CZ2008689A3 - Generátor rotacních seismických vln, seismická mericí souprava obsahující tento generátor a zpusob seismického pruzkumu - Google Patents

Abstract

Generátor (G) seismických rotacních vln obsahuje pevnou cást (P) pro zakotvení do zeme, otácivou cást (O) a brzdicí mechanismus (B) pro okamžité zastavení otácivé cásti. Generátor prípadne dále obsahuje motor pro otácení otácivé cásti (O) a rídicí jednotku (U) pro realizaci merení a zpracování dat seismických pohybu. Seismická mericí souprava obsahuje generátor (G) a alespon jeden rotacní seismický senzorový systém (S). Zpusobu seismického pruzkumu využívá soupravu podle vynálezu, výhodne doplnenou pocítacovým programem pro rízení cinnosti soupravy, sber dat a jejich vyhodnocení. Seismická merení pomocí generátoru (G) podle vynálezu, zejména ve spojení s rotacním seismickým senzorovým systémem (S), umožnují seismický pruzkum s využitím rotacních pohybu pudy, což pomáhá upresnit urcení struktury hornin v hloubce.

Description

Generátor rotačních seismických vln, seismická měřicí souprava obsahující tento generátor a způsob seismického průzkumu

Oblast techniky

Vynález se týká obecné oblasti seismických měření. Vynález se konkrétně týká generátoru seismických rotačních vln, měřicí soupravy obsahující generátor podle vynálezu a detekční zařízeni na principu rotačního seismického senzorového systému a nakonec se týká I způsobu seismického měření využívajícího generátor podle vynálezu a rotační seismický senzorový systém. Seismická měřeni pomocí generátoru podle vynálezu a seismického rotačního senzorového systému 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 (posunuti a odvozené veličiny jako rychlost a zrychleni tohoto pohybu) a rotační pohyb (otáčení a odvozené veličiny jako rychlost a zrychleni 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 generováni 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-of-freedom 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 vynálezu a tudiž 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 poskytuji 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 zařízeni, které může generovat rotační seismické pohyby, a to snadno opakovatelným způsobem. Tuto potřebu řeší generátor podle vynálezu, který je dále popsán. Výhodně je generátor podle vynálezu 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 vynálezu

Předmětem vynálezu 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.

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.

Generátor podle vynálezu obsahuje tyto základní části: pevnou část, otáčivou Část a brzdicí mechanismus.

Pevná část zakotvuje generátor do země a slouží jako osa pro otáčivou část.

Otáčivá část rotuje kolem svislé osy, která je tvořena alespoň otáčivými rameny. Na konci otáčivých ramen vzdáleném od osy otáčení jsou umístěna závaží, která představují většinu hmotnosti otáčivé části generátoru. Otáčivá část může být realizována i v jiné podobě, například jako rotující disk nebo prstenec. Odborník snadno nalezne obdobné řešení otáčivé části, které by mělo shodnou funkci. Brzdicí mechanismus umožňuje okamžité zabrzdění otáčivé části. Ve výhodném provedeni má výše popsaný generátor brzdfcí mechanismus, jehož základní součástí jsou brzdné tyče, kdy zabrzdění je realizováno nárazem otáčivých ramen do brzdných tyčí, nebo ozubené kolo upevněné na otáčivé části, kdy zabrzdění je realizováno zapadnutím zubů tohoto kola do mezer mezi zuby ozubeného segmentu pevné části. Odborník snadno nalezne analogický brzdicí mechanismus, který umožní okamžité zabrzděni otáčivé části.

Generátor případně dále obsahuje motor, který roztáčí otáčivou část, a případně obsahuje také řídicí jednotku.

