RU2795783C1 - Seismic receiver - Google Patents
Seismic receiver Download PDFInfo
- Publication number
- RU2795783C1 RU2795783C1 RU2022131185A RU2022131185A RU2795783C1 RU 2795783 C1 RU2795783 C1 RU 2795783C1 RU 2022131185 A RU2022131185 A RU 2022131185A RU 2022131185 A RU2022131185 A RU 2022131185A RU 2795783 C1 RU2795783 C1 RU 2795783C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- geophone
- output signal
- pass filter
- adder
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области сейсмометрии в нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано в системах регистрации сейсмических данных, например, при проведении поверхностного мониторинга операции гидравлического разрыва пласта (ГРП), поиске залежей углеводородов, определении системы естественной трещиноватости.The invention relates to the field of seismometry in the oil and gas industry and can be used in seismic data recording systems, for example, when conducting surface monitoring of a hydraulic fracturing operation, searching for hydrocarbon deposits, and determining a natural fracturing system.
В настоящее время при решении данных задач необходимо применение автономных широкополосных высокоточных сейсмических приемников, которые располагаются компактной группой.At present, when solving these problems, it is necessary to use autonomous broadband high-precision seismic receivers, which are located in a compact group.
Как правило, в сетях пассивного сейсмологического мониторинга в качестве сейсмических приемников применяют сейсмометры, позволяющие работать в частотном диапазоне от 0,5 Гц до 60 Гц.As a rule, in passive seismological monitoring networks, seismometers are used as seismic receivers, allowing them to operate in the frequency range from 0.5 Hz to 60 Hz.
Организация работающей малоапертурной группы в этом случае является экономически нецелесообразной в виду высокой стоимости автономных широкополосных сейсмических приемников и отсутствия готовых решений на их основе для обеспечения мониторинга в режиме реального времени.The organization of a working small-aperture group in this case is not economically feasible due to the high cost of autonomous broadband seismic receivers and the lack of ready-made solutions based on them to provide real-time monitoring.
Высокая стоимость таких сейсмических приемников, трудоемкость их установки, последующего обслуживания и охраны делают такие работы чрезвычайно затратными.The high cost of such seismic receivers, the complexity of their installation, subsequent maintenance and protection make such work extremely costly.
Вместе с тем сейсмоприемники на базе геофонов, дополненные соответствующими модулями усиления и корректировки амплитудно-частотных характеристик и фильтрации, могут быть использованы в современных цифровых системах регистрации сейсмических данных.At the same time, geophone-based seismic receivers, supplemented with appropriate amplification and correction modules for amplitude-frequency characteristics and filtering, can be used in modern digital seismic data recording systems.
Подобные сейсмические приемники позволяют зарегистрировать сейсмические сигналы, ассоциирующиеся с залежью углеводородов, развитием трещины ГРП.Such seismic receivers make it possible to register seismic signals associated with a hydrocarbon deposit, the development of a hydraulic fracture.
Методы увеличения частотного диапазона позволяют создать сейсмический приемник, покрывающий необходимый рабочий диапазон частот в области низких частот, при этом верхняя граница частотного диапазона может достигать до 1 кГц, что позволяет комплексировать методы пассивного и активного сейсмического мониторинга.Methods for increasing the frequency range make it possible to create a seismic receiver that covers the required operating frequency range in the low-frequency region, while the upper limit of the frequency range can reach up to 1 kHz, which makes it possible to combine passive and active seismic monitoring methods.
Использование таких сейсмических приемников позволит увеличить густоту локальных сейсмологических сетей благодаря снижению затрат на их обустройство и обслуживание.The use of such seismic receivers will increase the density of local seismological networks by reducing the cost of their arrangement and maintenance.
Известны регистраторы сейсмических сигналов, в которых использованы измерительные первичные преобразователи (сейсмические приемники):Seismic signal recorders are known that use measuring primary transducers (seismic receivers):
ZET 048-С производства ZETLABZET 048-C by ZETLAB
[https://zetlab.com/product-category/izmeritelno oborudovanie/seysmostantsii/];[https://zetlab.com/product-category/izmeritelno oborudovanie/seysmostantsii/];
Байкал-8 производства ООО «Р-сенсорс»Baikal-8 manufactured by R-sensors LLC
[http://r-sensors.ru/1_products/Descriptions/BY-8-RU.pdf],;[http://r-sensors.ru/1_products/Descriptions/BY-8-RU.pdf],;
ДЕЛЬТА-03М производства ООО «Логические системы» [http://logsys.ru/index.php?page= 15].DELTA-03M manufactured by Logic Systems LLC [http://logsys.ru/index.php?page= 15].
