АВТОНОМНЫЙ ЦИФРОВОЙ СЕЙСМОМЕТР
SELF-CONTAINED DIGITAL SEISMOMETER

Изобретение относится к сейсмологии, а точнее, к аппаратуре для сейсмических исследований и может быть использовано при создании систем регистрации сейсмических данных.
Известен сейсмометр, содержащий последовательно соединенные сейсмопреобразователь и аналого-цифровой преобразователь, а также блок памяти, контроллер управления, который имеет программу, заключенную в нем, обеспечивающую прием данных с аналого-цифрового преобразователя, запись данных в блок памяти [1].
Недостатком известного устройства является то, что привязка собираемых им данных к астрономическому времени возможна лишь только фиксацией начального момента запуска устройства, т.к. оно не имеет средств для синхронизации с астрономическим временем. При достаточно большом времени (несколько суток или месяцев) непрерывного сбора данных в автономном режиме отклонение внутренних часов устройства от астрономического времени может достигать минут, что совершенно недопустимо при сейсмологических наблюдениях.
Известен также автономный цифровой сейсмометр, содержащий последовательно соединенные сейсмопреобразователь и аналого-цифровой преобразователь, а также блок энергонезависимой памяти, канал передачи данных, формирователь сигналов астрономического времени, контроллер управления, вход данных которого соединен с выходом данных аналого-цифрового преобразователя, выход записи-чтения данных и выход управления памятью соединены с входом-выходом и управляющим входом соответственно блока энергонезависимой памяти, а выход передачи данных соединен с входом канала передачи данных, выход которого является выходом сейсмометра, причем контроллер управления имеет программу, заключенную в нем, обеспечивающую прием данных с аналого-цифрового преобразователя, запись и чтение данных из блока энергонезависимой памяти и передачу данных через канал передачи данных на выход устройства [2].
Недостатком известного технического решения является сложность привязки сейсмических данных к астрономическому времени, т.к., хотя импульс секундной метки приемника глобального позиционирования, который может выполнять функции формирователя сигналов астрономического времени, сам по себе точно синхронизирован с астрономическим временем, но различить, к какой секунде какой из импульсов относится, затруднительно, не имея сообщения приемника об этом. Зафиксировать же в полевых условиях точную секунду астрономического времени начала регистрации данных сейсмометром сложно или для этого нужно иметь дополнительные специальные средства.
Наиболее близким техническим решением к настоящему изобретению, принятым за прототип, является автономный цифровой сейсмометр, содержащий последовательно соединенные сейсмопреобразователь и аналого-цифровой преобразователь, а также канал передачи данных, формирователь сигналов астрономического времени, тактовый генератор, контроллер управления, вход данных которого соединен с выходом данных аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход соединен с выходом тактового генератора, вход метки времени соединен с первым выходом формирователя сигналов астрономического времени, а выход передачи данных соединен с входом канала передачи данных, выход которого является выходом сейсмометра, причем контроллер управления имеет программу, заключенную в нем, обеспечивающую одновременный прием данных с аналого-цифрового преобразователя и формирователя сигналов астрономического времени, запись и чтение данных из блока энергонезависимой памяти и передачу данных через канал передачи данных на выход устройства [3].
К недостаткам известного технического решения можно отнести то, что синхронизация сейсмических данных с астрономическим временем обеспечивается с точностью до периода выборки аналого-цифрового преобразователя, т.к. моменты выборки никак не связаны с астрономическим временем. В результате установить, в какой момент между выборками поступил передний фронт сигнала астрономического времени, невозможно. Уменьшение этого периода выборки для увеличения точности временной синхронизации приводит к увеличению шумов аналого-цифрового преобразователя, т.е. снижению динамического диапазона сигналов сейсмопреобразователя.
Целью изобретения является повышение точности синхронизации сейсмических данных с астрономическим временем.
