АВТОНОМНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ СЕЙСМИЧЕСКИЙ РЕГИСТРАТОР

Полезная модель относится к области устройств, предназначенных для проведения сейсмической разведки и может быть использована для регистрации сейсмических данных при разработке и эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых, преимущественно, в условиях шахт, с обеспечением регистрации полноформатных записей в широком высокочастотном диапазоне.
Известен регистратор сейсмических сигналов, содержащий N сейсмоприемников, N блоков усиления, аналого-цифровой преобразователь, блок управления. Блок управления включает арифметическо-логический модуль, постоянное запоминающее устройство, блок буферной памяти, формирователь частот, блок времени, оконечный усилитель, блок управления усилением, формирователь калибровочного сигнала. Данное бескабельное устройство для регистрации сейсмических сигналов работает в трех режимах: регистрация по обнаружению сейсмического события, непрерывный режим регистрации, регистрация в заранее заданные моменты времени (патент РФ №2205428, G01V 1/24). Работа устройства осуществляется в соответствии с командами, формируемыми указанным совмещенным с регистратором блоком управления. К недостаткам известного устройства следует отнести то, что данное техническое решение не обеспечивает регистрацию сейсмических данных в высокочастотном диапазоне и не может быть использовано для обнаружения локальных объектов особо малых геометрических размеров (объемов).
Известно бескабельное устройство для регистрации сейсмических данных, содержащее блок управления и, по меньшей мере, один регистратор сейсмических сигналов (патент РФ №41376,. G01V 1/24, G01V 1/22, прототип). Указанный регистратор сейсмических сигналов включает блок управляющей логики, запоминающее устройство, а также соединенные последовательно предварительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и цифровой фильтр. При этом регистратор сейсмических сигналов дополнительно содержит высокостабильный генератор тактовой частоты и согласователь интерфейса. Выход цифрового фильтра соединен с информационным входом блока управляющей логики, управляющий выход которого шиной подключен к управляющим входам усилителя, аналого-цифрового преобразователя и цифрового фильтра, тактовый вход блока управляющей логики связан с выходом высокостабильного генератора тактовой частоты, а его первый и второй входы-выходы данных шинами соединены соответственно с запоминающим устройством и с согласователем интерфейса, другой вход-выход которого является входом-выходом устройства. При этом блок управления выполнен автономным.
Данное устройство обеспечивает проведение сейсмических исследований при длительном автономном режиме работы регистраторов, организацию системы записи и сбора сейсмических данных. Однако в данном устройстве также не обеспечена регистрация сейсмических данных в высокочастотном диапазоне, вследствие чего оно не может быть эффективно использовано для случаев, когда необходимо обнаружить и исследовать локальные объекты особо малых геометрических размеров (объемов).
Задачей полезной модели является расширение арсенала средств, предназначенных для регистрации сейсмических данных.
Техническим результатом полезной модели является создание автономного высокочастотного сейсмического регистратора, предназначенного для инженерных, геологических работ с возможностью обнаружения и исследования локальных сейсмических объектов, особо малых геометрических размеров (объемов).
Поставленная задача решается за счет того, что автономный высокочастотный сейсмический регистратор, содержащий блок управляющей логики, запоминающее устройство и соединенные последовательно предварительный усилитель, аналого-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, генератор тактовой частоты и согласователь интерфейсов, выход цифрового фильтра соединен с информационным входом блока управляющей логики, управляющий выход которого шиной подключен к управляющим входам усилителя, аналого-цифрового преобразователя и цифрового фильтра, тактовый вход блока управляющей логики связан с выходом генератора тактовой частоты, а его первый и второй входы-выходы данных шинами соединены соответственно с постоянным запоминающим устройством и с согласователем интерфейсов, согласно полезной модели, дополнительно содержит скоростное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), связанное с третьим входом-выходом блока управляющей логики, блок индикации, связанный со вторым выходом блока управляющей логики, а второй вход-выход согласователя интерфейсов связан с внешним устройством установки режимов блока управляющей логики.
