CZ20014U1 - Rotační seismický senzorový systém a seismická měřicí souprava obsahující tento systém - Google Patents

Description

Rotační seismický senzorový systém a seismická měřicí souprava obsahující tento systém

Oblast techniky

Technické řešení se týká obecně oblasti seismických měření, konkrétně se týká rotačního seismického senzorového systému. Dále se týká seismické měřicí soupravy, která kromě rotačního senzorového systému obsahuje umělý zdroj rotačních seismických pohybů půdy, a sice generátor rotačních seismických vln. Seismická měření pomocí rotačního seismického senzorového systému a generátoru rotačních seismických vln umožňují seismickou prospekci s využitím rotačních pohybů půdy, což pomáhá upřesnit určení struktury hornin v hloubce.

Dosavadní stav techniky

Při 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).

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 předkládaného technického řešení a tudíž omezení na krátké vzdáleností 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 najedno 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.

Pro použití při seismické prospekci existuje potřeba relativné malého, mobilního zařízení, které může měřit rotační seismické pohyby, a to s dostatečnou citlivostí. Tuto potřebu řeší popsaný rotační seismický senzorový systém. Výhodně je rotační seismický senzorový systém v soupravě s generátorem rotačních seismických vln, který je dále popsán. Při použití zde popsaného postupu a vyhodnocení měření je možné 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.

Předmětem technického řešení je rotační seismický senzorový systém, který obsahuje alespoň jeden pár rovnoběžných shodných senzorů, pevně spojených s nedeformovatelnou kostrou, který měří přirozeně či uměle generovaný rotační pohyb i rotační pohyby související s odraženými a/nebo refragovanými vlnami prošlými horninou. Součástí senzorového systému může být i řídicí jednotka.

Konkrétně jde o rotační seismický senzorový systém, který obsahuje jeden nebo více párů shodných seismických senzorů, kde pár senzorů je vždy spojen pevně s nedeformovatelnou kostrou systému a senzory 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 io hornině, a spojnice senzorů v daném páru je kolmá na osu té složky rotačního pohybu, která se měří, a zároveň nesmí být rovnoběžná s osou, podél které se měří translační pohyby. Z důvodu výše uvedeného uspořádání podélných os senzorů se senzory v páru označují jako rovnoběžné senzory.

Ve výhodném provedení se jedná o rotační seismický senzorový systém, který obsahuje jeden nebo více párů vertikálních a/nebo horizontálních senzorů, které leží v rovnoběžných rovinách, kde jak horizontální tak vertikální senzory leží ve vrcholech pravidelných mnohoúhelníků se sudým počtem vrcholů.

Rotační seismický senzorový systém může být použit pro měření seismických rotačních pohybů, které jsou vyvolány přirozeným zdrojem, např. zemětřesením. Může být použit také pro měření seismických rotačních pohybů vyvolaných umělým zdrojem, například výbuchem, výhodně generátorem rotačních seismických vln, jaký je popsán dále v této přihlášce.

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

Generátor rotačních seismických pohybů, který je vhodný pro společné použití s výše popsaným rotačním seismickým senzorovým systémem, obsahuje pevnou část, otáčivou část a brzdicí mechanismus. Ke generování rotačních seismických pohybů dochází okamžitým zastavením otáčivé části generátoru, při kterém dojde k přenosu energie do horninového masívu.

Generátor má tyto základní části: pevnou část, která zakotvuje generátor do země a slouží jako osa pro otáčivou část, otáčivou část, která rotuje kolem svislé osy, kde na konci vzdáleném od osy otáčení mohou být umístěna závaží, která představují většinu hmotnosti generátoru, a případně motor, který roztáčí otáčivou část, a dále brzdicí mechanismus, který umožňuje okamžité zabrzdění otáčivé části. Ve výhodném provedení má výše popsaný generátor brzdicí mechanismus, který je tvořen brzdnými tyčemi, a zabrzdění je realizováno nárazem otáčivých ramen do brzdných tyčí. Alternativní mechanismus může obsahovat ozubené kolo otáčivé části, kdy zabrzdění je realizováno 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.

