрации сейсмических сигналов. Сейсмические приборы, вып.23. М.: Наука, 1993 (без соавторов)

6.Исследование принципов дельта-модуляции и создание на их основе аналого-цифровых преобразователей сейсморегистрирующей аппаратуры. Автореферат кандидатской диссертации. Екатеринбург, 1994. 19 с. (без соавторов)

7.Дельта-сигма модулятор с цифровым интегратором - АЦП сейсмореги-стрирующей аппаратуры. Геофизическая аппаратура, вып.99. С-Пб: Недра, 1994. С. 91-105 (без соавторов)

8.Патент РФ №2128880. Высокоинформативный аналого-цифровой преобразователь с использованием дельта-модуляции для сейсмических исследований. Приоритет 13.05.97. Зарегистрирован 10.04.99 (соавторы: И. Б. Захаров, С. Н. Никитин)

9.Патент РФ №2131167. Способ и устройство преобразования аналоговых сигналов. Приоритет 10.06.97. Зарегистрирован 27.05.99 (соавтор: С. Н. Никитин)

Ю.Адаптивный преобразователь аналоговых сигналов. Приборы и техника эксперимента №4. М: Наука, 1998. С. 78 - 81 (соавтор: С. Н. Никитин)

11 .Сейсмическая аппаратура для изучения активных разломов верхней части коры и проведения сейсмологического мониторинга. Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы. Материалы международной конференции. Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 1998. С.155 - 158 (соавторы: И. Б. Захаров, С. Н. Никитин, Т. Е. Сенина)

12.«Дельта-М» - регистратор низкочастотных сейсмических сигналов с использованием АЦП на базе 3-канального дельта-модулятора с цифровым интегратором. Геофизическая аппаратура, вып.101. С-Пб: 1998. С. 93 - 103 (соавтор: Т. Е. Сенина)

13.Полевой накопитель сейсмической информации. Уральский геофизический вестник №2. Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2001. С. 7276 (соавтор: Т. Е. Сенина)

14.Патент РФ №2189058. Цифровой канал связи телеметрической сейс-морегистрирующей аппаратуры. Приоритет 18.12.2000. Зарегистрирован 10.09.2002 (без соавторов)

15.Патент РФ №2201032. Устройство преобразования аналоговых сигналов. Приоритет 04.08.2000. Зарегистрирован 20.03.2003 (без соавторов)

16.Регистратор сейсмических сигналов. Практика приборостроения №4. Екатеринбург: «Иридиа-пресс», 2003. С. 8 -12 (соавтор: Т. Е. Сенина)

17.Сейсморегистрирующий канал. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 188 с. ISBN 5-7691-1533-5 (без соавторов)

18.Патент РФ №2248592. Накопительная сейсмическая станция с цифровой коррекцией смещения нуля. Приоритет 26.05.2003. Зарегистрирован 20.03.2005 (соавтор: Т. Е. Сенина)

19.Патент РФ №2265867. Полевая аппаратура и способ сейсмического мониторинга. Приоритет 29.12.2003. Зарегистрирован 14.06.2005 (соавторы: В. И. Уткин, Т. Е. Сенина)

20.Сейсмическая станция «Синус». Приборы и техника эксперимента № 5. М: Наука, 2005. С. 163 - 164 (соавтор: Т. Е. Сенина)

21.Регистратор сейсмических сигналов «Регистр». Приборы и техника экспериментам 6. М: Наука, 2005. С. 141-142 (соавтор: Т. Е. Сенина)

22 .Регистратор сейсмических сигналов. Некоторые рекомендации для разработчиков. Уральский геофизический вестник № 7. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. С. 105 - 109 (соавтор: Т. Е. Сенина)

23 .Производство взрывных работ в строительстве и в карьерах пром-стройматериалов в стесненных условиях. Новый Уральский строитель № 11. Екатеринбург: Союз строителей Урала, 2005. С. 63 - 65 (соавторы: Г. П. Берсенев, П. В. Меньшиков)

24.«Синус» - полевая сейсморегистрирующая аппаратура для изучения верхней части геологического разреза. Уральский горнопромышленный форум: Горное дело. Оборудование. Технологии: Сборник докладов. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. С. 84 - 86 (соавтор: Т. Е. Сенина)

25.Переносные сейсмические станции «Синус». Уральский геофизический вестник № 9. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. С. 57 - 62 (соавтор: Т. Е. Сенина)

26.Дисплей с внешним динамическим управлением в переносной сейсмической станции. Промышленные АСУ и контроллеры № 6. М: Научтехлитиз-дат, 2007. С. 42 - 46 (соавтор: Т. Е. Сенина)

27.Взрывные работы в стесненных условиях. Сборник «Взрывное дело» № 97/54. М: МВК по ВД при ATM. 2007 (соавторы: Г. П. Берсенев, П. В. Меньшиков)

28.Измерительные приборы для сейсмических исследований. Материалы международной конференции «Геофизические исследования Урала и сопредельных регионов». Екатеринбург: УрО РАН, 2008. С. 135 -137 (без соавторов)

Подписано в печать 14.10.2009. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,8. Тираж 100 экз. Заказ № 232.

Типография «Уральский центр академического обслуживания» 620219, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91

Содержание диссертации, доктора технических наук, Сенин, Лев Николаевич

Введение.

Глава 1. Теоретические основы методов аналого-цифрового преобразования, применяемых в сейсморегистрирующих системах.

1.1. Структура сейсморегистрирующего канала.

Основные требования к его элементам.

