SU1767458A1

SU1767458A1 - Method for calibrating seismometric channel

Info

Publication number: SU1767458A1
Application number: SU914904598A
Authority: SU
Inventors: Андрей Вениаминович Горбатиков; Дмитрий Анатольевич Ильинский; Евгений Петрович Кривцов; Валентин Борисович Преображенский; Александр Павлович Яковлев; Виктор Никитович Михайлов; Борис Владимирович Архангельский
Original assignee: Институт физики Земли им.О.Ю.Шмидта
Priority date: 1991-01-22
Filing date: 1991-01-22
Publication date: 1992-10-07

Abstract

Использование: геофизическое приборостроение , сейсмометри , fa частности дл определени амплитудно- и фазочастотных характеристик. Сущность изобретени заключаетс в том, что дл возбуждени колебаний основани используют микросейсмы, калибруют одновременно два однотипных сейсмометрических канала, осуществл ют два измерени ; при первом - сейсмометры устанавливают на общем основании с бди- наково направленными измерительными ос ми, при втором - сейсмометры устанавливают на рассто нии не менее 1 м друг от друга, измерительные оси ориентиру вдоль линии, соедин ющей их корпуса, кроме того , измер ют смещение корпусов вдоль линии их установки в широком диапазоне частот, и после расчета всех спектральных амплитудно- и фазочастотных характеристик вычисл ют амплитудно- и фазочастот- ныехарактеристикиобоих сейсмометрических каналов. 1 ил. ел СUse: geophysical instrumentation, seismometer, fa particular to determine the amplitude and phase-frequency characteristics. The essence of the invention is that microseisms are used to excite the vibrations of the base, two identical seismometric channels are simultaneously calibrated, two measurements are made; in the first case, the seismometers are installed on a common base with remotely directed measuring axes, in the second case, the seismometers are installed at a distance of at least 1 m from each other, the measuring axes of the reference axis along the line connecting their bodies, in addition, the displacement is measured enclosures along the line of their installation in a wide frequency range, and after calculating all the spectral amplitude and phase frequency characteristics, the amplitude and phase frequency characteristics of both seismometric channels are calculated. 1 il. ate with

Description

Изобретение относитс к геофизическому приборостроению и сейсмометрии и может бытц использовано дл определени абсолютных амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик сейсмометрических каналов.The invention relates to geophysical instrumentation and seismometry and can be used to determine the absolute amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of seismometric channels.

Известен способ абсолютной калибровки сейсмометрического канала (далекий аналог), заключающийс в возбуждении сейсмодатчика электродинамического типа через рабочую катушку, измерении возбуждающего сигнала и сигнала на входе канала и расчета абсолютной частотной характеристик , причем разделение возбуждающего сигнала, поступающего на рабочую катушку сейсмодатчика и выходного сигнала сейсмодатчика осуществл ют с помощью моста Максвела. Этот способ содержит р д недостатков , св занных с высокими погрешност ми измерений, присущими косвенной калибровке.A known method for absolute calibration of a seismic channel (a remote analogue) consists in exciting an electrodynamic type seismic sensor via a working coil, measuring the excitation signal and a signal at the channel input, and calculating the absolute frequency characteristics, where are using the Maxwell Bridge. This method contains a number of disadvantages associated with high measurement errors inherent in indirect calibration.

Известен способ абсолютной калибровки сейсмометрического канала (аналог), заключающийс в том, что сейсмодатчик укрепл ют на платформе установки, воспроизвод щей гармонические колебани . Осуществл ют гармонические колебани платформы с заданными параметрами, регулируют сигнал на выходе сейсмометрического канала и, сравнива амплитуду выходного сигнала и его фазу с амплитудой и фазой Смещени платформы, определ ютA known method for absolute calibration of a seismic channel (analog) is that the seismic sensor is fixed on the platform of a reproducing harmonic oscillations. Perform a harmonic oscillation of the platform with the given parameters, adjust the signal at the output of the seismometric channel and, comparing the amplitude of the output signal and its phase with the amplitude and phase of the displacement of the platform, determine

VIVI

ОABOUT

XX

с with

0000

абсолютное значение коэффициента преобразовани канала и фазовый сдвиг выходного сигнала дл каждой фиксированной частоты во всем частотном диапазоне канала .the absolute value of the channel conversion coefficient and the phase shift of the output signal for each fixed frequency in the entire frequency range of the channel.

