DE4334603C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Kombinieren von von Meßfühlern abgegebenen Signalen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4, jeweils zum Kombinieren von mehreren, insbesondere seismischen, Meßfühlern abgegebenen analogen Signalen.

Die Erfindung hat im einzelnen ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Gegenstand, um Signale zu kombinieren, die durch Mit­ tel zur analog-digitalen Konvertierung oder Umwandlung vom Typ Über-Signal-Abtastschaltung (sur-´chantillonnage) in numeri­ sche oder digitale Worte schwacher Auflösung konvertiert oder umgewandelt sind, und ein Kombinationssignal in numerischer bzw. digitaler Form zu erzeugen.

Die analog-digitale Konvertierungs- oder Umwandlungstechnik durch Über-Signal-Abtastschaltung, die heutzutage häufig ver­ wendet wird, wird mittels Modulationsstufen oder Modulatoren Delta-Sigma durchgeführt, welche numerische Worte schwacher Auflösung, so wie zum Beispiel Worte von 1 Bit, durch Moment­ wertebildung (en ´chantillonnant) liefern, wobei die analogen Signale mit einer sehr erhöhten Über-Signal-Abtastschaltungs­ frequenz fs (fs = 512 _* F_Nyquist zum Beispiel) ausgestattet ist. Die erzeugten numerischen Worte weisen eine mittlere Am­ plitude auf, die sich im Laufe der Zeit proportional zu der Amplitude des analogen Signals, die an ihm angewendet ist, än­ dert. Ein numerischer oder digitaler Filter ist mit dem Aus­ gang der Modulationsstufe oder des Modulators verbunden, um insbesondere die Quantisierungsgeräusche zu filtern, wobei dieser Filter numerische Worte mit einer höheren Auflösung (zum Beispiel von 16 bis 24 Bits) und eine sehr viel schwä­ chere Frequenz erzeugt; diese Operation ist unter dem Namen Dezimierung bekannt. Konverter oder Wandler von diesem Typ sind zum Beispiel in den US-Patenten 4,866,442, 4,943,807, 4,994,804 etc. beschrieben.

Es existieren Anwendungen insbesondere auf dem Gebiet der Akustik oder der seismischen Bodenforschung, bei dem man Kombi­ nationen von durch mehrere Aufnehmer oder Meßfühler erhaltenen Signalen verwirklichen muß. Es kann sich zum Beispiel darum handeln, Summen von mehreren Signalen zu bilden, nachdem sie gegebenenfalls gewichtet und/oder gefiltert oder die einen in Bezug auf die anderen phasenverschoben wurden, oder ebenso darum, noch komplexere Kombinationen dieser mannigfaltigen Signale zu verwirklichen. Das ist der Fall, insbesondere auf dem Gebiet der seismischen Bodenforschung, bei der man eine sehr große Anzahl von Aufnehmern bzw. Meßfühlern einsetzt, die über einen zu untersuchenden Bereich verteilt sind, um seismische Wellen aufzunehmen, welche durch Diskontinuitäten des Untergrundes als Antwort auf durch Auslösung einer seismischen Wellenquelle hervorgerufene Erschütterungen zurückgestrahlt werden. Die Empfänger sind am häufigsten aus mehreren elementaren Aufneh­ mern bzw. Meßfühlern gebildet, die untereinander elektrisch verbunden und in dem zu erkundenden Bereich derart angeordnet sind, um systematische Oberflächengeräusche zu filtern. Jeder dieser Aufnehmer erzeugt ein elek­ trisches Signal.

Die relative Anordnung der verschiedenen Empfän­ ger, die zu einer einzigen "Spur" zusammengefaßt sind, hat eine große Wirkung auf eine gute Unterdrückung von Oberflächengeräuschen. Auch kann man durch Gestalten der Amplitude und/oder des Frequenzspektrums der erzeugten Signale vor ihrer Kombination zu einer einzigen Spur eine beträchtliche Abschwächung des Geräuschniveaus erhalten und so folglich die gesamte Dyna­ mik der Digitalisierungsmittel für die Nutz-Signale besser nutzen.

Anordnungen zur Gewichtung oder Wertigkeit des aktiven oder passiven Typs, um die Amplituden, Frequenzspektren oder Signalphasen, welche durch die Empfänger vor deren Kombination er­ halten werden, zu modifizieren, die in der Nähe von diesen Empfängern installiert sind, sind zum Beispiel in den US-Patenten 2,698,927, 2,747,172, 3,400,783, 3,863,200, 3,863,201 beschrieben.