1.2. Импульсно-кодовая модуляция.

1.2.1. Дискретизация по времени.

1.2.2. Квантование по уровню и кодирование.

1.3. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция.

1.3.1. Предсказание сигнала и характеристики некоторых специфических искажений в преобразователе ДИКМ.

1.4. Дельта-модуляция.

1.5. Сигма-дельта модуляция.

1.6. Адаптивная дельта-модуляция.

Глава 2. Новые способ и устройства аналого-цифрового преобразования для сейсморегистрирующих приборов.

2.1. Комбинированный способ и устройства преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид.

2.2. Мультиканальный аналого-цифровой преобразователь с использованием дельта-модулятора с аналоговым интегрированием.

2.3. Мультиканальный дельта-модулятор с цифровой схемой интегрирования.

2.4. Адаптивный дельта-модулятор с цифровым интегратором.

2.5. Адаптивный дельта-модулятор с управляемой аналоговой схемой интегрирования.

2.6. Сравнительный анализ аналого-цифровых преобразователей для сейсморегистрирующей аппаратуры.

Глава 3. Новые способ и аппаратура для оперативного сейсмического мониторинга.

3.1. Способ оперативного сейсмического мониторинга.

3.2. Универсальный сейсморегистрирующий прибор

Регистр» для сейсмического мониторинга.

3.2.1. Блок Time - временная привязка регистратора сейсмических сигналов «Регистр».

3.2.2. Работа регистратора сейсмических сигналов «Регистр» в режиме обмена данными с компьютером PC.

Глава 4. Переносная сейсмическая станция «Синус» с цифровой коррекцией смещения нуля.

4.1. Структура и работа основных модулей сейсмической станции «Синус».

4.2. Модуль управления сейсмической станции.

4.3. Модуль АЦП сейсмической станции. Цифровая коррекция смещения нуля в модуле АЦП.

4.4. Модуль усилителей сейсмической станции.

4.4.1. Входной инструментальный усилитель.

4.4.2. Режекторный фильтр.

4.4.3. Фильтры высокой и низкой частоты.

4.5. Обобщенные технические характеристики сейсмических станций «Синус». Сравнительный анализ некоторых аналогичных типов сейсморегистрирующей аппаратуры зарубежного и отечественного производства.

Глава 5. Некоторые результаты опытно-методических и производственных работ, проведенных с использованием сейсмических станций «Синус» и регистраторов сейсмических сигналов «Регистр». 221 5.1. Опытно-методические работы. «Полевые наблюдения МПВ с 24-канальной сейсмической станцией «Синус—24М». Результаты обработки МПВ».

5.2. Опытно-методические работы. «Проведение сейсмических исследований в комплексе с магниторазведкой, направленных на выявление кварц-флюоритовых жил на Суранском флюори-товом месторождении (Башкортостан) с целью определения возможностей данного комплекса при поисках месторождений аналогичного типа».

5.2.1. Общие сведения о месторождении.

5.2.2. Краткая геологическая характеристика месторождения.

5.2.3. Сейсмические исследования МПВ.

5.2.4. Сопоставление результатов сейсморазведки МПВ и магнитометрии.

5.3. Научно-исследовательские работы. «Инструментальный сейсмический мониторинг остекленной крыши здания резиденции Губернатора Свердловской области».

5.3.1. Аппаратные и программные средства, использованные при проведении работ.

5.3.2. Методика проведения полевых измерений.

5.3.3. Общий качественный анализ сейсмограмм.

5.3.4. Максимальные смещения на плоскостях и ребрах пирамиды.

5.3.5. Амплитудно-частотные спектры сигналов, регистрируемых на элементах пирамиды при активных и пассивных измерениях.

5.3.6. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Новые способы, аппаратура и устройства, повышающие эффективность сейсмических исследований"

Актуальность темы

Известно, что проблема изучения Земных недр является прерогативой геофизических исследований, среди которых ведущее место занимают сейсмические методы, позволяющие получать сведения о глубинном строении Земли, заниматься решением задач поиска предвестников землетрясений, решать прикладные вопросы, касающиеся увеличения минерально-сырьевых запасов, в том числе топливно-энергетических, решать задачи инженерно-геологического характера и т. д.

Основополагающим при производстве сейсмических работ является критерий качества регистрации сейсмической информации, определяемый способностью сейсморегистрирующей и обрабатывающей систем минимизировать влияние различных искажающих факторов на исходный сейсмический сигнал в процессе измерения.

Другим существенным критерием для сейсмических исследований является наиболее высокая информационная емкость по сравнению с любым другим методом геофизики, что затрудняет оперативность выдачи конечного результата.

Отмеченные факторы оказывает существенное влияние как на развитие аппаратурной базы, сейсморегистрирующих, обрабатывающих систем, так и на формирование методических приемов при производстве сейсмических исследований.

Таким образом, создание новых способов и средств, улучшающих технические параметры сейсморегистрирующих систем, внедрение их в аппаратуру, разработка оригинальных методов и сейсмоизмерительных приборов, повышающих эффективность сейсмических исследований, является актуальной задачей, решению которой посвящена настоящая работа.

Цель работы

Разработка способов и устройств преобразования аналоговых сейсмических сигналов, обеспечивающих снижение плотности цифрового потока данных без потери полезной информации, повышение точности преобразования, а также разработка алгоритма и аппаратной реализации цифровой коррекции смещения нуля.