Недостатками аналогов являются:The disadvantages of analogues are:
- использование первичных преобразователей с малыми уровнями выходного сигнала, вследствие малых коэффициентов усиления;- the use of primary converters with low levels of the output signal, due to low gain factors;
- невозможность сохранения приемлемого отношения сигнал/шум в случае дополнения вышеупомянутых устройств каскадом усиления со значительным коэффициентом усиления для использования первичных преобразователей с малым уровнем выходного сигнала;- the impossibility of maintaining an acceptable signal-to-noise ratio in the case of supplementing the above devices with an amplification stage with a significant gain to use primary converters with a low output signal level;
- недостаточно высокое соотношение сигнал/шум при измерениях микросейсмических сигналов на частотах долей и первых герц, в частности для задач поиска углеводородов и слабых сигналов трещиноватой среды при ГРП.- insufficiently high signal-to-noise ratio when measuring microseismic signals at frequencies of fractions and a few hertz, in particular for the tasks of searching for hydrocarbons and weak signals of a fractured medium during hydraulic fracturing.
Прототипом является устройство для коррекции частотной характеристики геофона, состоящее из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω1 до собственной частоты геофона ω0 (патент RU 111689 U1, МПК G01V 1/00, дата публикации 20.12.2011).The prototype is a device for correcting the frequency response of a geophone, consisting of two series-connected bandpass integrators configured to operate in the frequency band from the lower cutoff frequency ω 1 to the natural frequency of the geophone ω 0 (patent RU 111689 U1, IPC
Основным недостатком устройства-прототипа является недостаточное соотношение сигнал/шум, при этом, так как полосовой интегратор имеет постоянный коэффициент усиления в области частот 0 - ω1, а соотношение сигнал/шум в данной области частот меньше единицы, усиление сигнала в данной области частот приводит к усилению низкочастотного шума, причем значение резистора в цепи обратной связи полосового интегратора может достигать больших величин, порядка мегаома, что является дополнительным источником тепловых шумов.The main disadvantage of the prototype device is the insufficient signal-to-noise ratio, while, since the bandpass integrator has a constant gain in the frequency range 0 - ω 1 , and the signal-to-noise ratio in this frequency range is less than one, the signal amplification in this frequency range leads to the amplification of low-frequency noise, and the value of the resistor in the feedback circuit of the bandpass integrator can reach large values, on the order of a megaohm, which is an additional source of thermal noise.
Недостатками устройства-прототипа также являются:The disadvantages of the prototype device are also:
- низкая помехозащищенность, так как используется несимметричный выходной сигнал;- low noise immunity, since an unbalanced output signal is used;
- низкая надежность и мобильность работы устройства при полевом использовании, если геофон - электродинамический сейсмоприемник со значительной инерционной массой, который имеет низкую устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам, что приводит к низкой надежности совокупной измерительной системы;- low reliability and mobility of the device in field use, if the geophone is an electrodynamic seismic receiver with a significant inertial mass, which has a low resistance to shock and vibration loads, which leads to low reliability of the total measuring system;
- увеличенные массогабаритные характеристики и потребляемая мощность, если геофон - электрохимический (молекулярно-электронный) преобразователь механических величин, который имеет существенную зависимость от температуры внешней среды, что приводит к неконтролируемому ухудшению соотношения сигнал/шум в процессе измерений в полевых условиях, и требует применения термостатирования.- increased weight and size characteristics and power consumption, if the geophone is an electrochemical (molecular-electronic) converter of mechanical quantities, which has a significant dependence on the ambient temperature, which leads to an uncontrolled deterioration of the signal-to-noise ratio during measurements in the field, and requires the use of temperature control .
Таким образом, известные из уровня техники сейсмические приемники обладают недостатками, и требуется расширение их арсенала для удовлетворения потребностей производителей и потребителей систем регистрации сейсмических данных.Thus, seismic receivers known from the prior art have disadvantages, and their arsenal needs to be expanded to meet the needs of manufacturers and users of seismic data recording systems.
Техническая задача состоит в расширении арсенала сейсмических приемников путем создания сейсмического приемника - мобильного широкополосного устройства на базе геофонов, представляющего собой трехкоординатный сейсмоприемник в едином корпусе, обеспечивающего возможность его использования в различных эксплуатационных условиях.The technical task is to expand the arsenal of seismic receivers by creating a seismic receiver - a mobile broadband device based on geophones, which is a three-coordinate seismic receiver in a single housing, which makes it possible to use it in various operating conditions.
Основным техническим результатом является обеспечение возможности регистрации слабых сейсмических сигналов в большом динамическом диапазоне за счет улучшения соотношения сигнал/шум и ослабления низкочастотного шума в области частот ниже нижней граничной частоты ω1.The main technical result is to enable the registration of weak seismic signals in a large dynamic range by improving the signal-to-noise ratio and attenuating low-frequency noise in the frequency range below the lower cutoff frequency ω 1 .
Техническим результатом также является повышение точности и достоверности регистрируемых микросейсмических сигналов за счет применения группирования геофонов, повышение помехозащищенности выходного сигнала за счет использования симметричного выходного сигнала.The technical result is also an increase in the accuracy and reliability of the recorded microseismic signals through the use of geophone grouping, an increase in the noise immunity of the output signal through the use of a symmetrical output signal.
