RU213999U1

RU213999U1 - Seismic signal recorder with pre-processing and data transmission via energy-efficient wireless communication channels

Info

Publication number: RU213999U1
Application number: RU2022103559U
Authority: RU
Inventors: Аркадий Николаевич Дробчик
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Современные системы сейсмического мониторинга"
Filing date: 2022-02-13
Publication date: 2022-10-07

Abstract

Полезная модель относится к области устройств, предназначенных для проведения сейсмического мониторинга, и может быть использована для регистрации сейсмических данных при длительных наблюдениях за техногенной сейсмичностью, возникающей при крупномасштабном строительстве, разработке и эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых. Техническим результатом полезной модели является создание регистратора с блоками предварительной обработки и передачи данных с функцией оповещения и передачи данных на центральный сервер данных об изменении сейсмичности по энергоэффективным беспроводным каналам связи. Регистратор сейсмических сигналов, включающий микроконтроллерный блок, отвечающий за организацию работы регистратора и предварительную обработку данных, накопитель данных в виде microSD-карты, подключенный к микроконтроллеру, питающий блок, содержащий резервную аккумуляторную батарею, контроллер управления питанием от микроконтроллера на базе управляемых независимых DC/DC-преобразователей с выходом для подключения внешнего аккумулятора через разъем питания, PoE-сплиттер, регистрирующий блок, содержащий 3 входных тракта, каждый из которых состоит из последовательно подключенных одного фильтра, одного АЦП, подключенного к микроконтроллеру, входные тракты выполнены с возможностью запитываться от выделенного источника питания и тактироваться от одного высокоточного термостабилизированного генератора, при этом регистрирующий блок выполнен подключаемым к трехкомпонентному датчику сейсмических колебаний с помощью внешнего разъема, блок синхронизации времени на базе GPS-приемника, блок передачи данных, низкочастотные разъемы питания и подключения Ethernet, высокочастотные разъемы для подключения выносных GPS-, LTE-антенн. Регистратор может быть оборудован блоком предварительной обработки данных. 1 ил.

The utility model relates to the field of devices designed for seismic monitoring and can be used to record seismic data during long-term observations of technogenic seismicity that occurs during large-scale construction, development and operation of solid mineral deposits. The technical result of the utility model is the creation of a recorder with blocks for preliminary processing and data transmission with the function of alerting and transmitting data to a central data server about changes in seismicity via energy-efficient wireless communication channels. Seismic signal recorder, including a microcontroller unit responsible for organizing the work of the recorder and data preprocessing, a data storage device in the form of a microSD card connected to the microcontroller, a power supply unit containing a backup battery, a power management controller from the microcontroller based on controlled independent DC / DC - converters with an output for connecting an external battery via a power connector, a PoE splitter, a recording unit containing 3 input paths, each of which consists of one filter connected in series, one ADC connected to the microcontroller, the input paths are made with the ability to be powered from a dedicated source power supply and be clocked from one high-precision thermally stabilized generator, while the recording unit is connected to a three-component seismic vibration sensor using an external connector, a time synchronization unit based on a GPS receiver, a transmission unit and data, low-frequency power connectors and Ethernet connections, high-frequency connectors for connecting remote GPS, LTE antennas. The recorder can be equipped with a data pre-processing unit. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к области устройств, предназначенных для проведения сейсмического мониторинга, и может быть использована для организации систем сбора сейсмических данных.The utility model relates to the field of devices designed for seismic monitoring and can be used to organize seismic data acquisition systems.

Известно «Бескабельное устройство регистрации сейсмических данных» (патент РФ №2020112615 по кл. МПК G01V 1/24). Основная техническая проблема, решаемая данным устройством - уменьшение уровня индустриальных и природных помех, а также устранение помехэлектромагнитного характера, обеспечивающих повышение соотношения сигнал/помеха при сохранении высокой чувствительности и равномерной амплитудно-частотной характеристики в широкой полосе частот.Known "Cable-free seismic data recording device" (patent of the Russian Federation No. 2020112615 according to class IPC G01V 1/24). The main technical problem solved by this device is the reduction of the level of industrial and natural interference, as well as the elimination of electromagnetic interference, which ensures an increase in the signal-to-interference ratio while maintaining high sensitivity and a uniform amplitude-frequency response in a wide frequency band.