Разработка способа сейсмических исследований, позволяющего длительное время проводить автономную регистрацию сейсмического поля и оперативно оценивать динамику его поведения во времени, т. е. сократить время принятия решения в случае возникновения стрессовой ситуации.

На базе перечисленных аппаратно-методических разработок создание экономичной компактной сейсмической станции и универсального автономного регистратора сейсмических сигналов.

Научная новизна

На основе теоретических исследований, компьютерного и физического моделирования, изучения и сравнения технических и эксплуатационных характеристик макетных образцов разработанных устройств и методов, воплощенных в устройства, автором сформулирован ряд технических предложений, новизна которых подтверждена 7-ю патентами и 2-мя авторскими свидетельствами на изобретение.

1. На базе алгоритма дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ) разработан новый способ преобразования аналоговых сейсмических сигналов, характеризующийся снижением плотности потока цифровых данных на выходе и повышением эффективной разрешающей способности, т. е. расширением динамического диапазона преобразования.

2. Предложены две оригинальные схемы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), реализующие новый способ, первая из которых дополняет петлю обратной связи ДИКМ фильтром низкой частоты (ФНЧ) и усилителем, во второй схеме используется управляемый ФНЧ следящего типа.

3. Предложены и реализованы схемы АЦП для сейсморегистрирующей аппаратуры, в основе работы которых лежит принцип дельта-модуляции (ДМ). Устройства обеспечивают многоканальность и хорошую степень точности преобразования. Введенный в одну из схем блок адаптации управляет размером шага квантования, изменяя его в зависимости от скорости изменения входного аналогового сигнала. При этом сохраняется максимальное разрешение на экстремумах сигнала при относительно низкой частоте дискретизации.

4. Разработаны способ сейсмического мониторинга и регистратор сейсмических сигналов, реализующий данный способ, позволяющие оперативно оценивать динамику изменения сейсмического поля в точке наблюдения. Для реализации функции оперативности и значительного увеличения времени непрерывной регистрации в алгоритм сейсмического мониторинга вводится новый элемент - вычисление энергии сейсмических волн по измеренным компонентам смещений (Ъ, X, У) с последующей регистрацией результата вычисления в точке измерения за некоторый заранее установленный интервал времени (временное окно), выбираемый в зависимости от полосы частот регистрируемых сигналов и длительности затухания сейсмической волны до фонового уровня при импульсном воздействии. При площадных наблюдениях полученные энергетические уровни сводятся в единую динамическую карту вариаций распределения сейсмической энергии для соответствующих компонент смещений.

Аналого-цифровой преобразователь регистратора выполнен на базе разработанных автором способа и устройства преобразования аналоговых сигналов, что обеспечило уже при 12-разрядном кодировании качественное мгновенное преобразование входных сейсмических сигналов в диапазоне порядка 92 дБ (15 - 16 разрядов при традиционной ИКМ) и, одновременно, позволило увеличить время непрерывной регистрации за счет снижения плотности цифрового потока данных на выходе АЦП.

5. Разработана компактная, моноблочная, экономичная сейсмическая станция с гибкой архитектурой встроенной мультиконтроллерной системы управления и обработки. Станция позволяет осуществлять многократные синхронные суммирования входных сейсмических сигналов со знаком «+» или «-», причем последнее весьма существенно при регистрации поперечных волн ЭН. В станцию введен разработанный автором алгоритм цифровой коррекции смещения нуля. Это позволило значительно снизить влияние или полностью устранить такие факторы, как температурный дрейф нуля, смещение нуля, обычно проявляющие себя в цепях аналоговой обработки сейсморегистрирующего канала и вносящие существенные искажения в режиме многократных синхронных суммирований входных сигналов. Экономичность и компактность станции обеспечили надежную работу прибора при производстве полевых сейсмических исследований бригадой из 2 - 3 человек в течение 7-8 полноценных рабочих смен без дополнительной подзарядки аккумуляторной батареи емкостью всего 16-18 Ахч.

Практическая ценность

С помощью аппаратуры, разработанной автором в период с 1993 по 2009 г.г., проводились следующие сейсмические исследования. Опытные работы МПВ на территории г. Екатеринбург, участки «Зеленая роща», лесопарковая зона района Юго-западный, участок района «Уктус». Опытные и опытно-производственные мониторинговые работы в обсерватории ИГф УрО РАН «Арти», на территории Ильменского заповедника (Челябинская область), на территории ПО «Маяк» (Челябинская область); производственные профильные работы МПВ в районе г. Северобайкальск (Читинская область), работы выполнялись ООО «Сибгеотехносервис» на сейсмостанции ИГф УрО РАН; производственные работы МПВ на территории г. Сухой Лог и в пригороде г. Камышлов (Свердловская область): обследование автодорожного полотна; площадные мониторинговые наблюдения по проекту МНТЦ КЯ-187-2 (Республика Кыргызстан); опытно-методические работы МПВ на Суранском флюоритовом месторождении (Башкортостан); площадные опытно-методические работы МПВ при обследовании археологических захоронений в районе древнего поселения Аркаим (пос. Ольгино, пос. Коноплянка, Челябинская область); научно-исследовательские и опытно-методические работы по изучению резонансных и автоколебательных характеристик конструкций и элементов строительных сооружений (г. Екатеринбург); изыскательские работы по выбору площадки под строительство Южно - Уральской АЭС (Челябинская обл.) и т. д.