Der hauptsächliche Nachteil von sämtlichen der Apparaturen zur analogen Vorbearbeitung oder Vorverarbeitung besteht im we­ sentlichen in deren starrer Struktur. Die Parameter zum Fil­ tern müssen im voraus bekannt sein und durch Zulassen, daß die wirksam in die Lage versetzte Empfangseinrichtung eine Modifi­ kation dieser Parameter gestattet, müssen noch notwendige An­ passungen an den Installationsorten selbst dieser lokalen Mit­ tel zur Be- oder Verarbeitung vorgenommen werden, was die be­ reitgestellten Operationen verlängert. Außerdem können eventu­ elle, vor Verwendung vorgenommene Korrekturen während der Auf­ zeichnungen der aufgenommenen oder erhaltenen Signale nicht leicht geändert werden.

Eine geläufige Technik, die eingesetzt ist, um Signale zu kom­ binieren, besteht im Konvertieren oder Umwandeln von analogen, zu kombinierenden Signalen in numerische oder digitalisierte Worte von 8, 16 oder 32 Bits zum Beispiel und im Verwenden ei­ nes numerischen oder digitalen, programmierten Rechengerätes, um die gesuchten Kombinationen durchzuführen.

Diese Lösung kann für eine begrenzte Anzahl von Signalen pas­ send sein, wird aber schnell komplex und vor allem kostspie­ lig, wenn deren Anzahl relativ bedeutend ist. Im Rahmen von gewissen Anwendungen, insbesondere in der Geophysik, in der es notwendig ist, zum Beispiel zwischen 500 und 4000 verschie­ dene Signale zu verarbeiten, wird der Aufzeichnungsaufwand für eine aus­ reichende Dynamik (20 bis 24 Bits zum Beispiel) groß.

Des weiteren ist in der DE 41 01 169 A1 eine Datenkompression zwecks Wiedergabe von durch zum Beispiel einen Meßfühler aufgenommenen Daten beschrieben.

Darüber hinaus ist aus der EP 0 426 511 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kombinieren von von mehreren Meßfühlern abgegebenen analogen Signalen, die im Bereich der Meßfühler in digitale Signale gewandelt und danach zu einer entfernt von den Meßfühlern angeordneten Erfassungsstation, beispielsweise an Bord eines Schiffes, übertragen werden, bekannt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, das bzw. die gestattet, sehr verschiedenartige Kombinationen von analogen, von relativ bedeutenden Meßfühlern stammenden Signalen unter wirtschaftlich interessanten Bedingungen durchzuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Anspruchs 1 und in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Anspruchs 4 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 und 3 sowie 5 bis 9 beschrieben.

So kann das Verfahren auch eine Gewichtung eines Teils wenigstens der digitalen Signale niedriger Auflösung vor deren Kombination und auch eine Übertragung der digitalen Signale auf mehreren Übertragungswegen der Kombination vorhergehend umfassen.

So kann die Vorrichtung weiterhin Mittel zur Gewichtung umfassen, um einen Teil wenigstens der digitalen, von den lokalen Modulen zur Umwandlung stammenden Signale vor ihrem Anlegen an die Mittel zur Kombination zu modifizieren, sowie dazwischengeschaltete Mittel zur Übertragung (Übertragungsleitungen, Funkkanäle, Lichtwellenleiter etc.), wobei letztere Mittel für die Übertragung von digitalen Signalen niedriger Auflösung geeignet sind. Die lokalen Module zur Konvertierung bzw. Umwandlung in digitale Signale niedriger Auflösung und erhöhter Leistung umfassen zum Beispiel Modulationsstufen oder Modulatoren Delta-Sigma mit erhöhter Signal-Abtastschaltungsfrequenz, die Reihen von Bits erzeugen. Zugängliche Speicherblöcke für die Reihen von Bits, die jeweils unterschiedlichen Signalen entsprechen, können vorgesehen sein. Die Mittel zur Kombination können zur Summierung ausgelegt sein und von einer Steuerungs- oder Betätigungseinheit gesteuert werden, um die digitalen Signale, die zu den Adressen gelesen sind, welche in den verschiedenen Speicherblöcken ausgewählt sind, in die Mittel zur Kombination bzw. Summierung ausgewählt zu übermitteln. Filtermittel sind vorhanden, um die digitalen, von den Mitteln zur Kombination (Summierung) stammenden Signale niedriger Auflösung in digitale Si­ gnale höherer Auflösung zu transformieren.

