CZ20013U1 - Generátor rotačních seismických vln a seismická měřicí souprava obsahující tento generátor - Google Patents

Description

Technické řešení se týká obecně oblastí seismických měření. Konkrétně se týká generátoru seismických rotačních vln a měřicí soupravy obsahující generátor a detekční zařízení na principu rotačního seismického senzorového systému. Seismická měření pomocí generátoru a seismického rotačního senzorového systému umožňují seismickou prospekci s využitím rotačních pohybů půdy, což pomáhá upřesnit určení struktury hornin v hloubce.

Dosavadní stav techniky

Pří seismických měřeních lze v principu měřit dva typy pohybů půdy: translační pohyb (posunutí a odvozené veličiny jako rychlost a zrychlení tohoto pohybu) a rotační pohyb (otáčení a odvozené veličiny jako rychlost a zrychlení tohoto otáčení). Při seismických měřeních se tradičně registrují translační pohyby, avšak v posledních letech se objevují publikace zdůrazňující význam rotačních pohybů (viz např. Takeo, M., Rotational Motions Excited by Earthquakes, In: Earthquake Source Asymmetry, Structural Media and Rotation Effects, Teisseyre, R., Takeo, M., Majewski E. (Eds.), Springer, 2006, a řada dalších příspěvků tamtéž).

Dosud byly rotační seismické pohyby generovány běžnými seismickými zdroji, přirozenými zemětřeseními nebo umělými zdroji, například odstřely trhavin, různými vibrátory nebo padostroji. Tyto zdroje však přeměňují pouze jistou (většinou velmi malou) část energie do rotačních složek seismických vln, zbytek seismické energie je vyzářen v běžných (translačních) složkách seismických vln. Popsaný generátor má podstatně vyšší účinnost při generování rotačních pohybů půdy. Žádný umělý dostatečně silný zdroj pro snadno opakovatelné generování převážně rotačních pohybů půdy není v rámci současného stavu techniky znám.

Jsou známy tři základní způsoby měření rotačních seismických pohybů:

1. Gyroskopy a náklonoměry používané například v letectví, případně komerčně dostupné trojosé rotační senzory pracující na elektrochemickém principu (Nigbor, R.L. (1994). Six-degree-offreedom ground motion measurement, Bull. Seis. Soc. Am., Vol. 84, 1665-1669). Nevýhodou těchto přístrojů pro seismická měření je minimálně o řád menší citlivost než u předloženého technického řešení a tudíž omezení na krátké vzdálenosti od zdroje (v řádu desítek metrů maximálně několika stovek metrů)

2. Seismické arraye (např. Huang, B.S. (2003), Ground rotational motions of the 1991 Chi-Chi, Taiwan earthquake as inferred from dense array observations, Geophys. Res. Lett., Vol. 30, 1307-1310), kdy rotační pohyb se zjišťuje pomocí aproximace prostorových derivací translačních seismických pohybů naměřených jednotlivými seismografy arraye.

3. Laserové gyroskopy založené na měření interference dvou protisměrných laserových paprsků (viz např. Schreiber, K.U. et al., Ring Laser Gyroscopes as Rotation Sensors for Seismic Wave Studies, In: Earthquake Source Asymmetry, Structural Media and Rotation Effects, Teisseyre, R., Takeo, M., Majewski E. (Eds.), Springer, 2006). Tyto gyroskopy poskytují velmi přesná měření. Nevýhodou je, že jsou velmi nákladné a vázané na jedno dané místo, neboť jsou velmi rozměrné a musejí být montovány ve speciálně uzpůsobených podmínkách (speciální stavby, podzemní prostory apod.). Tyto gyroskopy měří rotační pohyb vždy jen kolem jedné osy.

V oboru seismické prospekce existuje potřeba relativně malého, mobilního zařízení, které může generovat rotační seismické pohyby, a to snadno opakovatelným způsobem. Tuto potřebu řeší nový generátor, který je dále popsán. Výhodně je tento generátor v soupravě s rotačním seismickým senzorovým systémem, což umožňuje provádět terénní prospekci s využitím rotačních pohybů půdy s citlivostí až řádově přesahující citlivost měření známých ze stavu techniky.

Podstata technického řešení

Termínem rotační seismické vlny se v tomto popisu označují rotační pohyby, které souvisejí se šířením seismických vln v půdě a nemusejí mít nutně vlnový charakter. Názvy rotační vlny a rotační pohyby se ve výše uvedeném smyslu mohou užívat zaměnitelně.

Prvním předmětem technického řešení je generátor rotačních seismických pohybů obsahující pevnou část pro ukotvení v zemi, otáčivou část a brzdicí mechanismus pro okamžité zabrzdění otáčivé části, kde dochází ke generování rotačních seismických pohybů okamžitým zastavením otáčivé části, při kterém dojde k přenosu energie do horninového masívu.