Технический результат достигается тем, что, сейсмический приемник, согласно настоящему изобретению, содержит корпус, в котором расположены три блока приемников микросейсмических сигналов (ПМС), ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z, при этом каждый блок ПМС включает в себя N геофонов, которые через соответствующие N инструментальных усилителей, подключены к сумматору, соединенному через обратный фильтр, состоящему из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω1 до собственной частоты геофона ω0, и фильтр высоких частот с драйвером аналого-цифрового преобразователя, подключенным к источнику опорного напряжения и к выходному разъему, расположенному на лицевой панели корпуса.The technical result is achieved by the fact that the seismic receiver, according to the present invention, contains a housing in which three blocks of microseismic signal receivers (PMS) are located, orthogonally oriented in the X, Y, Z directions, while each MSS unit includes N geophones, which, through the corresponding N instrumental amplifiers, are connected to an adder connected through an inverse filter, consisting of two series-connected bandpass integrators, configured to operate in the frequency band from the lower cutoff frequency ω 1 to the natural frequency of the geophone ω 0 , and a high-frequency filter with a driver analog-to-digital converter connected to the reference voltage source and to the output connector located on the front panel of the housing.
А также тем, что на каждом геофоне установлен коэффициент демпфирования, равный единице при помощи, подключенного параллельно геофону, шунтирующего резистора Rd, номинал сопротивления которого определяется из соотношенияAnd also by the fact that each geophone has a damping coefficient equal to one with the help of a shunt resistor R d connected in parallel to the geophone, the resistance value of which is determined from the relation
где hm - механическое демпфирование, Rc - сопротивление катушки геофона, m - масса подвижной части геофона, ω0 - собственная частота геофона, G - чувствительность геофона при открытой цепи.where h m - mechanical damping, R c - resistance of the geophone coil, m - mass of the moving part of the geophone, ω 0 - natural frequency of the geophone, G - sensitivity of the geophone in open circuit.
А также тем, что каждый геофон содержит два подтягивающих резистора Rp, имеющих номинал сопротивления, равный 100 кОм, посредством которых выходные сигналы каждого геофона подтянуты к земляному потенциалу.And also by the fact that each geophone contains two pull-up resistors R p having a resistance value of 100 kOhm, through which the output signals of each geophone are pulled up to ground potential.
А также тем, что каждый инструментальный усилитель представляет собой дифференциальный усилитель со сверхнизкими шумами с коэффициентом усиления 0 дБ.And also because each instrumentation amplifier is a differential ultra-low noise amplifier with a gain of 0 dB.
А также тем, что сумматор представляет собой аналоговый сумматор на операционном усилителе, причем выходной сигнал Vsum на выходе сумматора определяется из соотношения:And also by the fact that the adder is an analog adder on an operational amplifier, and the output signal V sum at the output of the adder is determined from the relationship:
где Vl, V2,… VN - выходные напряжения с каждого геофона, а соотношение номиналов резисторов Rƒ и Ra задает необходимый коэффициент усиления суммарного сигнала.where V l , V 2 ,… V N are the output voltages from each geophone, and the ratio of resistor values R ƒ and R a sets the required gain of the total signal.
А также тем, что передаточная характеристика в полосе частот ω0 - ω1 первого полосового интегратора определяется из соотношения:And also by the fact that the transfer characteristic in the frequency band ω 0 - ω 1 of the first bandpass integrator is determined from the relationship:
где Vint1 - выходной сигнал первого полосового интегратора; Vsum - выходной сигнал с сумматора, а передаточная характеристика в полосе частот ω0 - ω1 второго полосового интегратора определяется из соотношения:where V int1 is the output signal of the first bandpass integrator; V sum is the output signal from the adder, and the transfer characteristic in the frequency band ω 0 - ω 1 of the second bandpass integrator is determined from the relationship:
где Vint2 - выходной сигнал со второго полосового интегратора, Vint1 - выходной сигнал с первого полосового интегратора.where V int2 is the output signal from the second bandpass integrator, V int1 is the output signal from the first bandpass integrator.
А также тем, что фильтр высоких частот представляет собой два последовательно соединенных фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, при этом передаточная характеристика первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношенияAnd also by the fact that the high-pass filter consists of two series-connected Butterworth high-pass filters of the 2nd order, while the transfer characteristic of the first Butterworth high-pass filter of the 2nd order is determined from the relation
где Vint2 - выходной сигнал со второго полосового интегратора; Vhpƒ1 - выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, а передаточная характеристика второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:where V int2 is the output signal from the second bandpass integrator; V hpƒ1 is the output signal of the first 2nd order Butterworth high-pass filter, and the transfer characteristic of the second 2nd order Butterworth high-pass filter is determined from the relationship:
где Vhpƒ2 - выходной сигнал второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, Vhvƒ1 - выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.where V hpƒ2 is the output of the second 2nd order Butterworth high pass filter, V hvƒ1 is the output of the first 2nd order Butterworth high pass filter.