При этом указанным внешним устройством установки режимов блока управляющей логики является или выносной пульт управления оператора или электронный или механический датчик удара возбуждения или скоростной канал Ethernet
На чертеже приведена структурная схема устройства согласно полезной модели.
Автономный высокочастотный сейсмический регистратор, согласно полезной модели, содержит соединенные последовательно подключенный к сейсмоприемникам (не показаны) предварительный усилитель 1, n - канальный скоростной аналого-цифровой преобразователь 2, цифровой фильтр 3. Выход цифрового фильтра 3 связан с информационным первым входом блока 4 управляющей логики, тактовый вход которого соединен с выходом генератора 5 тактовой частоты. Управляющий, первый, выход блока 4 управляющей логики соединен с управляющими входами усилителя 1, скоростного аналого-цифрового преобразователя 2 и цифрового фильтра 3. Первый, второй и третий входы-выходы блока 4 управляющей логики связаны соответственно со скоростным оперативным запоминающим устройством 6, с постоянным запоминающим устройством 7 (SD-картой) и согласователем 8 интерфейсов. Другой вход-выход согласователя 8 интерфейсов является входом-выходом устройства и через разъем 9 подключается внешнему устройству 10 установки режимов блока 4 управляющей логики. Устройство 10 установки режимов блока 4 управляющей логики включает пульт 11 управления, связанный с датчиком 12 удара возбуждения. При необходимости установки режимов блока 4 управляющей логики от удаленного компьютера (не показано) к входу устройства через разъем 9 предусмотрено подключение кабеля 13 скоростного канала Ethernet.
Второй выход блока 4 управляющей логики подключен к блоку 14 индикации.
Питание устройства осуществляется от автономных источников питания (не показаны).
Устройство может быть выполнено на следующей элементной базе. Скоростной АЦП 2 может быть построено на микросхеме AD9235BRU-20BCP.
Скоростное оперативное запоминающее устройство 6 - K6R4016V1C
ОЗУ 7 - SD-карта объемом до 32 Гбайт.
Цифровой фильтр 3 может быть выполнен на части микросхемы программируемой матрицы «Cyclone» фирмы «Altera» EP3C25E144C8N, на другой ее части собран блок 4 управляющей логики
В качестве согласователя интерфейсов 8 может быть использован контроллер Ethernet DP83848C, трансформатор HX1188NLT.
Обмен по кабелю Ethernet 13 и запись на SD-карту 7 организован с помощью микропроцессора STM32F407Z, для дешифрации команд пульта 11 используется АЦП типа AD7823.
Блок индикации 14 собран на восьми светодиодных индикаторах 5*7 точек ТА07-11CGKWA с управлением на матрице «EPM240T100I5N» фирмы «Altera». Из светодиодных индикаторов собрано поле 14*20 точек.
В качестве разъема 9 может быть использован 4-х контактный разъем СН-51-4.
Автономный высокочастотный сейсмический регистратор, согласно полезной модели, работает следующим образом.
Устройство устанавливается на исследуемой площади и подключается к источнику питания (не показано), к геофонам (не показано) и к устройству 10 установки режимов.
Работа устройства осуществляется в соответствии с командами, формируемыми блоком 4 управляющей логики, задаваемыми оператором при помощи пульта 11, или командами, поступающими по кабелю Ethernet 13 с удаленного компьютера.
