DE2300960A1

DE2300960A1 - Einrichtung zur digitalen korrelation

Info

Publication number: DE2300960A1
Application number: DE2300960A
Authority: DE
Inventors: Carl H Savit
Original assignee: Western Geophysical Company of America
Current assignee: Western Geophysical Company of America
Priority date: 1972-01-17
Filing date: 1973-01-10
Publication date: 1973-08-02
Also published as: US3863058A; FR2168805A5

Description

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GEOPHYSICAL COMPANY OF AMERICA, 8100 Westpark Drive, Houston, [Texas 77001, U.S.A.

Einrichtung zur digitalen Korrelation.

Die Erfindung bezieht sich auf eine digitale Einrichtung zur Bestimmung des Grades der Zuordnung zwischen zwei Folgen von digitalen Größen, die in Gleitkommaform ausgedrückt sind, wobei jeder Teilwert der beiden Folgen aus wenigstens einem Yorzeichen und einem Exponenten besteht.

Bei der seismischen Erkundung richtet häufig eine seismische Energiequelle einen einzigen Wellenzug in die Erde; dieser Wellenzug wiederholt sich während einer Periode, die wenigstens ebenso lange ist wie die maximale Laufzeitverzögerung, nicht. In der Technik sind Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung dieser Methode der seismischen Erkundung bekannt, z.B. aus der US-Patentschrift 2.688.124. Der Wellenzug wird von verschiedenen Formationen unterhalb der Erdoberfläche nach oben zur Erdoberfläche reflektiert. Die reflektierten seismischen Signale, die von seismischen Detektoren auf der Erdoberfläche empfangen werden, stellen einen komplexen

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Wellenzug dar, der sich nacheinander überlappende Bilder des ursprünglichen Wellenzuges oder Kippsignales enthalt.

Eine zweckmäßige Information aus dem komplexen, reflektierten Wellenzug wird dadurch erhalten, daß er in Serien-Wechselbeziehung mit einer Nachbildung des ursprünglichen Kippsignales gebracht wird. Aus den Ergebnissen einer solchen Serien-Wechselbeziehung können Korrelogramme bzw. Beziehungsschaubilder erstellt werden. Die Zeitverzögerungen für aufeinanderfolgende Korrelogrammspitzen sind Punktionen der Tiefen der aufeinanderfolgenden Formationen von Schichten unter der Oberfläche.

Seismische Daten werden üblicherweise als Binärzahlen mit einer typischen Auflösung von 15 Bits oder mehr plus' einem Vorzeichenbit ausgedrückt, aufgezeichnet und manipuliert. Eine Feldkorrelation einer typischen 24-kanaligen, reflektierten Zeitserie kann eine digitale Speicherung für 100.000 oder mehr 16-Bit-Speicherproben erforderlich machen. Hieraus ergibt sich, daß ein großer digitaler Speicherraum erforderlich ist, um die Korrelationsberechnungen vorzunehmen. Es ist auch eine ungewöhnliche Schnelligkeit bei der Durchführung der Arithmetischen Torgänge erforderlich, wenn die Berechnung in Echt zeit vorgenommen werden soll.

Für einen Feldkorrelator sind eine solche Speicherung und eine solche Geschwindigkeit aufwendig. Zur Verringerung der Anforderungen an die Speicherkapazität und die Geschwindigkeit haben bekannte Feldkorrelatoren mit groben Annäherungen gearbeitet, typischerweise nur vier oder acht Bits der 16-Bit umfassenden seismischen und Kippdatenwörter. Die dadurch erzielten Korrelogramme hatten jedoch nur ein geringes Auflösungsvermögen. '

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Heutzutage werden seismische Daten im Einsatz auf Magnetband als digitale Zahlen mit gleitendem Komma aufgezeichnet. Eine Gleitkommazahl umfaßt ein algebraisches Vorzeichen, einen Eponenten zu einer ausgewählten Zahlenbasis, und eine Mantisse. Bevor diese Zahlen durch herkömmliche Feldkorrelationen verarbeitet werden können, ist es erforderlich, die Gleitkommazahlen in ganze Binärzahlen mit festem Komma überzuführen. Die Bauelemente, die zur Normierung benötigt werden, sind kompliziert und aufwendig; ferner wird die Feldkorrelator-Berechnungsdauer notwendigerweise vergrößert;.

