WO2024023377A1 - Sistema de bajo ruido para la adquisición sincronizada e inalámbrica de señales de ruido ambiente en redes de sensores sísmicos - Google Patents

Sistema de bajo ruido para la adquisición sincronizada e inalámbrica de señales de ruido ambiente en redes de sensores sísmicos Download PDF

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WO2024023377A1
WO2024023377A1 PCT/ES2023/070398 ES2023070398W WO2024023377A1 WO 2024023377 A1 WO2024023377 A1 WO 2024023377A1 ES 2023070398 W ES2023070398 W ES 2023070398W WO 2024023377 A1 WO2024023377 A1 WO 2024023377A1
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server
node
seismic
signal
nodes
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Application number
PCT/ES2023/070398
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Inventor
Julio Antonio JORNET MONTEVERDE
Juan José GALIANA MERINO
Juan Luis SOLER LLORENS
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Universidad De Alicante
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/18—Receiving elements, e.g. seismometer, geophone or torque detectors, for localised single point measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/24—Recording seismic data

Definitions

  • the present invention is part of the sector of geophysical exploration, and more specifically in the field of seismic microzonation through simultaneous measurements of seismic sensor vapors (sensor array).
  • the synchronized and simultaneous recording of environmental vibrations (also known as ambient noise or seismic noise) by an array of sensors subsequently allows, through the corresponding analysis, the obtaining of the dispersion curve of surface waves or Rayleigh, and therefore, the characterization of the soil type.
  • This characterization can be carried out through different methods, basically classified into geotechnical and geophysical techniques.
  • passive seismic methods based on seismic noise measurements have become very popular in recent decades, as they constitute a non-invasive and lower cost tool, especially suitable for urban areas.
  • Environmental seismic noise corresponds to vibrations on the Earth's surface due to different natural and artificial causes. These vibrations are imperceptible to humans, but not to seismic sensors. Therefore, its recording and analysis provides valuable information about the properties of the medium it passes through, that is, the characteristics of the soil.
  • the calculation of the velocity profiles of shear waves or S waves provides valuable information to predict the response of the ground in the event of an earthquake.
  • One of the most common techniques used for soil characterization is the horizontal to vertical spectral ratio (HA/) method. In this case, a single three-component sensor is required. The relationship between the vertical component and the average of the two horizontal components provides information about the resonance frequency of the soil under study. If any of the frequencies of the seismic waves coincide with the resonance frequency of the ground, then their amplitude will be drastically amplified, dramatically increasing the effects of the associated earthquake.
  • Matrix techniques based on seismic noise measurements are also a notable tool for soil characterization. These techniques require several vertical sensors recording simultaneously. After that, different techniques can be applied for data analysis. Three of the most commonly used methods are the spatial autocorrelation (SPAC) technique, the extended spatial autocorrelation (ESAC) method, and the frequency-wavenumber (F-K) method. The application of any of these methods allows us to obtain the speed of propagation of waves through the medium as a function of frequency, which is known as dispersion curves.
  • SPAC spatial autocorrelation
  • ESAC extended spatial autocorrelation
  • F-K frequency-wavenumber
  • the velocity profile of the corresponding S wave can be estimated, and the type of soil can be characterized, which is of great importance to know how an earthquake can have a greater effect. or to a lesser extent to the area under study.
  • the present invention is part of this second type of measurements, in matrix, where the simultaneous recording of seismic sensor vapors is required and where the synchronization between all the measurements is crucial for the subsequent analysis of the recorded signals.
  • the desired vibrations detect have a very small amplitude, around 10 10 to 10 2 m/s, and a bandwidth between 0.001 and 50 Hz.
  • the seismic sensor in general, acts as a transducer of speed, displacement or acceleration to the electrical signal, although in the case of application of the invention, they are usually speed sensors.
  • Typical instruments used for seismic noise are short-period sensors, which exhibit high-pass behavior with cutoff frequencies between 0.2 and 4.5 Hz, or broadband sensors, which exhibit a flat response of approximately 0.01 to 50 Hz.
  • the sensitivity of these sensors is between 100 and 400 V/m/s, for short-period sensors, or between 800 and 2000 V/m/s for broadband sensors.
