Автономная система сбора сейсмических данных

Полезная модель относится к области сейсмической разведки, в частности, к процессу проведения наземных и подземных сейсмических исследований, в том числе на горнодобывающих предприятиях, в частности в шахтах, в режиме длительных программируемых пространственно распределенных наблюдений, включая режим активного и пассивного сейсмического мониторинга в особо сложных условиях.

Технический результат полезной модели: обеспечение единой временной привязки (синхронизации) регистрируемой автономными регистраторами сейсмической информации с необходимой точностью в условиях отсутствия внешнего сигнала точного времени.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в автономной системе сбора сейсмических данных, включающей n автономных регистраторов сейсмических сигналов, согласно полезной модели, каждый из указанных n автономных регистраторов включает приемопередатчик, вход которого связан с синхронизующим выходом контроллера, а выход - с первым синхронизирующим входом контроллера, вход-выход указанного приемопередатчика является синхронизирующим входом-выходом каждого из n автономных сейсмических регистраторов, второй вход-выход контроллеров n автономных регистраторов является их информационным входами-выходами. Кроме того, по меньшей мере, один из указанных n автономных регистраторов выполнен как отметчик момента возбуждения и дополнительно включает связанный с источником возбуждения цифровой формирователь импульса момента возбуждения, выход которого связан с вторым, синхронизирующим входом контроллера, при этом указанный автономный регистратор выполнен одноканальным. (1 н.п.ф., 2 ил.).

Полезная модель относится к области сейсмической разведки, в частности, к процессу проведения наземных и подземных сейсмических исследований, в том числе на горнодобывающих предприятиях, в частности в шахтах, в режиме длительных программируемых пространственно распределенных наблюдений, включая режим активного и пассивного сейсмического мониторинга в особо сложных условиях.

Известен автономный регистратор сейсмических сигналов, включающий микропроцессорный блок управления, высокостабильный генератор тактовой частоты, соединенное с первым входом-выходом микропроцессорного блока управления запоминающее устройство, измерительный канал, включающий соединенные последовательно, по меньшей мере, один предварительный усилитель, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь (дельта-сигма модулятор) и цифровой фильтр. Выход измерительного канала соединен с первым входом микропроцессорного блока управления, первый выход которого подключен к управляющим входам предварительного усилителя, аналого-цифрового преобразователя и цифрового фильтра. При этом известное устройство содержит также связанный с микропроцессорным блоком управления блок временной привязки регистрируемой информации, образованный GPS-приемником, высокостабильным генератором тактовой частоты и блоком временной синхронизации (патент РФ 2331087, G01V 1/24). Данное устройство обеспечивает, за счет встроенной системы временной синхронизации, высокоточную привязку регистрируемых сейсмических сигналов к единому мировому времени и позволяет проводить сейсмические исследования на площадях любых размеров с высокой достоверностью и производительностью, в том числе в особо сложных геоморфологических и климатических условиях.

К недостаткам данного технического решения следует отнести ограниченные эксплуатационные возможности, связанные с недостаточной надежностью работы в условиях отсутствия или нестабильного приема спутниковых сигналов точного времени от GPS-приемника, например, при проведении длительных наблюдений (например, по методике пассивного и/или активного сейсмического мониторинга).

Известна система сбора данных о сейсмической активности, предназначенная для удаленного сбора сейсмических данных о состоянии пород на горнодобывающих предприятиях (патент РФ 45029 на полезную модель, G01V 1/22). Система содержит велосиметры и акселерометры, подключенные к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом микропроцессорного контроллера. Выход микропроцессорного контроллера через первый модем и проводную линию связи соединен со вторым модемом, подключенным к первому порту компьютера. Система включает также блок синхронизации с всемирным временем, выход которого подключен ко второму порту компьютера, а первый и второй модемы выполнены в виде DSL-устройств. Известное устройство позволяет повысить точность измерения, расширить полосу пропускания входных сигналов и добиться точной синхронизации времени в системе, что необходимо для повышения достоверности информации, а также для объединения данных, поступающих с нескольких подобных систем для совместной обработки информации.