Разработанная и переданная заказчикам аппаратура использовалась и используется в настоящее время Институтом геологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар; ФГУГП «Баженовская геофизическая экспедиция», г. Заречный Свердловской области; «Исследовательским центром студенческой молодежи», г. Нефтеюганск (аппаратура передана в порядке оказания технической помощи для использования в учебном процессе); ИГД УрО РАН, г. Екатеринбург; ООО «Геостройком», г. Москва; «Уральская государственная горно-геологическая академия», г. Екатеринбург (аппаратура передана для использования в учебном процессе); ООО «Техноуголь», г. Владивосток и др.

Апробация работы

Основные результаты работы неоднократно докладывались, а разработанная аппаратура демонстрировалась на Ученом Совете и секции Ученого Совета «Региональные геофизические методы изучения земных недр» Института геофизики УрО РАН; на международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы» (г. Екатеринбург, 1998); на научно-промышленном форуме «Приборостроение — 2002» (г. Екатеринбург, 2002); на научно-промышленном форуме «Приборостроение — 2004» (г. В. Пышма Свердловской области, 2004); на Уральском горнопромышленном форуме «Горное дело. Оборудование. Технологии.» (г. Екатеринбург, 2006); на III Урало-Сибирской научно-промышленной выставке «Научно-промышленная политика и перспективы развития Урала и Сибири» (г. Екатеринбург, 2007). Кроме того, научные результаты по теме работы представлены 28 публикациями, в том числе 12 работами, включенными в список ВАК, и 1 авторской монографией.

Личный вклад автора состоит в постановке задач исследований, непосредственной разработке, испытаниях аппаратуры и способов, предназначенных для сейсмических исследований. Разработка и развитие аппаратных и методических комплексов осуществлялись под общим руководством автора и при его непосредственном участии на всех этапах, включая обоснование алгоритмических, схемотехнических и методических решений, планирование и проведение экспериментов, написание статей, монографии и оформление заявок на изобретения, в том числе:

-разработка способа преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой эквивалент, обеспечивающего повышение точности соответствия исходной сейсмической информации цифровым данным, подлежащим компьютерной обработке и интерпретации при построении скоростных и глубинных моделей изучаемой геологической среды;

-разработка способа сейсмического мониторинга, направленного, прежде всего, на реализацию возможности оперативной качественной оценки поведения сейсмического волнового поля в изучаемом секторе пространства в реальном масштабе времени;

-разработка функционального построения, схемотехнического решения и принципиальных электронных схем аналого-цифровых преобразователей сейсмических сигналов, в основе которых лежат принципы дифференциальной им-пульсно-кодовой модуляции и дельта-модуляции;

-разработка алгоритма и функционирования на уровне принципиальных электронных схем универсального регистратора сейсмических сигналов «Регистр», реализующего как традиционную задачу прямого фиксирования реальных сейсмических сигналов, так и задачу измерения величины смещения одной из компонент сейсмического сигнала, вычисления энергии сигнала данной компоненты в заданном окне и ее регистрацию в точке наблюдения;

-алгоритмизация работы мультиконтроллерной 24-канальной сейсмической станции «Синус», разработка всех схемотехнических и топологических решений, разработка и введение в рабочий алгоритм стации вычисления поправки за смещение нуля каждой сейсмической трассы в соответствии с принципами, изложенными в патенте 1Ш №2248592.

Структура и объем работы

Диссертационная работа содержит 284 страницы машинописного текста, состоит из введения, пяти глав и заключения, в том числе 18 таблиц и 110 рисунков. Список литературы включает 88 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Сенин, Лев Николаевич

5.3.6. Выводы.

Результаты, полученные по завершении работ по сейсмическому обследованию остекленной пирамидальной крыши здания Резиденции Губернатора Свердловской области, расположенного по адресу г. Екатеринбург, ул. М. Горького, 21, позволяют сделать следующие выводы.

1. Наиболее ответственным для данной конструкции и ее элементов, с точки зрения возникновения автоколебательных и резонансных процессов, является частотный диапазон 6 — 25 Гц. К отрицательным аспектам данного положения можно отнести то, что в указанном диапазоне упругие (сейсмические) колебания в виде головных преломленных, поверхностных, обменных волн могут распространяться в пределах земной коры на очень значительные расстояния. Положительным аспектом является то, что указанный диапазон не «соприкасается» с промышленной частотой сетевого напряжения. Позитивность здесь I заключается в том, что на урбанизированных территориях, каковой, несомненно, является территория расположения обследуемого объекта, чрезвычайно высок уровень электромеханических шумов (50 Гц), излучаемых множеством самых разнообразных электромеханических установок промышленного и бытово-8 го назначения. Дополнительным подтверждением тому служит пример спектрограммы, изображенной на рис. 5.33а, где при Бизл. = 50 Гц отклик на плоскости 3 не превышает 1700 ЕМР, а на остальных плоскостях сопоставим с ;' уровнем сигнала при пассивных наблюдениях (около 700 ЕМР).

Спектрограмма сигналов на плоскостях при Ризл = 50 Гц Спектрограмма сигналов на плоскостях при Ризл. = 51 Гц

Г Т <ГЦ

Спектрофамма сигналов на плоскостях при Ризл.= 52 Гц Спектрограмма сигналов на плоскостях при Ризл. = 53 Гц иоо

Спектрофамма сигналов на плоскостях при Ризл.= 54 Гц Спектрофамма сигналов на плоскостях при Ризл.= 55 Гц

1200 т «"10 т «"Ч> измерениях (Ризл = 50.55 Гц)

Спектрограмма сигналов на плоскостях при Гизл.= 44 Гц Спектрограмма сигналов на плоскостях при Гизл. = 46 Гц

Г СИ' 1= (ГЦ)

Спектрофамма сигналов на плоскостях при Гизл.= 46 Гц Спектрофамма сигналов на плоскостях при Гизл.= 47 Гц С 8

1000

1 плоскость

2 плоскость

3 ПЛОСКОСТЬ ♦ плоскость в

4А

10 20 30 40 50 60 О

30 эо <0 ¡о г си;.