  • the seismic signals are connected directly to the analog-digital converter or to a relatively low signal-to-noise ratio (SNR) acquisition circuit. This makes them suitable for relatively high amplitude signals, but not so much for seismic noise.
  • SNR signal-to-noise ratio
  • data recording is done locally in each of the nodes of the sensor network.
  • the present invention focuses on a proposal for a comprehensive, economically and technically viable system, based on the acquisition through a network of seismic ambient noise sensors, and which allows a solution to the technical problems discussed above.
  • the invention is a low noise system for the synchronized and wireless acquisition of ambient noise signals in seismic sensor networks according to the independent claim. Its variants are defined in the other claims and are described in the rest of the specification.
  • the system of the invention allows all the measurements obtained from the different geophones or seismic sensors to be recorded wirelessly on a single server.
  • the direct analysis of these signals allows us to obtain the dispersion curve of the Rayleigh waves (speed of the waves as a function of frequency) and from there, the estimation of the speed profile of the shear waves in the area under study (characterization of soil type).
  • a system consisting of a series of nodes connected to a geophone or seismic sensor that measure at least the vertical component of ground movement and to a central server that will collect samples from each node via Wi-Fi. -F ⁇ and it will show them and save them in files locally.
  • the arrangement of the nodes will normally be around the server, with an opening that depends on the depth of the sediments to be analyzed.
  • the area that can be measured with the developed system is up to about 250 meters in diameter in an open field and free of interference.
  • the maximum number of nodes allowed in the system is 10 and they are made up of an adapter circuit designed specifically for the geophone or seismic sensor, an 8-channel 24-bit analogue digital converter (ADC) and a CC3200 microcontroller that is responsible for managing sampling, communications and synchronization with the server.
  • ADC analogue digital converter
  • the preferred server is made up of a Raspberry Pi model 4B to which it is connected a high-power Wi-Fi-USB card.
  • a laptop will be connected to the server to be able to access the user interface through a web browser.
  • An interface has been designed where you can interact with the system, starting and ending the records, synchronizing the nodes, and also displaying the signals of the nodes in real time.
  • Wi-F network for communication between nodes and server.
  • the fact that the nodes are on the same Wi-F network has led to the implementation of an exclusive mechanism based on transmission time slots so that each node transmits without a collision occurring since the medium is shared and the nodes begin to sample at the same time.
  • the mechanism for retransmitting lost frames is also subject to transmission time slots.
  • the voltage signal provided by the geophone or the seismic sensor in the case of ambient noise measurements, is of very low amplitude and its direct connection to the digital analog converter only provides a signal of very low resolution and that would not serve the purposes of characterization of the soil type. For this reason, a conditioning circuit is necessary that transforms the signal recorded by the seismic sensor to voltage levels and a range of frequencies that adjust to the dynamic range of the digital analog converter used.
  • the conditioning circuit is basically made up of the following modules:
  • Voltage conversion module for example TC7662A. It provides the necessary supply voltage for each of the integrated circuits. It is capable of providing symmetrical tension. In this case the integrated ones work with voltages of 5V and +-5V-.
  • Instrumentation amplifier Converts the differential signal from the geophone into an amplified and ground-referenced signal.
  • the system gain is controlled by an external resistor. Given the low amplitude of seismic noise, the resistance selected is such that it is capable of providing a gain of 1000 or 10000. The choice of gain depends on the type of placement selected. In relatively quiet locations, the gain of 10000 may be most appropriate. In urban locations, with a higher level of ambient noise, a gain of 1000 is recommended, as a gain of 10,000 can sometimes saturate the signal.
  • the gain is selected by a resistor that is preferably selected from 5Q to achieve maximum gain and thus ensure that the seismic signal fits perfectly to the dynamic range of the 23-bit converter.
  • the instrumentation amplifier is characterized by low noise of the order of 0.2uVpp.
  • the reference signal connected to terminal 5, is set to half the maximum supply voltage, that is, 2.5V.
  • a low noise operational amplifier is used that acts as a voltage follower with a very low output impedance.
  • Anti-aliasing filter It is a low-pass filter, of order 8, with switched capacities whose cutoff frequency is controlled by an external clock signal.
  • the square clock signal is provided by the node's own microcontroller and in this way, via software, the desired cutoff frequency is chosen.