So können die Mittel zur Gewichtung darüber hinaus Mittel zur numerischen Multiplikation von den digitalen, von Speicherblöcken stammenden Signalen umfassen, um deren Gewicht zu jedem Zeitpunkt relativ zueinander vor ihrem Anlegen an die Mittel zur Kombination (Summierung) zu modifizieren.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung erlauben mit den lokalen, relativ einfachen und wenig kostspieligen Mo­ dulen, die in der Nähe der Standorte von Meßfühlern po­ sitioniert sind, diese Signale individuell zu einer Erfas­ sungsstation zu übertragen bzw. zu übermitteln und nach Belie­ ben einfacher als mit bekannten Verfahren derart zu kombinie­ ren, um hervorgehende Signale mit einer besseren Hintergrund­ geräuschunterdrückung zu bilden. Das Verfahren und die Vor­ richtung vereinigen eine große oder gute Anpassungsfähigkeit in der möglichen Wahl von Signalkombinationen und einen sehr verminderten, insbesondere interessanten Preis, wenn man von einer bedeutenden und komplexen Signalempfängergesamtheit oder -einheit, wie man sie auf dem Gebiet der seismischen Bodenfor­ schung zum Beispiel anwendet, Gebrauch macht.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zeigt, das für Aufnehmer, wie seismische Aufnehmer, verwendet wird; und

Fig. 2 eine Variante der vorhergehenden Ausführungsform zeigt, die Mittel zur Gewichtung umfaßt.

Entsprechend der Ausführungsform nach der Fig. 1 ist die Vor­ richtung mit wenigstens einer Gesamtheit oder Reihe von Auf­ nehmern oder Meßfühlern G1, G2, . . . , Gn verbunden, die analoge Signale abgeben.

Man verbindet mit jeder Gesamtheit von Aufnehmern oder Meßfühlern ein lokales Modul LM1, . . . , LMk. Jedes Modul LM1 bis LMk umfaßt Elemente DS1, DS2, . . . , DSn, die jeweils mit unterschiedlichen Aufnehmern oder Meßfühlern G1 bis Gn verbunden sind. Diese Elemente konvertieren bzw. wandeln das von dem verbundenen Aufnehmer oder Meßfühler G1 bis Gn stam­ mende Signal in eine Folge digitaler Signale bzw. nu­ merischer Worte mit niedriger Auflösung bei einer erhöhten Signal- Abtastschaltungsfrequenz, die durch ein lokales Synchronisie­ rungselement H1, H2, . . ., Hn gegeben ist. Die Elemente DS1 bis DSn sind zum Beispiel Modulationsstufen oder Modulatoren vom Typ Delta-Sigma, die numerische Worte von 1 Bit mit einer Frequenz gleich 512 _* F_Nyquist erzeugen. Die verschiedenen Reihen von numerischen Worten, die von den Modu­ lationsstufen oder Modulatoren DS1 bis DSn jedes lokalen Mo­ duls LM1, . . . , LMk stammen, werden an eine mehr oder weniger entfernte Erfassungs- oder Zentralisierungsstation AU übertra­ gen bzw. übermittelt. Man verwen­ det Übertragungskanäle bzw. -wege in Form von Übertragungslei­ tungen, Lichtwellenleitern L1, L2, . . . , Ln oder gegebenen­ falls Funkkanälen. Die Übertragung von Signalen in Form von Bitreihen macht die Ver­ wendung von vereinfachten Mitteln zur Übertragung möglich.

Mit jedem lokalen Modul LM1, . . . , LMk ist in der zentralen Station AU eine Gesamtheit von weiteren Modulen CAM1, . . . , CAMk verbunden. Jede von diesen umfaßt eine Vielzahl von zugänglichen Speicherblöcken M1, M2, . . . , Mn, die jeweils die Reihen von Worten empfangen bzw. aufnehmen, die von verschiedenen Modulationsstufen oder Modulatoren DS1 bis DSn stammen. Die Ausgänge der Speicher­ blöcke M1 bis Mn sind mit n Eingängen eines Summierers oder Summators oder Addierers 1 verbunden, der geeignet ist, zwi­ schen ihnen die Worte, welche gleichzeitig verschiedenen Speicherblöcken M1 bis Mn entnommen sind, zu summieren. Die n Eingänge des Summierers 1 können einzeln kontrolliert oder überwacht sein, derart, um zu jedem Zeitpunkt die Anzahl ver­ schiedener Worte, die dorthin übertragen werden, zu wählen.