Řídicí jednotka může být použita k řízení samotného rotačního seismického senzorového systému, zejména v případě využití přirozeného zdroje seismických pohybů (zemětřesení) nebo umělého zdroje odlišného od generátoru rotačních seismických vln popsaného zde.

Řídicí jednotka může měřit také 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 z jednoho nebo více rotačních seismických senzorových systémů. Řídicí jednotka může být využita nejen k ovládání senzo45 rového systému, 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.

CZ 20014 Ul

Výhodně senzorový systém nebo 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 a vyhodnocení dat provádí pomocí počítačového programu, který je implementován např. v řídicí jednotce, a který provádí měření a) časového průběhu budicích seismických signálů a b) časového průběhu odražených a/nebo refragovaných seismických signálů.

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.

Popsaný rotační seismický senzorový systém je díky svým malým rozměrům a malé hmotnosti snadno přenositelný a může být tedy instalován v kterékoliv zájmové oblasti. Další výhodou jsou relativně nízké náklady na výrobu tohoto seismického senzorového systému.

Významnou výhodou popsaného rotačního seismického senzorového systému je to, že umožňuje současné měření jak rotačních, tak translačních složek seismického pohybu, což je nutné pro kompletní popis pohybu půdy v daném bodě.

Rotační seismický senzorový systém může být použit pro měření seismických rotačních pohybů, které jsou vyvolány přirozeným zdrojem, např. zemětřesením, nebo jsou vyvolány umělým zdrojem, například výbuchem.

Při seismickém průzkumu se pro generování rotačních seismických vln výhodně užije zde popsaný generátor. Kinetická energie otáčivé části generátoru se po okamžitém zastavení přenese do pevné části zakotvené do země a 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.

V kombinaci s uvedeným senzorovým systémem, výhodně s měřicí soupravou je pak použita speciální metodika měření a zpracování výsledků, která značně zvyšuje citlivost měření.

Generátor rotačních seismických vln zde popsaný 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. Takovýto generátor je navíc možné používat pro mnoho pokusů po sobě s tím, že je stále generován v podstatě stejný puls rotačních seismických vln.

Rotační seismický senzorový systém v soupravě s popsaným generátorem jsou díky svým rozměrům a malé hmotnosti snadno přenositelné a instalovatelné v kterékoliv zájmové oblasti.

Použitá metoda zpracování umožňuje identifikovat slabší odražené 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 vynálezu.

Obr. 2: Jedna z možných realizaci rotačního seismického senzorového systému.

Obr. 3 a: Bokorys generátoru s otáčivými rameny při pohybu.

Obr. 3b: Půdorys generátoru s otáčivými rameny při pohybu.

Obr. 4a: Bokorys generátoru s otáčivými rameny po zabrzdění.

Obr. 4b: Půdorys generátoru s otáčivými rameny po zabrzdění.

Obr. 5: Blokové schéma činnosti řídicí jednotky.

Obr. 6: Schéma zpracování měření procesorem řídicí jednotky.

Obr. 7: Fotografie jednoho provedení senzorového systému.

Obr. 8a: Naměřené signály z geofonů.

Obr. 8b: Rotační seismogramy.

Příklady provedení

Příklad 1

Prospekční měření s využitím rotačního seismického senzorového systému 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 rotačních seismických senzorových systémů Sl. S2 a S3.

Pro názornost je schéma rotačního seismického systému S znázorněno na obr. 2. V tomto provedení systém S obsahuje pět dvojic senzorů 12 a 13, které měří ve 3 navzájem kolmých směrech, 2 dvojice ve svislém a 3 ve vodorovném směru. Tento senzorový systém S obsahuje vertikální senzory 12 a horizontální senzory 13, uchycené na pevné kruhové kostře 14. Senzory a 13 jsou uspořádány tak, že leží ve vrcholech pomyslných mnohoúhelníků 15 se sudým počtem vrcholů a průmětem JT středů všech párů senzorů 12 a 13, pomyslných mnohoúhelníků 15. a pevné kostry 14 kruhového tvaru.