К недостатком данной полезной модели также следует отнести ограниченные функциональные возможности, что обусловлено использованием в данном техническом решении для измерения сейсмической активности пород на горнодобывающих предприятиях как подземного, так и наземного блоков, связанных между собой кабельной связью. Использования кабельной связи исключает возможность одновременных измерений в изолированных между собой штреках. Кроме того, применение телеуправляемой системы на горнодобывающих объектах требует специального пожаробезопасного исполнения.

Задачей полезной модели является повышение достоверности получаемой сейсмической информации при длительной одновременной работе нескольких автономных сейсмических регистраторов сейсмических сигналов на горнодобывающих, подземных объектах (шахтах) без использования внешнего синхронизирующего сигнала точного времени и исключения кабельной или радиосвязи.

Техническим результатом полезной модели является обеспечение единой временной привязки (синхронизации) регистрируемой автономными регистраторами сейсмической информации с необходимой точностью в условиях отсутствия внешнего сигнала точного времени.

Поставленная задача решается за счет того, что в автономной системе сбора сейсмических данных, включающей n автономных регистраторов сейсмических сигналов, каждый из которых содержит контроллер, первые входы и первые выходы которого связаны с измерительными каналами сейсмических сигналов, тактовый, второй вход указанного контроллера связан с выходом высокостабильного генератора, первый вход-выход указанного контроллера связан с входом-выходом постоянного запоминающего устройства ПЗУ, согласно полезной модели, каждый из указанных n автономных регистраторов дополнительно включает приемопередатчик, вход которого связан с синхронизующим выходом контроллера, а выход - с первым синхронизирующим входом контроллера, вход-выход указанного приемопередатчика является синхронизирующим входом-выходом каждого из n автономных сейсмических регистраторов, второй вход-выход контроллеров n автономных регистраторов является их информационным входами-выходами.

Указанный технический результат достигается также тем, что каждый из n автономных регистраторов сейсмических данных выполнен многоканальным и включает, по меньшей мере, три измерительных канала.

Кроме того, указанный технический результат достигается за счет того, что, по меньшей мере, один из указанных n автономных регистраторов выполнен как отметчик момента возбуждения и дополнительно включает связанный с источником возбуждения цифровой формирователь импульса момента возбуждения, выход которого связан с вторым, синхронизирующим входом контроллера, при этом указанный автономный регистратор выполнен одноканальным.

Указанные приемопередатчики могут быть выполнены как проводные или беспроводные интерфейсы.

При этом указанные автономные регистраторы преимущественно снабжены часами реального времени, связанными с входом-выходом установки реального времени контроллера.

На фиг.1 приведена структурная схема автономной системы сбора сейсмических данных, согласно полезной модели; на фиг.2 представлена структурная схема отметчика 13 момента возбуждения.

Автономная система сбора сейсмических данных содержит n автономных регистраторов 1 сейсмических сигналов, каждый из которых включает контроллер 2. Первые входы (входы данных) указанного контроллера 2 связаны с выходами измерительных каналов 3, включающих соединенные последовательно, по меньшей мере, один коммутатор, по меньшей мере, один предварительный усилитель, по меньшей мере, один аналого-цифровой преобразователь и многоканальный цифровой фильтр (не показаны). Первые, управляющие, выходы контроллера 2 связаны с управляющими входами указанных измерительных каналов 3. Тактовый вход контроллера 2 связан с выходом высокостабильного генератора 4 тактовой частоты. Первый вход-выход контроллера 2 связан с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 5 Синхронизирующий вход контроллера 2 связан с выходом приемопередатчика 6, вход которого связан с синхронизирующим выходом контроллера 2. Вход-выход приемопередатчика 6 соединен с разъемом 7, который является синхронизирующим входом-выходом автономного регистратора 1, Для синхронизации работы n автономных регистраторов 1 может быть использована, как проводная связь 8, так и беспроводная связь 9, что определяется типом используемого приемопередатчика 6.