  • the sampling frequency is normally 100Hz and the filter cutoff frequency has been selected at 15Hz. This cutoff frequency ensures sufficient attenuation at the Nyquist frequency (avoiding possible overlaps) and at the same time includes the range of frequencies of interest in terrain characterization studies.
  • Communication between the digital analog converter and the microcontroller is carried out using the SPI communication bus.
  • the SPI interface Through the SPI interface, the digitized data is sent to the microcontroller to be saved and transmitted to the server.
  • conditioning circuit and the analog-digital converter are powered by their own power supply or battery, independent of that used to power the microcontroller. This prevents possible interference that could spread between the two systems through the power connections.
  • the TI LaunchPad CC3200 platform was chosen as the preferred microcontroller because of its low consumption and because it integrates the Wi-Fi interface and its libraries.
  • the nodes take samples and convert them, connect to the server through a wireless network, calculating the delay and drift time.
  • the nodes configure the timers to be synchronized with the NTP server using a Heartbeat timer. In parallel, they receive the frames and send packets to the server via UDP (user datagram protocol) and acknowledgments (ACK).
  • UDP user datagram protocol
  • ACK acknowledgments
  • Samples are taken with a fixed period, for example 10 ms. Each moment reads the value of the time and the channels, and groups the samples into packets, for example of 100 samples corresponding to one second, to send them to the server.
  • the timing information ensures that the sampling rate remains stable, allowing time to execute all steps between each pair of samples.
  • each node connects to the server through a Helio type frame and requests the network time (NTP). From there it is synchronized in two phases. The first is through frame exchange between server and node, in which both save the time of each frame at each point (St, Nt2, Nts, St4). From these times the phase shift and drift between both will be calculated.
  • NTP network time
  • T ⁇ is the total time it takes for a single sequence of synchronization frames and their responses
  • ch is the time it takes for a frame to travel from the server to the node
  • e is the processing time spent on the node until it sends a response
  • efe is the time it takes to transmit the response to the node.
  • TTi is the time spent in the round trip transmission, that is, ch and efe, without taking into account the processing time
  • STi is the time stamp (TimeStamp) of the server at instant i
  • NTi is the TimeStamp of the node .
  • the drift is the difference in time between server and node of sequence i.
  • Helio type frames will be used. In them each node will save its time just before sending the Helium. So that frame collisions do not occur on Wi-Fi, since it is a shared medium, each Node sends its Helium frame with a delay from the previous ones (1 second, for example) and sequentially several times.
  • the server will save the two instants of time of the Helio', the one registered by the node and when the server has received it.
  • the server will calculate the time lag for each Helio frame as follows (for 10 frames):
  • driftHi is the time difference between the server and the node of a frame obtained from sending a frame
  • Dr ⁇ Hrotai is the average of the last 10 frames received.
  • the total drift of the node (DriftHrotai) will be the average of the values.
  • the server will then send an indication to the node to move its time forward or backward by X milliseconds if the total lag is greater than 5ms.
  • the threshold of 5ms has been established because it has to be less than the sampling period (10ms), in this way we ensure that the time difference does not reach 1 sample.
  • the buffer in charge of storing the times of the Helio frames will always save the time of the last ones, except when a time adjustment is made, where it will be reset to zero and we will have to wait to receive other frames.
  • phase 2 the nodes will be synchronized and will remain within a maximum of 5ms difference. At this moment the system will be ready to take a measurement.
  • nodes will tend to move out of phase with each other depending on the duration of the registration, the longer the time, the greater the deviation.
  • a synchronization method has been developed.
  • the node's time is saved just before the frame is sent, which will be with a known frequency.
  • the server at the same time that it receives the samples, receives the time of the node and will reapply the mechanism of phase 2, that is, it will store in the buffer the values of the last sending and receiving times, it will calculate the average of the phase shift. time and if it is greater than 5ms it will send a command for the node to be reset.
  • SYNC CLK Return values 9 3 Type 1 (SO, Sampling Order ⁇ messages are used to send the START/STOP orders of the registers according to the value of the Code field:
  • • Code 1: contains the value of 100 sample moments. Each sample instant is formed by a mark that corresponds to the value of the milliseconds of the time instant in which the samples were taken (2 Bytes), the value of channel 1 of the ADC that corresponds to the X axis (3 Bytes ), the value of channel 2 of the ADC corresponding to the Y axis (3 Bytes), and finally the value of channel 3 of the ADC corresponding to the Z axis (3 Bytes).