Rotační seismický senzorový systém S obsahuje jeden nebo více párů shodných seismických senzorů 12 a/nebo 13 (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 (tj. dva senzory 12 nebo dva senzory 13) je vždy spojen pevně s tuhou kostrou 14 systému S, a senzory 12 nebo 13 v páru 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 (obvykle se jedná o vzdálenost několika decimetrů), a spojnice senzorů 12 nebo v daném páruje kolmá na osu té složky rotačního pohybu, která se měří, a zároveň nesmí být rovnoběžná s osou, podél které se měří translační pohyby (toto umístění je v popisu stručně označováno termínem rovnoběžné senzory).

Počet párů senzorů 12, 13 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 pomocí páru shodných rovnoběžných senzorů 12,13 spočívá vtom, 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 kostrou, která se nemůže nijak deformovat. Diferenciální pohyb z páru senzorů nebo J3 s rovnoběžnými osami tedy odpovídá rotačnímu pohybu v rovině dané těmito osami. Citlivost měření daného páru je přitom přímo úměrná citlivostí jednotlivých senzorů 12, 13 a vzdálenosti jejich os. Vzdálenost senzorů J2 nebo J3 tvořících daný pár však nelze příliš zvětšovat, protože musí být zachována podmínka, že kostra J4 je nedeformovatelná a že její rozměry jsou v podstatě zanedbatelné vůdčí vlnové délce P-vln.

Výhodným konkrétním provedením výše uvedeného senzorového systému je rotační seismický senzorový systém S uvedený na obr. 2 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 přístroje k zemi. Není-li systém S fixován k zemi, užívají se tyto pojmy pouze k rozlišení dvou navzájem kolmých směrů, podél nichž mohou být orientovány osy senzorů J2. nebo J3 tvořících senzorový systém.

Mohou být tedy rozlišeny páry vertikálních senzorů J2 a horizontálních senzorů JJ. Výhodné uspořádání senzorového systému S je takové, při kterém páry vertikálních senzorů 12 i páry horizontálních párů senzorů JJ leží v rovnoběžných rovinách, a jak vertikální senzory J2 tak horizontální senzory J3 leží ve vrcholech pomyslných pravidelných mnohoúhelníků J5. (ve speciálním případě dvou senzorů J2 nebo J_3 se takový mnohoúhelník J5 redukuje na úsečku). Jak vertikální senzory J2 tak horizontální senzory J3 jsou pevně připojeny k pevné kostře J4. např. kovové, jejíž podstatnou vlastností je to, že je nedeformovatelná.

Pro měření rotace kolem jedné osy je potřeba alespoň jeden pár senzorů J2 nebo JJ s osami v rovině kolmé na tuto osu. Pro současné měření kolem tří navzájem kolmých os rotace je tedy třeba alespoň tří párů senzorů J2 nebo 13, kdy osy senzorů v každé dvojicí leží v jedné ze tří navzájem kolmých rovin. Pro dosažení větší citlivostí měření je na pevném rámu namontováno více párů senzorů j_2 a/nebo 13, než jsou výše uvedené minimální počty. Rotační seismický senzorový systém S obsahuje tedy alespoň jeden pár senzorů J2 nebo J3, výhodně tři páry senzorů J2 nebo 13, výhodněji více než tři páry senzorů J2 nebo J3, a to ve specifickém uspořádání výše popsaném.

Příklad 2

Seismická měřicí souprava obsahuje výše popsaný rotační seismický senzorový systém S a generátor rotačních seismických vln G, který má výhodně tyto základní části (viz obr. 3a až 4b): pevnou část P, otáčivou část O a brzdicí mechanismus B.