Ziel vorliegender Erfindung ist es, einen Feldkorrelator zu schaffen, der rasch arbeitet, der billig in der Herstellung und der kompakt im Aufbau ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Größe der erforderlichen Datenspeicherkapazität vermindert wird, daß die Arithmetik vereinfacht wird und daß die Notwendigkeit der Umwandlung von Gleitkommazahlen in ganze Zählen eliminiert wird. Ziel der Erfindung ist ferner, daß zwei kontinuierliche Schwingungssignale bei ausgewählten Intervallen abgetastet und in Gleitkommazahlen umgewandelt werden.

Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß eine Vorrichtung die Vorzeichen und Exponenten aus den Teilweifcen der beiden Folgen entfernt, daß ein Korrelator mit der Vorrichtung gekoppelt ist, um die Vorzeichen und Exponenten zu verwenden, damit die beiden Folgen in Beziehung zueinander gesetzt werden, und daß der Korrelator eine Addiervorrichtung zum Addieren der Absolutwerte der Exponenten in Paaren aufweist, wobei ein Exponent der Exponentenpaare aus der einen Folge und ein Exponent der anderen Exponentenpaare aus der anderen Folge ausgewählt wird.

Die Exponenten der Gleitkommazahlen werden so eingestellt, daß sie bewirken, daß die Mantissen der Proben innerhalb eines ausgewählten numerischen Wertes nahe Eins liegen. Wenn

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das Signal sich ändert, werden die Mantissen als konstant angenommen, während der Exponent sich so ändert, daß er Änderungen in der Signalamplitude folgt. Somit können zwei Zeitserien oder Zahlen folgen, deren Elemente Proben eines elektrischen Schwingungssignales sind, in Serie in Beziehung zueinander gesetzt werden, indem die Exponenten und algebraischen Vorzeichen anstelle der tatsächlichen Datenwerte arithmetisch manipuliert werden.

Bei einer speziellen Ausführungsform vorliegender Erfindung werden die Absolutwerte der Exponenten eines jeden der entsprechenden Elemente oder Teilwerte aus den beiden Zeitserien zuerst addiert. Dann werden die Summen in die ursprüngliche Gleitkommazahlbasis potenziert. Die algebraischen Vorzeichen (Polaritäten) der ursprünglichen Probenwerte werden multipliziert und ihr Produkt wird den entsprechenden potenzierten Summen aufgegeben. Die potenzierten vorzeichenrichtigen- Summen oder Exponentenwerte werden dann algebraisch addiert, um die Kovarianz oder Korrelationswerte zu berechnen.

Auf diese Weise sind bei vorliegender Erfindung nur elementare arithmetische Vorgänge des Addierens, Verschiebens, Vergleichens und Komplementbildens notwendig.

Die Serienkorrelation zweier Zeitreihen läßt sich besser anhand nachstehender mathematischer Betrachtung verstehen. Zwei kontinuierliche elektrische Schwingungssignale, z.B. eine reflektierte Wellenfolge und ein Kippsignal, werden bei vorgewählten ZeitSignalen getastet. Die analoge Amplitude des Spannungspegels einer jeden Probe wird in eine digitale Zahl umgewandelt. Die beiden Sätze von digitalen Proben bilden zwei diskrete Zeitserien mit typischen Elementen x: und ρ , die als binäre Ganzzahlen ausgedrückt sind.

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Die zwei diskreten Zeitserien können zur Berechnung der Kovarianz Z (i) in folgender Weise in Querbeziehung zueinander gesetzt werden:

x_p - y_d = Z(i) (i $ O, 1, 2, ..... k) (1)

wobei ρ = i+d, i die Phasenverzögerung und j ein laufender Index ist.

Ein hoher numerischer Wert von Z(i) im ±^t:eTl Intervall ergibt ein hohes Maß an* Zuordnung zwischen den zwei Zeitwe^feeaserien bei der Zeitverzögerung oder Phasenverzögerung entsprechend der i^ten Probe.

Seismische Daten werden im Betrieb auf Magnetband als digitale Gleitkommazahlen aufgezeichnet, die aus einem Vorzeichen, einer Mantisse und einem Exponenten einer vorgewählten Basis bestehen. Binäre ganzzahlige Werte für χ (wobei ρ = i+j) und y. können in Gleitkommaform wie folgt ausgedrückt werden:

wobei m und n. Mantissen mit einem Wert nahe Eins sind, B eine Zahlensystembasis, z.B. 2, 8, 16 ist, und a und b.