Die Reihenfolgen zum Lesen der verschiedenen Speicherblöcke zu oder mit spezifizierten Adressen und die Übertragung der gele­ senen Worte zu diesen Adressen in dem Summierer 1 werden durch eine Synchronisierungseinheit 2 erzeugt. Der Summierer liefert die numerischen repräsentativen Worte von jeder erfolgten Summe und ebenso der Auflösung wie die verschiedenen summier­ ten Worte. Wenn die digitalen Worte vom Typ Mono-Bit sind, nimmt man am Ausgang des Summierers 1 das Vorzeichen der Summe auf.

Der Ausgang des Summierers ist mit einem Mittel zur Transfor­ mation 3 vom Typ eines numerischen Dezimierungsfilters verbun­ den, das geeignet ist, die Worte mit niedriger Auflösung und erhöhter Signal-Abtastschaltungsfrequenz (Über-Signal-Abtast­ schaltung (sur-´chantillonage)), welche von dem Summierer stammen, in numerische Worte mit erhöhter Auflösung (zum Bei­ spiel Worte von 16 oder 24 Bits) zu transformieren oder umzu­ wandeln und sie über eine Busleitung 4 für deren Übertragung in eine zentrale Speicherungseinheit 5 abzugeben. Die Station AU umfaßt zum Beispiel einen programmierbaren Prozessor 6 vom Typ DSP, um verschiedene Be- oder Verarbeitungen der in dem zentralen Speicher 5 enthaltenen numerischen Worte vorzuneh­ men.

Die Größe jedes Speicherblockes M1 bis Mn ist so ausgelegt, um sämtliche digitalisierten, für ein Ereignis repräsentativen Worte enthalten zu können. Es handelt sich zum Beispiel um ein analoges Signal, das von einem Geophon zum Beispiel während einer Dauer von einem seismischen Emissionsempfangszyklus von mehreren Sekunden, aufgenommen oder gemessen ist. Man kann zum Beispiel einen Schriftlesemodus (vom Typ "pipeline") verwenden, bei dem die Stellen, die bei jedem Lesen durch deren Summierung in dem Summierer 1 frei gemacht sind, der Speicherung von neuen numerischen Worten dienen.

Durch die Zwischenschaltung des zentralen Prozessors 6 kann man den Lesemodus der Speicher M1 bis Mn von jedem weiteren Modul CAM1, . . . CAMk, das durch die Synchronisierungsgesamtheiten 2 ge­ steuert ist, ändern. Durch eine geeignete Auswahl der Le­ seadressen kann man die Signale mit Phasenverschiebungen bzw. Phasendifferen­ zen in jedem Summierer 1 kombinieren. Diese Anordnung kann zweck­ dienlich sein, um die Signale von mehreren elementaren Aufneh­ mern oder Meßfühlern, die zum Beispiel an verschiedenen Stand­ orten zueinander angeordnet sind, elektrisch zu kombinieren. Durch die Einführung von geeigneten Phasenverschiebungen oder Phasendifferenzen zwischen den gelesenen Worten in den Speichern kann man zum Beispiel ein kombiniertes Signal ähnlich oder gleichartig zu demjenigen erhalten, das man erhalten hätte, wenn sämtliche elementaren Aufnehmer oder Meßfühler an demselben Ort angeordnet gewesen wären.

Die Ausführungsform nach der Fig. 2 ist zu derjenigen nach der Fig. 1 ähnlich. Sie unterscheidet sich darin, daß jedes Erfas­ sungs- oder Zentralisierungsmodul so wie das dargestellte Mo­ dul CAMi außerdem eine Einheit zur Gewichtung 7 umfaßt, die zwischen den Speicherblöcken M1 bis Mn und dem Summierer 1 an­ geordnet ist. Diese Gewichtungseinheit ist geeignet, der Am­ plitude von jedem gespeicherten Signal einen variablen Ver­ stärkungsfaktor zuzuordnen, der ihre Gewichtung oder Wertig­ keit in Bezug auf andere, den Speicherblöcken M1 bis Mn entnommene und in den Summierer 1 übertragene Signale modifi­ ziert. Die Verarbeitung der Parameter von Phasenverschiebung oder Phasendifferenz und/oder Gewichtung oder Wertigkeit wird zum Beispiel durch den Prozessor 6 (DSP) bewirkt. Die Verstärkungsfaktoren, die auf die verschiedenen Eingänge der Gewichtungseinheit 7 durch numerische Multiplika­ tion anzuwenden sind, werden durch den zentralen Prozessor 6 mittels Zwischenschaltung der Synchronisierungseinheit 2 be­ stimmt. Eine Bedienungsperson kann folglich den zentralen Pro­ zessor 6 betätigen oder anweisen, damit die Gewichtungseinheit 7 auf verschiedene Signale Einfluß nimmt, um die geeigneten Verstärkungsfaktoren derart zu addieren, daß die erhaltenen Signale verbessert sind.