Поставленная цель достигается тем, что автономный цифровой сейсмометр, содержащий последовательно соединенные сейсмопреобразователь и аналого-цифровой преобразователь, а также канал передачи данных, формирователь сигналов астрономического времени, тактовый генератор, контроллер управления, вход данных которого соединен с выходом данных аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход соединен с выходом тактового генератора, вход метки времени соединен с первым выходом формирователя сигналов астрономического времени, а выход передачи данных соединен с входом канала передачи данных, выход которого является выходом сейсмометра, причем контроллер управления имеет программу, заключенную в нем, обеспечивающую одновременный прием данных с аналого-цифрового преобразователя и формирователя сигналов астрономического времени, запись и чтение данных из блока энергонезависимой памяти и передачу данных через канал передачи данных на выход устройства, дополнительно содержит блок синхронизации, выход которого соединен с входом синхронизации аналого-цифрового преобразователя, выход готовности данных которого соединен с входом разрешения приема данных контроллера управления и входом запрета синхронизации блока синхронизации, тактовый вход которого соединен с выходом тактового генератора, а вход метки времени соединен со вторым выходом формирователя сигналов астрономического времени.
Кроме того, блок синхронизации состоит из счетчика, одновибратора и триггера-защелки, вход разрешения защелкивания и выход которого являются соответственно входом запрета синхронизации и выходом блока синхронизации, а вход данных соединен с выходом счетчика, тактовый вход которого является тактовым входом блока синхронизации, а вход сброса соединен с выходом одновибратора, вход которого является входом метки времени блока синхронизации.
Совокупность существенных признаков предложенного устройства: «блок синхронизации, выход которого соединен с входом синхронизации аналого-цифрового преобразователя, тактовый вход соединен с выходом тактового генератора, а вход метки времени соединен со вторым выходом формирователя сигналов астрономического времени» - обеспечивает повышение точности синхронизации сейсмических данных с астрономическим временем. Это достигается за счет того, что цикл выборки данных перезапускается блоком синхронизации каждый раз по переднему фронту периодических сигналов астрономического времени. В результате момент оцифровки жестко связывается с приходом сигналов астрономического времени. За время между ними циклы выборки формируются обычным путем - делением частоты тактового генератора.
Существенные признаки данного технического решения: «выход готовности данных аналого-цифрового преобразователя соединен с входом разрешения приема данных контроллера управления и входом запрета синхронизации блока синхронизации» - необходимы для обеспечения согласованной работы блока синхронизации и аналого-цифрового преобразователя. Обычно во время преобразования на аналого-цифровые преобразователи не допускается подача сигнала запуска оцифровки. С другой стороны, из-за отклонения частоты тактового генератора от номинала неизвестно, когда поступит сигнал астрономического времени. Он может поступить и во время преобразования. В этом случае блок синхронизации обеспечивает формирование сигнала запуска преобразования по окончании запрещающего сигнала от аналого-цифрового преобразователя.
Совокупность дополнительных существенных признаков предложенного устройства: «блок синхронизации состоит из счетчика, одновибратора и триггера-защелки, вход разрешения защелкивания и выход которого являются соответственно входом запрета синхронизации и выходом блока синхронизации, а вход данных соединен с выходом счетчика, тактовый вход которого является тактовым входом блока синхронизации, а вход сброса соединен с выходом одновибратора, вход которого является входом метки времени блока синхронизации» - показывает пример реализации блока синхронизации сейсмометра.
На фиг.1 представлена блок-схема автономного цифрового сейсмометра, на фиг.2 - схема блока синхронизации, на фиг.3 и 4 - временные диаграммы работы устройства.
Автономный цифровой сейсмометр содержит сейсмопреобразователь 1, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 2, контроллер 3 управления, тактовый генератор 4, формирователь 5 сигналов астрономического времени, канал 6 передачи данных, блок 7 синхронизации. Сейсмопреобразователь 1 обычно состоит из сейсмического датчика 8 и блока 9 фильтрации, но наличие последнего не обязательно. В качестве формирователя 5 сигналов астрономического времени может быть использована известная схема, состоящая из приемника 10 глобального позиционирования, блока 11 согласования логических уровней и формирователя 12 минутной метки. Формирователь 5 сигналов астрономического времени на первом выходе выдает импульс, передний фронт которого совпадает с началом первой секунды каждой минуты. В качестве второго выхода формирователя 5 используется выход секундной метки приемника 10. На втором выходе формирователя 5 импульсы выдаются каждую секунду, а их передние фронты совпадают с началом секунд.
Программа, заключенная в контроллере 3, обеспечивает управление работой АЦП 2, прием данных с него и с формирователя сигналов астрономического времени с частотой, кратной частоте тактового генератора 4, а также передачу данных на выход устройства через канал 6 передачи данных.