Данное устройство создано для проведения активной площадной сейсморазведки, характеризующееся большим количеством пунктов регистрации и относительно коротким временем нахождении регистратора на пункте регистрации. Бескабельное устройство, конструируемое по данной полезной модели, характеризуется молекулярно-электронным датчиком, корпусом со съемной крышкой, внутри которого размещены элемент памяти, Wi-Fi модуль для передачи данных, GPS-приемник, элемент питания, соединенный с аналоговым устройством, имеющим усилитель, соединенный с аналого-цифровым преобразователем, элемент сбора данных и подключенный к нему LAN-модуль для приема параметров и выдачи сейсмограмм, цифроаналоговый преобразователь, соединенный с задающим генератором, при этом элемент сбора данных подключен к Wi-Fi модулю для передачи данных, GPS-приемнику, элементу памяти, аналоговому устройству, цифро-аналоговому преобразователю и задающему генератору, а на крышке корпуса расположены контакты для заряда элемента питания, подключенного к LAN-модулю.This device is designed for active areal seismic exploration, characterized by a large number of registration points and a relatively short time spent by the registrar at the registration point. A cableless device designed according to this utility model is characterized by a molecular electronic sensor, a housing with a removable cover, inside which there is a memory element, a Wi-Fi module for data transmission, a GPS receiver, a battery connected to an analog device having an amplifier connected to with an analog-to-digital converter, a data collection element and a LAN module connected to it for receiving parameters and issuing seismograms, a digital-to-analog converter connected to a master generator, while the data collection element is connected to a Wi-Fi module for data transmission, a GPS receiver, memory element, analog device, digital-to-analog converter and master oscillator, and on the case cover there are contacts for charging the battery connected to the LAN module.

Отличается однокомпонентным молекулярно-электронным датчиком, расположенным в нижней части корпуса, выполненным заодно с корпусом и соединенным с аналоговым устройством и элементом питания. Сейсмических данных с одной компоненты недостаточно для решения задач сейсмического мониторинга. При этом механически система имеет излишнюю инертность в связи с расположением чувствительного элемента в одном корпусе с электроникой и аккумуляторной батареей, что ухудшает чувствительность системы. При проведении сейсмического мониторинга высокая производительность при установке датчика не играет роли, так как время проведения измерений на одном пункте регистрации может превышать месяцы. Гораздо важнее обеспечить качественный контакт между сейсмодатчиком и грунтом, а также минимальную инертность сейсмического датчика при регистрации сейсмического сигнала. В модели отсутствуют модуль передачи данных на большие расстояния, так как для задач решаемых данной аппаратурой такая дальность не требуется. Отсутствие выносных GPS- и Wi-Fi-антенн не позволяет организовывать пункт сейсмического наблюдения на базе данной регистрирующей аппаратуры.It features a single-component molecular-electronic sensor located in the lower part of the housing, made integral with the housing and connected to an analog device and a battery. Seismic data from one component is not enough to solve seismic monitoring problems. At the same time, mechanically, the system has excessive inertia due to the location of the sensitive element in the same housing with the electronics and the battery, which degrades the sensitivity of the system. When conducting seismic monitoring, high productivity during the installation of the sensor does not play a role, since the time of measurements at one registration point can exceed months. It is much more important to ensure high-quality contact between the seismic sensor and the ground, as well as the minimum inertness of the seismic sensor when registering a seismic signal. The model does not have a module for data transmission over long distances, since such a range is not required for the tasks solved by this equipment. The absence of remote GPS and Wi-Fi antennas does not allow organizing a seismic observation point based on this recording equipment.