P 0 die Exponenten sind. Vor dem Auf zeichnen auf ein Magnetband waren die Werte m und n. darauf beschränkt, daß sie innerhalb dnes numerischen Bereiches in der Nähe von Eins blieben, so daß sie als konstante Werte betrachtet werden können. Somit werden Änderungen von χ und y. darch Inderungen in den

a-n h-t P w
a-Werten von B * und B * dargestellt. Die Vektorprodukte der Gleichung (l) können dadurch berechnet werden, daß die Absolutwerte der Exponenten addiert und die resultierenden Summen potentiert werden, damit ein Exponentialwert gebildet

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wird. Die Vorzeichen der Datenproben der entsprechenden Zeitserien werden getrennt multipliziert und den Egxponentialwerten aufgegeben, damit die VOrzeichenrichtigen Vektorprodukte gebildet werden.

Der Implitudenbereich der meisten seismischen Daten ist so beschaff en, daß Gleitkommaexponenten durch eine Binärzahl mit vier Bits und ein Vorzeichen mit einem Bit ausgedrückt werden können. Durch Verwendung von Exponenten anstelle von Datenwerten in der Gleichung (1) werden die Speicheranforderungen für Daten und die felppanordnungen um mehr als zwei Drittel im Vergleich zu herkömmlichen Festkommadaten mit 16 Bits (15 Bits plus Vorzeichen) reduziert.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der eine einzige Figur unfessenden Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert, das als Fließdiagramm eines bevorzugten !Correlators nach vorliegender Erfindung dargestellt ist.

Ein derartiger Korrelator weist einen Datenspeicher IO und einen Kippspeicher 12 auf; der Datenspeicher 10 kann ein Magnetband sein, das vorher aufgezeichnete seismische Daten enthält, die als eine Vielzahl von Zahlen mit gleitendem Komma ausgedrückt sind, welche die Elemente einer ersten, diskreten Zeitfolge bilden. Der Kippspeicher 12 kann ein vorher aufgezeichnetes Magnetband sein, das das Kippsignal enthält, welches als zweite Folge von Zahlen mit gleitendem Komma ausgedrückt ist, die die Elemente einer zweiten, diskreten Zeitfolge darstellen.

Datenprobenpaare aus dem Datenspeicher 10 und aus dem Kippspeicher 12 werden dann auf Exponentengeneratoren 14 und 16 übertragen, wo die Vorzeichen der Datenwerte und die Exponenten a und b . von den Zahlen mit gleitendem Komma abgeführt werden. Die Vorzeichen und Exponenten werden dann

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in den Datenexponentenspeicher 18 und den Kippexponentenspeicher 20 übertragen. Diese entsprechend mit Vorzeichen versehenen Exponenten werden in einer Reihenfolge gespeichert, die mit den entsprechenden Positionen solcher Exponenten in den ursprünglichen Zeitreihen,darstellenden Daten übereinstimmt „ Jede Speicherstelle für a und t». weist fünf Bits auf. Vier Bits werden zur Darstellung des numerischen Exponentenwertes verwendet, das fünfte Bit ist das Vorzeichenbit für jede Probe.

ist
Ein Korrelator 8 innerhalb der gestrichelten Linie gezeigt.

Er weist einen Addierer 22, eine Vorzeichenvergleichseinrichtung 24-, Poten&iereinrichtungen 25 und 27, Akkumulatoren 26 und 28, eine Komplementbildungseinrichtung 30 und einen Addierer 32

Nachdem der Datenexponentenspeicher 18 und der Kippexponentenspeicher 20 mit den Werten für a und b. gefüllt worden

P t) sind, werden a-, und b-, im Addierer 22 addiert. Gleichzeitig mit diesem Addiervorgang werden die den Werten a-, und b-, zugeordneten Vorzeichen in der VorZeichenvergleichseinrichtung 24- verglichen. Wenn die Vorzeichen der beiden Werte gleich sind, wird der Inhalt des Addierers 22 in die positive Potenziereinrichtung 25 übertragen. Sind die Vorzeichen der beiden Werte unterschiedlich, wird der Inhalt des Addierers 22 in die negative Potenziereinrichtung 27 übertragen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann jede der PotenfcLereinrichtungen 25 und 27 eine l-aus-32-Dekodiereinrichtung sein, die kommerziell zur Verfügung steht. Eine derartige bekannte Dekodiereinrichtung nimmt beispielsweise einen Eingang mit fünf Bits auf und ergibt 32 wechselseitig exklusive Ausgänge; der spezielle Ausgang hängt von der Kombination der fünf Eingangsbits ab. Wenn beispielsweise im Anschluß an den Addiervorgang der 5-Bit-Addierer 22