Измерительные каналы 3 автономных регистраторов 1 через разъемы 10 связаны с сейсмоприемниками 11.

Второй вход-выход котроллера 2 автономного регистратора 1 связан с разъемом 12 и является информационным (считывания данных и ввода режимов работы) входом-выходом автономного регистратора 1. Через разъемы 12 автономные регистраторы 1 подключаются к внешнему блоку управления, управляющему компьютеру (не показано).

Отметчик 13 момента возбуждения, выполненный по существу как описанный выше автономный регистратор, включает контроллер 14, по меньшей мере, один измерительный канал 15, высокостабильный генератор 16 тактовой частоты, ПЗУ 17, приемопередатчик 18. При этом отметчик 13 момента возбуждения дополнительно включает формирователь 19 импульса момента возбуждения, вход которого связан с включающим, например, пьезоэлектрический датчик удара, источником возбуждения 20, а выход - с четвертым (синхронизирующим) входом контроллера 14.

Измерительный канал 15 датчика 13 момента возбуждения через разъем 21 связан с сейсмоприемником 22.

Второй вход-выход отметчика 13 момента возбуждения является информационным (входом-выходом считывания данных и ввода режимов работы) блока и через разъем 23 подключается к внешнему блоку управления, управляющему компьютеру (не показан). Через разъем 24, связанный с приемопередатчиком 18, осуществляется синхронизация отметчика 13 момента возбуждения.

Автономные регистраторы 1 и отметчик 13 момента возбуждения снабжены также часами 25 реального времени, связанными соответственно с входом-выходом установки реального времени контроллеров 2 и контроллера 14.

Питание всех блоков устройства осуществляется от встроенного источника питания, питаемого аккумуляторной батареей (не показаны).

ПЗУ 5 и ПЗУ 17 исполнены на SD/SDHC карте и могут быть выполнены съемными.

Высокостабильные генераторы 4 и 16 тактовой частоты могут быть выполнен на термостатированном генераторе фирмы «МОРИОН» типа ГК80-ТС-2-5 В-10М-В1 и обеспечивать стабильность частоты не хуже 10^-8.

Контроллеры 2 и 14 могут быть построены на части микросхемы программируемой логики серии «Cyclone» фирмы «Altera.

Приемопередатчики 6 и 18 могут быть выполнены на микросхеме типа ADM1485.

Отметчик 13 момента возбуждения и автономные регистраторы 1 должны быть конструктивно выполнены так, чтобы было исключено появление потенциалов на их любых выходных разъемах, чем обеспечивается отсутствие искровых разрядов и вследствие этого возможность проводить коммутации сейсмоприемников во взрывоопасных помещениях (шахтах). Схема приемопередатчиков 6 и 18 имеет ограничение выходного тока, что совместно с конструкцией разъемов 7 и 24 гарантирует отсутствие искрообразования.

Состав автономной системы сбора сейсмических данных, согласно полезной модели, определяется требуемым характером наблюдений.

В режиме пассивного наблюдения (мониторинга) автономная система сбора сейсмических данных в зависимости от необходимого количества каналов регистрации состоит из одного или нескольких блоков автономных регистраторов 1.

В режиме активного наблюдения система должна состоять из одного или нескольких отметчиков момента возбуждения 13 и одного или нескольких автономных регистраторов 1.

Автономная система сбора сейсмических данных согласно полезной модели работает следующим образом.