Generátor obsahuje tyto základní části: pevnou část, která zakotvuje generátor do země a slouží jako osa pro otáčivou část, otáčivou část, která rotuje kolem svislé osy, a brzdicí mechanismus, který umožňuje okamžité zabrzdění otáčivé části.

Otáčivá část má podobu několika otáčivých ramen rozmístěných v pravidelných úhlových intervalech okolo osy otáčení, kde na konci vzdáleném od osy otáčení mohou být umístěna závaží, která představují většinu hmotnosti generátoru. Otáčivá část může být realizována i v jiné podobě, například jako rotující prstenec nebo disk.

Ve výhodném provedení má výše popsaný generátor brzdicí mechanismus, který je tvořen brzdnými tyčení, a zastavení je realizováno nárazem brzdných tyčí do otáčivých ramen. Jiný způsob zastavení může být například realizován zapadnutím zubů ozubeného kola otáčivé části do mezer mezi zuby ozubeného segmentu pevné části. Odborník snadno nalezne analogický brzdicí mechanismus, který umožní okamžité zabrzdění otáčivé části.

Generátor případně dále výhodně obsahuje motor, který roztáčí otáčivou část. Výhodně obsahuje generátor dále řídicí jednotku.

Dalším předmětem technického řešení je seismická měřicí souprava, obsahující výše popsaný generátor rotačních seismických vln a rotační seismický senzorový systém popsaný dále.

Rotační seismický senzorový systém zcela nové konstrukce obsahuje jeden nebo více párů shodných seismických senzorů (termín shodný je míněn ve smyslu charakteristik výstupního signálu), např. běžně dostupných geofonů (tj. seismických senzorů, které jsou založeny na elektromagnetickém snímání pohybu setrvačné hmoty, zavěšené na speciálně tvarované pružině). Pár senzorů je vždy spojen pevně s tuhou kostrou senzorového systému a je umístěn tak, že měří seismické kmity podél dvou rovnoběžných přímek (toto umístění je v popisu stručně označováno termínem rovnoběžné senzoiy). Tyto rovnoběžné přímky jsou od sebe ve vzdáleností mnohem menší než je vlnová délka podélných seismických vln (P-vln) v okolní hornině. Obvykle se jedná o vzdálenost několika decimetrů. Přitom spojnice senzorů v daném páruje kolmá na osu rotačního pohybu, který se měří, a zároveň nesmí být rovnoběžná s osou, podél které se měří translační pohyby. Počet párů senzorů závisí na počtu složek rotačního pohybu (počet os otáčení, kolem kterých probíhá měření současně) a dále na maximalizaci poměru citlivost/cena. Senzorový systém s více páry senzorů je citlivější, avšak je dražší. Jednotlivé senzory měří jednu translační složku seismických kmitů. Princip měření rotačních složek pomoci páru rovnoběžných shodných senzorů spočívá v tom, že se vypočte rozdíl mezi signálem z obou senzorů (diferenciální pohyb). Pokud by v signálech nebyla rotační složka, byly by signály z obou senzorů zcela identické, protože jsou pevně spojeny s tuhou kostrou, která se nemůže nijak deformovat. Diferenciální pohyb z páru senzorů s rovnoběžnými osami tedy odpovídá rotačnímu pohybu v rovině dané těmito osami. Citlivost měření daného páruje přitom přímo úměrná citlivosti jednotlivých senzorů a vzdálenosti os senzorů. Vzdálenost senzorů tvořících daný pár však nelze příliš zvětšovat, protože musí být zachována podmínka, že kostra je nedeformovatelná a že její rozměry jsou v podstatě zanedbatelné vůči vlnové délce P-vln.

Měřicí souprava podle předloženého technického řešení obsahuje rotační seismický senzorový systém, jak byl stručně popsán výše, který měří generovaný rotační pohyb i rotační pohyby související s odraženými a/nebo refragovanými vlnami prošlými horninou. Řídicí jednotka pak

CZ 20013 Ul může měřit otáčky generátoru, vydávat povel ke spuštění a vypnutí motoru a spuštění brzdicího mechanismu, případně k uvedení celého zařízení do výchozího stavu před opakováním měření, a zaznamenávat Časový průběh signálu ze snímače rotačních pohybů. Řídicí jednotka může být využita k ovládání generátoru, ale také k řízení celého postupu seismického měření. V řídicí jednotce může probíhat rovněž skládání signálů z opakovaných měření za účelem dosažení vysoké citlivosti, případně úplné matematické zpracování měření až do výsledného seismogramu, který je pak poskytnut v analogové nebo digitální podobě.

Výhodně uvedená souprava obsahuje v řídicí jednotce implementovaný počítačový program realizující způsob měření a zpracování dat, což vede k významnému zvýšení citlivosti měření rotačních seismických pohybů.