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

Otáčivá část O má výhodně podobu dvou či více otáčivých ramen 3 rozmístěných v pravidelných úhlových intervalech kolem osy otáčení, tj. středového sloupu 2. Každé otáčivé rameno 3 je tvořeno např. dvěma tyčemi 3.1, které jsou šikmo připevněny ke středovému sloupu 2 s použitím ložisek 4. Mezi ložisky 4 je ke středovému sloupu 2 upevněn brzdicí mechanismus B. Otáčivá část O generátoru může být alternativně tvořena například prstencem nebo diskem rotujícím v rovině kolmé na středový sloup 2 pevné části P, který je zároveň osou rotace. Disk nebo prstenec je ke středovému sloupu 2 připojen pomocí ložisek 4 umožňujících otáčivý pohyb s minimálním třením. Na konci tyčí 3.1 (alternativně v prstenci nebo na obvodu disku) je upevněno závaží 32, které může být realizováno různými způsoby. Výhodné řešení je použít jako závaží 32 dutou válcovou nádrž, do které se například napouští voda nebo nasype písek. To umožňuje snadnější přepravu a plnění závaží až na místě. Válcový tvar závaží je zvolen jako výhodný kvůli malému odporu vzduchu při rychlém otáčení.

Brzdicí mechanismus B generátoru G slouží k prudkému zabrzdění otáčivé části O. Výhodný brzdicí mechanismu B, obsahuje brzdné tyče 5, přičemž zabrzdění se realizuje nárazem otáčíCZ 20014 U1 vých ramen 3, resp. jejich tyčí 3.1, do brzdných tyčí 5. Na obr. 3a, 3b je generátor G s otáčivými rameny 3 ve stavu před zabrzděním, na obr. 4a, 4b je stav po zabrzdění. Ve výhodném řešení je zvolen stejný počet brzdných tyčí 5 jako je otáčivých ramen 3. Brzdné tyče 5 jsou umístěny tak, aby nebránily pohybu ramen 3 a jsou zajištěny pomocí západky 6, která je ovládána například elektromagneticky pomocí relé 7 a táhel 8. Na povel z řídicí jednotky je závlačka 6 uvolněna a brzdná tyč 5 překříží dráhu spodní tyče 3.1 ramena 3. 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 pevné části P. 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 místě nárazu do tyče 3.1 otvor, do kterého se při nárazu vsune západka, spojená s tyčí 3.1 otáčivého ramena 3. Západkový mechanismus může být například realizován v podobě západky, která je z obou stran vybavena trojúhelníkovými segmenty, které jsou od sebe oddalovány pružinou. Při průchodu otvorem v brzdné tyči 5 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 (na obr. 3a-4b není znázorněn) generátoru G roztáčí otáčivou část O, na niž je točivý moment motoru přenášen například pomocí klínového řemenu. Výhodné řešení je použít motor, který může roztáčet generátor buď na jednu nebo na druhou stranu. Součástí motoru je výhodně i elektrický akumulátor, který slouží ke startování motoru, k napájení řídicí jednotky U a k napájení elektromagnetického ovládání brzdicího mechanismu B.

Výhodně výše popsaný generátor G společně s rotačním seismickým senzorovým systémem S vytváří seismický měřicí systém, který umožňuje generování a mimořádně citlivé snímání rotačních seismických pohybů.

Řídicí jednotka U je realizována v podstatě jako počítač, který ve výhodném provedení zaznamenává údaje ze senzorů Sl, S2 zapíná a vypíná motor, aktivuje brzdicí mechanismus B a uvádí generátor G do původního stavu. K řídicí jednotce U je připojen motor generátoru G, elektromagnetická relé, seismický rotační 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 B dochází například ve vhodné poloze otáčivých ramen 3 vůči brzdným tyčím 5.

Ve výhodném řešení v řídicí jednotce U probíhá také zpracování naměřených dat způsobem, který je schematicky znázorněn na obr. 5. Řídicí jednotka U výhodně obsahuje implementovaný počítačový program, který realizuje způsob vyhodnocení a zpracování dat, který je popsán vývojovým diagramem na obr. 6. Uvedený počítačový program může být implementován i do vzdáleného jiného počítače, kteiý je využit ke zpracování dat.