Dalším předmětem vynálezu je seismická měřicí souprava, obsahující výše popsaný generátor rotačních seismických vln a rotační seismický senzorový systém, který obsahuje alespoň jeden pár rovnoběžných shodných senzorů, pevně spojených • · « s nedeformovatelnou kostrou, jak je podrobněji popsán dále, který měří generovaný rotační pohyb i rotační pohyby související s odraženými a/nebo refragovanými vlnami prošlými horninou. Řídíc! jednotka pak může měřit otáčky generátoru, vydávat povely ke spuštěni a vypnuti 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 tedy nejen k ovládání samotného generátoru, ale také k řizení celého postupu seismického měřeni. V řidiči jednotce může probíhat rovněž skládání signálů z opakovaných měřeni za účelem dosažení vysoké citlivosti, případně úplné matematické zpracování měřeni až do výsledného seismogramu, který je pak poskytnut v analogové nebo digitální podobě.

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

Dalším předmětem vynálezu je způsob generování rotačních seismických pohybů půdy, který spočívá v tom, že se použije generátor podle vynálezu, který se pevnou části ukotvi v zemi, a pohyblivá Část generátoru se po uvedení do pohybu okamžitě zastaví pomocí brzdícího mechanismu, přičemž při tomto v podstatě okamžitém zastaveni dojde k přenosu energie do horninového masivu.

Předmětem vynálezu je také způsob seismického průzkumu, který spočívá v tom, že se generátorem podle vynálezu generují rotační seismické pohyby a odezva se měří senzorovým systémem, který sestává z alespoň jedné dvojice rovnoběžných shodných senzorů, pevně spojených s tuhou nedeformovatelnou kostrou, a měřeni se zpracují a vyhodnotí řídicí jednotkou. Při způsobu podle vynálezu se provádí měření časového průběhu budfcích seismických signálů generovaných generátorem podle vynálezu a měření časového průběhu odražených seismických signálů. Specifické provedení způsobu vyhodnocení měření zahrnuje kroky, kdy se v kroku 1) vypočítá korelační funkce podle vzorce V1 (podrobně uveden dále), v kroku 2) se sčítá podle vzorce V2 (podrobně uveden dále) přes jednotlivé pokusy (index i), a v kroku 3) se sčítá se podle vzorce V2 přes dvojice snímačů (index j), kdy sčítáni je obvyklé sčítání nebo nelineární zobecněné sčítání, přičemž v případě nelineárního zobecněného sčítání se kroky 2 a 3 provádějí v uvedeném pořadí

Výhodně je řízení celého měření a vyhodnocení dat prováděno 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.

Generátor rotačních seismických vln podle vynálezu pracuje následujícím způsobem: Roztočí se, výhodně pomocí motoru, otáčivou část. Po dosaženi 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 by mohl být generátor rotačních vln použit ve spojení s některým z rotačních seismických snímačů odborníkovi známých ze stavu techniky (ovšem tato měření budou méně přesná), nebo výhodné v kombinaci s nově vyvinutým rotačním seismickým senzorovým systémem, který je dále také podrobněji popsán. V kombinaci s tímto systémem je pak výhodné použít speciální metodiku měření a zpracování výsledků, která značně zvyšuje citlivost měřeni, a která je dále popsána.

» · *« I9íl

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 tři 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. Řešeni podle vynálezu navíc umožňuje generátor používat pro mnoho pokusů po sobě s tím, že je stále generován v podstatě stejný puls rotačních seismických vln.

Přehled obrázků na výkresech

Obr. 1: Schematické znázornění prospekčniho měření s využitím vynálezu.

Obr. 2a: Bokorys generátoru s otáčivými rameny při pohybu.

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

Obr. 3a: 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 provedeni rotačního sesimického senzorového systému.

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

Obr. 8b: Rotační seísmogramy.

4· 4· ·#···· · 4 · · · ·

4 4 · · *

4 4 ♦ · 4 · • 4 4 4 · · • 444 · · ·

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1: Generátor rotačních seismických vln

Prospekčnl měřeni s využitím generátoru G podle vynálezu 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 S1. S2 a S3.