Výhodně se celé měření pomocí výše popsané soupravy a vyhodnocení dat provádí pomocí počítačového programu, který je implementován v řídicí jednotce. Řídicí jednotkou může být např. komerčně dostupný přenosný počítač. Řídicí jednotka může také komunikovat bezdrátově či pomocí vodičů se vzdáleným počítačem, kde je zmíněný program nebo jeho část implementována. Řídicí jednotka může také obsahovat prostředek pro ukládání naměřených dat (např. RAM paměť, zařízení typu pevný disk, datové DVD a pod.), která jsou zpracována následně.

Princip činnosti generátoru: Motor postupně roztáčí otáčivou část. Po dosažení požadovaných otáček se motor vypne, aby nerušil následné měření, a otáčivá část se pak dále pohybuje setrvačným pohybem. Poté řídicí jednotka aktivuje brzdicí mechanismus, který okamžitě zabrzdí otáčivou část. Tím se kinetická energie přenese do pevné části zakotvené do země. Tato energie se transformuje do energie rotačních seismických vln, které jsou vyzařovány směrem dolů do horninového masivu. Zdrojový impuls je registrován rotačním seismickým senzorovým systémem, který je umístěn pod generátorem. Rotační seismické vlny procházejí horninovou strukturou a odrážejí se od nehomogenit v horninách a/nebo dochází k jejich refrakci, takže část energie těchto vln opět dosáhne zemského povrchu, kde jsou zaznamenány jedním, popřípadě více rotačními seismickými senzorovými systémy, měřícími rotační složky seismických pohybů. Zpracování naměřených dat vede k určení času šíření odražených a/nebo refragovaných vln a jejich amplitud. Tato data jsou spolu s dalšími údaji potřebná pro určování struktury hornin v hloubce.

Pro účely seismické prospekce může být generátor rotačních vln použit buďto ve spojení s některým z rotačních seismických snímačů odborníkovi známých ze stavu techniky (ovšem tato měření budou méně přesná), nebo v kombinaci s nově vyvinutým rotačním seismickým senzorovým systémem, který je dále také podrobněji popsán. V kombinaci s tímto systémem je pak použita speciální metodika měření a zpracování výsledků, která značně zvyšuje citlivost měření.

Výhody popsaného technického řešení: Popsaný generátor má podstatně vyšší účinnost při generování rotačních pohybů půdy než všechny dosud používané umělé zdroje známé ze stavu techniky. To umožňuje rozvoj nových metod seismické prospekce založených na zpracování rotačních složek seismického pohybu. Tyto složky by měly být zpracovávány spolu s tradičně měřenými translačními složkami. Bez rotačních složek nemůže být popis seismického pohybu úplný neboť, podle obecně přijímaných fyzikálních představ, pohyb obecného hmotného bodu má 6 stupňů volnosti a může být jednoznačně popsán pouze s uvážením jak tří translačních, tak tří rotačních složek.

Pro daný účel je podstatné, aby byl generován puls rotačních seismických vln s relativně vysokou frekvencí (desítky Hz), který má vhodnou rozlišovací schopnost pro nehomogenity horninového masívu. Toho je dosaženo okamžitým zastavením otáčivé části bez zpětného rázu. Řešení navíc umožňuje generátor používat pro mnoho pokusů po sobě s tím, že je stále generován v podstatě stejný puls rotačních seismických vln.

Další výhodou popsaného generátoru jsou jeho relativně malé rozměry a malá hmotnost umožňující snadnou mobilitu celého zařízení.

Rovněž rotační seismický senzorový systém používaný spolu s generátorem podle předloženého technického řešení je díky svým rozměrům a malé hmotnosti snadno přenositelný a instalovatelný v kterékoliv zájmové oblasti. Jeho další výhodou je, že umožňuje současné měření jak rotačních, tak translačních složek seismického pohybu, což je nutné pro kompletní popis pohybu půdy v daném bodě.

Použitá metoda zpracování umožňuje identifikovat slabší odražené a/nebo refragované rotační seismické vlny než jiné používané postupy, které jsou odborníkům známy. Tím se snižuje potřebná energie, kterou musí generátor v jednom pulsu vybudit. Postačuje proto menší hmotnost i velikost generátoru. To také přispívá ke snadné mobilitě celé měřicí soupravy.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1 : Schematické znázornění prospekčního měření s využitím popsaného technického řešení. Obr. 2a: Bokorys generátoru s otáčivými rameny při pohybu.

Obr. 2b: Půdorys generátoru s otáčivými rameny při pohybu.

Obr. 3 a: Bokorys generátoru s otáčivými rameny po zabrzdění.

Obr. 3b: Půdorys generátoru s otáčivými rameny po zabrzdění.

Obr. 4: Jedna z možných realizací rotačního seismického senzorového systému.

Obr. 5: Blokové schéma činnosti řídicí jednotky.

