Устройство сейсмической связи
SEISMIC COMMUNICATION DEVICE

Изобретение относится к области радиотехники, в частности реализации шахтной связи путем беспроводной передачи сигнала через толщу горных пород и может быть использовано для задач геокартирования в инженерной сейсморазведке.
Известно: «Устройство беспроводной аварийно-технологической сигнализации и связи» (Патент RU 2131515, МПК G08B 7/06, опубликован 27.09.2009) [1]. Известное устройство включает в себя установленный на поверхности земли передающий комплект, длинные антенны с заземлителями, излучающие низкочастотное магнитное поле, расположенный в шахтной выработке приемный комплект, содержащий антенну, подключенную к входу преобразователя. Дополнительно приемный комплект снабжен шахтерским радиомаяком, для каждого рабочего, и мобильным поисковым шахтным пеленгатором.
Недостатком известного устройства беспроводной аварийной связи является невозможность реализации канала связи из горной выработки на поверхность Земли, так как невозможно разместить в выработке антенну больших размеров, необходимую для передачи сигнала.
Известна «Система сейсмической телеметрии и связи» (Патент US 2011/0310701 A1, опубликован 22.12.2011) [2]. Система предназначена для передачи телеметрических данных между подземной структурой и поверхностью Земли. Система включает в себя сеть приемных устройств, в пределах подземной структуры, которая собирает данные телеметрии от передатчика данных, расположенного в пределах подземной структуры. Подземная радиостанция предназначена для связи с сетью приемных устройств и включает в себя подземное устройство обработки для преобразования данных телеметрии в закодированный сигнал. Управляемый сейсмический передатчик, находящийся в контакте с подземной структурой, передает закодированный сейсмический сигнал через горную породу. Система включает в себя также приемную станцию на поверхности Земли, имеющую в составе сейсмические датчики, образующие фазированную антенную решетку, и блок обработки сигналов (БОС). Сейсмические датчики находятся в контакте с грунтом, на поверхности Земли. Блок обработки сигналов связан с сейсмическими датчиками, через соответствующие усилители, и может преобразовывать принятый закодированный сейсмический сигнал в данные телеметрии.
Недостатком известной системы беспроводной сейсмической связи является недостаточная мощность принимаемого сигнала и помехоустойчивость передачи, также невозможность определения направления прихода сейсмического сигнала в аварийной ситуации, так как нет возможности управления размерами и направлением диаграммы направленности.
Задачей предлагаемого технического решения является реализация аварийной беспроводной системы с большей мощностью принимаемого сигнала, помехоустойчивостью передачи, а также реализация системы для определения направления прихода сейсмического сигнала в аварийной ситуации путем создания системы управления диаграммой направленности.
Для решения поставленной задачи в систему сейсмической телеметрии и связи, содержащую сейсмические передатчики, расположенные в шахтной выработке, и сейсмический приемник, расположенный на поверхности Земли, включающий в себя N сейсмических датчиков, соответственно образующих антенную решетку, N усилителей и блок обработки сигналов, согласно изобретению каждый из N сейсмических датчиков через соответствующий усилитель соединен с коммутатором, выход которого соединен через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера, являющегося и входом блока обработки сигналов, который содержит N оперативных запоминающих устройств, подключенных к микроконтроллеру по N-разрядной двунаправленной шине, N управляемых цифровых линий задержки, каждая из которых соединена входом с выходом микроконтроллера по N-разрядной шине, а выходом с соответствующим входом сумматора, который одним выходом подключен через измеритель отношения сигнал/шум, ко второму входу микроконтроллера, а другим выходом к дешифратору, который одним выходом подсоединен к индикатору, а вторым к радиопередающему устройству.
На фиг. 1 схематично представлено заявляемое устройство. На фиг. 2 схематично представлена реализация узкой диаграммы направленности для приема сигнала при помощи антенной решетки.