Спектрофамма сигналов на плоскостях при Гизл.= 48 Гц Спектрофамма сигналов на плоскостях при Гизл.= 49 Гц

8 0-а

-с е 3

1 плоскость 2плоскость 3 плоскость д е й

30 т ПО

60 о

X <0 г ГЦ)

2. Наиболее нежелательной частотой, с точки зрения воздействия на конструкцию, является частота 24 Гц, на которой возникают максимальные смещения всех четырех плоскостей пирамиды (рис. 5.28а), достигающие 24 мкм на плоскости 1. Однако данное смещение не является критическим ни для зданий, ни для сооружений и их конструкций.

3. В процессе активных измерений выявлено, что отклик максимальной амплитуды возникает на плоскости 2 при Гизл. = 44 Гц (спектрограмма на рис. 5.34а) и достигает величины 4400 ЕРС. Отклики на остальных плоскостях при данной частоте воздействия также достаточно велики и находятся в пределах 2000. .3000 ЕРС. Это означает следующее: хотя смещения на данной частоте не являются пиковыми (рис. 5.28а), тем не менее, следует избегать воздействия на конструкцию частоты 44 ± 1 Гц.

4. Стыковочные ребра пирамиды не обладают значительной восприимчивостью к внешним упругим воздействиям ни в виде акустических излучений, ни в виде механических колебаний и, как отмечалось выше, являются лишь передаточным звеном в цепи распространения упругих колебаний. Pix резонансные отклики на различные частоты воздействия в среднем ниже в 2 — 5 раз, чем аналогичные отклики на плоскостях.

Заключение

Прежде всего, необходимо сказать, что проведенные в работе исследования как отдельных элементов, так и законченных структур различных сейсмо-регистрирующих систем явились основой новых конструкторских разработок, реализация которых, в конечном итоге, позволила решить стоящие перед автором задачи и цели. Итоги исследований можно резюмировать в следующих пунктах.

1. Рассмотрены теоретические основы и принципы построения аналого-цифровых преобразователей, реализующие практически все известные методы, применяющиеся в современной сейсморегистрирующей аппаратуре: импульс-но-кодовая модуляция, дифференциальная импульсно-кодовая модуляция, дельта-модуляция, сигма-дельта-модуляция, адаптивная дельта-модуляция. Проанализированы возможности классических методов и устройств аналого-цифрового преобразования, варианты их комбинированного использования для решения задач улучшения параметров сейсморегистрирующего канала.

2. На основе наиболее перспективных методов аналого-цифрового преобразования квазигармонических сейсмических сигналов — дельта-модуляция, сигма-дельта-модуляция и адаптивная дельта-модуляция - осуществлены теоретические расчеты и экспериментальные моделирования, воплощенные в серию конструкторских разработок аналого-цифровых преобразователей, обеспечивающих мультиканальность сейсморегистрирующих систем как с аналоговыми, так и с цифровыми схемами построения интеграторов, расширение мгновенного динамического диапазона при относительно невысокой частоте дискретизации (снижение плотности потока данных на выходе АЦП), достижение высокой точности преобразования при использовании совокупности двух факторов: относительно длительное удержание на конденсаторе устройства выборки-хранения стабильного потенциала и скоростная обработка данной аналоговой выборки с помощью ДМ.

3. С целью решения задачи снижения плотности потока данных на выходе сейсморегистрирующего канала обоснован и практически реализован в приборе новый способ преобразования аналоговых сигналов в цифровой вид. Способ основан на комбинации двух классических приемов преобразования — ИКМ и ДИКМ. Дополнение классической ИКМ элементами дифференциального преобразования позволило сконструировать устройство, позволяющее: во-первых, как минимум на 25% снизить плотность потока данных на выходе АЦП; вовторых, уже при 8-12 разрядах обеспечивается качество преобразования, соответствующее 14 - 16-разрядному преобразованию при обычной ИКМ.

4. Как отмечалось в работе, чрезвычайно актуален вопрос снижения плотности цифрового потока данных для области мониторинговых сейсмических исследований. Поскольку сейсмический мониторинг можно условно разделить на два этапа: предварительный и детальный сейсмический мониторинг, каждый из которых специфичен и имеет определенные цели и задачи, то возникла мысль о неформальном разделении этих двух этапов с точки зрения методической и аппаратурной реализации. Была сформулирована задача первого этапа сейсмического мониторинга: выявить временное распределение энергии сейсмического волнового поля в пределах некоторой исследуемой площади. Если данный участок с точки зрения сейсмики не является активным, переходить к изучению следующего участка. Напротив, только при обнаружении сейсмической активности в пределах участка переходить к дорогостоящим детальным сейсмическим исследованиям. Таким образом, с целью решения задач первого этапа был разработан новый простой и эффективный способ оперативного сейсмического мониторинга и аппаратура, обеспечивающая его практическую реализацию.