Наиболее совершенные из существующих установок (К-ПСГУ) воспроизвод т гармонические колебани в диапазоне частот 0,01 - 20 Гц с амплитудами от 0,1 до 20 мм (прототип), где показано, что вс кой плат- форме присуи и погрешности при воспроизведении колебаний. Они зависит от частоты, амплитуды колебаний, а также от условий установки платформы. Приуменьшении амплитуды и уменьшении частоты погрешно- сти воспроизведени ускорений растут.The most sophisticated of the existing installations (K-PSGU) reproduce harmonic oscillations in the frequency range of 0.01–20 Hz with amplitudes from 0.1 to 20 mm (prototype), where it is shown that any platform can have inaccuracy and error during playback fluctuations. It depends on the frequency, amplitude of oscillations, and also on the installation conditions of the platform. By reducing the amplitude and decreasing the frequency of reproduction errors, the accelerations increase.

Р д практических задач в сейсмометрии св зан с измерением наиболее слабых колебаний поверхности (т.е. сигналов, не превышающих естественные земные шумы- микросейсмы). Соответственно, существует проблема абсолютной калибровки сейсмометрического канала с максимальной возможной чувствительностью., П ри максимальной чувствительности усиление канала нельз подн ть без того, чтобы микросейсмический сигнал не превысил динамический диапазон канала. В это случае пользоватьс дл калибрОЁки описанной платформой невозможно, поскольку: 1 - не существует платформ, воспроизвод щих смещени в сотые и тыс чные доли микрона , что соответствует амплитуде смещени D микросейсмической волне; 2 - нежелательно выходит из положени путем калиб- ровкй канала загрублени путем калибровки канала с затрубленным и при больших амплитудах смещений, которые обеспечивает платформа, а затем переносить результат калибровки с загрубленного канала на канал с максимальной чувствительностью , т.к. при этом в результат калибровки внос тс дополнительные погрешности. Кроме того у сейсмического преобразовател существуют нелинейно- сти преобразовани колебаний в напр жение , св занные с конструкцией. Нелинейные искажени завис т от амплитуды колебаний и поэтому, калибру канал большими амплитудами, мы приписываем преобразователю нелинейность, которой у него может не быть при амплитудах колебаний в сотни раз меньших.A number of practical tasks in seismometry are associated with the measurement of the weakest surface oscillations (i.e., signals not exceeding the natural earthly noise-microseisms). Accordingly, there is the problem of absolute calibration of the seismometric channel with the maximum possible sensitivity. If the maximum sensitivity is used, the channel gain cannot be raised without the microseismic signal not exceeding the dynamic range of the channel. In this case, using the platform described for calibrating is impossible, since: 1 - there are no platforms reproducing displacements in hundredths and thousandths of microns, which corresponds to the amplitude of the displacement D of the microseismic wave; 2 - undesirably moves out of position by calibrating the channel of deception by calibrating the channel with blistered and with large displacement amplitudes provided by the platform, and then transfer the result of calibration from the rough channel to the channel with maximum sensitivity, since in addition, additional errors are introduced into the calibration result. In addition, the seismic converter has nonlinearities in the conversion of oscillations to voltage associated with the design. Nonlinear distortions depend on the amplitude of the oscillations, and therefore, to the caliber of the channel with large amplitudes, we assign a nonlinearity to the converter, which it may not have when the amplitudes of oscillations are hundreds of times smaller.

Целью изобретени вл етс повышение точности калибровки каналов при одно- временном сокращении .величины нелинейных искажений.The aim of the invention is to improve the accuracy of channel calibration while simultaneously reducing the magnitude of non-linear distortion.

Поставленна цель достигаетс тем, что, согласно известному способу калибровки сейсмометрического канала осуществл - The goal is achieved by the fact that, according to the well-known method for calibrating a seismometric channel,

