Малогабаритная многоканальная трехкомпонентная цифровая сейсмическая станция с возможностью детектирования параметров сейсмических событий на нижнем уровне
Малогабаритная многоканальная трехкомпонентная цифровая сейсмическая станция с возможностью детектирования параметров сейсмических событий на нижнем уровне. Для решения поставленной задачи предлагается сейсмостанция, содержащая один или несколько каналов первичных преобразователей 1-К или 3-К, обеспечивается функционирование сейсмических событий непосредственно на нижнем уровне сейсмостанции.
Все вышеуказанное позволило:
1. создать малогабаритную простую в эксплуатации цифровую 3-к сейсмостанцию, детектирующую землетрясения и менее значительные сейсмические воздействия;
2. создать удобную в эксплуатации сейсмостанцию;
3. получить функциональный детектор для использования в охранных системах;
4. максимально снизить нагрузку на линию связи;
5. максимально снизить требования к квалификации оператора;
6. минимизировать стоимость монтажа и эксплуатации сейсмостанции.
Полезная модель относится к устройствам производящим измерение сейсмической активности Земли. Известна конструкция, когда измерение данных с первичного преобразователя происходит на нижнем уровне и в режиме реального времени, посредством линии телемеханики, передается на верхний уровень, где данные поступают на пульт оператора и обрабатываются специализированным программным обеспечением. К недостаткам указанного устройства можно отнести его сложность в изготовлении, высокие требования к качеству линии связи, как следствие высокие затраты при организации связи, высокие требования к пропускной способности (к трафику) линии связи, что проявляется при работе группы многоканальных сейсмостанций, производящих аренду существующих линий связи. Существенным недостатком является необходимость использования дорогостоящего специализированного программного обеспечения на верхнем уровне и соответствующая высокая квалификация оператора сейсмостанций, что не оправдано в случае эксплуатации такого устройства в прикладных задачах, когда важен факт произошедшего землетрясения или менее значительного сейсмического воздействия вблизи контролируемого объекта.
Прототипом предлагаемого устройства является сейсмический комплекс СК-1 и СК-2 компании "Российские технологии". (Кедров О.К, "Сейсмические методы контроля ядерных испытаний", Москва, Саранск, Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта; Российской Академии Наук). Прототип содержит сейсмометр, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, модем, цифро-аналоговый преобразователь, барабанный регистратор, персональный компьютер оператора, графопостроитель, накопитель информации (диск).
К прототипу применимы все вышеперечисленные недостатки. Необходим высококвалифицированный обслуживающий персонал (в узкой области). Подобные сейсмостанции имеют высокую цену и дороги в эксплуатации. Удаленная настройка сейсмостанции невозможна.
Перед автором стояла задача создания малогабаритной, простой в эксплуатации многоканальной 3-к сейсмостанции, снижающей нагрузку на линию связи за счет обработки исходного сигнала первичных преобразователей, непосредственно, на нижнем уровне с возможностью передачи измеренной информации на верхний уровень. Обработка информации подразумевает детектирование и идентификацию параметров сейсмического события.
Для решения поставленной задачи предлагается сейсмостанция, содержащая один или несколько каналов первичных 1-К или 3-К преобразователей, кодек (содержащий анти-алиасинговый фильтр), микросхему аналого-цифрового преобразования, микросхему памяти, координирующий микроконтроллер, цифровой сигнальный процессор, приемопередатчик, встроенный детектор сейсмических событий, состоящий из двух интеграторов с разными временными окнами время интегрирования 1-го равно Sort Time (STA), 2-го равно Long Time (LTA), блок задержки сигнала 2 на время Short Time, делитель результата интегрирования STA на значение Short Time, LTA на Long Time, и далее одного на другое (STA на LTA). Отличается от прототипа тем, что сейсмостанция содержит встроенный детектор сейсмических событий, выдающий на выходе логический уровень 1 в случае наличия события и логический уровень 0 в случае отсутствия события. В качестве детектора сейсмического события используются два интегратора, один со временем малым временем интегрирования, другой с большим временем интегрирования, сигнал после интеграторов поступает на делитель, где каждое из значений делится на соответствующее время интегрирования тем самым получая математическое ожидание сигнала в малом и больших временных окнах, после чего подсчитывается отношение полученных двух математических ожиданий сигнала. В случае детектирования события происходит выдача сообщения на верхний уровень. Устройство содержит приемопередатчик с возможностью подключения по различным линиям связи USB, RS-485, Ethernet, Wi-Fi, Wi-Max, это позволяет унифицировать процесс связи с сейсмостанцией для проведения удаленного конфигурирования и чтения информации, устройство записывает исходные сигналы и результаты измерение STA/LTA в память и способно выдать эту информацию по запросу, пришедшему с верхнего уровня с примением двухсторонней связи посредством приемопередатчика.