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die Bitkombination 00101 enthalten hat, tritt ein Signal auf der Leitung 5 einer der Potenfeiereinrichtung 25 oder 27 auf. Wie oben erläutert, hängt die Wahl von dem Ergebnis des Datenvorzeichenvergleiehes ab. Ist die gewählte Basis B gleich 2, beträgt die poten&ierte Summe oder der Expotentialwert 2^. Das Auftreten eines Signales auf einer Ausgangsleitung einer der PotenMereinrichtungen 25 oder 27 setzt ein entsprechendes Bit in einem· der 32-Bit-Akkumulatoren, entweder 26 oder

Als nächstes werden die Absolutwerte eines zweiten Paares von Exponenten a~ und bp addiert, $e(ke ihre Vorzeichen verglichen, die Summe auf die entsprechende Poten&Lereinrichtung übertragen und der Exponent! al wert mit verschiedenen Daten in dem entsprechenden Akkumulator integriert. Die Schritte des Addierens, des Vorzeichenvergleichens, des Potenzierens und des Akkumulierens und Integrierens werden wiederholt, bis alle Werte a und b. verarbeitet worden sind.

Die im Akkumulator 28 gespeicherte Summe wird nunmehr in Zweierkomplementform komplementiert und dem Inhalt des Akkumulators 26 im Addierer 32 hinzugefügt, um eine erste Kovarianz Z(O) zu "berechnen. Z (0) kann von einer digitalen Zahl in eine Analogspannung über einen Digital-Analog-Umwandler 34- umgewandelt und dann als erster Punkt auf einem Korrelogramm "bzw. einem Bezugsschaubild 36 aufgezeichnet werden.

Im Anschluß an die Berechnung von Z (0) werden die Werte a im Datenexponentenspeicher 18 um ein Probenintervall über die Schiebeimpuls-Leitung 48 verschoben. Die verschobenen a werdenninmehr den nicht verschobenen b. im Addierer 22 hinzuaddiert. Die Vorzeichen werden in ähnlicher Weise in ■der Vorzeichenvergleichseinrichtung 24- verglichen, und der Ausgang aus dem Addierer 22 wird in der Potenzier einrichtung 25 oder 27 potenitLert und die Exponentialwerte in den

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Akkumulatoren 26 oder 28 integriert. Der zweite Satz von Zahlen 'wird dann im Addierer 32 addiert und auf dem Korrelogramm 36 als ein zweiter Kovarianzwert Z (1) zur Anzeige gebracht. Der Inhalt des Datenexponentenspeichers 18 wird wiederum um ein Intervall verschoben und ein dritter Kovarianzwert Z (2) berechnet und auf dem Korrelogramm 36 zur Anzeige gebracht. Der gesamte Torgang des Addierens, Vorzeichenvergleichens, Poteniierens, Akkumulierens, Endsummierens, Anzeigens, und Verschiebens wird (K-L) mal wiederholt, wobei K und L die Anzahl von Proben in den ersten und zweiten Zeitreihen sind. Dies ergibt eine Serienkorrelation der zwei diskreten Zeitserien.

Andererseits können die Korrelogrammwerte Z(i) in digitaler Form (z.B. auf einem Magnetband) gespeichert und bei weiteren Datenverarbeitungsschritten in der gewünschten Weise verwendet werden.