А также тем, что драйвер аналого-цифрового преобразователя представляет собой прецизионный драйвер со сверхнизкими искажениями, который преобразовывает несимметричный сигнал в симметричный.Also, the A/D converter driver is a precision, ultra-low distortion driver that converts a single-ended signal to a balanced signal.
На фигурах 1, 2, 3 и 4 представлены, соответственно, укрупненная блок-схема предлагаемого сейсмического приемника, функциональные блок-схемы блоков ПМС, ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z соответственно.Figures 1, 2, 3 and 4 present, respectively, an enlarged block diagram of the proposed seismic receiver, functional block diagrams of the PMS blocks, orthogonally oriented in the directions X, Y, Z, respectively.
На фигуре 5 представлена электрическая схема каждого блока ПМС, включающая в себя N геофонов, которые через соответствующие N инструментальные усилители подключены к сумматору.Figure 5 shows the electrical circuit of each PMS unit, which includes N geophones, which are connected to the adder through the corresponding N instrumentation amplifiers.
На фигуре 6 представлена электрическая схема обратного фильтра каждого блока ПМС.The figure 6 shows the electrical circuit of the reverse filter of each block PMS.
На фигуре 7 представлена электрическая схема фильтра высоких частот каждого блока ПМС.The figure 7 shows the electrical circuit of the high-pass filter of each block PMS.
На фигуре 8 представлена электрическая схема драйвера аналого-цифрового преобразователя каждого блока ПМС.The figure 8 shows the electrical circuit of the analog-to-digital converter driver of each PMS block.
Сейсмический приемник (фиг. 1) содержит корпус 1, в котором расположены три блока ПМС 2, 3 и 4, ортогонально ориентированных в направлениях X, Y, Z соответственно, выходные сигналы которых подключены к выходному разъему 5, расположенному на лицевой панели корпуса 1.The seismic receiver (Fig. 1) contains a
Блок 2 сейсмоприемника (Х-канал) включает в себя N геофонов 6 (61, 62…6N), которые через соответствующие инструментальные усилители 7 (71, 72…7N), сумматор 8, обратный фильтр 9, состоящий из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω1 до собственной частоты геофона ω0, и фильтр 10 высоких частот соединены с драйвером 11 аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику 12 опорного напряжения и к выходному разъему 5.Seismic receiver block 2 (X-channel) includes N geophones 6 (6 1 , 6 2 ...6 N ), which through the corresponding instrumental amplifiers 7 (7 1 , 7 2 ...7 N ), adder 8, inverse filter 9, consisting of two series-connected bandpass integrators, configured to operate in the frequency band from the lower cutoff frequency ω 1 to the natural frequency of the geophone ω 0 , and the high-
Блок 3 сейсмоприемника (Y -канал) включает в себя N геофонов 13 (131, 132…13N), которые через соответствующие инструментальные усилители 14 (141, 142…14N), сумматор 15, обратный фильтр 16, состоящий из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω1 до собственной частоты геофона ω0, и фильтр 17 высоких частот соединены с драйвером 18 аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику 19 опорного напряжения и к выходному разъему 5.The seismic receiver unit 3 (Y-channel) includes N geophones 13 (13 1 , 13 2 ...13 N ), which, through the corresponding instrumental amplifiers 14 (14 1 , 14 2 ... 14 N ),
Блок 4 сейсмоприемника (Z -канал) включает в себя N геофонов 20 (201, 202…20N), которые через соответствующие инструментальные усилители 21 (211, 212…21N), сумматор 22, обратный фильтр 23, состоящий из двух последовательно соединенных полосовых интеграторов, выполненных с возможностью функционирования в полосе частот от нижней граничной частоты ω1 до собственной частоты геофона ω0, и фильтр 24 высоких частот соединены с драйвером 25 аналого-цифрового преобразователя, подключенному к источнику 26 опорного напряжения и к выходному разъему 5.The seismic receiver block 4 (Z-channel) includes N geophones 20 (20 1 , 20 2 ...20 N ), which, through the corresponding instrumental amplifiers 21 (21 1 , 21 2 ... 21 N ),
Таким образом, микросейсмические сигналы, регистрируемые геофонами (61, 62…6N,), (131, 132…13N,) и (201, 202…20N) с каждого ортогонального направления, X, Y, Z соответственно, преобразуются в аналоговые электрические сигналы.Thus, microseismic signals recorded by geophones (6 1 , 6 2 …6 N ,), (13 1 , 13 2 …13 N ,) and (20 1 , 20 2 …20 N ) from each orthogonal direction, X, Y , Z, respectively, are converted into analog electrical signals.