Obr. 6: Schéma zpracování měření procesorem.

Obr. 7: Fotografie jednoho provedení rotačního seismického senzorového systému.

Obr. 8a: Naměřené signály z geofonů a, b, c, d.

Obr. 8b: Rotační seismogramy.

Příklady provedení

Příklad 1

Prospekční měření s využitím generátoru podle předloženého technického řešení je schematicky znázorněno na obr. 1, kde generátorem G vyvolané rotační seismické vlny odražené od jednotlivých rozhraní v horninové struktuře jsou měřeny například souborem tří senzorových systémů Sl,S2aS3.

Generátor G (schematicky znázorněný na obr. 2a, 2b a 3a, 3b) obsahuje tyto základní části: Pevnou část P, otáčivou část O a brzdicí mechanismus B.

Pevná část P generátoru G je tvořena alespoň dvěma, výhodně třemi, pevnými rameny i, která se zakopávají do země a jsou pevně spojena se středovým sloupem 2. Pro ukotvení jsou konce pevných ramen zapuštěny kolmo do země do děr, které jsou předvrtány půdním vrtákem. Středový sloup 2 je umístěn v ose otáčení otáčivých ramen 3 otáčivé části O generátoru G, která jsou ke sloupu upevněna pomocí dvou ložisek 4 s malým třením při otáčení. Mezi ložisky 4 je ke středovému sloupu 2 upevněn brzdicí mechanismus B.

Otáčivá část O má výhodně podobu dvou ěi více otáčivých ramen 3 rozmístěných v pravidelných úhlových intervalech kolem osy otáčení, tj. středového sloupu 2. Každé rameno 3 je tvořeno například dvěma tyčemi 3.1, které jsou šikmo připevněny ke středovému sloupu 2 s použitím ložisek 4. Na obvodu otáčivého disku, případně na konci tyčí 3.1 je upevněno závaží 3.2, které může být realizováno různými způsoby. Výhodné řešení je použít jako závaží 3.2 dutou válcovou nádrž, do které se například napouští voda nebo nasype písek. To umožňuje snadnější přepravu a plnění závaží 3.2 až na místě měření. Válcový tvar závaží 3.2 je zvolen jako výhodný kvůli malému odporu vzduchu při rychlém otáčení.

Brzdicí mechanismus B generátoru G slouží k okamžitému zabrzdění otáčivé částí. Brzdicí mechanismus B obsahuje brzdné tyče 5, přičemž zastavení se realizuje nárazem brzdných tyčí 5 do otáčivých ramen 3, resp. jejich tyčí 3.1. Na obr. 2a, 2b je generátor G s otáčivými rameny 3 ve stavu před zabrzděním, na obr. 3a, 3b je stav po zabrzdění. Ve výhodném řešení je zvolen stejný počet brzdných tyčí 5 jako je počet otáčivých ramen 3. Brzdné tyče 5 jsou umístěny tak, aby nebránily pohybu otáčivých ramen 3 a jsou zajištěny pomocí západky 6, která je ovládána například elektromagneticky pomocí relé 7 a táhel 8. Na povel z řídicí jednotky U je západka 6 uvolněna a brzdná tyč 5 překříží dráhu spodní části ramen 3, resp. tyčí 3.1. Brzdné tyče 5 padají po uvolnění směrem dolů jednak vlastní tíhou, jednak je pohyb urychlen pružinou 9. Spodní část brzdných tyčí 5 zapadne do žlábků v disku 10 pevné části P, který je pevně spojen se středovým sloupem 2. Po zabrzdění je třeba zabránit zpětnému rázu. To může být realizováno různými způsoby, např. gumovou přísavkou nebo elektromagnetem (další ekvivalentní možnosti odborník snadno nalezne). Výhodné řešení je použít mechanickou západku. V brzdné tyči 5 je v miste nárazu otvor, do kterého se při nárazu do tyče 3.1 otáčivého ramene 3 vsune západka spojená s tyčí 3.1. Mechanismus západky může být například realizován v podobě západky, která je z obou stran vybavena trojúhelníkovými segmenty, které jsou od sebe oddalovány pružinou. Při průchodu otvorem se tyto segmenty stlačí, po průchodu se roztáhnou a zabrání zpětnému rázu. Výhodné řešení je, aby tato západka byla ovládána též elektromagneticky. To umožní řídicí jednotce U po skončení pokusu uvést zařízení opět do počátečního stavu bez ručního zásahu obsluhy. Tato vlastnost je výhodná kvůli tomu, že vysoké citlivosti se dosahuje mnohonásobným opakováním měření.

Motor generátoru (na obr. 2a - 3b není znázorněn) roztáčí otáčivou část O, na niž je točivý moment motoru přenášen například pomocí klínového řemenu. Výhodné řešení je použít motor, který může roztáčet otáčivou část O generátoru G buď na jednu nebo na druhou stranu. Součástí motoru může být výhodně i elektrický akumulátor, který slouží ke startování motoru, k napájení řídicí jednotky U a k napájení elektromagnetického ovládání brzdicího mechanismu B.