Pevná část P generátoru G (obr. 2a, 2b) je tvořena alespoň dvěma, výhodně třemi, pevnými rameny 1, která se zakopávají do země a jsou pevně spojena se středovým sloupem 2. Pro ukotvení jsou konce 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 2 upevněna pomoci dvou ložisek 4 s malým třením při otáčení. Mezi ložisky 4 je ke středovému sloupu 2 upevněn brzdicí mechanimsus B

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 rameno 3 je tvořeno dvěma tyčemi 3.1, které jsou šikmo připevněny ke středovému sloupu 2 s použitím ložisek 4. Na konci tyči 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.

Otáčivá část O generátoru G může být alternativně tvořena například prstencem nebo diskem rotujícím v rovině kolmé na středový sloup 2, který je zároveň osou rotace. Prstenec nebo disk nebo je ke středovému sloupu 2 připojen pomocí ložisek 4 umožňujících otáčivý pohyb s minimálním třením.

Brzdicí mechanismus B generátoru G_slouží k okamžitému zabrzdění otáčivé části O. Výhodnou variantou brzdicího mechanismu B, vhodného zejména je-li otáčivá část tvořena rameny 3, jsou brzdné tyče 5. Na obr. 2a, 2b je znázorněn generátor G * · • 0 s otáčivými rameny 3 ve stavu před zabrzděním, na obr. 3a_t 3b je stav po zabrzdění. Brzdicí mechanismus B obsahuje dvě nebo více brzdných tyčí 5. 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 U je západka uvolněna a brzdná tyč 5 překříží dráhu spodní tyče 3.1 otáčivého ramena 3. Brzdné tyče 5 padají po uvolnění směrem dolů jednak vlastní tíhou, jednak je pohyb urychlen pružinou 8. Spodní část brzdných tyčí 5 zapadne do žlábků v disku 10, 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 otvor v místě nárazu do tyče 3.1, a do tohoto otvoru pil 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 se tyto segmenty stlačí, po průchodu se roztáhnou a zabrání zpětnému rázu. Výhodné řešení je, aby tato západka byla ovládána též elektromagneticky. To umožní řídící jednotce U po skončeni pokusu uvést zařízeni opět do počátečního stavu bez ručního zásahu obsluhy. Tato vlastnost je výhodná kvůli tomu, že vysoké citlivosti se dosahuje mnohonásobným opakováním měření.

Jinou výhodnou variantou zabrzdění otáčivé Části O, zejména je-li tvořena rotujícím diskem, jak bylo zmíněno výše, je zapadnutí zubů ozubeného kola pevně spojeného s otáčivou části O do mezer mezi zuby ozubeného segmentu pevně spojeného s pevnou částí P. Oba ozubené prvky leží v rovině kolmé na osu otáčeni, tj. středový sloup 2. K aktivaci dojde například po uvolnění západky tak, že pohyblivá část se vlastní tíhou posune svisle dolů a přitlačí ozubené kolo otáčivé části k ozubenému segmentu pevné části

Motor generátoru (na obr. 2a až 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 generátor buď na jednu_;nebo na druhou stranu. Součástí motoru je výhodně i elektrický akumulátor, který slouží ke startováni • 4 4·

4 4· • 4 44 4 4 • 44 « · Φ · motoru, k napájení řídicí jednotky a k napájeni elektromagnetického ovládáni brzdicího mechanismu.

Příklad 2: Seismická měřicí souprava

Výhodně generátor G podle vynálezu společně s novým typem senzorového systému S vytváří seismický měřici systém, který umožňuje generováni a mimořádně citlivé snímáni rotačních seismických pohybů.