6
Сигналы с геофонов (не показаны) поступают на усилитель 1, где происходит их согласование с входными уровнями скоростного АЦП 2. Усилитель 1 содержит внутри себя антиаляйсинговый фильтр ограничения полосы частот (фильтр против наложения спектров). Усилитель 1 может включать в себя также коммутатор выбора источника сигнала: с входов или с тестового генератора (не показано). Согласованный по размаху и сдвинутый по уровню сигнал поступает для преобразования на вход скоростного АЦП 2, который преобразует данные с заданной точностью, например, 12 разрядов (11 + знак) с высокой скоростью, например, 11*10 отсчетов/секунда. Поток данных с выхода скоростного АЦП 2 поступает на обработку в цифровой фильтр 3, который в зависимости от заданного набора коэффициентов производит фильтрацию по частоте, выделяя интересующий спектр сигнала, а именно его низкочастотную часть. После фильтрации производится децимация потока данных, то есть прореживание без потери качества. Например, скорость поступления отсчетов АЦП 2 составляет 11 МГц, а после фильтрации с ограничением полосы до 256 кГц и децимации, в блок 4 управляющей логики данные поступают с частотой 512 кГц. При этом, благодаря цифровой обработке и, соответственно, увеличению соотношения сигнал/шум, на выходе цифрового фильтра 3, увеличивается действующая разрядность выходных данных с 12 от АЦП 2 до 16 бит. Блок 4 управляющей логики принимает данные от цифрового фильтра 3, дополняет их служебной информацией, упаковывает в блоки (по 1024 байта) и направляет в скоростное ОЗУ 6. Блочная организация данных позволяет кроме отсчетов, сохранять и служебную информацию: время, дата, частота квантования и пр. Служебная информация позволяет в дальнейшем контролировать и восстанавливать структуру и целостность файлов данных при их записи и чтении.
Командой на начало записи данных в ОЗУ 6 служит сигнал оператора с пульта 11 управления или с датчика 12 удара возбуждения или из сети Ethernet 13. Предварительная запись данных в ОЗУ 6 необходима для скоростной буферной записи получаемого большого объема данных. После того, как ОЗУ 6 заполняется, блок 4 управляющей логики начинает процесс сравнительно медленной перезаписи данных эксперимента (сеанса) в долговременное запоминающее устройство (ПЗУ) 7, каковым является съемная SD-карта. Данные пишутся в запоминающее устройство 7 (SD-карту) в виде файлов, имя которых содержит время наблюдения и номер сеанса.
Текущее время, такты АЦП 2, прочее тактирование формируется генератором 5 тактовой частоты.
Блок 14 индикации отображает буквы, цифры, графические символы и позволяет визуализировать все параметры настройки устройства в алфавитно-цифровом формате или графически. При переходе устройства в режим регистрации по команде оператора с пульта 11, с блока 4 управляющей логики на индикатор 14 выдаются и отображаются соответствующие гистограммы уровней сигналов в логарифмическом масштабе. Параметры регистрации, время и дата могут быть изменены оператором при помощи пульта 11.
Все параметры настройки организованы в блоке 4 управляющей логики списком, каждый элемент основного списка может содержать вложенный перечень, внутри элементов которого можно производить изменение числовых и/или символьных данных. Пульт 11 позволяет настраивать параметры регистрации при помощи переключателей. Для перемещения в иерархическом списке (в меню блока 4 управляющей логики) используются всего четыре команды пульта 11: «вверх/вниз» (она же «больше/меньше»), «влево/вправо». Для пуска регистрации используется кнопка пульта 11 «Пуск» или сигнал датчика 12 удара возбуждения. Аналогичные команды могут быть также поданы по каналу 13 Ethernet.
Согласователь 8 интерфейсов позволяет организовать для блока 4 управляющей логики связь как со скоростным каналом 13 Ethernet, так и с пультом 11 или датчиком 12 удара возбуждения.
Все указанные функции реализуются через 4-х контактный разъем 9. Блок 4 управляющей логики сам определяет тип устройства, подключенного к разъему 9.
По скоростному каналу 13 обмена данными Ethernet можно реализовать не только все управление регистрацией, но и прием непрерывного потока данных для продолжительного мониторинга.
Съем информации с устройства осуществляется путем считывания данных с запоминающего устройства 7 (SD-карты) непосредственного, а также и с использованием скоростного канала Ethernet.
Автономный высокочастотный сейсмический регистратор, согласно полезной модели, обеспечивает:
- высокоточную регистрацию акустических колебаний в частотном диапазоне от 0 до 180 кГц, что делает возможным проведение детальных геолого-геофизических исследований свойств горных пород с обнаружением особо малых размеров объектов, таких как, например, неоднородности в полости в бетонных перемычках размерами до десятков сантиметров;
- возможность непрерывного мониторинга физического состояния объекта без ограничения времени быстрых процессов;
- возможность проведения сейсмических исследований в особо сложных условиях, в частности при подземных и наземно-подземных работах.