ют колебани основани датчика, регистрируют их, определ ют соответствующие амплитудный и фазовый спектры выходного сигнала и определ ют абсолютную амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики , колебани основани датчика осуществл ют естественными микросейс- мами, при этом калибруют одновременно два однотипных канала, а калибровку производ т в два этапа, на первом из которых сейсмодатчики устанавливают р дом друг с другом, их измерительные оси ориентируют в одном направлении, регистрируют синхронно двум каналами микросейсмический сигнал, амплитудные и фазовые спектры определ ют по каждому каналу и определ ют отношение амплитудных и разность фазовых спектров, на втором этапе сейсмодатчики располагают на рассто нии не менее 1 м друг от друга, их измерительные оси ориентируют в мощном направлении по линии, соедин ющей датчики, синхронно регистрируют микросейсмический сигнал каждым каналом, а также регистрируют в широкой полосе с частот абсолютное значение смещени датчиков друг относительно друга вдоль линии, соедин ющей датчики, определ ют амплитудные и фазовые спектры сигналов, сравнивают амплитудные и фазовые спектры первого и второго этапов измерений , определ ют значени абсолютных амплитудно-частотных характеристик обоих каналов.oscillations of the base of the sensor, register them, determine the corresponding amplitude and phase spectra of the output signal and determine the absolute amplitude-frequency and phase-frequency characteristics, oscillations of the base of the sensor carry out natural microseisms, at the same time calibrate two channels of the same type, and calibrate in two stages, in the first of which the seismic sensors are installed side by side, their measuring axes are oriented in one direction, they are recorded synchronously with two channels of micros The amplitude and phase spectra are determined for each channel and the amplitude ratio and the phase difference are determined. At the second stage, the seismic sensors are located at least 1 m from each other, their measuring axes are oriented in a powerful direction along the line connecting the sensors synchronously register the microseismic signal by each channel, and also register the absolute value of the displacement of the sensors relative to each other along a line connecting the sensors in a wide frequency range from the frequencies, determine the amplitude The specific and phase spectra of the signals compare the amplitude and phase spectra of the first and second measurement steps, determine the absolute amplitude-frequency characteristics of both channels.

На чертеже представлена схема реализации способа. Схема состоит из 1. 2 - сей- смодатчиков калибруемых каналов, 3 - полупрозрачного зеркала, 4 - отражающего зеркала, 5 - герметически закрытой трубы измерительного плеча интерферометра, б - лазера, измерительного блока лазерного интерферометра.The drawing shows a diagram of the implementation of the method. The scheme consists of 1. 2 - seismic sensors of calibrated channels, 3 - translucent mirrors, 4 - reflecting mirrors, 5 - hermetically closed tube of the measuring arm of the interferometer, b - laser, measuring unit of the laser interferometer.

Избрание реализуетс при одновременном использовании двух сейсмометрических каналов, в идеальном случае необходимы два идентичных по параметрам канала, поскольку в процессе калибровки определ ютс амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ) обеих каналов в области пересечени их частотных диапазонов. На практике добитьс полной идентичности параметров не удаетс , поэтому способ реализуетс в два этапа.The election is realized with the simultaneous use of two seismometric channels; ideally, two channels with identical parameters are necessary, since the calibration process determines the amplitude-frequency characteristics (AFC) and phase-frequency characteristics (PFC) of both channels in the intersection area of their frequency ranges. In practice, it is not possible to achieve the complete identity of the parameters; therefore, the method is implemented in two stages.

На первом этапе датчики обеих каналов , характеризующихс комплексными частотными характеристиками ), I 1,2, устанавливаютс на общем основании вплотную друг к другу, так, чтобы измерительные оси датчиков были ориентированы параллельно в одном направлении. В этомAt the first stage, the sensors of both channels, which are characterized by complex frequency characteristics), I 1,2, are mounted on a common base closely to each other, so that the measuring axes of the sensors are oriented parallel in one direction. In that

случае можно считать, что на датчики действуют один и тот же сейсмический сигнал x(t), имеющий Фурье - образ %(ш). При этом на входе каналов регистрируют сигналы со спектрами U,( ш) Н,( rw)-Ј( ft;). Отношение характеристик каналов равно: Hi(o) Oi(w) ,ллIn the case, we can assume that the sensors have the same seismic signal x (t), which has a Fourier transform - the image of% (w). At the same time, signals with spectra U, (W) H, (rw) -Ј (ft;) are recorded at the channel input. The ratio of the characteristics of the channels is equal to: Hi (o) Oi (w), ll

0(тадвиад (1)0 (tadwiad (1)

На втором этапе датчики устанавливают на некотором рассто нии друг от друга.At the second stage, the sensors are installed at some distance from each other.