Rotační seismický senzorový systém § zcela nové konstrukce obsahuje jeden nebo více párů shodných (termín shodný je míněn ve smyslu charakteristik výstupního signálu) seismických senzorů 12 a/nebo 13 např. běžně dostupných geofonů (tj. seismických snímačů, které jsou založeny na elektromagnetickém snímání pohybu setrvačné hmoty, zavěšené na speciálně tvarované pružině). Pár senzorů 12, 13 je vždy spojen pevně s tuhou kostrou 14 senzorového systému S a je umistěn tak, že osy senzorů 12, 13 leží na dvou rovnoběžných přímkách (toto umístění je v popisu stručně označováno terminem rovnoběžné senzory), přičemž tyto přímky jsou od sebe ve vzdálenosti mnohem menší než je vlnová délka podélných seismických vln (P-vln) v okolní hornině. Obvykle se jedná o vzdálenost několika decimetrů. Přitom spojnice senzorů 12 nebo 13 v daném páru je kolmá na osu rotačního pohybu, který se měří, a zároveň nesmí být rovnoběžná s osou, podél které se měří translační pohyby. Počet párů senzorů 12, 13 závisí na počtu složek rotačního pohybu (počet os otáčení, kolem kterých probíhá měřeni současně) a dále na maximalizaci poměru citlivost/cena. Senzorový systém S s vice páry senzorů 12, 13 ie citlivější, avšak je dražší. Jednotlivé senzory 12 nebo 13 měří jednu translační složku seismických pohybů.

Princip měření rotačních složek pomocí páru rovnoběžných shodných senzorů 12 nebo 13 spočívá v tom, že se vypočte rozdíl mezi signálem z obou senzorů 12 nebo 13 (diferenciální pohyb). Pokud by v signálech nebyla rotační složka, byly by signály z obou senzorů 12 nebo 13 zcela identické, protože jsou pevně spojeny s tuhou kostrou 14 , která se nemůže nijak deformovat. Diferenciální pohyb z páru senzorů 12 nebo 13 s rovnoběžnými osami tedy odpovídá rotačnímu pohybu v rovině dané těmito osami. Citlivost měření daného páru je přitom přímo úměrná citlivosti jednotlivých senzorů 12 nebo 13 a vzdálenosti os senzorů 12 nebo 13. Vzdálenost senzorů 12 nebo 13 tvořících daný pár však nelze příliš zvětšovat, protože musí být zachována podmínka, že kostra 14 je nedeformovatelná a že její rozměry jsou v podstatě zanedbatelné vůči vlnové délce P-vln.

Výhodnou konkrétní realizací výše uvedeného senzorového systému S je rotační seismický senzorový systém S 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 upevněni senzorového systému S 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 12 nebo 13 tvořících senzorový systém S.

Mohou být tedy rozlišeny páry vertikálních senzorů 12 a horizontálních senzorů 13. Výhodné uspořádání senzorového systému S je takové, při kterém jak senzory 12 vertikálních párů tak i senzory 13 horizontálních párů leží v rovnoběžných rovinách. Jak vertikální senzory 12 tak horizontální senzory 13 leží ve vrcholech pravidelných mnohoúhelníků 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, např. kovové, kostře 14, jejíž podstatnou vlastností je to, že je nedeformovatelná.

Pro měřeni 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, 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 12.13, než jsou výše uvedené minimální počty. Rotační seismický senzorový systém S obsahuje tedy alespoň jeden pár senzorů 12 nebo 13, výhodné alespoň tři páry senzorů 12 nebo 13, výhodněji více než tři páry senzorů 12 nebo 13, a to ve specifickém uspořádání výše popsaném.

Jedna z možných variant takového řešení je na obr. 4. V tomto provedení je použito pět párů senzorů 12 a/nebo 13, které měří ve 3 navzájem kolmých směrech, 2 páry ve svislém a 3 ve vodorovném směni. Vertikální senzory 12 a horizontální senzory ·”· ♦ · · · • « ♦ * · · · jsou uchyceny na pevná kruhové kostře 14 ve vrcholech pomyslných mnohoúhelníků 15, přičemž všechny dvojice senzorů 12 a/nebo 13, pomyslné mnohoúhelníky 15 a pevná kostra 14 kruhového tvaru mají identický průmět 1 středů. Jiné výhodné provedení je ukázáno na obr. 7.

Výhodně je souprava obsahující generátor G podle vynálezu a rotační seismický senzorový systém S ovládána řídicí jednotkou U, která automaticky ovládá generátor i senzorový systém, 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 12 a/nebo 13, zapíná a vypíná motor, aktivuje brzdicí mechanismus B a uvádí generátor G do původního stavu. K řídicí jednotce U je připojen motor, elektromagnetická relé, seismický rotační senzorový systém S a otáčkoměr, např. optický otáčkoměr. Princip optického otáčkoměru spočívá v tom, že optický paprsek je přerušován průchodem otáčejících se ramen 3. K aktivaci brzdicího mechanismu B dochází například ve vhodné poloze otáčivých ramen 3 vůči brzdným tyčím 5.