Блок 7 синхронизации может состоять из счетчика 13, триггера-защелки 14 и одновибратора 15. Тактовый вход счетчика 13 является тактовым входом 16 блока 7, вход одновибратора 15 является входом 17 метки времени блока 7 синхронизации, а вход разрешения защелкивания и выход триггера-защелки 14 являются соответственно входом 18 запрета синхронизации и выходом 19 блока 7. Элементы блока 7 могут представлять собой серийно выпускаемые отечественные микросхемы 555ИЕ7 (счетчик 13), 555ТМ5 (триггер-защелка 14), 555АГ3 (одновибратор 15) или их зарубежные аналоги. Кроме того, блок 7 синхронизации может быть реализован и любым другим способом, например на основе микроконтроллера.
Устройство работает следующим образом.
Приемник 10 глобального позиционирования на выходе PPS каждую секунду вырабатывает импульс, передний фронт которого совпадает с началом секунды астрономического времени [4]. Одновременно на выходе RS-232 приемника 10 каждый импульс сопровождается последовательным кодом, содержащим информацию о его времени. Блок 11 согласования логических уровней преобразует уровни электрических сигналов, соответствующих стандарту RS-232 в стандартные логические уровни микросхем, например ТТЛ. Формирователь 12 минутной метки по данным приемника 10 выдает на своем первом выходе импульсы, передний фронт которых совпадает с началом первой секунды каждой минуты астрономического времени, а на втором выходе - импульсы, передний фронт которых совпадает с каждой секунды астрономического времени.
Сейсмический датчик 8 устанавливается в грунт. Он преобразует параметры колебания грунта (смещение, скорость или ускорение в зависимости от типа датчика) в электрический аналоговый сигнал. При необходимости этот сигнал поступает на блок 9 фильтрации, где отфильтровываются его частотные составляющие, выходящие за рабочую полосу частот датчика 8. Далее аналоговый сигнал поступает в АЦП 2, где происходит его оцифровка, процесс которой синхронизируется блоком 7 синхронизации.
n
дел
При отсутствии положительного перепада напряжения (из «0» в «1») на входе 17 метки времени блока 7 последний делит частоту тактового генератора 4 в 2 раз, где n - номер разряда счетчика 13. Номер разряда выбирается таким образом, чтобы на выходе 20 счетчика 13 формировались импульсы с периодом Т, соответствующим периоду выборки АЦП 2.
пр
Начало каждого преобразования аналогового сигнала начинается по отрицательному фронту этих импульсов (переключение из «1» в «0» выхода 20 счетчика 13). Получив указанный фронт на своем входе синхронизации, АЦП 2 начинает преобразование и одновременно сбрасывает в «0» выход готовности данных. Он остается в этом состоянии на время t, пока не закончится преобразование и данные не станут доступными для чтения контроллером 3. Пока идет преобразование АЦП 2, подавать на него сигнал синхронизации не допускается. Низкий уровень с выхода готовности данных АЦП 2 поступает на вход 18 запрета синхронизации блока 7, т.е. на вход разрешения защелкивания триггера-защелки 14. На выходе триггера-защелки 14, а значит, и на выходе 19 блока 7 синхронизации зафиксируется низкий уровень напряжения, который поступал на его вход данных с выхода 20 счетчика 13 в момент защелкивания. Этот уровень на выходе 19 не изменится, пока идет преобразование АЦП 2, независимо от изменений напряжения на выходе 20 счетчика 13.
n
n
По окончании преобразования АЦП 2 изменяет на выходе готовности данных уровень с низкого на высокий. Получив этот сигнал, триггер-защелка 14 выходит из режима защелкивания, и на выход 19 блока 7 начинает проходить напряжение с выхода 20 счетчика 13. Контроллер 3 принимает данные с АЦП 2 и одновременно уровень сигнала на входе метки времени и передает их на выход сейсмометра через канал 6 передачи данных. Когда счетчик 13 досчитает 2 импульсов с тактового генератора 4, он переполнится и все его разряды, в том числе и Q, обнулятся. На выходе 20 счетчика 13 возникает отрицательный перепад напряжения, который через открытый триггер-защелку 14 проходит на выход 19 блока 7 синхронизации. Тем самым запускается новый цикл оцифровки данных.