1…
M
1
N
1
Ν
1
Ν
1
Ν
Устройство сейсмической связи содержит M сейсмических передатчиков 1, 1, расположенных в защитных камерах в горных выработках, N сейсмических датчиков (2…2) расположенных на поверхности Земли и образующих фазированную антенную решетку по двум направлениям x и y. Каждый из N датчиков соединен через соответствующий усилитель (3…3), с коммутатором 4, выходом, соединенным с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 5. АЦП подсоединен к входу микроконтроллера (МК) 6, являющегося входом и блока обработки сигналов (БОС). МК по двунаправленной N-разрядной шине соединен с N блоками ОЗУ (7…7), и по другой N-разрядной шине с N управляемыми цифровыми линиями задержки (8…8), соединенных выходами с сумматором 9. Он включает в себя N входов, одним выходом через измеритель отношения сигнал/шум 10 соединенным с микроконтроллером, а другим с дешифратором 11, который соединен с индикатором 12 и радиопередающим устройством 13. Антенная решетка из сейсмических датчиков создает диаграмму направленности (ДН) решетки x 14, сечение «пятна» решетки x на дне шахты 15, сечение «пятна» обеих решеток x и y 16.
1
M
1
Ν
u
При отсутствии аварийной ситуации в шахтной выработке для связи с поверхностью и оповещения персонала возможно использование простых абонентских телефонных линий. Однако при возникновении аварийной ситуации в шахте (взрывы, обвалы, обрушения), проводные средства связи могут выйти из строя, следовательно, для обеспечения аварийной связи, шахтной выработки с поверхностью, включается дополнительный сейсмический канал связи. Для защиты персонала в шахтной выработке обычно создается прочная защитная камера для его временного укрытия, в которой расположен сейсмический передатчик. В шахтной выработке могут находиться и другие защитные камеры для персонала с сейсмическими передатчиками (1…1). При необходимости передачи аварийного сообщения оператор использует компьютер. Для набора сообщения используется клавиатура или предоставляется выбор заранее записанных текстовых сообщений для передачи. Далее осуществляется обработка сообщения, а также генерация кода и обеспечение последовательности передачи элементов сообщения. Совместно со схемой синхронизации, которая подает импульсы для формирования протокола связи, блок кодирования управляет последовательностью сейсмических импульсов, задавая работу сейсмического источника, включенного в сейсмический передатчик 1. Электропитание сейсмического передатчика в аварийной ситуации может обеспечиваться импульсным источником бесперебойного питания, который включает в себя несколько аккумуляторных батарей и преобразователь напряжения, для его повышения, что необходимо для работы сейсмического источника [3]. Сейсмический источник механически соединен с излучающим стержнем, вмурованным в стену шахтной выработки, который является также частью сейсмического передатчика для излучения сейсмического сигнала в породу. Далее сейсмический сигнал поступает через породу на входы N сейсмических датчиков (2…2), размещенных на поверхности Земли, в виде ортогонально расположенных линейных групп и образующих фазированную антенную решетку. Это необходимо для создания узконаправленной подвижной диаграммы направленности при помощи подстройки задержек сигналов. Диаграмма направленности такого вида обеспечивает быстрый поиск активного сейсмического передатчика и точное определение места его положения. Количество сейсмических датчиков выбирается в зависимости от конкретной шумовой обстановки в районе их расположения, так как их число влияет на уровень отношения сигнал/шум по напряжению q, и определяется исходя из минимальной вероятности ошибки.
u
Отношение сигнал/шум по напряжению q для одного сейсмического датчика находится по формуле [4]:
c
где U - уровень полезного сигнала [B],
ш
U - уровень шума [B].
Для повышения отношения сигнал/шум в сейсмическом приемнике используется фазированная антенная решетка из линейных групп N сейсмических датчиков, которая обеспечивает накопление и корреляцию полезного сигнала путем его повторения. Как известно, шум в каждом сейсмическом датчике некоррелирован за счет того, что расстояние между сейсмическими датчиками не менее половины длины волны сейсмического сигнала (l≥λ/2). Тогда отношение сигнал/шум для линейной группы N сейсмических датчиков по мощности определяется по формуле:
где N - количество сейсмических датчиков,
2
- дисперсия шума [B].
Отношение сигнал/шум по напряжению для нескольких сейсмических датчиков оценивается по формуле:
Отношение сигнал/шум по напряжению пропорционально . Следовательно, с увеличением количества сейсмических датчиков увеличивается отношение сигнал/шум.