Ve výhodném řešeni v řídicí jednotce U probíhá také zpracováni naměřených dat způsobem, který je popsán dále. Řidiči jednotka U výhodné obsahuje implementovaný počítačový program, který realizuje způsob vyhodnoceni a zpracování dat, který je popsán vývojovým diagramem na obr. 5 a v jednom konkrétním provedení je popsán v dalším příkladu. Uvedený počítačový program může být implementován i do vzdáleného jiného počítače, který je využit ke zpracování dat.

Přiklad 3: Měření uměle generovaných rotačních pohybů užitím prototypu

Generátor a jeho funkce

Generátor G v tomto konkrétním provedení odpovídá v podstatě schématu na obr. 2a až 3b. Má dvě otáčivá ramena 3 umístěná protilehle vzhledem k ose otáčení. Na tyčích 3.1 ramen 3 jsou připevněny nádrže 3.2 válcového tvaru o obsahu 16 I. Před uvedením do činností se pomocí půdního vrtáku připraví díry k ukotvení generátoru • ·

G a zakope se podzemní část pevné Části 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 U jednotky měření. Dále celý postup kontroluje řídicí jednotka U. Nastartuje motor a tím se začnou roztáčet ramena 3. Při dosaženi 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 žlábkú 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 pohybu 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 6 a otáčivá ramena 3 jsou pootočena zpět o několik desítek stupňů. Brzdné tyče § 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 další příklad). Přitom v polovině případů se roztáčí ramena 3 generátoru G ve směru hodinových ručiček, v polovině případů proti směru hodinových ručiček.

Pokus s prototypem generátoru

Byl proveden pokus s prototypem generátoru G, v podstatě odpovídajícím zařízení na obr. 2a až 3b, který potvrdil technickou proveditelnost zařízeni a jeho správnou funkci. Pevná část P generátoru G byla zapuštěna do země. Otáčivá ramena O byla Čtyři. Brzdicí mechanismus B byl vytvořen železnými trubkami 5, které byly drženy původně ve vodorovné pozicí a ve vhodný okamžik zablokovaly otáčeni ramen 3 (zapadly do drážek vyhloubených do země). Tím došlo k nárazu tyčí 3.1 otáčivých ramen 3 na brzdných tyči 5, a tedy 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 senzorů 13, tj.

• · · • · « ♦ · · * « · · · · ·

Φ ♦ · · · · · • · * · · · «·v · ·· ·· · geofonů typu LF-24 (Sensor Nederland b.v.) s plochou frekvenční charakteristikou pra frekvence větší než 1 Hz. 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 otáčivá ramena 3 otáčela po směru hodinových ručiček a 5 pokusů, při kterých se ramena 3 otáčela proti směru hodinových ručiček.

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

Výpočet citlivosti senzorového systému

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

Byly použity geofony 13 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 ±5V. 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 ±10^e úrovní. Nejmenší rychlost kmitání, kterou je možno rozpoznat (LSB) je proto 3,33 nm/s. Poloměr disku, na kterém jsou geofony 13 upevněny, je 20 cm. Z toho plyne, že LSB vyjádřená v radiánech činí 16,65 nrad/s. Toto lze považovat za základní citlivost tohoto konkrétního senzorového systému S. Tato citlivost je konstantní ve frekvenčním pásmu 1 až 200 Hz.