  • the Type 5 message corresponds to the Helium frame where the UTC System Time value is saved in seconds format in the UTC System Time field, and the milliseconds value is saved in the Millisecs System Time field.
  • Type 6 (ST, Set Timer) messages are related to setting the time and clock of the nodes.
  • Type 7 (TS, TimeStamp) messages are used to mark the time of both the beginning of sampling (time when the first sample of the record will be produced), and the completion of the last sample of the record on each Node. These frames serve as marks, accurately calculating the time spent in the record and if the clock needs to be adjusted. node.
  • Type 9 (SC, Sync CLK) messages are used in phase 1 of synchronization for the calculation of phase shift and drift.
  • a three-way process is used.
  • transmission slots have been defined for each node.
  • the first frame of each node will comprise a different number of samples. In this way, a separation is directly generated in the following shipments, all of which have the same number of samples. For example, for ten nodes, the first send from the first node will be 10 samples. The second will send 20... so that each node finishes preparing its frame and sends it at different times. From that moment on everyone will send equal groups of samples.
  • the server and the node will store the last frames received/sent. If the server does receive the frames and detects that the samples are consecutive, observing the time or the sequence number, then it will send an acknowledgment frame to indicate to the node that it has received them correctly. At this moment the server and the node will empty their buffer waiting for the next ones.
  • the server will send an acknowledgment of receipt including the last correct sample received.
  • the node will calculate how many frames it should forward and when it reaches its transmission window it will send as many frames in a row as it can during the window time. If there are still frames pending to be sent, The node will wait for the next slot to transmit them, until it has transmitted them all. Thanks to the implementation of this method of recovering lost frames, it has been possible to increase the area to be measured considerably, going from 20-30 meters in diameter to a distance of over 250 meters in diameter.
  • Figure 1 shows a drawing of the external box of the invention, indicating each of the connections, buttons, etc.
  • Figure 2 shows a block diagram with the components that make up each of the nodes.
  • Figure 3 shows schematically the block diagram of the conditioning circuit.
  • Figure 4 shows as an example a possible distribution of geophones and nodes, where the server is located in the center and the nodes distributed along an outer circumference.
  • Figure 5 shows the result obtained for the example case.
  • the embodiment of the invention described with the support of Figures 1 to 4 consists of several nodes (12) connected to two geophones or seismic sensors (11). All nodes (12) connect wirelessly to a server (13), which is responsible for controlling communications and recording all data. To configure the real-time acquisition and visualization of the recorded signals, the server (13) is connected to a laptop (15) or other computer system via Ethernet cable (14) and operated through a web browser. .
  • Each of the nodes (12) of the invention made is internally composed of the elements shown in Figures 2 and 3.
  • the nodes (12) can be configured via a bridge to sample single-channel seismic sensors (11) or three-component (three-channel) sensors. Therefore, the matrix that is implemented in the field can be hybrid.
  • the web server configures itself and displays the one-channel or three-channel graph for each seismic sensor (11).
  • Each node of the system has a conditioning circuit (27) formed internally by the following blocks:
  • Voltage conversion module (18). It provides the necessary supply voltage for each of the other elements in the circuit. It is capable of providing symmetrical tension. In this case the integrated ones work with voltages of 5V and ⁇ 5V.
  • Instrumentation amplifier (17) It converts the differential signal from each seismic sensor (11) into an amplified signal referenced to ground.
  • the gain of the instrumentation amplifier (17) is controlled by an external resistor, which can be configured to provide increasing gains, for example 1000 or 10000, as necessary.
  • the reference signal of this instrumentation amplifier (17) is set to half of the maximum supply voltage, that is, 2.5V.
  • Anti-aliasing filter (20) It is a low-pass filter, of order eight, with switched capacities whose cutoff frequency is controlled by an external clock signal.
  • the square clock signal is provided by a microcontroller (25) and in this way, via software, the desired cutoff frequency is chosen.
  • the sampling frequency is 100 Hz and the filter cutoff frequency has been selected at 15 Hz. This cutoff frequency ensures sufficient attenuation at the Nyquist frequency (avoiding possible overlaps) and at the same time includes the range of frequencies of interest in terrain characterization studies, being between 0-50Hz.