Auf dem Korrelogramm 36 markieren Zeitsteuerlinien gleiche Zeitintervalle, z.B. 0,05 Sekunden. Der Augenblick des Einsetzens des Kippens wird als eine scharfe Spitze 40 auf der Korrelogramm-Spur 42 durch eine nicht dargestellte Schaltungsanordnung aufgezeichnet. Die verstrichenen Zeiten zwischen dem Augenblick des Einsetzens des Kippens, markiert durch die Spitze 40, und den Korrelogrammsptzen 44 und 46 sind die Reflexionslaufzeiten für zwei entsprechende Reflexionshorizonte*

Das in der Zeichnung wiedergegebene Blockschaltbild soll das Grundprinzip vorliegender Erfindungdarstellen. In der Praxis kann es zweckmäßig sein, nur eine PoteniSiereinrichtung zu verwenden und Zeitmultiplextechniken zu verwenden, um zwischen den positiven und negativen Werten zu differenzieren. In ähnlicher Weise können die Funktionen der Akkumulatoren 26 und 28 und des Addierers 32 in einem Akkumulator dadurch

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kombiniert werden, daß eine Eomplementbildungseinrichtung 30 zwischen die negative Potenfeiereinrichtung 27 und den kombinierten Akkumulator-Addierer eingesetzt wird.

Vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit der seismographischen Erkundung beschrieben, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann auch in anderen technischen Bereichen eingesetzt werden, wo eine Serienkorrelation von diskreten Zeitreihen erforderlich ist.

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Claims

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Patentansprüche ι

1/ Digitale Einrichtung zur Bestimmung des Grades der Zuordnung zwischen zwei Folgen von digitalen Größen, die in Gleitkommaform ausgedrückt sind, wobei jeder Teilwert der "beiden Folgen aus wenigstens einem Vorzeichen und einem Exponenten besteht, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung die Vorzeichen und Exponenten aus den Teilwerten der beiden Folgen entfernt, daß ein Korrelator (8) mit der Vorrichtung gekoppelt ist, um die Vorzeichen und Exponenten zu verwenden, damit die beiden Folgen in Beziehung zueinander gesetzt werden, und daß der Korrelator eine Addiervorrichtung zum Addieren der Absolutwerte der Exponenten in Paaren aufweist, wobei ein Exponent der Exponentenpaare aus einer Folge und ein Exponent der anderen Exponentenpaare aus der anderen Folge ausgewählt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichs einrichtung (24-) mit dem Addierer (22) gekoppelt ist, um das Vorzeichen eines jeden der Paare von Exponenten mit dem Vorzeichen des anderen der Paare von Exponenten zu vergleichen, daß eine positive Potentziereinrichtung (25) mit der Vergleichs einrichtung (24-) gekoppelt ist, um die Paare von addierten Exponenten mit gleichen Vorzeichen zu potenzieren, um eine Vielzahl von positiven Exponenten zu bilden, und daß eine negative Potenziereinrichtung (27) mit der Vergleichseinrichtung (24-) gekoppelt ist, um die Paare von addierten Exponentwerten mit ungleichen Vorzeichen zu potenzieren, um eine Vielzahl von negativen Exponenten zu bilden.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein positiver Akkumulator (26) und ein negativer Akkumulator (28) mit der Potenzier einrichtung (25, 27) verbunden sind,

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damit die kumulative Summe der positiven und negativen Exponenten gebildet wird.
4-. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eomplementbildungseinrichtung mit dem negativen Akkumulator (28) zum Komplementieren der negativen Summe verbunden ist, und daß ein Addierer (32)- mit der Komplementbildungsein-' richtung (30) und dem positiven Akkumulator (26) gekoppelt ist, um die positiven und komplementierten negativen Summen zur Bildung eines Kovarianzwertes zu addieren.
5· Einrichtung nach Anspruch 5_? dadurch gekennzeichnet, daß ein Digital-Analog-Umwandler (34-) mit dem Addierer (32) zur Umwandlung eines Kovarianzwertes in ein Analogsignal verbunden ist, und daß eine Sichtanzeigeeinrichtung (36) mit dem Digital-Analog-Umwandler (34) zur Erzielung eines Korrelogrammes bzw. Beziehun^-schaubildesyerbunden ist.
6. Einrichtung zur Bestimmung des inneren Produktes zweier Vektoren, deren Teilwerte als Zahlen mit gleitendem Komma ausgedrückt sind, wobei jede Zahl aus wenigstens einem Vorzeichen, einem Exponenten und einer Mantisse besteht, und wobei die Mantisse gleich Eins ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Bildung des inneren Produktes.
7. Digitale Einrichtung zur Bestimmung des Grades der Zuordnung zwischen zwei Folgen von digitalen Größen, die in Gleitkommaform ausgedrückt sind, wobei jeder Teilwert. der beiden Folgen aus einem Vorzeichen, einem Exponenten und einer Mantisse besteht, und die Mantisse gleich Eins ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Korrelation der beiden Folgen.

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