I « · * · • · « • · · • « · »· · * ·· «

• «· • «· * ♦ · « •· « ·

Metodika prováděni měřeni a zpracování výsledků

Výhodně je měřeni a zpracování výsledků prováděno pomocí jedné, případně i více řídicích jednotek U, ovládajících generátor G podle vynálezu a senzorové systémy S a provádějící zpracování popsané dále. Obr. 5 ukazuje provedení, kdy všechny tyto činnosti vykonává jedna řidlcí jednotka U, která ovládá generátor G (v tomto provedeni obsahující otáčivá ramena 8 a brzdné tyče 5) a soubor SOS senzorových systémů S_(resp. S1 až 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 G1). Poté vyšle jednotka povel 112 ovladači G2 motoru ke spuštěni motoru. Optická závora G3 vysílá signály 113 o rychlosti otáčení a momentální poloze ramen 3, tyto údaje jsou v řidiči jednotce U průběžně vyhodnocovány. Po dosažení dostatečné rychlosti ramen 8 vyšle jednotka povel 114 k vypnuti motoru. V optimální poloze ramen 3 pak vyšle jednotka U povel 115 ovladači G4 brzdného mechanismu B ke spuštění a zároveň povel 116 ke sníženi citlivosti senzorového systému S1 umístěného těsně pod generátorem G. Tento senzorový systém S1 zaznamená budiči rotační signál a vyšle o tom zprávu 117 řídicí jednotce U. Bezprostředně poté vyšle jednotka U povel 118 ke zvýšeni citlivosti senzorového systému S1. Senzorový systém £1 a případně další systémy S2 až SN poté zaznamenají rotační signály 119, 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, spuštěni 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 S1 až SN.

Procesor provádi zpracování podle schématu na obr. 6, kde se k měření používá generátor G, rotační seismické senzorové systémy S1, S2 .. SN a měří se tři složky C1 až C3 rotačního pohybu. Obrázek odpovídá situací, kdy se uživá více senzorových systémů S než jeden a každý z nich měří rotační pohyb kolem tří navzájem kolmých os (rovnoběžných pro všechny senzorové systémy Slaž SN).

Modifikace ovládání generátoru G a senzorových systémů S1až SN. např. v provedení, kdy je odlišný brzdicí mechanismus B, je odborníkovi zřejmá.

Pří zpracováni seismického měření jsou k dispozici následující časové průběhy:

a) budící signály b_lk(t) (prvních několik desetin sekundy záznamu),

b) odražené a/nebo refragované signály x^t) (zbytek záznamu), kde / je číslo pokusu a fcje číslo seismického snímače.

Zpracování se provádí v několika krocích:

I. V závislosti na orientaci snímačů 12 nebo 13 ve dvojici se odečtou nebo sečtou signály z protilehlých snímačů 12 nebo 13. Tím se dosáhne toho, že se odečtou translační složky a zbudou pouze rotační složky. Tak se dostane rotační budící signály B_s(t) a hledají se odražené a/nebo refragované rotační signály v časových průbězích Xjj(t), kde / je číslo pokusu a j je číslo dvojice snímačů 12 nebo 13.

II. Využije se toho, že odražené a/nebo refragované vlny by měly mít stejný časový průběh jako budící signál. Vypočtou se proto korelační funkce podle vzorce V1:

(V1)

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

III. Všechny funkce K₉(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 nebo 13 jsou větší než rozdíly mezi jednotlivými pokusy, protože zde se přidává ještě • · 4 λ

Φ Φ Φ • · • · • « chyba způsobená nestejnými charakteristikami jednotlivých senzorů 12 nebo 13, například geofonů, nedokonalou tuhosti 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(/).

(V2)

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. et Geomat., 4, No.3., 5-10). PH 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 zobecněné nelineární sčítáni.

IV. Odečtou se časy a amplitudy odražených a/nebo refragovaných vln.

V. Odečtené amplitudy a časy šíření odražených a/nebo refragovaných vln vstupují do výpočtu struktury geologického prostředí. Tento výpočet není součástí předkládaného vynálezu.

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

1) výpočet korelační funkce podle vzorce V1,

2) sčítáni podle vzorce V2 přes jednotlivé pokusy (index i),

3) sčítání podle vzorce V2 přes dvojice snímačů (index j), kdy sčítání je obvyklé sčítání nebo nelineární zobecněné sčítání, přičemž v případě nelineárního zobecněného sčítání se kroky 2 a 3 provádějí v uvedeném pořadí.