Пример конкретного выполнения и работы сейсмического приемника.An example of a specific implementation and operation of a seismic receiver.
Разработанный сейсмический приемник является мобильным широкополосным устройством на базе геофонов GS-ONE LF с собственной частотой 4,5 Гц (URL: https://geospace-ufa.ru/products/geofonybez-korpusov/gs-one-1f/:[сайт]) и представляет собой трехкоординатный сейсмоприемник в едином корпусе.The developed seismic receiver is a mobile broadband device based on GS-ONE LF geophones with a natural frequency of 4.5 Hz (URL: https://geospace-ufa.ru/products/geofonybez-korpusov/gs-one-1f/:[website] ) and is a three-coordinate geophone in a single housing.
Сейсмический приемник содержит, в каждом блоке ПМС 2, 3, 4, платы из соответствующих инструментальных усилителей (71, 72…7N), (141, 142…14N), (211, 212…21N), соответствующих сумматоров 8, 15, 22 и соответствующие схемы корректировки амплитудно-частотной характеристики каждого геофона (61, 62…6N,), (131, 132…13N,), (201, 202…20N).The seismic receiver contains, in each
Поскольку чувствительность одного геофона GS-ONE LF (89,4 В/м/с) является недостаточной в системах регистрации сейсмических данных, на каждое ортогональное направление (X, Y, Z) установлено N геофонов: (61, 62…6N,), (131, 132…13N,), (201, 202…20N), сигналы с которых, проходя через соответствующие инструментальные усилители (71, 72…7N), (141, 142…14N), (211, 212…21N), суммируются с необходимым коэффициентом усиления при помощи соответствующих сумматоров 8, 15, 22, в результате чего общая чувствительность сейсмического приемника достигает величины порядка 2000 В/м/с, что сопоставимо с широкополосными цифровыми сейсмометрами, используемыми в сетях сейсмологического наблюдения.Since the sensitivity of one GS-ONE LF geophone (89.4 V/m/s) is insufficient in seismic data acquisition systems, N geophones are installed for each orthogonal direction (X, Y, Z): (6 1 , 6 2 …6 N ,), (13 1 , 13 2 …13 N ,), (20 1 , 20 2 …20 N ), signals from which, passing through the corresponding instrumental amplifiers (7 1 , 7 2 …7 N ), (14 1 , 14 2 …14 N ), (21 1 , 21 2 …21 N ), are summed with the required gain using the
На каждом геофоне (61, 62…6N,), (131, 132…13N,) и (201, 202…20N) установлен коэффициент демпфирования, равный единице, при помощи, подключенного параллельно геофону, шунтирующего резистора Rd, номинал сопротивления которого определяется из соотношенияEach geophone (6 1 , 6 2 …6 N ,), (13 1 , 13 2 …13 N ,) and (20 1 , 20 2 …20 N ) has a damping coefficient equal to one, using a geophone connected in parallel , shunt resistor R d , the resistance value of which is determined from the ratio
где hm - механическое демпфирование, Rc - сопротивление катушки геофона, m - масса подвижной части геофона, ω0 - собственная частота геофона, G - чувствительность геофона при открытой цепи (см. фиг. 5).where h m - mechanical damping, R c - resistance of the geophone coil, m - mass of the moving part of the geophone, ω 0 - natural frequency of the geophone, G - sensitivity of the geophone in open circuit (see Fig. 5).
Каждый геофон (61, 62…6N,), (131, 132…13N,) и (201, 202…20N) содержит два подтягивающих резистора Rp, имеющих номинал сопротивления, равный 100 кОм, посредством которых выходные сигналы каждого геофона подтянуты к земляному потенциалу (см. фиг. 5).Each geophone (6 1 , 6 2 …6 N ,), (13 1 , 13 2 …13 N ,) and (20 1 , 20 2 …20 N ) contains two pull-up resistors R p having a resistance value of 100 kOhm , by means of which the output signals of each geophone are pulled up to ground potential (see Fig. 5).
Каждый инструментальный усилитель (71, 72…7N), (141, 142…14N), (211, 212…21N) представляет собой дифференциальный усилитель со сверхнизкими шумами с коэффициентом усиления 0 дБ (см. фиг. 5).Each instrumentation amplifier (7 1 , 7 2 ... 7 N ), (14 1 , 14 2 ... 14 N ), (21 1 , 21 2 ... 21 N ) is a differential ultra-low noise amplifier with a gain of 0 dB (see Fig. Fig. 5).
Выходной дифференциальный сигнал каждого геофона (61, 62…6N,), (131, 132…13N,) и (201, 202…20N) поступает на соответствующий инструментальный усилитель (71, 72…7N), (141, 142…14N), (211, 212…21N), который преобразует симметричный сигнал в несимметричный.The output differential signal of each geophone (6 1 , 6 2 …6 N ,), (13 1 , 13 2 …13 N ,) and (20 1 , 20 2 …20 N ) goes to the corresponding instrumental amplifier (7 1 , 7 2 …7 N ), (14 1 , 14 2 …14 N ), (21 1 , 21 2 …21 N ), which converts a balanced signal into an unbalanced one.