Příklad 2

Výhodně generátor G (obr. 2a, 2b a 3 a, 3 b) společně s novým typem senzorového systému S (obr. 4) vytváří seismický měřicí systém, který umožňuje generování a mimořádně citlivé snímání rotačních seismických pohybů.

Výhodnou konkrétní realizací senzorového systému je rotační seismický senzorový systém S (viz obr. 4) pro měření rotačního pohybu kolem vertikální nebo horizontální osy (os). Pojmy „vertikální“ a „horizontální“ se vztahují k poloze (orientaci) přístroje vzhledem ke gravitačnímu poli v průběhu měření při upevnění senzorového systému S k zemi. Není-li systém fixován k zemi, užívají se tyto pojmy pouze k rozlišení dvou navzájem kolmých směrů, podél nichž mohou být orientovány osy senzorů tvořících senzorový systém.

Mohou být tedy rozlišeny páry vertikálních senzorů 12 a horizontálních senzorů J_3. Výhodné uspořádání senzorového systému S je takové, při kterém senzory jak vertikálních párů senzorů 12 tak horizontálních párů senzorů 13 leží v rovnoběžných rovinách. Jak vertikální senzory 12 tak horizontální senzory 13 leží ve vrcholech pravidelného mnohoúhelníka 15 se sudým počtem vrcholů (ve speciálním případě dvou senzorů se takový mnohoúhelník 15 redukuje na úsečku). Vertikální senzory 12 i horizontální senzory 13 jsou pevně připojeny k pevné kostře 14, např. kovové, jejíž podstatnou vlastností je to, že je nedeformovatelná.

Pro měření rotace kolem jedné osy je potřeba alespoň jeden pár senzorů 12 nebo 13 s osami v rovině kolmé na tuto osu. Pro současné měření kolem tří navzájem kolmých os rotace je tedy třeba alespoň tří párů senzorů 12 nebo 13, kdy osy senzorů 12 nebo 13 v každém páru leží v jedné ze tří navzájem kolmých rovin. Pro dosažení větší citlivosti měření je na pevné kostře 14 namontováno více párů senzorů 12 a/nebo 13, než jsou výše uvedené minimální počty. Rotační seismický senzorový systém S obsahuje tedy alespoň jeden pár senzorů 12 nebo 13, výhodně alespoň tři páry senzorů 12 a/nebo 13, výhodněji více než tři páry senzorů 12 a/nebo 13, a to ve specifickém uspořádání výše popsaném.

V senzorovém systému S na obr. 4 je použito pět párů senzorů 12,13, které měří ve 3 navzájem kolmých směrech, 2 páry ve svislém a 3 ve vodorovném směru. Tento senzorový systému S obsahuje tedy vertikální senzory 12 a horizontální senzory J_3 uchycené na pevné kruhové kostře

CZ 20013 Ul

14. Senzory 12 a 13 jsou uspořádány tak, že tvoří pomyslné mnohoúhelníky 15 se sudým počtem vrcholů a průmětem Π. středů všech dvojic senzorů 12 a 13, pomyslných mnohoúhelníků 15 a pevné kostry 14 kruhového tvaru. Jiné provedení senzorového systému S je ukázáno na obr. 7.

Výhodně řídicí jednotka U automaticky ovládá generátor G i senzorový systém S, a výhodněji ještě zpracovává a vyhodnocuje naměřená data.

Řídicí jednotka U je realizována v podstatě jako počítač, který ve výhodném provedení zaznamenává údaje ze senzorů, zapíná a vypíná motor, aktivuje brzdicí zařízení a uvádí generátor do původního stavu. K řídicí jednotce U je připojen motor, elektromagnetická relé, rotační seismický systém S a otáčkoměr, např. optický otáčkoměr. Princip optického otáčkoměru spočívá v tom, že optický paprsek je přerušován průchodem otáčejících se ramen. K aktivaci brzdicího mechanismu dochází například ve vhodné poloze otáčivých ramen vůči brzdným tyčím.

Ve výhodném řešení v řídicí jednotce U probíhá také zpracování naměřených dat (viz obr. 5) způsobem, který je popsán dále. Řídicí jednotka U výhodně obsahuje implementovaný počítačový program, který realizuje způsob vyhodnocení a zpracování dat, který je popsán vývojovým diagramem na obr. 6 a v jednom konkrétním provedení je popsán v dalším přikladu 5. Uvedený počítačový program může být implementován i do vzdáleného jiného počítače, který je využit ke zpracování dat.