Известно «Сейсморегистрирующее устройство» (патент РФ №2015125660/28 по кл. МПК G01V 1/16). Основная техническая проблема, решаемая данным устройством - повышение удобства эксплуатации за счет исключения необходимости выставлять датчики относительно вертикали и местного меридиана, при сохранении качества полученных данных.Known "Seismic device" (RF patent No. 2015125660/28 class IPC G01V 1/16). The main technical problem solved by this device is to increase the ease of use by eliminating the need to set the sensors relative to the vertical and the local meridian, while maintaining the quality of the received data.

Полезная модель сейсморегистрирующего устройства характеризуется трехканальным регистрирующим блоком с возможностью подключения трехкомпонентного чувствительного элемента. Технически результат достигается путем установки всенаправленных датчиков (нечувствительных к ориентации в пространстве относительно вектора силы тяжести) и корректировки выходных сигналов датчиков путем поворота базиса по данным с трехосного акселерометра и магнетометра.A useful model of a seismic recording device is characterized by a three-channel recording unit with the ability to connect a three-component sensing element. The technical result is achieved by installing omnidirectional sensors (insensitive to orientation in space relative to the gravity vector) and adjusting the output signals of the sensors by rotating the basis according to data from a triaxial accelerometer and magnetometer.

Данное решение применимо в условиях, где ориентация сейсмоприемников невозможна (например, в морской сейсморазведке). При использовании на земле данное решение неоправданно. Всенаправленные геофоны имеют меньшую чувствительность, по сравнению с вертикально или горизонтально устанавливаемыми геофонами одной модели, что очень важно при проведении пассивной сейсморазведки. На удобство установки регистрирующей аппаратуры в случае проведения сейсмического мониторинга тоже не влияет, так как установка датчика занимает малую долю времени, от времени проведения измерений. В данной модели упоминается модуль приема-передачи данных, но детальное описание данного модуля отсутствует и не является ключевой особенностью полезной модели.This solution is applicable in conditions where the orientation of geophones is not possible (for example, in marine seismic surveys). When used on the ground, this solution is unjustified. Omnidirectional geophones have a lower sensitivity than vertically or horizontally mounted geophones of the same model, which is very important in passive seismic surveys. The convenience of installing the recording equipment in the case of seismic monitoring is also not affected, since the installation of the sensor takes a small fraction of the time from the time of measurements. This model mentions a module for receiving and transmitting data, but there is no detailed description of this module and is not a key feature of the utility model.

Наиболее близким является изобретение «Автономный регистратор сейсмических сигналов» (патент РФ №2007100422/28 по кл. МПК G01V 1/24). Техническим результатом изобретения является обеспечение высокоточной временной синхронизации работы автономных регистраторов сейсмических сигналов с привязкой результатов наблюдения к мировому времени независимо от длительности сеанса регистрации, количества и пространственного расположения точек наблюдений. Данный результат достигается путем использования высокостабильного генератора тактовой частоты, GPS-приемника и блока временной синхронизации. При этом данное изобретение не имеет модуля предобработки и передачи данных.The closest is the invention "Autonomous recorder of seismic signals" (RF patent No. 2007100422/28 according to class IPC G01V 1/24). The technical result of the invention is to provide high-precision time synchronization of the operation of autonomous seismic signal recorders with binding of observation results to world time, regardless of the duration of the recording session, the number and spatial location of observation points. This result is achieved by using a highly stable clock generator, a GPS receiver and a time synchronization unit. At the same time, this invention does not have a data preprocessing and transmission module.