Выходной сигнал каждого инструментального усилителя (71, 72…7N), (141, 142…14N), (211, 212…21N) поступает на соответствующий сумматор 8, 15, 22, который производит суммирование всех сигналов от N геофонов (71, 72…7N), (141, 142…14N), (211, 212…21N).The output signal of each instrumental amplifier (7 1 , 7 2 ... 7 N ), (14 1 , 14 2 ... 14 N ), (21 1 , 21 2 ... 21 N ) is fed to the
Данное суммирование приводит к уменьшению шума в выходном сигнале и увеличивает соотношение сигнал/шум в
Каждый сумматор 8, 15, 22 представляет собой аналоговый сумматор на операционном усилителе, причем выходной сигнал Vsum на выходе каждого сумматора 8, 15, 22 определяется из соотношения:Each
где V1, V2,…VN - выходные напряжения с каждого геофона, а соотношение номиналов резисторов Rƒ и Ra задает необходимый коэффициент усиления суммарного сигнала (см. фиг. 5).where V 1 , V 2 ,…V N are the output voltages from each geophone, and the ratio of resistor values R ƒ and R a sets the required gain of the total signal (see Fig. 5).
Основным ограничением аппаратной корректировки частотной характеристики геофона является наличие аппаратного шума, прежде всего шума операционных усилителей.The main limitation of the hardware correction of the geophone frequency response is the presence of hardware noise, primarily the noise of operational amplifiers.
В качестве операционных усилителей, входящих в состав сумматоров 8, 15, 22, обратных фильтров 9, 16, 23 выбраны малошумящие прецизионные операционные усилители ОРА2211 от компании Texas Instruments со спектральной плотностью мощности шума 1,1 нВ/Гц.As operational amplifiers included in
Данные усилители имеют сверхнизкие значения температурного дрейфа и низкое электропотребление, что является преимуществом при применении в автономных системах сейсмологического мониторинга.These amplifiers have ultra-low temperature drift and low power consumption, which is an advantage when used in stand-alone seismological monitoring systems.
Для восстановления амплитудно-частотной характеристики каждого геофона (61, 62…6N,), (131, 132…13N,) и (201, 202…20N) в диапазоне частот от ω1 до ω0, где ω0 собственная частота геофона, а ω1 нижняя частота коррекции амплитудно-частотной характеристики геофона использована схема коррекции на основе обратного фильтра.To restore the amplitude-frequency characteristic of each geophone (6 1 , 6 2 …6 N ,), (13 1 , 13 2 …13 N ,) and (20 1 , 20 2 …20 N ) in the frequency range from ω 1 to ω 0 , where ω 0 is the natural frequency of the geophone, and ω 1 is the lower frequency of correction of the amplitude-frequency characteristic of the geophone, a correction scheme based on an inverse filter is used.
Выходной сигнал с каждого сумматора 8, 15, 22 поступает на соответствующий обратный фильтр 9, 16, 23, каждый из которых представляет собой два последовательно соединенных интегратора с крутизной частотной характеристики 12 дБ/октаву (крутизна частотной характеристики каждого интегратора 6 дБ/октаву) в полосе частот ω0 - ω1.The output signal from each
Реализация каждого обратного фильтра 9, 16, 23 на базе двух последовательно соединенных интеграторов представлена на фиг. 6.The implementation of each
Передаточная характеристика первого полосового интегратора определяется из соотношения:The transfer characteristic of the first bandpass integrator is determined from the relationship:
где Vint1 - выходной сигнал первого полосового интегратора; Vsum - выходной сигнал с сумматора.where V int1 is the output signal of the first bandpass integrator; V sum - output signal from the adder.
По заданным значениям С1,R2,R3 можно определить номиналы сопротивления R1 и R4 при помощи следующих уравнений:Given the values of C 1 , R 2 , R 3 , you can determine the resistance values R 1 and R 4 using the following equations:
Передаточная характеристика второго полосового интегратора определяется из соотношения:The transfer characteristic of the second bandpass integrator is determined from the relationship:
где Vint2 - выходной сигнал со второго полосового интегратора, Vint1 -выходной сигнал с первого полосового интегратора.where V int2 is the output signal from the second bandpass integrator, Vint1 is the output signal from the first bandpass integrator.
По заданным значениям С2,R6,R7 можно определить номиналы сопротивления R5 и RQ при помощи следующих уравнений:According to the given values of C 2 , R 6 , R 7 , you can determine the resistance values R 5 and R Q using the following equations:
Соответственно два последовательно включенных интегратора формируют передаточную характеристику:Accordingly, two series-connected integrators form a transfer characteristic:
Для расширения частотного диапазона геофона GS-ONE LF в области 0,5-4,5 Гц, использована схема коррекции на основе обратного фильтра. Обратные фильтры 9, 16, 23 имеют усиление 12 дБ на октаву в полосе частот 0,5-4,5 Гц.To expand the frequency range of the GS-ONE LF geophone in the region of 0.5-4.5 Hz, a correction scheme based on an inverse filter was used.