Die Eingänge des Summierers 1 sind individuell steuerbar. Eine Bedienungsperson kann deshalb gleichermaßen die selektive Ent­ nahme von numerischen Worten aus den Speicherblöcken M1 bis Mn über den Summierer 1 und die Anwendung verschiedener Be- oder Verarbeitungen, wie z. B. von Korrelationen, auf entnom­ mene Worte mittels des Prozessor 6 vornehmen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Kombinieren von von mehreren, insbesondere seismischen, Meßfühlern abgegebenen analogen Signalen, die im Bereich der Meßfühler in digitale Signale gewandelt und danach zu einer entfernt von den Meßfühlern angeordneten Erfassungsstation übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß
die analogen Signale in digitale Signale niedriger Auflösung überführt werden,
die digitalen Signale niedriger Auflösung zur Erfassungsstation übertragen und dort zu Kombinationssignalen kombiniert werden, und
die Kombinationssignale in digitale Signale höherer Auflösung umgeformt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Gewichtung eines Teils wenigstens der digitalisierten Signale niedriger Auflösung vor deren Kombination umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin eine Übertragung der digitalisierten Signale auf mehreren Übertragungswegen der Kombination vorhergehend umfaßt.

4. Vorrichtung zum Kombinieren von mehreren, insbesondere seismischen, Meßfühlern abgegebenen analogen Signalen, die im Bereich der Meßfühler in digitale Signale gewandelt und danach zu einer entfernt von den Meßfühlern angeordneten Erfassungsstation übertragen werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt:
lokale Module (LM1-LMk) zur Umwandlung jedes der analogen Signale in digitale Signale niedriger Auflösung,
Mittel (L1-Ln; 1) zur Übertragung der digitalen Signale niedriger Auflösung zur Erfassungsstation (AU) und zur Kombination der digitalen Signale zu Kombinationssignalen, und
numerische Filter-Mittel (3) zur Umformung der Kombinationssignale in digitale Signale höherer Auflösung.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin Mittel (7) zur Gewichtung umfaßt, um wenigstens einen Teil der digitalen, von den lokalen Modulen (LM1-LMk) stammenden Signale vor ihrem Anlegen an die Mittel (1) zur Kombination zu modifizieren.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin mehrere Mittel (L1-Ln) zur Übertragung umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lokalen Module (LM1-LMk) Modulationsstufen Delta-Sigma (DS1-DSn) mit erhöhter Signal-Abtastschaltungsfrequenz umfassen, die Reihen von Bits erzeugen, daß zugängliche Speicherblöcke (M1-Mn) für die Reihen von Bits, die jeweils unterschiedlichen Signalen entsprechen, vorgesehen sind, und daß die Mittel (1) zur Kombination zur Summierung ausgelegt und von einer Steuerungs- oder Betätigungseinheit (6, 2) beaufschlagbar sind, um die digitalen Signale, die zu den Adressen gelesen sind, welche in den verschiedenen Speicherblöcken (M1-Mn) ausgewählt sind, in die Mittel (1) zur Kombination ausgewählt zu übermitteln.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (7) zur Gewichtung Mittel zu numerischen Multiplikationen von den digitalen, von den Speicherblöcken (M1-Mn) stammenden Signalen umfassen, um deren Gewicht zu jedem Zeitpunkt relativ zueinander vor ihrem Anlegen an die Mittel (1) zur Kombination zu modifizieren.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie Übertragungswege und Mittel zur Übertragung von Reihen nicht-formatierter Bits umfaßt, die zwischen den lokalen Modulen (LM1-LMn) und den Mitteln (1) zur Kombination angeordnet sind.