дел
В начале каждой астрономической секунды формирователь 5 подает на вход 17 метки времени блока 7 положительный перепад напряжения, по которому одновибратор 15 формирует на своем выходе 21 короткий импульс отрицательной полярности, сбрасывающий счетчик 13. В результате счетчик 13 начнет формировать новый цикл Т деления частоты тактового генератора 4 с момента появления переднего фронта сигнала метки времени. Таким образом, время ближайшего и всех последующих моментов оцифровки аналоговых данных может быть определено относительно начала сигнала метки времени.
m
дел
m
дел
Высокий уровень метки времени удерживается в течение нескольких периодов оцифровки данных. Каждый раз, принимая сейсмические данные из АЦП 2, контроллер 3 фиксирует и соответствующее им состояние на своем входе метки времени. Первые данные, принятые от АЦП 2, соответствующие логическому уровню метки времени «1», оцифрованы в момент t+Т, где t - астрономическое время начала минуты. Моменты оцифровки всех последующих данных отличаются на величину Т. Определить минуту, на которой был включен сейсмометр, несложно даже в полевых условиях.
дел
свд
свд
-4
Обычно частота оцифровки используется такой, что в секунде укладывается целое количество периодов Т. В таком случае начало следующей метки времени должно совпасть с началом периода деления. Но из-за отклонений частоты генератора 4 от номинала, а также влияния внешних факторов в реальности этого не происходит. Относительная погрешность периода сигнала генератора 4 на самом плохом кварцевом резонаторе не превышает 10, т.е. за 1 с ошибка определения времени оцифровки не может составить более t=100 мкс. Каждая новая метка времени производит сдвиг начала периода оцифровки в ту или иную сторону на величину t, обеспечивая тем самым подстройку моментов оцифровки под астрономическое время.
дел
Если начало метки времени поступает в момент, когда АЦП 2 находится в режиме преобразования (фиг.3), то на выходе счетчика 13 может возникнуть отрицательный перепад напряжения. Защелкнутый на время преобразования триггер-защелка 14 не пропустит этот перепад на выход 19 блока 7, обеспечивая тем самым корректную работу АЦП 2. Сигнал, запускающий преобразование, АЦП 2 получит через время Т после прихода фронта метки времени.
Если же передний фронт метки поступает, когда АЦП 2 готово к выдаче данных (фиг.4), то отрицательный фронт, возникающий на выходе 20 счетчика 13 при его сбросе, через открытый триггер-защелку 14 проходит на вход синхронизации АЦП 2. Последний немедленно приступает к преобразованию имеющегося на его входе аналогового сигнала.
Высокая точность синхронизации сейсмических данных с астрономическим временем необходима для функционирования мобильных сетей наблюдения из автономных сейсмометров, имеющих своей целью построение скоростных моделей строения земной коры и мантии и определение местоположения эпицентра источников сейсмических колебаний. Сейсмометры располагаются на расстояниях в десятки и сотни километров друг от друга и фиксируют колебания земной поверхности по трем координатам. Анализ и сопоставление сейсмограмм со всех сейсмометров сети позволяет проследить направление и скорость прохождения волнового фронта, а также затухание волны. Для сопоставления сейсмограмм, полученных от разных сейсмометров, и требуется их возможно более точная синхронизация. В предложенном устройстве моменты оцифровки данных синхронизируются фронтами секундных меток, вырабатываемых приемниками глобального позиционирования. Эти метки поступают на все сейсмометры сети, где бы они ни находились, одновременно с точностью до 1 мкс, обеспечивая расхождение между «одновременными» отсчетами разных сейсмометров, как было показано выше, не более 100 мкс.
Предложенное устройство было разработано для проведения прецизионных сейсмологических измерений в рамках реализации проекта РФФИ 09-05-12023-офи_м «Инициирование и накопление деформаций в блочной геофизической среде в результате электромагнитных и механических воздействий 2009-2010» и использовалось при регистрации карьерных взрывов на территории центральной и северо-западной частей России. Проведенные работы подтвердили достижение в предложенной совокупности существенных признаков поставленной цели изобретения.
Список литературы
1. Патент РФ №2265867, МПК G01V 1/00, от 29.12.2003 г.
2. Патент РФ №2323455, МПК G01V 1/00, от 22.04.2003 г., фиг.1А.
3. Патент РФ по заявке №2009101905/28, МПК G01V 1/16, от 21.01.2009 г., решение о выдаче патента от 20.04.2010 г.
4. GARMIN. GPS 25 LP series GPS sensor boards GPS25-LVC, GPS25-LVS, GPS25-HVS. Technical Specification.