Для того, чтобы обеспечить устойчивый режим работы схемы коррекции и подавления низкочастотного шума, который усиливается при прохождении обратного фильтра в полосе частот ниже частоты корректировки ω1 (в области частот ниже 0,5 Гц) были применены, в качестве фильтров 10, 17, 24 высоких частот, два последовательно соединенных фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка, которые подавляют все частоты ниже 0,5 Гц.In order to ensure a stable mode of operation of the correction circuit and suppression of low-frequency noise, which is amplified when passing the reverse filter in the frequency band below the correction frequency ω 1 (in the frequency range below 0.5 Hz), filters 10, 17, 24 were used as filters high-pass, two series-connected 2nd order Butterworth high-pass filters that suppress all frequencies below 0.5 Hz.
Реализация каждого фильтра 10, 17, 24 высоких частот на базе двух последовательно соединенных фильтров высоких частот Баттерворта 2-го порядка представлена на фиг. 7.The implementation of each
Передаточная характеристика первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:The transfer characteristic of the first 2nd order Butterworth high-pass filter is determined from the relationship:
где Vint2 - выходной сигнал со второго полосового интегратора; Vhрƒ1 - выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.where V int2 is the output signal from the second bandpass integrator; V hrƒ1 - the output signal of the first Butterworth high-pass filter of the 2nd order.
Передаточная характеристика второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка определяется из соотношения:The transfer characteristic of the second high-pass Butterworth 2nd order filter is determined from the relationship:
где Vhрƒ2 - выходной сигнал второго фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка; Vhрƒ1 - выходной сигнал первого фильтра высоких частот Баттерворта 2-го порядка.where V hrƒ2 - the output signal of the second high-pass filter Butterworth 2nd order; V hrƒ1 - the output signal of the first Butterworth high-pass filter of the 2nd order.
Для передачи аналогового сигнала в тракт аналого-цифровых преобразователей выходной сигнал с каждого фильтра 10, 17, 24 высоких частот подключен к соответствующему драйверу 11, 18, 25 аналого-цифрового преобразователя, в качестве которых выбраны прецизионные драйверы LMP8350 со сверхнизкими искажениями, которые преобразовывают несимметричный сигнал в симметричный.To transmit an analog signal to the path of analog-to-digital converters, the output signal from each high-
Реализация каждого драйвера 11, 18, 25 аналого-цифрового преобразователя представлена на фиг. 8.The implementation of each A/
Таким образом, содержащиеся, в каждом блоке ПМС 2, 3, 4, платы из соответствующих инструментальных усилителей (71, 72…7N), (141, 142…14N), (211, 212…21N), соответствующих сумматоров 8, 15, 22 и соответствующие схемы корректировки амплитудно-частотной характеристики каждого геофона GS-ONE LF (61, 62…6N,), (131, 132…13N,) и (201, 202…20N), позволяют расширить рабочий частотный диапазон геофонов GS-ONE LF в сторону низких частот с первоначальной 4,5 Гц до 0,5 Гц.Thus, the boards from the corresponding instrumental amplifiers (7 1 , 7 2 ... 7 N ), (14 1 , 14 2 ... 14 N ), (21 1 , 21 2 ... 21 N ), the corresponding
Точность измерения аналого-цифрового преобразователя, а также его температурная стабильность зависит в значительной степени от точности и стабильности источника опорного напряжения. Точность преобразования при проведении абсолютных измерений определяется точностью опорного сигнала. Однако в задачах сейсмологического мониторинга главным показателем является не абсолютная точность, а стабильность и повторяемость результатов измерения с малым уровнем вносимого аппаратного шума. Поэтому в качестве источников 12, 19, 26 опорного напряжения выбрана микросхема ADR02, которая имеет выходное напряжение 5 В, значение шума 10 мкВ в полосе частот 0,1-10 Гц и температурную стабильность 3 ррm/С.The measurement accuracy of an analog-to-digital converter, as well as its temperature stability, depends to a large extent on the accuracy and stability of the reference voltage source. The conversion accuracy for absolute measurements is determined by the accuracy of the reference signal. However, in the tasks of seismological monitoring, the main indicator is not absolute accuracy, but the stability and repeatability of measurement results with a low level of introduced hardware noise. Therefore, the ADR02 microcircuit was chosen as
Таким образом, выполнение сейсмического приемника в соответствии с предложенным техническим решением, позволяет регистрировать слабые сейсмические сигналы в большом динамическом диапазоне за счет улучшения соотношения сигнал/шум и ослабления низкочастотного шума в области частот ниже нижней граничной частоты ω1, позволяет повысить точность и достоверность регистрируемых микросейсмических сигналов за счет применения группирования геофонов, повысить помехозащищенность выходного сигнала за счет использования симметричного выходного сигнала.Thus, the implementation of the seismic receiver in accordance with the proposed technical solution allows you to register weak seismic signals in a large dynamic range by improving the signal-to-noise ratio and attenuating low-frequency noise in the frequency range below the lower cutoff frequency ω 1 , improves the accuracy and reliability of the recorded microseismic signals through the use of grouping geophones, increase the noise immunity of the output signal through the use of a symmetrical output signal.