Все вышеуказанное позволило:
1. создать малогабаритную простую в эксплуатации цифровую 3-к сейсмостанцию, детектирующую землетрясения и менее значительные сейсмические воздействия;
2. получить удобный детектор для использования в охранных системах;
3. максимально снизить нагрузку на линию связи;
4. максимально снизить требования к квалификации оператора;
5. минимизировать стоимость монтажа и эксплуатации сейсмостанции. На рисунке 1 показана структурная схема предлагаемого устройства. Работа устройства заключается в циклическом повторении следующих операций:
Исходное положение, сейсмоприемник фиксирует уровень естественных сейсмической активности; данные фильтруются анти-алиасинговым фильтрам; происходит аналого-цифровое преобразование отфильтрованных данных; данные поступают на сигнальный процессор и буферизируются для пересылки на верхний уровень в случае необходимости; отфильтрованные данные поступают на интегратор (Short Time) и на блок задержки сигнала на время Short Time, далее на интегратор (Long Time); вычисляется отношение интеграла за время Short Time к значению времени интегрирования Short Time получая STA; вычисляется отношение интеграла за время Long Time к значению времени интегрирования Long Time получая LTA; вычисляется отношение STA к LTA; STA/LTA сравнивается с заранее заданным порогом; в случае обнаружения порога происходит выдача осведомительного сигнала на процессор и далее в линию связи приемо-передатчик на верхний уровень; в случае ответного запроса высылается порция данных, содержащих сейсмическое событие.
На основании приведенного описания и схемы малогабаритной многоканальной трехкомпонентной цифровой сейсмостанции с возможностью детектирования сейсмических событий на нижнем уровне был изготовлен действующий образец со следующими характеристиками:
- Число регистрируемых каналов: 4÷32;
- Рабочий диапазон частот: от DC до 10 кГц;
- Динамический диапазон в полосе частот 500 Гц: 124 дБ;
- Уровень собственных шумов: 2 мкВ;
- Разрядность: 24 бит;
- Наличие интерфейса обмена данными с автоматизированным рабочим местом оператора: USB 2.0, Ethernet, RS-485, Wi-Fi (до 500 метров без дополнительных усилителей), Wi-Max (до 10 км);
- Возможность детектирования сейсмических событий непосредственно на уровне сейсмостанции;
- Возможность удаленного конфигурирования;
- Ведение пред- и пост- истории сейсмического события;
- Передача истории в указанном оператором временном диапазоне;
1. Сейсмостанция, содержащая один или несколько каналов первичных 1-K или 3-K преобразователей, кодек, содержащий антиалиасинговый фильтр, микросхему аналого-цифрового преобразования, микросхему памяти, координирующий микроконтроллер, цифровой сигнальный процессор, встроенный детектор сейсмических событий, состоящий из двух интеграторов с разными временными окнами, время интегрирования 1-го равно Sort Time (STA), 2-го равно Long Time (LTA), блок задержки сигнала 2 на время Short Time, делитель результата интегрирования STA на значение Short Time, LTA на Long Time и далее одного на другое (STA на LTA), также содержит приемопередатчик с возможностью подключения по различным линиям связи USB 2.0, RS-485, Ethernet, Wi-Fi, Wi-Max, по запросу, пришедшему с верхнего уровня, выдается последовательность записанного в микросхему памяти сигнала, содержащего сейсмическое событие.
2. Сейсмостанция по п.1, отличающаяся тем, что содержит микросхему памяти, в которую записываются исходные сигналы.
3. Сейсмостанция по п.1, отличающаяся тем, что используется встроенный детектор сейсмических событий, выдающий на выходе логический уровень 1 в случае наличия события и логический уровень 0 в случае отсутствия события.
4. Сейсмостанция по п.1, отличающаяся тем, что в качестве детектора сейсмического события используются два интегратора, один с временным малым временем интегрирования, другой с большим временем интегрирования, сигнал после интеграторов поступает на делитель, где каждое из значений делится на соответствующее время интегрирования, тем самым получая математическое ожидание сигнала в малом и больших временных окнах, после чего подсчитывается отношение полученных двух математических ожиданий сигнала.
5. Сейсмостанция по п.3 или 4, отличающаяся тем, что сигнал до поступления на интегратор с большим временем усреднения задерживается на время, соответствующее малому времени усреднения.
6. Сейсмостанция по п.1, отличающаяся тем, что происходит взаимный обмен данными с сейсмостанцией и верхним уровнем.
7. Сейсмостанция по п.1, отличающаяся тем, что имеет возможность подключения по различным шинам данных связи USB 2.0, RS-485, Ethernet, Wi-Fi, Wi-Max.
8. Сейсмостанция по любому из пп.1-4, 6 или 7, отличающаяся тем, что в случае детектирования события происходит выдача сообщений на верхний уровень.
9. Сейсмостанция по любому из пп.1-4, 6 или 7, отличающаяся тем, что в случае поступления запроса на данные с верхнего уровня происходит выдача этой информации из микросхемы памяти посредством одной из используемых шин.