Перед установкой автономной системы сбора сейсмических данных на исследуемой территории осуществляют синхронизацию внутренних часов, реализованных программно в каждом из контроллеров 2 n автономных регистраторов 1 (в том числе, и в контроллере 14 отметчика 13 момента возбуждения). Для этого один из указанных блоков назначают ведущим. При наличии в автономных регистраторах 1 часов 25 реального времени при включении питания внутренние часы контроллера 2 ведущего автономного регистратора 1 однократно синхронизируются с указанными часами 25 реального времени. После включения питания всех автономных регистраторов 1 и прогрева термостатов генераторов 4 выполняется процедура синхронизации часов и генераторов ведомых устройств и ведущего. Ведущее устройство генерирует на своем выходном разъеме 7 значение текущего времени и точный секундный импульс.

Каждый из автономных регистраторов 1, также как и отметчик 13 момента возбуждения, в равной степени могут выполнять функцию ведущего синхронизирующего блока автономной системы сбора сейсмических данных согласно полезной модели.

После включения питания внутренние часы контроллера 2 ведущего автономного регистратора 1 сразу начинают считать с 00 часов, 00 минут, 00 секунд, первого месяца, первого дня или с текущего момента времени, установленного в контроллере 2 с помощью часов 25 реального времени. Для формирования точного времени используется указанный выше высокостабильный генератор 4. Приемопередатчик 6 принимает от контроллера 2 сигналы точного времени, значение текущего времени и формирует физические сигналы последовательного интерфейса синхронизации. Таким образом, на выходной разъем 7 ведущего автономного регистратора 1 поступает сигнал текущего состояния внутренних часов и синтезированный импульс точного времени.

Проводной связью 8 (или беспроводной связью 9) ведущий автономный регистратор 1 подключают к разъемам 7 остальных (ведомых) автономных регистраторов 1, входящих в систему регистрации согласно полезной модели, в том числе и к отметчику 13 времени возбуждения, в случае его использования. Приемники каждого из приемопередатчиков 6 (и 18) принимают полученные сигналы синхронизации, выделяют из полученной посылки текущее время, сигналы точного времени и передают их на синхронизирующий вход контроллеров 2 (14), которые производят синхронизацию ведомых устройств с точностью до 10^-9. Таким образом, осуществляется временная синхронизация всех n автономных регистраторов 1, входящих в систему регистрации. Перед началом синхронизации, часы ведущего устройства могут быть установлены в любое значение по команде оператора вручную или автоматически с любой заданной точностью через разъем 12.

Далее автономные регистраторы 1 с подключенными к ним сейсмоприемниками 11 размещают на исследуемой подземной территории. В режиме активного наблюдения в составе системы регистрации используют связанный с источником возбуждения 20 и сейсмоприемником 22 отметчик 13 момента времени возбуждения сейсмических сигналов, который располагают в непосредственной близости от места возбуждения (например, непосредственно в точке расположения оператора, осуществляющего механическое воздействие на поверхность исследуемой среды).

По измерительным каналам 3 автономных регистраторов 1 данные наблюдений от сейсмоприемников 11 поступают на контроллер 2. Режимы оцифровывания, предварительное усиление и частота квантования задаются настройками, поступающими от ПЗУ 5. Контроллер 2 считывает расписание работы и настройки из ПЗУ 5, анализирует их и, в соответствии с расписанием приступает к работе. По мере достижения часами очередного сеанса наблюдения, контроллеры 2 всех автономных регистраторов 1 одновременно запускают оцифровывание данных с сейсмоприемников 11. Пакет данных записывается в ПЗУ 5.

В режиме активного наблюдения, когда на исследуемую среду осуществляют дополнительное вибрационное (механическое) воздействие. Для фиксации момента воздействия и его формы система включает описанный выше отметчик 13 времени возбуждения, который работает следующим образом.

В отметчике 13 момента возбуждения в контроллер 14 данные наблюдений поступают от сейсмоприемника 22. Одновременно по другому каналу записи от импульсного датчика, связанного с источником возбуждения 20, через (цифровой) формирователь 19 импульса момента возбуждения на другой вход контроллера 14 отметчика 9 момента возбуждения поступает цифровой сигнал, соответствующий моменту возбуждения. Контроллер 14 формирует пакет данных, который включает данные датчиков 22 и 20, текущее время и прочие данные. Пакет данных записывается в ПЗУ 17.