Řídicí jednotka U vybavená programem pro zpracování dat může být užita obdobně také pro samotný rotační senzorový systém S v případě, že je využit jiný zdroj seismických pohybů (zemětřesení, výbuch).

Příklad 3

Byl proveden pokus s prototypem, v podstatě odpovídajícím zařízení na obr. 2, který potvrdil technickou způsobilost zařízení a jeho správnou funkci.

Rotační seismický senzorový systém S sestával ze čtyř horizontálních senzorů 13, tj. geofonů typu LF-24 (Sensor Nederland b.v.) s plochou frekvenční charakteristikou pro frekvence větší než 1 Hz. Geofony 13 byly připevněny na nedeformovatelné ocelové kostře 14 ve tvaru válce (viz obr. 7) o průměru 40 cm. Senzorový systém S byl umístěn na povrchu v blízkosti pevné části

P generátoru G rotačních pohybů půdy. Jako řídicí jednotky U byl použit počítač typu laptop s převodníkovou kartou UDAQ 1408 (Tedia).

Pro generování rotačních seismických pohybů půdy byl užit generátor G, který v podstatě odpovídá schématu na obr. 3a - 4b a je zjednodušenou verzí dále popsaného prototypu, který byl též zkonstruován. Pevná část P generátoru G byla zapuštěna do země. Otáčivá ramena 3 byla čtyři. Brzdicí mechanismus B byl realizován železnými trubkami ve funkci brzdných tyčí 5, které byly drženy původně ve vodorovné pozici a ve vhodný okamžik zablokovaly otáčení 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.

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

Výsledky měření ze dvou těchto pokusů jsou znázorněny na obr. 8a, 8b. Na obr. 8a jsou průběhy (a, b, c, d) výstupů ze 4 geofonů 13. Rozdíly mezi těmito záznamy jsou způsobeny právě rotačními složkami, které jsou znázorněny na spodním obrázku pro 2 páry (a, c) a (b, d) geofonů 13.

Příklad 4

Výpočet citlivosti senzorového systému S byl proveden se senzorovým systémem (obr. 7). pomocí kterého se uskutečnilo výše popsané pokusné měření. Při použití kvalitnějších komponent by bylo možno dosáhnout ještě lepší, až řádově vyšší citlivosti.

Byly použity geofony J3. 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.

Generátor G v tomto konkrétním provedení měl 2 otáčivá ramena 3 umístěná protilehle vzhledem k ose otáčení. Na otáčivých ramenech 3 jsou připevněny nádrže 3.2 válcového tvaru o obsahu 16 1. 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 jednotka U. Nastartuje motor a tím se začnou roztáčet 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 otáčivá ramena 3. Při nárazu dojde mechanicky k přichycení 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 S. 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 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. Přitom v polovině případů se roztáčí generátor ve směru hodinových ručiček, v polovině případů proti směru hodinových ručiček.

Příklad 5

Výhodně je měření a zpracování výsledků prováděno pomocí jedné, případně i více řídicích jednotek, ovládajících jeden nebo více senzorových systémů S společně s generátorem G a provádějící zpracování popsané dále. Obr. 5 ukazuje 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 Sl, S2..SN. Řídicí jednotka U sestávající z operační jednotky U1 a procesoru U2. Tato jednotka vyšle povel

101 generátoru G k uvedení do výchozího stavu (inicializace Gl). Poté vyšle jednotka U povel

102 ovladači G2 ke spuštění motoru. Optická závora G3 vysílá signály 103 o rychlostí otáčení a momentální poloze ramen 3, tyto údaje jsou v řídicí jednotce průběžně vyhodnocovány. Po dosažení dostatečné rychlosti ramen 3 vyšle jednotka povel 104 k vypnutí motoru. V optimální poloze ramen 3 pak vyšle jednotka povel 105 ovladači G4 k aktivací brzdicího mechanismu B a zároveň povel 106 ke snížení citlivosti senzorového systému Sl umístěnému těsně pod generátorem G. Tento senzorový systém Sl zaznamená budicí rotační signál a vyšle o tom zprávu 107 řídicí jednotce U. Bezprostředně poté vyšle jednotka U povel 108 ke zvýšení citlivosti senzorového systému Sl. Senzorový systém Sl 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 jejich 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 (viz obr. 8a, 8b), odpovídající jednotlivým senzorovým systémům Sl až SN.