Измерительные оси датчиков ориентируют в одном направлении, параллельно между собой вдоль линии, соедин ющей разнесенные датчики. Рассто ние между датчиками выбираетс достаточным дл того , чтобы разность I(t) сейсмических колебаний x(t) и y(t) в очках установки первого и второго датчиков могла с достаточной и в широкой полосе частот зарегистрирована абсолютным измерителем линейных пере- мещений. Таким измерителем может служить лазерный интерферометр. Дл реальных микросейсмических волн, составл ющих естественный фон такие рассто ни составл ют не менее 1 м. Регистрируют выходные сигналы каналов, определ ют Фурье-образцы.The measuring axes of the sensors are oriented in one direction, parallel to each other along the line connecting the spaced sensors. The distance between the sensors is selected so that the difference I (t) of seismic vibrations x (t) and y (t) in the first and second sensor mounting points can with sufficient and in a wide frequency band recorded by an absolute linear displacement meter. Such a meter can be a laser interferometer. For real microseismic waves that make up the natural background, such distances are at least 1 m. The output signals of the channels are recorded, and Fourier samples are determined.

Ui(y) Hi(w)X(w)Ui (y) Hi (w) X (w)

U2(u)-H2(w)Y(u)(2)U2 (u) -H2 (w) Y (u) (2)

Синхронно с каналами регистрируют выходной сигнал лазерного интерферометра , определ ют его Фурье -образ.The output signal of the laser interferometer is recorded synchronously with the channels and its Fourier transform is determined.

из( «)Нз(со).Цш)(3)from (“) Nz (co) .Shch) (3)

где Нз( со) комплексна характеристика лазерного интерферометра, измер ющего реальный сигналwhere ns (co) is the complex characteristic of a laser interferometer measuring a real signal

l(t) x(t)-y(t)(4)l (t) x (t) -y (t) (4)

при этом, как видно из чертежа, полупрозрачное и отражающее зеркала интерферометра установлены непосредственно вблизи каждого из сейсмических датчиков.at the same time, as can be seen from the drawing, the semitransparent and reflecting mirrors of the interferometer are installed directly near each of the seismic sensors.

Из (1) - (4) получаем:From (1) - (4) we get:

,U1H- Hl - UH/H a;), U1H- Hl - UH / H a;)

) ,, / 6Ж U2(w) Н2И изИ/нзИ(5)) ,, / 6Ж U2 (w) H2I fromI / nZI (5)

Дл широкополосных измерителей перемещений, в частности дл лазерного интерферометра, в сейсмическом диапазоне частот как правилоFor wideband displacement meters, in particular for a laser interferometer, in the seismic frequency range, as a rule

Нз() К constNz () K const

Очевидно, что АЧХ(А,( л;)) и ФЧХ(Ф,( (о) каналов определ ютс : Ai(uJ) Hi( со)It is obvious that the frequency response (A, (l;)) and phase response (F, ((o) channels are determined: Ai (uJ) Hi (co)

Ф,( u)-arg(Hi(o))l- 1.2F, (u) -arg (Hi (o)) l- 1.2

Приведенное описание однозначно по сн ет суть предлагаемого способа абсолютной калибровки сейсмометрического канала. По сравнению с прототипом способ позвол етThe above description clearly explains the essence of the proposed method of absolute calibration of the seismometric channel. Compared to the prototype, the method allows

Claims

improve channel calibration accuracy by no less than 30% and reduce nonlinear distortions in the resulting characteristics by no less than an order of magnitude. Invention Formula

A method for calibrating a seismometric channel, which consists in vibrating the base of the seismometer, recording the output signal, determining the corresponding amplitude and phase spectra and determining the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of the seismometric channel, in order to improve the accuracy of calibration of the seismometric channels while reducing non-linear distortion values, using natural microseisms, vibrate the base two similar seismometers at

First, the seismometers are installed on a common basis, orienting their measuring axes in one direction, and synchronous recording of the output signals is carried out, for each seismometric

the amplitude and phase spectra are determined by the channel and the amplitude ratio and the phase spectra difference are calculated, then the seismometers are set at least 1 m apart from each other, orienting them

measuring axes in one direction, along a line connecting seismometers, synchronously register a microseismic signal with each seismometric channel, and in a wide frequency band - displacement

relative to each other along the line connecting these seismometers determine the amplitude and phase spectra of signals from all channels, compare the amplitude and phase spectra of the first and

the second measurements and determine the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics of both seismometric channels.