Способ позволяет оперативно оценивать динамику изменения сейсмического поля в точке наблюдения. Для реализации функции оперативности и значительного увеличения времени непрерывной регистрации в алгоритм сейсмического мониторинга введен новый элемент - вычисление энергии сейсмических волн по измеренной компоненте смещений с последующей регистрацией результата вычисления в точке измерения за некоторый, заранее установленный интервал времени (временное окно), выбираемый в зависимости от полосы частот регистрируемых сигналов и длительности затухания сейсмической волны до фонового уровня при импульсном воздействии. При площадных наблюдениях полученные энергетические уровни сводятся в единую динамическую карту вариаций распределения сейсмической энергии соответствующей компоненты по площади исследования.

Решение данной задачи в ряде случаев прикладного использования позволяет повысить оперативность принятия решения при возникновении экстремальных ситуаций (резкое возрастание сейсмической активности).

5. Новый способ оперативного сейсмического мониторинга реализован с помощью разработанного универсального регистратора сейсмических сигналов, который, во-первых, может работать как в автономном режиме, так и в стационаре; во-вторых, способен как производить регистрацию реальных сейсмических сигналов, так и осуществлять вычисление энергии сейсмических волн и сохранять результат вычисления в точке наблюдения. Последняя функция является аппаратурной реализацией нового способа оперативного сейсмического мониторинга. Аналого-цифровой преобразователь регистратора выполнен на базе разработанных автором способа и устройства преобразования аналоговых сигналов, что обеспечило качественное мгновенное преобразование входных сейсмических сигналов в диапазоне порядка 92 дБ (15 - 16 разрядов при традиционной импульсно-кодовой модуляции) и одновременно позволило снизить поток выходной информации не менее, чем на 25%.

6. Еще одной, весьма немаловажной проблемой при регистрации сейсмических сигналов является проблема смещения нулевой линии сейсмической трассы. При возникновении искажения данного типа в канале сейсмостанции с синхронным накоплением (суммированием) входных сигналов возможна такая ситуация, когда суммирование с одноименным знаком информации «полезный сигнал + смещение» приведет к полной потере сейсмических данных. В связи с этим был разработан алгоритм оперативной цифровой коррекции смещения нуля в сейсморегистрирующем канале станции, что позволило значительно снизить влияние или полностью устранить температурный дрейф нуля АЕТ, смещение нуля 11см

Разработанный алгоритм был встроен как неотъемлемая часть программного обеспечения компактной, моноблочной сейсмической станции с гибкой архитектурой мультиконтроллерной системы управления и обработки. Станция позволяет осуществлять многократные синхронные суммирования входных сейсмических сигналов со знаком «+» или «-». Гибкость архитектуры подразумевает несложные программные модификации, позволяющие менять целый ряд технических параметров аппаратуры.

В результате выполненных теоретических исследований, компьютерного моделирования и расчетов, экспериментальных разработок, а также лабораторных и полевых испытаний были созданы действующие образцы сейсморегист-рирующей аппаратуры, обеспечившие реализацию как нового способа преобразования аналоговых сейсмических сигналов в цифровой эквивалент, так и нового способа оперативного сейсмического мониторинга. Последнее, по мнению автора, является интересным и перспективным направлением, несомненно, требующим продолжения исследований, как в теоретическом аспекте, так и в плане новых конструкторских разработок.

277

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Сенин, Лев Николаевич, Екатеринбург

1. Антонова Л. В. Изучение поля динамических характеристик сейсмических колебаний. Сб. Экспериментальная сейсмология. М: Наука, 1971. С. 107 -112.

2. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М: Высшая школа, 1988.448 с.

3. Берсенев Г. П., Сенин Л. Н., Меньшиков П. В. Производство взрывных работ в строительстве и в карьерах промстройматериалов в стесненных условиях. Новый Уральский строитель №11. Екатеринбург: Союз строителей Урала, 2005. С. 63-65.

4. Берсенев Г. П., Сенин Л. Н., Меньшиков П. В. Взрывные работы в стесненных условиях. Сборник «Взрывное дело» № 97/54. М: МВК по ВД при ATM. 2007.

5. Бриндли К. Электронные контрольно-измерительные приборы. /Перевод с англ./. М: Энергоатомиздат, 1989.

6. Буданов Н. Д. Гидрогеология Урала. М: Наука, 1964. 289 с.

7. Васильев В. И., Гусев Ю. М. Электронные промышленные устройства. М., Высшая школа, 1988. 303 с.

8. Венедиктов М. Д. и др. Дельта-модуляция: теория и применение. М: Связь, 1976. 272 с.

9. Волович Г. И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. М: ДОДЭКА, 2005. 528 с.

10. Ю.Горошков Б. И. Элементы радиоэлектронных устройств. М., Радио и связь, 1989. 178 с.

11. Дворецкий И. М., Дриацкий И. Н. Цифровая передача сигналов звукового вещания. М: Радио и связь, 1987. 191 с.

12. Иноси X. и др. Новый метод модуляции, позволяющий упростить схемы. М: Электроника, т. 36, №4, 1963. С. 26 32.

13. Котович Г. Н., Ламекин В. Ф. Проектирование дельта преобразователей речевых сигналов. М: Радио и связь, 1986. 192 с.

14. М.Менцис А. Я. и др. Анализ цепи инерционного компандирования с дискретным вычислителем в схеме формирования сигнала управления шагом квантования. В кн. Радиоэлектроника и электросвязь. Вып. 8. Рига, РПИ, 1981. С. 87.

15. Николаев А. В. Сейсмический метод изучения вариаций поля скоростей упругих волн. М: Известия АН СССР, Физика Земли №5, 1970. С. 103 — 111.16.0стапенко Г. С. Усилительные устройства. М: Радио и связь, 1989. С. 328-335.