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 12 nebo 13. Pil 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 13 daného senzorového systému Sm, m=1..N.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY . ν-ϊ.

   φφ φ·φ φ

   1. Generátor (G) rotačních seismických vln^vyznačující se tím, že obsahuje pevnou část (P) pro zakotveni do země, otáčivou část (O) a brzdicí mechanismus (B) pro okamžité zastaveni otáčivé části (0).

   2. Generátor (G) rotačních seismických vln podle nároku 1 až 3_;v y z n a č u j i c i se t í m, že pevná část (P) je tvořena dvěma nebo více pevnými rameny (1) a středovým sloupem (2), otáčivá část (O) je tvořena dvěma nebo více otáčivými rameny (3) a brzdící mechanismus (B) obsahuje brzdné tyče (5), které při brzděni narazi do tyči (3.1) otáčivých ramen (3), nebo obsahuje ozubené kolo upevněné na otáčivé části (O), jehož zuby při zabrzdění zapadnou do ozubeného segmentu pevné části (P).

   3. Generátor (G) rotačních seismických vln podle nároku 1 nebo 2v y z n a č u j i c í se t í m, že dále obsahuje motor pro otáčení otáčivé části (O).

   4. Generátor (G) rotačních seismických vln podle nároku 1 až3_;vyznaěující se t i m, že dále obsahuje řídicí jednotku (U) pro realizaci měření a zpracováni 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 páru je kolmá na osu rotačního • · · · t · · · 1 * « » · ««··· · »·i pohybu, který se měří, a zároveň nesmí být rovnoběžná s oso⁴, podél které se měří translační pohyby.

   6. Způsob generování rotačních seismických pohybů půdy,vyznaČ ujIci se

   I t í m, že se použije generátor (G) podle nároku 1 až 4, který se pevnou částí (P) upevní v zemi, a otáčivá část (O) generátoru (G) se po uvedení do pohybu naráz zastaví pomocí brzdicího mechanismu (B), přičemž při tomto v podstatě okamžitém zastavení dojde k přenosu energie do horninového masivu.

   7. Způsob seismického průzkumu ^vyznačující se tím,že užitím seismické měřicí soupravy podle nároku 5 se pomoci generátoru (G) seismických rotačních vin generuji rotační seismické pohyby, rotačním senzorovým systémem (S) se měří odezva na rotační seismické pohyby generované generátorem (G) a pomoci řídicí jednotky (U) se měření zpracovávají a vyhodnocují.

   8. Způsob seismického průzkumu podle nároku 7, vyznačující se t í m_; že se rotačním senzorovým systémem (S) měří časový průběh budících seismických signálů generovaných generátorem (G) a časový průběh odražených a/nebo refragovaných seismických signálů.

   9. Způsob seismického průzkumu podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se t í m_; že vyhodnocení seismického měření zahrnuje kroky, kdy se

   1) vypočítají korelační funkce Krft) podle vzorce V1:

   a* «,(<)= Js,(r)Jf,(r+íVr , kde Bf je budicí signál v čase t, X# je odražený nebo refragovaný signál v čase τ+t, i je Číslo pokusu a /je Číslo dvojice snímačů,
2. 2) pro výpočet součtové funkce S(t) se sčítá podle vzorce V2:

   ε(.<}=ΣΣ^κΜ j <

   přes index /, přičemž / a j máji shodný význam jako ve vzorci V1, a
3. 3) sčítá se podle vzorce V2:

   sW=EZ«,W

   J i přes index j, přičemž i a j mají shodný význam jako ve vzorci V1, přičemž sčítáni je obvyklé sčítáni nebo nelineární zobecněné sčítání, a v případě nelineárního zobecněného sčítání se kroky 2 a 3 provádějí v uvedeném pořadí.

   10. Seismická měřicí souprava podle nároku 5,vyznačující se tím, že v řídicí jednotce (U) je implementovaný počítačový program pro realizaci způsobu podle nároku 7 až 9.