  • Voltage conversion module (18) o Operating range between 3V-18V o Output current of 40mA o Low impedance, 40 Q o Dissipation power greater than 700mW
  • the output signal of the conditioning circuit (27), amplified and filtered, is connected directly to a digital analog converter (23).
  • a digital analog converter For example, the ADS1256 converter, which allows you to digitize up to a maximum of 8 channels at 24 bits (23 effective bits).
  • one channel is used, corresponding to the vertical component of the seismic sensor (11), but the system can digitize, if necessary, the three channels. corresponding to a triaxial sensor.
  • the digitized signal is sent via the SPI bus (24) to the microcontroller (25), in this case CC3200, where the signal is not only temporarily saved locally, but is also sent via Wi-F ⁇ to the server (13) .
  • the first battery (21) is responsible for supplying the necessary voltage and current for the conditioning circuit (27) and for the digital analog converter (23).
  • the second battery (22) is responsible for powering the microcontroller (25).
  • Both batteries (21, 22) have identical characteristics and in the implementation, 5V, 1A batteries with a capacity of 4000mAh have been chosen. In this way, by being powered independently, possible interference is avoided in the event of current demand peaks that could occur during transmission via Wi-Fi by the microcontroller (25).
  • the cables (26) through which the continuous voltage is provided are shown by dashed lines in Figures 2 and 3.
  • the selection of the different elements of the conditioning circuit (27) has been carried out always taking into account their internal noise level, in order to achieve very low noise.
  • the amplitude of the internal noise of the conditioning circuit (27) in general and of the integrated ones (instrumentation amplifier (17), low noise operational amplifier (19) and anti-aliasing filter (20) in particular) is crucial for the correct functioning of the system. .
  • the voltage conversion module (18) not only has the internal noise level been taken into account, but also that it is capable of providing the maximum current necessary for the correct functioning of the rest of the aforementioned integrated devices.
  • the typical current calculated for the three chips according to the datasheets is 16 mA, being 0.7 mA from the instrumentation amplifier (17), 1.3 mA from the low noise operational amplifier (19), 14 mA from the anti-aliasing filter (20 ), and the maximum current is 30.75 mA.
  • the voltage conversion module (18) is capable of providing a total of 40mA, so we have more than 100% available current if we take into account normal consumption, and 30% more if we take into account maximum consumption. .
  • Figure 1 shows the external appearance of each of the nodes (12), showing the exterior of the casing or box (9).
  • This box (9) has slots (1,4) to insert the batteries (21,22) into the box. These slots (1,4) allow the batteries (21,22) to be replaced from the outside of the box.
  • It also has a connector (5) prepared to receive an adapter cable (16) by means of a head (28).
  • the connector (5) is generally male, 3-Pole MiniPL type. SPEC marketed by Pak, for outdoors.
  • the box (9) includes a series of pilots (2,8), LEDs, to indicate the correct connection of the batteries (21,22) and any other necessary indication. It also includes a reset button (3) of the node (12) and a connection button (6) that sends a “helium” frame to the server (13). Other buttons (7) have less relevant or future functions.
  • the box (9) has an antenna (10), for example for WiFi, which facilitates wireless transmission and allows greater communication distances to be achieved.
  • antenna (10) for example for WiFi
  • the steps for managing the system are as follows: a) In the selected area to measure, the seismic sensors will be deployed and installed.
  • FIG. 4 shows a circular arrangement with the server (13) and the laptop (15) in the center, and six seismic sensors (11) with their respective nodes (12) distributed uniformly along a circumference of radius equal to 20 meters. b) Once the seismic sensors (11) are inserted into the ground and connected to their corresponding nodes (12), the server (13) will be turned on and each node will be turned on.
  • the server (13) After establishing communication with a node (12), the server (13) will begin the synchronization process with each node (12), starting with the first. The pilots of the node (8) will indicate the evolution of that node (12) until it is ready for a registration. e) Next, a check will be carried out to ensure that the nodes (12) have been correctly connected to the seismic sensor (11) and everything is ready.
  • the test will consist of starting a record to view the signal in the web browser and going through each node (12), starting with the first, and tapping the seismic sensor (11) so that it appears on the user interface graph. If these peaks did not appear on the graph when tapping, it would indicate that there is an error.