16. Палагин В. В., Попов А. Я., Дик П. И. Сейсморазведка малых глубин. М: Недра, 1989. 186 с.

17. Пилипчук Н. И., Яковлев В. П. Адаптивная импульсно-кодовая модуляция. М: Радио и связь, 1986. 295 с.

18. Погрибной В. А. Дельта-модуляция в цифровой обработке сигналов. М: Радио и связь, 1990. 217 с.

19. Полонников Д. Е. Операционные усилители: принципы построения, теория, схемотехника. М: Энергоатомиздат, 1983. 216 с.21 .Полшков М. К. Теория аналоговой и цифровой сейсморазведочной аппаратуры. М: Недра, 1973. 272 с.

20. Прагер Э. и др. Цифровая техника в связи. М: Радио и связь, 1981.280 с.

21. Саваренский Е. Ф., Кирнос Д. П. Элементы сейсмологии и сейсмометрии. М: Гос. Издат. технико-теоретической литературы, 1955. 543 с.

22. Сейсмический мониторинг земной коры. Сборник трудов под ред. Николаева А. В. М: ИФЗ АЛ СССР, 1986. 290 с.

23. Сейсмические события уральского региона за 1914 2002 г.г. М: ЦСГНЭО РАО «ЕЭС РОССИИ», 2002. С. 63 - 68.

24. Сейсмоприемник низкочастотный трехкомпонентный СК-1П. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЫД 3.250.001 ТО. Мин. Гео. СССР, НПО ГЕОФИЗИКА, завод «Казгеофизприбор», 1977. С. 1 11.

25. Сенин Л. Н. Кодирующее устройство для отметки момента возбуждения сейсмических колебаний. Авт. свидетельство СССР №1190761. Приоритет 04.05.84 г. Зарегистрировано 08.07.85 г.

26. Сенин Л. Н. Устройство для регистрации сейсмических сигналов. Авт. Свид. СССР №1681288. Приоритет 27.06.89. Зарегистрировано 01.06.91

27. Сенин Л.Н. Исследование принципов дельта-модуляции и создание на их основе аналого-цифровых преобразователей сейсморегистрирующей аппаратуры. Автореферат кандидатской диссертации. Екатеринбург: УрО РАН, 1994. 19 с.

28. Сенин Л.Н. Использование дельта-модуляции для аналого-цифрового преобразования сейсмического сигнала. Геофизическая аппаратура, вып.96. СПб: Недра, 1992. С. 102-107.

29. Сенин Л.Н. Компандерный аналого-цифровой преобразователь с использованием дельта-модуляции для регистрации сейсмических сигналов. Сейсмические приборы, вып.23. М.: Наука, 1993.

30. Сенин Л.Н. Дельта-сигма модулятор с цифровым интегратором — АЦП сейсморегистрирующей аппаратуры. Геофизическая аппаратура, вып.99. С-Пб: Недра, 1994, с. 91-105.

31. Сенин Л. Н. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь для сейсмических исследований с использованием дельта-модуляции. Патент РФ №2044330. Приоритет 12.05.92. Зарегистрирован 20.09.95.

32. Сенин Л. Н. Устройство преобразования аналоговых сигналов. Патент РФ №2201032. Приоритет 04.08.2000. Зарегистрирован 20.03.2003

33. Сенин JI. Н. Сейсморегистрирующий канал. Екатеринбург: УрО РАН, 2004. 188 с.

34. Сенин Л.Н., Никитин С.Н., Захаров И.Б. Высокоинформативный аналого-цифровой преобразователь с использованием дельта-модуляции для сейсмических исследований. Патент РФ №2128880. Приоритет 13.05.97. Зарегистрирован 10.04.99.

35. Сенин Л. Н., Никитин С. Н. Адаптивный преобразователь аналоговых сигналов. Приборы и техника эксперимента № 4. М: Наука, 1998. С. 78-81.

36. Сенин Л. Н., Никитин С. Н. Способ и устройство преобразования аналоговых сигналов. Патент РФ №2131167. Приоритет 10.06.97. Зарегистрирован 27.05.99.

37. Сенин Л. Н., Сенина Т. Е. «Дельта-М» регистратор низкочастотных сейсмических сигналов с использованием АЦП на базе 3-канального дельта-модулятора с цифровым интегратором. Геофизическая аппаратура, вып. 101. СПб: Недра, 1998. С. 93 - 103.

38. Сенин Л. Н., Сенина Т. Е. Переносные сейсмические станции «Синус». Уральский геофизический вестник № 9. Екатеринбург: УрО РАН, 2006. С. 57 -62.

39. Сенин Л. Н., Сенина Т. Е. Регистратор сейсмических сигналов. Практика приборостроения №4. Екатеринбург: «Иридиа-пресс», 2003. С. 8 12.

40. Сенин JI. Н., Сенина Т. Е. Сейсмическая станция «Синус». Приборы и техника эксперимента № 5. М: Наука, 2005. С. 163 164.

41. Сенин Л. Н., Сенина Т. Е. Накопительная сейсмическая станция с цифровой коррекцией смещения нуля. Патент РФ №2248592. Приоритет 26.05.2003. Зарегистрирован 20.03.2005.

42. Сенин Л. Н., Сенина Т. Е. Регистратор сейсмических сигналов. Некоторые рекомендации для разработчиков. Уральский геофизический вестник № 7. Екатеринбург: УрО РАН, 2005. С. 105 109.