Заявляемая полезная модель отличается от всех представленных ранее аналогов наличием блока предварительной обработки и модуля передачи данных по LTE-сети. Отличием заявленной полезной модели от ближайшего аналога дополнительно заключается в отсутствии системы тестирования тестовым сигналом, так как при длительном мониторинге качество контакта датчика со средой может определяться по спектральной плотности шума и данный блок тестирования не требуется. Кроме того, в момент проведения тестирования, входные каналы отключаются от геофона посредством коммутаторов, и запись в этот момент не ведется, что является недостатком данного метода тестирования. Так же заявляемая модель отличается отсутствием измерителя температуры, влажности, питающих токов и напряжений, связанных с микроконтроллером. Данные блоки не влияют на надежность аппаратуры или точность временной синхронизации регистратора посредством сигнала GPS. Для качественной временной привязки к глобальному времени гораздо важнее разместить антенну GPS в месте, обеспечивающем прием сигнала с наибольшего количества спутников.The claimed utility model differs from all previously presented analogs by the presence of a pre-processing unit and a data transmission module over an LTE network. The difference between the claimed utility model and the closest analogue is in the absence of a testing system with a test signal, since during long-term monitoring the quality of the contact of the sensor with the medium can be determined by the spectral noise density and this testing unit is not required. In addition, at the time of testing, the input channels are disconnected from the geophone by means of switches, and no recording is being made at this moment, which is a disadvantage of this testing method. Also, the claimed model is characterized by the absence of a temperature, humidity, supply current and voltage meter associated with the microcontroller. These blocks do not affect the reliability of the hardware or the accuracy of the recorder's time synchronization via the GPS signal. For a good time reference to global time, it is much more important to place the GPS antenna in a place that provides reception of a signal from the largest number of satellites.

Техническим результатом полезной модели является создание регистратора с блоками предварительной обработки и передачи данных с функцией оповещения и передачи данных на центральный сервер данных об изменении сейсмичности по энергоэффективным беспроводным каналам связи. Сущность полезной модели поясняется функциональной схемой, представленной на фиг. 1.The technical result of the utility model is the creation of a recorder with blocks for preliminary processing and data transmission with the function of alerting and transmitting data to a central data server about changes in seismicity via energy-efficient wireless communication channels. The essence of the utility model is illustrated by the functional diagram shown in Fig. one.

Указанный технический результат достигается за счет того, что регистратор сейсмических сигналов включающий, микроконтроллерный блок 4, отвечающий за организацию работу регистратора и предварительную обработку данных, накопитель данных в виде microSD-карты 3, подключенный к микроконтроллеру, питающий блок 13, состоящий из резервной аккумуляторной батареи 16, контроллера управления питанием 14 от микроконтроллера на базе управляемых независимых DC/DC преобразователей с выходом для подключения внешнего аккумулятора 12, PoE-сплиттера 15, регистрирующий блок 6, состоящий из трех входных трактов 7, каждый из которых состоит из последовательно подключенного одного фильтра, одного АЦП, подключенного к микроконтроллеру, входные тракты питаются от выделенного источника питания 9 и тактируются от одного высокоточного термостабилизированного генератора 8, подключаемого к трехкомпонентному датчику сейсмических колебаний с помощью внешнего разъема 5, блок синхронизации времени на базе GPS-приемника 2, подключенного к GPS-антенне через разъем 1, имеет блок для передачи данных 10, состоящий из беспроводного модуля связи LTE, подключаемого к беспроводной LTE-сети посредством LTE-антенны через разъем 11 и модуля Ethernet, подключаемого через PoE-сплиттер 15 и низкочастотный разъем 17.The specified technical result is achieved due to the fact that the seismic signal recorder includes a microcontroller unit 4 responsible for organizing the operation of the recorder and data preprocessing, a data storage device in the form of a microSD card 3 connected to the microcontroller, a power supply unit 13, consisting of a backup battery 16, a power management controller 14 from a microcontroller based on controlled independent DC / DC converters with an output for connecting an external battery 12, a PoE splitter 15, a recording unit 6, consisting of three input paths 7, each of which consists of a series-connected one filter, one ADC connected to the microcontroller, the input paths are powered from a dedicated power source 9 and clocked from one high-precision thermally stabilized generator 8 connected to a three-component seismic vibration sensor using an external connector 5, a time synchronization unit based on a GPS receiver 2, connected to the GPS antenna via connector 1, has a data transmission unit 10, consisting of an LTE wireless communication module connected to the wireless LTE network via an LTE antenna via connector 11 and an Ethernet module connected via a PoE splitter 15 and a low-frequency socket 17.