Příklad 3

Generátor G v tomto konkrétním provedení odpovídá v podstatě schématu na obr. 2a - 3b. Má dvě otáčivá ramena 3 umístěná protilehle vzhledem k ose otáčení. Na ramenech 3 jsou připevněny nádrže 3.2 válcového tvaru o obsahu 161. Před uvedením do činnosti se pomocí půdního vrtáku připraví díry k ukotvení generátoru G a zakope se podzemní část P. Nádrže 3.2 se naplní vodou, každé ze závaží tak má hmotnost 21 kg. Přitom se kontroluje vodorovné uložení pomocí libely. Poté se spustí pomocí řídicí jednotky U měření. Dále celý postup kontroluje řídicí jednot25 ka U. Nastartuje motor a tím se začnou roztáčet otáčivá ramena 3. Při dosažení požadované hodnoty rychlosti otáčení vypne motor. Po několikasekundové pauze spustí brzdicí mechanismus B. Přitom zajistí, aby brzdné tyče 5 byly spuštěny ve vhodný okamžik tak, aby zcela zapadly do žlábků dříve než do nich narazí tyče 3.1 otáčivých ramen 3. Při nárazu dojde mechanicky k přichycení tyčí 3.1 otáčivých ramen 3 k brzdným tyčím 5, k zastavení otáčivých ramen 3 a ke generování rotačních seismických vln. Od okamžiku nárazu se začne zaznamenávat výstup z rotačního seismického senzorového systému. Nejprve je použito malého zesílení, aby byl věrně zaznamenán silný budicí impuls, poté dojde ke zvýšení citlivosti (například stokrát) pro záznam odražených vln. Po ukončení záznamu jsou vypnuty západky 6 a otáčivá ramena 3 jsou pootočena zpět o několik desítek stupňů. Brzdné tyče 5 jsou vytaženy vzhůru a zajištěny pomocí západek 6. Tím je generátor G připraven k dalšímu použití.

Pro rozpoznání velmi slabých odrazů se celý postup mnohokrát opakuje a výsledky se sčítají (viz příklad 4). Přitom v polovině případů se roztáčí generátor ve směru hodinových ručiček, v polovině případů proti směru hodinových ručiček.

Příklad 4

Byl proveden pokus s prototypem, v podstatě odpovídajícím zařízení na obr. 2a-3b a v předchozích příkladech, který potvrdil správnou funkci celého zařízení. Pevná část P generátoru G byla zapuštěna do země. Otáčivá ramena 3 byla čtyři. Brzdicí mechanismus B byl realizován železnými trubkami, které byly drženy původně ve vodorovné pozici a ve vhodný okamžik zablokovaly otáčení otáčivých ramen 3 (zapadly do drážek vyhloubených do země). Tím došlo k nárazu otáčivých ramen 3 na brzdné tyče 5, prakticky k okamžitému zastavení otáčivých ramen 3 a tudíž ke generování rotačních seismických pohybů. Ty byly registrovány senzorovým systémem S, který sestával ze čtyř horizontálních geofonů 13 typu LF-24 (Sensor Nederland b.v.) s plochou frekvenční charakteristikou pro frekvence větší než 1Hz. Geofony 13 byly připevněny na tuhé kostře 14 ve tvaru válce (Obr. 7) o průměru 40 cm. Senzorový systém S byl umístěn na povrchu v blízkosti pevné části P generátoru G. Jako řídicí jednotky U byl použit počítač typu laptop s převodníkovou kartou UDAQ 1408 (Tedia).

Bylo provedeno 5 pokusů, při kterých se otáčívá ramena 3 otáčela po směru hodinových ručiček a 5 pokusů, při kterých se otáčivá ramena 3 otáčela proti směru hodinových ručiček.

Výsledky dvou z těchto pokusů jsou znázorněny na obr. 7. Na horním obrázku jsou průběhy signálu ze 4 geofonů _13 (a, b,c, d). Rozdíly mezi těmito záznamy jsou způsobeny právě rotačními složkami, které jsou znázorněny na spodním obrázku pro 2 dvojice geofonů 13 (a, c) a (b, d).

Výpočet citlivosti senzorového systému S byl proveden pro konkrétní prototyp senzorového systému, pomocí kterého se uskutečnilo výše popsané pokusné měření. Při použití kvalitnějších komponent by bylo možno dosáhnout ještě řádově vyšší citlivosti.

Byly použity geofony od firmy Sensor Nederland b.v. typu LF-24, které mají základní citlivost 15 V/(m/s). Signál je dále zesílen 100 krát, takže celková citlivost je 1500 V/(m/s). Tento analogový signál je digitalizován pomocí A/D převodníku (Tedia s.r.o.), s nastaveným rozsahem +5 V. Odtud plyne, že maximální rozsah zaznamenané rychlosti kmitání je přibližně +3,33 mm/s. Převodník má dynamiku 21 bitů, to znamená, že jeho celkový rozsah je rozdělen na přibližně + 10⁶ úrovní. Nejmenší rychlost kmitání, kterou je možno rozpoznat (LSB) je proto 3,33 nm/s. Poloměr disku, na kterém jsou geofony upevněny, je 20 cm. Z toho plyne, že LSB vyjádřené v radiánech činí 16,65 nrad/s. Toto lze považovat za základní citlivost tohoto konkrétního senzorového systému. Tato citlivost je konstantní ve frekvenčním pásmu 1 až 200 Hz.