  • the registration will stop and they will wait for all the nodes (12) to synchronize again, sending a series of frames and detecting the sending time.
  • registration will begin on the server (13) and the duration of the registration will be defined, either by time in minutes or by the total number of samples to be captured.
  • Registration will be started from the user interface.
  • the server (13) will generate three data files: a first with the absolute values of the signal, a second with the absolute values of the signal minus the average value, and a third with the signal values expressed in volts.
  • the server file system (13) can now be accessed using a secure file transfer program (SCP, Secure Copy Protocol).
  • Figure 5 shows the signals recorded (30) by the six nodes (12) and the result of the frequency-wavenumber analysis, which provides the dispersion curve of the Rayleigh waves (31).
  • the system For communication via Wi-Fi, the system has an exclusive mechanism based on transmission time slots so that each node (12) transmits without a collision occurring since the medium is shared and the nodes (12) begin to sample. at the same time.
  • the mechanism for retransmitting lost frames is also subject to transmission time slots.
  • the system is also characterized by its own synchronization protocol between all the nodes (12), and control of the deviation or drift between each of them and the server (13). This aspect is important for the subsequent correct analysis of the recorded signals.

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Abstract

Sistema de bajo ruido para la adquisición sincronizada e inalámbrica de señales de ruido ambiente en redes de sensores sísmicos, del tipo formado por una serie de nodos con sensores sísmicos de toma de muestras y conectados a un servidor central; donde cada nodo posee un microcontrolador que está conectado de forma inalámbrica con el servidor, disponiendo de ventanas deslizantes para el envío de las muestras; posee un circuito de acondicionamiento de la señal formado por un módulo de conversión de tensión, un amplificador de instrumentación que convierte la señal diferencial de cada sensor sísmico en una señal amplificada y referenciada a masa, de forma que la señal de referencia está fijada a la mitad de la máxima tensión de alimentación aportada por el módulo de conversión de tensión; y un filtro antisolapamiento paso-bajo, con frecuencia de corte controlada por una señal de reloj emitida por el microcontrolador.

Description

DESCRIPCIÓN
SISTEMA DE BAJO RUIDO PARA LA ADQUISICIÓN SINCRONIZADA E INALÁMBRICA DE SEÑALES DE RUIDO AMBIENTE EN REDES DE SENSORES SÍSMICOS
Campo de la invención
La presente invención se enmarca en el sector de la exploración geofísica, y más concretamente en el campo de la microzonación sísmica mediante medidas simultáneas de vahos sensores sísmicos (matriz de sensores). El registro sincronizado y simultáneo de las vibraciones ambientales (también conocido como ruido ambiente o ruido sísmico) por parte de una matriz de sensores, permite posteriormente, mediante el correspondiente análisis, la obtención de la curva de dispersión de las ondas superficiales o Rayleigh, y por tanto, la caracterización del tipo de suelo.
Antecedentes de la invención
Estudios recientes en todo el mundo han demostrado la importancia de la geología local en los desastres sísmicos y sus consecuencias. El movimiento del suelo puede amplificarse drásticamente, dependiendo de las características particulares del subsuelo, aumentando los efectos sísmicos. Por lo tanto, la caracterización del suelo se convierte en un tema crucial en los estudios de riesgo sísmico, particularmente en áreas urbanas ubicadas sobre sedimentos blandos.
Esta caracterización se puede realizar a través de diferentes métodos, básicamente clasificados en técnicas geotécnicas y geofísicas. Dentro del segundo grupo, los métodos de sísmica pasiva basados en mediciones de ruido sísmico se han vuelto muy populares en las últimas décadas, ya que constituyen una herramienta no invasiva y de menor coste, especialmente adecuada para áreas urbanas.
El ruido sísmico ambiental corresponde a las vibraciones en la superficie terrestre debidas a diferentes causas naturales y artificiales. Estas vibraciones son imperceptibles para el ser humano, pero no para los sensores sísmicos. Por lo que su registro y análisis brinda información valiosa sobre las propiedades del medio que atraviesa, esto es, las características del suelo. El cálculo de los perfiles de velocidad de las ondas de cizalla u ondas S proporciona información valiosa para predecir la respuesta del suelo en caso de un terremoto. Una de las técnicas más comunes utilizadas para la caracterización del suelo es el método de relación espectral horizontal a vertical (HA/). En este caso, se requiere un solo sensor de tres componentes. La relación entre el componente vertical y el promedio de los dos componentes horizontales proporciona información sobre la frecuencia de resonancia del suelo en estudio. Si alguna de las frecuencias de las ondas sísmicas coincide con la frecuencia de resonancia del suelo, entonces, su amplitud se verá drásticamente amplificada, aumentando dramáticamente los efectos del sismo asociado.