1
N
1
N
1
N
1
M
1
N
1
Μ
Сейсмические датчики (2…2), находящиеся в непосредственном контакте грунтом (заглублены в грунт для уменьшения шумов на поверхности Земли), улавливают распространяющийся в горной породе сейсмический сигнал, и преобразуют его в аналоговый электрический сигнал, после чего сигналы со всех датчиков поступают на соответствующие усилители (3…3), которые увеличивают амплитуду слабого электрического сигнала при низком уровне собственных шумов. После усиления сигнал поступает на коммутатор 4, который переключается между всеми сейсмическими датчиками для последующего преобразования в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобразователе 5. Цифровой сигнал с АЦП поступает на микроконтроллер 6 для обработки. С микроконтроллером по двунаправленной N-разрядной шине соединено N ОЗУ (7…7) по числу сейсмические датчиков для временного хранения оцифрованного сигнала, адресов и значений задержек для всех сейсмических передатчиков (1…1) и накопления сообщения. К выходу микроконтроллера, по N-разрядной шине, подсоединено N управляемых цифровых линий задержек (8…8) по числу сейсмических датчиков. Так как скорость сейсмических волн 1500-7000 м/с, а сейсмические датчики расположены на расстоянии l≥λ/2, необходимо учесть влияние задержки, с которой сигнал доходит до каждого сейсмического датчика. Для компенсации задержки в блок обработки сигналов встроена система подстройки задержек (МК, ОЗУ, управляемые цифровые линии задержек, сумматор, измеритель отношения сигнал/шум). Она позволяет создавать при помощи линии сейсмических датчиков узконаправленную и подвижную диаграмму направленности для поиска активного сейсмического передатчика из M передатчиков и определения сигнала с максимальным уровнем отношения сигнал/шум. Подстройка задержки осуществляется на этапе «обучения» (настройки) для каждого сейсмического датчика отдельно, по критерию отношения сигнал/шум, чтобы подобрать значения задержек для каждого сейсмического передатчика (1…1), находящегося в шахтной выработке. Каждая из управляемых цифровых линий задержки производит подстройку задержки совместно с сумматором 9 и измерителем отношения сигнал/шум 10, который определяет максимальное отношение сигнал/шум для каждого сейсмического датчика, после этого значение задержки через МК 6 записывается в память соответствующего ОЗУ 7. После подстройки всех сейсмических датчиков, значение задержки для каждого сейсмического передатчика записывается в память ОЗУ. Это позволяет оперативно определить активный передатчик и произвести соответствующую подстройку сейсмического приемника по задержке.
После обработки цифрового сигнала и окончания приема сообщения, он поступает через сумматор с N входами по числу сейсмических датчиков на дешифратор 11, который преобразует цифровой сигнал в сообщение для вывода на индикатор 12 и (или): передачу через радиопередающее устройство 13. Оно встроено для дельнейшей передачи сообщения в том случае, если сейсмический приемник расположен отдельно от командного пункта.
Из этого следует, что заявляемое устройство позволяет повысить отношение сигнал/шум, мощность сигнала, реализовать узконаправленную подвижную диаграмму направленности определить место положения активного сейсмического передатчика и реализовать беспроводную аварийную связь для передачи сообщений из шахтной выработки на поверхность Земли, из небольшого объема горной выработки, с использованием сейсмических сигналов.
Технический результат подтвержден экспериментально на макете устройства и заключается в создании канала беспроводной аварийной связи между шахтной выработкой небольшого размера и поверхностью Земли с использованием малогабаритного точечного сейсмического передатчика, не требующего большого пространства для размещения, а также в создании узконаправленной диаграммы направленности, для улучшения помехоустойчивости и возможности определения направления прихода сигнала. Также устройство позволяет осуществлять поиск активных сейсмических передатчиков и определять их местоположение в шахтных выработках.
Указанный технический результат экспериментально подтвержден на экспериментальном макете макет устройства, с мощностью излучателя 2 кВт и несущей частотой вибрации 215 Гц показал по результатам наземных испытаний дальность более 1000 м при отношении сигнал/шум 17 дБ и скорости передачи 0.1 бит/с. Испытания были проведены в угольной шахте г. Абаза, Хакасия.