Příklad 5

Výhodně je měření a zpracování výsledků prováděno pomocí jedné, případně i více řídicích jednotek U, ovládajících generátor a senzorové systémy a provádějící zpracování popsané dále. Obr. 5 ukazuje schéma provedení, kdy všechny tyto činnosti vykonává jedna řídicí jednotka U, která ovládá generátor G (v tomto provedení obsahující otáčivá ramena 3 a brzdné tyče 5) a soubor senzorových systémů SOS obsahující senzorové systémy S1 a S2. Řídicí jednotka LJ sestávající z operační jednotky (JI a procesoru U2, Tato jednotka vyšle povel 101 generátoru G k uvedení do výchozího stavu (inicializace (Π). Poté vyšle jednotka povel 102 motoru G2 ke spuštění. Optická závora G3 vysílá signály 103 o rychlosti otáčení a momentální poloze ramen, tyto údaje jsou v řídicí jednotce průběžně vyhodnocovány. Po dosažení dostatečné rychlosti ramen vyšle jednotka povel 104 k vypnutí motoru. V optimální poloze ramen pak vyšle jednotka povel 105 ke spuštění ovladače G4 brzdicího mechanismu B a zároveň povel 106 ke snížení citlivosti senzorového systému S1 umístěného těsně pod generátorem G. Tento senzorový systém Si zaznamená budicí rotační signál a vyšle o tom zprávu 107 řídicí jednotce. Bezprostředně poté vyšle jednotka povel 108 ke zvýšení citlivosti senzorového systému Si. Senzorový systém SI a případně další systémy S2 až SN poté zaznamenají rotační signály 109, 110, které se vracejí zpět z horninového masívu (například odražené od nehomogenit). Poté se všechna nashromážděná data předají 111 procesoru U2, kde dochází k jejích průběžnému a/nebo pozdějšímu zpracování. Je výhodné celý proces inicializace, spuštění a zastavení generátoru G mnohokrát opakovat s cílem zvýšení citlivosti měření. Výsledkem měření a zpracování v procesoru U2 jsou výstupní rotační seismogramy 112, odpovídající jednotlivým senzorovým systémům SI až SN.

Procesor provádí zpracování podle schématu na obr. 6, kde seismická souprava obsahuje generátor G a rotační seismické senzorové systémy Sl, S2 .. SN, které měří tři složky rotačního pohybu Cl až C3. Obrázek odpovídá situaci, kdy se k měření používá více senzorových systémů S než jeden a každý z nich měří rotační pohyb kolem tří navzájem kolmých os (rovnoběžných pro všechny senzorové systémy). Modifikace ovládání generátoru G a měřícího zařízení, např. v provedení, kdy je odlišný brzdicí mechanismus B, je odborníkovi zřejmá.

Při zpracování seismického měření jsou k dispozici následující Časové průběhy:

a) budicí signály b,k (t) (prvních několik desetin sekundy záznamu),

CZ 20013 Ul

b) odražené a/nebo refragované signály x_ik (t) (zbytek záznamu), kde z'je číslo pokusu a Ar je číslo seismického senzorového systému S.

Zpracování se provádí v několika krocích:

1) V závislosti na orientaci senzorů 12 nebo 13 ve dvojici se odečtou nebo sečtou signály z protilehlých senzorů. Tím se dosáhne toho, že se odečtou translační složky a zbudou pouze rotační složky. Tak se dostane rotační budicí signál By(t) a hledají se odražené a/nebo refragované rotační signály v časových průbězích Xy(t), kde i je číslo pokusu a j je číslo dvojíce senzorů 12 nebo J_3.

2) Využije se toho, že odražené a/nebo refragované vlny by měly mít stejný Časový průběh jako budicí signál. Vypočtou se proto korelační funkce podle vzorce VI:

AT,,.(/)= j5₉(r)J,(r+í)rff <V1)

V praxi je ovšem budicí signál nenulový pouze v krátkém časovém intervalu, proto stačí integrovat pouze v těchto mezích. Pokud má odraz přicházející v čase t stejnou orientaci jako budicí signál je funkce Ky(t) kladná, jinak je záporná. Pokud žádný odraz nepřichází, je Ky(t) nulová (pokud se předpokládá ideální případ bez šumu). Odrazy se tedy mohou identifikovat tak, že se najdou lokální maxima funkce \Ky (t)\.