Claims (12)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2795783C1 true RU2795783C1 (en) | 2023-05-11 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2920420A1 (en) * | 1979-05-19 | 1980-11-20 | Bergwerksverband Gmbh | Monitoring critical stress conditions in mines and tunnels - using geophones and staggered frequency-time signal distribution evaluation |
SU1133568A1 (en) * | 1983-09-23 | 1985-01-07 | Институт Геотехнической Механики Ан Усср | Device for vibroacoustic checking of rock mass condition |
US6370083B1 (en) * | 2000-08-10 | 2002-04-09 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and apparatus for detecting acoustic signals from a plurality of acoustic signal sensors |
RU111689U1 (en) * | 2011-05-13 | 2011-12-20 | Учреждение Российской академии наук Институт динамики геосфер РАН (ИДГ РАН) | DEVICE FOR CORRECTION OF THE SENSOR FREQUENCY CHARACTERISTIC |
RU171967U1 (en) * | 2017-03-20 | 2017-06-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | OFFLINE HYDROPHYSICAL FIELD RECORDER |
RU2717166C1 (en) * | 2019-06-13 | 2020-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Three-component downhole seismic sensor |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2920420A1 (en) * | 1979-05-19 | 1980-11-20 | Bergwerksverband Gmbh | Monitoring critical stress conditions in mines and tunnels - using geophones and staggered frequency-time signal distribution evaluation |
SU1133568A1 (en) * | 1983-09-23 | 1985-01-07 | Институт Геотехнической Механики Ан Усср | Device for vibroacoustic checking of rock mass condition |
US6370083B1 (en) * | 2000-08-10 | 2002-04-09 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and apparatus for detecting acoustic signals from a plurality of acoustic signal sensors |
RU111689U1 (en) * | 2011-05-13 | 2011-12-20 | Учреждение Российской академии наук Институт динамики геосфер РАН (ИДГ РАН) | DEVICE FOR CORRECTION OF THE SENSOR FREQUENCY CHARACTERISTIC |
RU171967U1 (en) * | 2017-03-20 | 2017-06-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) | OFFLINE HYDROPHYSICAL FIELD RECORDER |
RU2717166C1 (en) * | 2019-06-13 | 2020-03-18 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") | Three-component downhole seismic sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Wielandt | Seismic sensors and their calibration | |
JPS58172571A (en) | Method and device for investigating earthquake of ocean | |
DK2630521T3 (en) | METHOD AND APPARATUS FOR geophysical survey FOR THE DETECTION OF LIQUID BODIES in subterranean formations | |
US6075754A (en) | Single-coil force balance velocity geophone | |
RU2795783C1 (en) | Seismic receiver | |
Byrne | Instrument noise in seismometers | |
Williams et al. | DC amplifier stabilized for zero and gain | |
CN116299718A (en) | Semi-aviation electromagnetic apparent resistivity measurement system and method | |
Besedina et al. | Instrumental methods for extending the amplitude-frequency responses of a geophone | |
RU2799344C1 (en) | Digital seismometer | |
CN109307883B (en) | Low-frequency temperature compensation regulating circuit of detector | |
RU2799398C1 (en) | Hardware-software system for microseismic monitoring of oil and gas fields development | |
RU111689U1 (en) | DEVICE FOR CORRECTION OF THE SENSOR FREQUENCY CHARACTERISTIC | |
CN106768282B (en) | On-site calibration system for magneto-electric sensor | |
CN113092820A (en) | High-precision acceleration sensor noise performance analysis method and device | |
Nur’aidha et al. | Implementation of MEMS accelerometer for velocity-based seismic sensor | |
RU218261U1 (en) | DIGITAL SEISMOMETER | |
Brincker et al. | Obtaining and estimating low noise floors in vibration sensors | |
Wielandt et al. | Measuring seismometer nonlinearity on a shake table | |
Gilyazov et al. | Development of a Broadband Seismic Receiver Based on GS-ONE LF Geophone | |
JPH0263194B2 (en) | ||
Bland | An analysis of passive seismic recording performance | |
RU2707139C1 (en) | Method of wireless transmission of digital panoramic aerial video images | |
SU717684A1 (en) | Device for measuring shock accelerations | |
RU2087927C1 (en) | Geological survey measuring device |