43. Сенин Л. Н., Сенина Т. Е. Регистратор сейсмических сигналов «Регистр». Приборы и техника эксперимента № 6. М: Наука, 2005. С. 141-142.

44. Сенин Л. Н., Сенина Т. Е. Полевой накопитель сейсмической информации. Уральский геофизический вестник №2. Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 2001. С. 72 76.

45. Сенин Л. Н. Цифровой канал связи телеметрической сейсморегистри-рующей аппаратуры. Патент РФ №2189058. Приоритет 18.12.2000. Зарегистрирован 10.09.2002.

46. Сенин Л. Н., Сенина Т. Е. Дисплей с внешним динамическим управлением в переносной сейсмической станции. Промышленные АСУ и контроллеры № 6. М: Научтехлитиздат, 2007. С. 42-46.

47. Сенин Л. Н. Измерительные приборы для сейсмических исследований. Материалы международной конференции «Геофизические исследования Урала и сопредельных регионов». Екатеринбург: УрО РАН, 2008. С. 135 — 137.

48. Сиберт У. М. Цепи, сигналы, системы. /Перевод с англ. В 2-х частях/. Часть 1. М: Мир, 1988. 336 с.

49. Слуцковский А. И. Сейсморазведочная аппаратура. М: Недра, 1970.343 с.

50. Солодовник В., Чебан М. Стабильный терморегулятор. М: Радио №2. 2002. С. 33.

51. Справочник // Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. М: ДОДЭКА, 1996. 384 с.

52. Справочник в двух частях // Логические ИС КР1533, КР1554. М: ТОО «БИНОМ», 1993.

53. Стил. Р. Принципы дельта-модуляции. /Перевод с англ./. М: Связь, 1979. 364 с.

54. Турлов П. А., Ямпольский А. М., Голынтейн В. Л. Эксплуатация цифровых сейсморазведочных станций «Прогресс». М: Недра, 1986.

55. Уткин В. И., Сенин Л. Н., Сенина Т. Е. Полевая аппаратура и способ сейсмического мониторинга. Патент РФ №2265867. Приоритет 29.12.2003. Зарегистрирован 14.06.2005.

56. Федорков Б. Г., Телец В. А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. М: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

57. Фолкенберри Л. Применения операционных усилителей и линейных ИС. /Перевод с англ./. М: Мир, 1985. 572 с.

58. Харатишвили Н. Г. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция. М: Радио и связь, 1982. 136 с.

59. Хемминг Р. В. Цифровые фильтры. /Пер. с англ. Лисина В. Н. под ред. Потапова О. А./. М: Недра, 1987. 221 с.

60. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. /Перевод с англ. в 3-х томах/. Том 1. М: Мир, 1993. 416 с.бб.Чип-конденсаторы керамические. Справочный листок на сайте http://www.platan.ru

61. ЩербинаВ. Цифровые магнитофоны. М: Радио и связь, 1986. 55 с.

62. Щербина В. Цифровая звукозапись. М: Радио и связь, 1989. 74 с.

63. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки. // Справочник под ред. Кучинского Г. С. // М: Энергоатомиздат, 1987. 656 с.

64. AD7392/AD7393. +3V, Parallel Input Micropower 10- and 12- Bit DACs // REV. A. Analog Devices, Inc., 1999. 11 p.p.

65. AT45DB161D. 16-megabit 2,5 volt or 2,7 volt DataFlash. ATMEL, 3500C -DFLASH-01/06. 52 p.p.

66. Atmega 8515. 8-bit AYR microcontroller with 8 K Bytes In-System Programmable Flash. ATMEL, Rev. 2512F AVR- 12/03. 249 p.p.

67. Cutler G. C. Differential quantization of communication signals. US Patent №2605361. 1952.

68. DS 12887. Real time clock. Data sheet. Dallas Semiconductor Corp., 1995. 17 p.p.

69. EL320.240.36. ICEBrite Quarter-VGA. Small Graphics Display. Operations Manual. Planar Systems, Inc. 1997. 15 p.p.

70. FT232BM. USB UART (USB-Serial) I.C. FTDI Chip, Future Technology Devices Intl. LTD. 2004. 25 p.p.

71. Low cost, low power instrumentation amplifier AD620. Data sheet, Rev. D. Analog Devices Inc., 1999. 11 p.p.

72. McSeis-SX24. Portable 24 channel seismograph. Specification. http://www.oyo.co.ip81.0P177. Ultraprecision Operational Amplifier // REV. B. Analog Devices, Inc., 1995. 12 p.p.

73. Pohlmann K. Principles of digital audio, 3-rd ed. 1-bit converters. McGrow-Hill, 1995. http://www.cs.tut.fi/rosti/l-bit/.

74. Seismic Refraction Processing Software for Windows. Instruction Manual. // WGeoSoft. Geological and Geophysical Software, ws90.doc. 2003. 54 p.p.

75. Sigma-delta ADC implementation using the SX microcontrollers. Sigma-delta ADC virtual peripheral. UBICOM, application note 2, 2000. http://www.ubicom.com/

76. Sigma-delta AID converters. New product applications, 1999. Winter edition. Analog Devices Inc., 1998. P.p. 3-113 3-143.

77. Shirley T. Analog-to-digital converter for seismic exploration using deltamodulation. US Patent № 4616349. 1986.

78. Terraloc Mark 6. ABEM Instrument AB1. Specification. http://www.abem.se

79. WG230.240A-FFK-TZ. Specification. Winstar Display Co., LTD. 2001.14p.p.