Через разъемы 12, 23 автономные регистраторы 1 и отметчик 13 времени возбуждения подключается к управляющему компьютеру (не показан) и программируется в соответствии с утвержденным планом эксперимента. Заданные программы настройки сохраняются в запоминающем устройстве (не показано) микропроцессорного контроллера 2, а также ПЗУ 5 и ПЗУ 17.

По окончании работы данные, находящиеся в ПЗУ 5 и в ПЗУ 17, могут быть считаны во внешний компьютер двумя способами - либо через коммутационные разъемы 12, 23 либо непосредственным вычитыванием SD/SDHC карт ПЗУ 5 и ПЗУ 17 в универсальном устройстве чтения, например, CardReader.

За счет наличия в системе отметчика 13 момента возбуждения при обработке полученной информации, автоматически, без участия человека, можно найти участки записи отклика среды на соответствующие воздействия, т.е. нарезать сейсмограммы для последующей обработки.

В целом техническое решение, согласно полезной модели, обеспечивает длительную, работу регистраторов сейсмических сигналов в автономном режиме, в условиях отсутствия приема сигналов точного времени, с сохранением временной синхронизации заданной точности.

Сейсмические системы наблюдений, построенные с использованием данной полезной модели, могут состоять из достаточно большого количества пунктов приема, распределенных с переменной плотностью на площади выполнения геолого-геофизических работ.

Полезная модель реализована в наземной сейсмической аппаратуре, в полевой автономной сейсмической станции РОСА - А. Техническое решение, согласно полезной модели, расширяет функциональные возможности данной аппаратуры, обеспечивая ее эффективное использование при проведении высокоточных, детальных сейсмических исследований в условиях отсутствия спутниковых сигналов. В частности, использование автономной системы сбора сейсмических данных, согласно полезной модели, в угольных шахтах позволяет получать высокоточные сейсмические материалы о состоянии механически ослабленных зон и взрывоопасных объектов (метановых мешков), что в свою очередь существенно повышает безопасность угледобычи.

1. Автономная система сбора сейсмических данных, включающая n автономных регистраторов сейсмических сигналов, каждый из которых содержит контроллер, первые входы и первые выходы которого связаны с измерительными каналами сейсмических сигналов, тактовый второй вход указанного контроллера связан с выходом высокостабильного генератора, первый вход-выход указанного контроллера связан с входом-выходом постоянного запоминающего устройства ПЗУ, отличающаяся тем, что каждый из указанных n автономных регистраторов дополнительно включает приемопередатчик, вход которого связан с синхронизующим выходом контроллера, а выход - с первым синхронизирующим входом контроллера, вход-выход указанного приемопередатчика является синхронизирующим входом-выходом каждого из n автономных сейсмических регистраторов, второй вход-выход контроллеров n автономных регистраторов является их информационными входами-выходами.

2. Автономная система сбора сейсмических данных по п.1, отличающаяся тем, что каждый из автономных регистраторов сейсмических данных выполнен многоканальным и включает, по меньшей мере, три измерительных канала.

3. Автономная система сбора сейсмических данных по п.1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один из указанных n автономных регистраторов выполнен как отметчик момента возбуждения и дополнительно включает связанный с источником возбуждения цифровой формирователь импульса момента возбуждения, выход которого связан с вторым, синхронизирующим входом контроллера, при этом указанный автономный регистратор выполнен одноканальным.

4. Автономная система сбора сейсмических данных по п.1, отличающаяся тем, что указанный приемопередатчик выполнен как проводной или беспроводной интерфейс.

5. Автономная система сбора сейсмических данных по п.1, отличающаяся тем, что каждый из автономных регистраторов включает связанные с входом-выходом установки реального времени контроллера часы реального времени.