Procesor U2 provádí zpracování podle schématu na obr. 6, kde souprava generátoru G a senzorových systémů Sl, S2.. SN měří tři složky Cl až C3 rotačního pohybu. Obrázek odpovídá situaci, kdy se k měření používá více senzorových systémů než jeden a každý z nich měří rotační pohyb kolem tří navzájem kolmých os (rovnoběžných pro všechny senzorové systémy).

Při zpracování seismického měření jsou k dispozici následující časové průběhy:

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

b) odražené a/nebo refragované signály x_ik(t) (zbytek záznamu), kde i je číslo pokusu a £je číslo seismického senzoru 12 nebo 13..

Zpracování se provádí v několika krocích:

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

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:

V(<)= p₉wA+<^V1>

«oo

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 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)\.

CZ 20014 Ul

3) Všechny funkce K^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 senzorů 12 a/nebo 13 jsou větší než rozdíly mezi jednotlivými pokusy, protože zde se přidává ještě chyba způsobená nestejnými charakteristikami jednotlivých senzorů 12,11, například geofonů, nedokonalou tuhostí kostry _14 senzorového systému S atd. Proto se provádí sčítání nejprve přes jednotlivé pokusy (index i). Tím se potlačí šum a dostane se součtová funkce S(t).

ύ')=ΣΣΜ) (V2)

J '

V tomto vzorci se může použít nelineární skládání signálů například metodou GAS (Málek J., ío 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, et Geomat., 4, No.3., 5-10). Při použití teto 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 V1,

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

3) sčítání přes dvojice senzorů (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 různých pokusů jsou si podobnější než záznamy z různých párů senzorů J_2 nebo 13.. 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 a teprve poté se sčítají korelační funkce odpovídající dané složce rotačního pohybu pro všechny páry senzorů daného senzorového systému Sm, m=l ..N.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   35 1. Rotační seismický senzorový systém (S), v y z n a č u j í c í se tí m, že 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

   40 páru je kolmá na osu té složky rotačního pohybu, která se měří, a zároveň nesmí být rovnoběžná s osou, podél které se měří translační pohyby.
2. 2. Rotační seismický senzorový systém podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje řídicí jednotku (U) pro realizací měření rotačních seismických pohybů s vysokou citlivostí a zpracování naměřených dat.
3. 3. Rotační seismický senzorový systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, 5 že obsahuje jeden nebo více párů vertikálních senzorů (12) a/nebo horizontálních senzorů (13), které leží v rovnoběžných rovinách, a jak vertikální senzory (12) tak horizontální senzory (13) leží ve vrcholech pravidelných mnohoúhelníků (15) se sudým počtem vrcholů.
4. 4. Seismická měřicí souprava, vyznačující se tím, že obsahuje rotační seismický senzorový systém (S) podle nároku 2 nebo 3 a generátor (G) rotačních seismických vln, který ío obsahuje pevnou část (P) pro zakotvení do země, otáčivou část (O) a brzdicí mechanismus (B) pro okamžité zastavení otáčivé části (O).
5. 5. Seismická měřicí souprava podle nároku 4, vyznačující se tím, že generátor (G) rotačních seismických vln dále obsahuje motor pro otáčení otáčivé části (O) generátoru (G).
6. 6. Seismická měřicí souprava podle nároku 5, vyznačující se tím, že generátor

   15 (G) a senzory (12, 13) seismického senzorového systému (S) jsou napojeny na řídicí jednotku (U) s implementovaným počítačovým programem realizujícím způsob měření a zpracování dat pro měření rotačních seismických pohybů s vysokou citlivostí.