3) Všechny funkce Ky(t) by měly být teoreticky totožné. V praxi však vždy existuje šum, který způsobí, že tyto funkce nejsou stejné a že některé slabé odrazy zanikají v šumu. Rozdíly mezi jednotlivými páry snímačů jsou větší než rozdíly mezi jednotlivými pokusy, protože zde se přidává ještě chyba způsobená nestejnými charakteristikami jednotlivých senzorů, například geofonů, nedokonalou tuhostí kostry senzorového systému atd. Proto se provádí sčítání nejprve přes jednotlivé pokusy (index i). Tím se potlačí šum a dostane se součtová funkce S(t).

⁵(')=ΣΣ*Λ) (V2) ) i

V tomto vzorci se může použít nelineární skládání signálů například metodou GAS (Málek J., Kolínský P., Štrunc J., Valenta J. 2007: Generalized average of signals (GAS) - a new method for detection of very weak waves in seismograms. Acta Geodyn, er Geomat., 4, No.3., 5-10). Při použití této metody je nutno provést pouze menší počet pokusů, avšak na druhou stranu dochází k určitému zkreslení signálu. Výhodnost použití nelineárního skládání je proto různá pro různé případy. Pořadí sčítání je podstatné právě v případě, že se používá nelineární sčítání.

4) Odečtou se časy a amplitudy odražených a/nebo refragovaných vln.

5) Odečtené amplitudy a Časy Šíření odražených a/nebo refragovaných vln vstupují do výpočtu struktury geologického prostředí.

Tento postup se liší oproti dosud používaným postupům, především v pořadí prováděných operací při použití nelineárního sčítání:

1) výpočet korelační funkce podle vzorce VI,

2) sčítání přes jednotlivé pokusy (index i ve vzorci V2),

3) sčítání přes dvojice snímačů (index j ve vzorci V2), přičemž důležité je uvedené pořadí kroků 2 a 3.

Výhodou výše popsaného postupu je to, že i když jednotlivé naměřené rotační seismogramy nejsou zcela totožné (vlivem šumu, ne zcela stejné charakteristiky použitých senzorů, např. geofonů, atd.), korelační funkce jsou si navzájem mnohem podobnější. Rovněž záznamy z růzCZ 20013 Ul ných pokusů jsou si podobnější než záznamy z různých párů senzorů. Při jejich skládání proto dojde k velkému zesílení signálu, zvláště pokud se použije nelineární metoda GAS. Tím se značně zvyšuje citlivost celého zařízení.

Sčítání korelačních funkcí, jak je schematicky znázorněno na obr. 6, probíhá tedy nejprve pro všechna opakovaná spuštění a následného zastavení generátoru G a teprve poté se sčítají korelační funkce odpovídající dané složce rotačního pohybu pro všechny páry senzorů 12 a/nebo J_3 daného senzorového systému Srn, m=l ..N.

Claims (6)

1. Generátor (G) rotačních seismických vln, vyznačující se tím, že obsahuje pevnou část (P) pro zakotvení do země, otáčivou část (O) a brzdicí mechanismus (B) pro okamžité zastavení otáčivé části (O).

2. Generátor (G) rotačních seismických vln podle nároku 1, vyznačující se tím, že pevná část (P) obsahuje dvě nebo více pevných ramen (1) a středový sloup (2), otáčivá část (O) obsahuje dvě nebo více otáčivých ramen (3) a brzdicí mechanismus (B) obsahující brzdné tyče (5), které při brzdění narazí do tyčí (3.1) otáčivých ramen (3).

3. Generátor (G) rotačních seismických vln podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje motor pro otáčení otáčivé části (O).

4. Generátor (G) rotačních seismických vln podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že dále obsahuje řídicí jednotku (U) pro realizaci měření a zpracování dat seismických pohybů.

5. Seismická měřicí souprava, vyznačující se tím, že obsahuje generátor (G) podle nároku 4 a rotační seismický senzorový systém (S), který obsahuje jeden nebo více párů shodných seismických senzorů (12, 13), kde pár senzorů (12, 13) je vždy spojen pevně s nedeformovatelnou kostrou (14) systému (S) a senzory (12, 13) jsou umístěny tak, že jejich osy leží na dvou rovnoběžných přímkách, přičemž tyto přímky jsou od sebe ve vzdálenosti mnohem menší než je vlnová délka P-vln v okolní hornině, a spojnice senzorů (12, 13) v daném páruje kolmá na osu rotačního pohybu, který se měří, a zároveň nesmí být rovnoběžná s osou, podél které se měří translační pohyby.

6. Seismická měřicí souprava podle nároku 5, vyznačující se tím, že seismické senzory (12, 13) jsou napojeny na řídicí jednotku (U) s implementovaným počítačovým programem pro měření rotačních seismických pohybů s vysokou citlivostí.