Микроконтроллерный блок может быть построен на микроконтроллере STM32F4XX. В качестве АЦП могут использоваться микросхемы ADS1282. Привязка к глобальному времени осуществляется посредством GPS-модуля ublox NEO-M8N с точностью формирования фронтов импульса 1 PPS не хуже 60 нс согласно документации, так же существует более точная версия NEO-M8T с точностью не хуже 30 нс. Подключение к LTE сети может быть осуществлено с помощью модулей от SimCORP или аналогичных производителей. Вне зависимости от используемого поколения LTE-сетей, использование беспроводной передачи данных требует значительных энергетических ресурсов. Для повышения энергоэффективности системы, а также для работы сейсмической сети с использованием энергоэффективных сетей с низкой пропускной способностью в первую очередь необходимо уменьшить объем передаваемых данных. Это можно сделать путем выделения из непрерывной записи сейсмических сигналов от целевых землетрясений, характерных для определенного района исследований. Выделение событий начинается с того, что на каждом регистраторе путем обработки непрерывной записи сейсмического сигнала вычисляется детектирующая функция, выделяющая интервалы записи, в которых предположительно содержится целевой сигнал. После расчета детектирующей функции для отдельного регистратора, времена срабатываний и метрики передаются в центр, где вычисляется итоговая детектирующая функция сети, на основании которой принимается решение о сборе данных со всей сети за определенный промежуток времени. Данный подход позволяет значительно сократить объем передаваемых данных при проведении пассивного сейсмического мониторинга.The microcontroller block can be built on the STM32F4XX microcontroller. ADS1282 chips can be used as an ADC. Binding to global time is carried out using the ublox NEO-M8N GPS module with an accuracy of forming pulse fronts of 1 PPS no worse than 60 ns according to the documentation, there is also a more accurate version of NEO-M8T with an accuracy of no worse than 30 ns. Connection to the LTE network can be made using modules from SimCORP or similar manufacturers. Regardless of the generation of LTE networks used, the use of wireless data transmission requires significant energy resources. In order to improve the energy efficiency of the system, as well as to operate the seismic network using energy efficient networks with low bandwidth, it is first necessary to reduce the amount of transmitted data. This can be done by extracting seismic signals from target earthquakes from a continuous record, which are typical for a certain study area. Event selection begins with the fact that on each recorder, by processing a continuous record of a seismic signal, a detecting function is calculated that highlights the record intervals that presumably contain the target signal. After calculating the detecting function for an individual recorder, the response times and metrics are transferred to the center, where the final detecting function of the network is calculated, on the basis of which a decision is made to collect data from the entire network for a certain period of time. This approach makes it possible to significantly reduce the amount of transmitted data during passive seismic monitoring.

Разработанный регистратор позволяет создавать системы сейсмического мониторинга с использованием LTE-сетей для передачи данных.The developed recorder allows creating seismic monitoring systems using LTE networks for data transmission.

Claims

1. Seismic signal recorder, including a microcontroller unit responsible for organizing the work of the recorder and data preprocessing, a data storage device in the form of a microSD card connected to the microcontroller, a power supply unit containing a backup battery, a power management controller from the microcontroller based on controlled independent DC /DC converters with an output for connecting an external battery via a power connector, a PoE splitter, a recording unit containing three input paths, each of which consists of one filter connected in series, one ADC connected to the microcontroller, the input paths are made with the ability to be powered from dedicated power source and clocked from one high-precision thermally stabilized generator, while the recording unit is connected to a three-component seismic vibration sensor using an external connector, a time synchronization unit based on a GPS receiver, a unit data transmission, low-frequency power connectors and Ethernet connections, high-frequency connectors for connecting remote GPS, LTE antennas.

2. Recorder according to claim 1, characterized in that it is equipped with a data pre-processing unit.