Las técnicas de matriz basadas en mediciones de ruido sísmico constituyen también una herramienta notable para la caracterización del suelo. Estas técnicas requieren varios sensores verticales registrando simultáneamente. Después de eso, se pueden aplicar diferentes técnicas para el análisis de los datos. Tres de los métodos más utilizados son la técnica de autocorrelación espacial (SPAC), el método de autocorrelación espacial extendida (ESAC) y el método de frecuencia-número de onda (F-K). La aplicación de cualquiera de estos métodos permite obtener la velocidad de propagación de las ondas a través del medio en función de la frecuencia, lo que se conoce como curvas de dispersión.
Una vez que se obtiene la curva de dispersión, mediante un proceso de inversión se puede estimar el perfil de velocidad de la onda S correspondiente, y caracterizar el tipo de suelo, lo cual es de gran importancia para conocer como un terremoto puede afectar en mayor o menor medida a la zona bajo estudio.
La presente invención se enmarca en este segundo tipo de medidas, en matriz, donde se requiere el registro simultáneo de vahos sensores sísmicos y donde la sincronización entre todas las medidas es crucial para el posterior análisis de las señales registradas.
Desde el punto de vista de su implementación y de los recursos necesarios, todas estas técnicas requieren de vahos sensores y un digitalizador multicanal para registrar vahas señales simultáneamente. La adquisición de estos digitalizadores, junto con los sensores correspondientes supone un importante desembolso económico que no está al alcance de todos los grupos de investigación. Por ello, los avances en las investigaciones relacionadas con la caracterización del subsuelo o la amenaza sísmica suelen verse limitados por el excesivo coste de la instrumentación necesaria.
En el caso de medidas de ruido sísmico o ruido ambiente, las vibraciones que se desea detectar presentan una amplitud muy pequeña, alrededor de 10 10 a 10 2 m/s, y un ancho de banda entre 0,001 y 50 Hz.
El sensor sísmico, de forma general, actúa como un transductor de velocidad, desplazamiento o aceleración a la señal eléctrica, aunque para el caso de aplicación de la invención, suelen ser sensores de velocidad. Los instrumentos típicos utilizados para ruido sísmico son sensores de período corto, que presentan un comportamiento paso alto con frecuencia de corte entre 0,2 y 4,5 Hz, o sensores de banda ancha, que presentan una respuesta plana de aproximadamente 0,01 a 50 Hz. La sensibilidad de estos sensores está comprendida entre 100 y 400 V/m/s, para los sensores de periodo corto, o entre 800 y 2000 V/m/s para los de banda ancha.
Comercialmente, existen equipos de adquisición de señales sísmicas de uno o tres componentes que se pueden registrar como estaciones autónomas, grabar los datos de forma local en cada equipo y/o transmitirlos mediante cable o de forma inalámbrica a un equipo central. Sin embargo, esto requiere de vahos conjuntos sensor-sistema de adquisición, lo cual aún encarece más el coste. Y, sobre todo, no es un sistema optimizado y preparado para medidas en red o matriz de sensores sísmicos.
Sí que existen otros equipos comerciales que disponen de un sistema de adquisición multicanal al que se le pueden conectar vahos sensores y cuyo objeto principal es la medida simultánea en red de vahos geófonos o sensores sísmicos. La mayoría de estos equipos son cableados, lo que dificulta su implementación en ciertos entornos urbanos, donde la disposición de los geófonos debe adaptarse a los espacios libres disponibles y sus geometrías.
Todo ello, junto con el creciente desarrollo de microcontroladores y plataformas electrónicas de código abierto, ha llevado al desarrollo de registradores sísmicos ad-hoc por parte de algunos investigadores. Muchos de ellos están enfocados a medidas de un sensor vertical, medidas de tres componentes para posterior análisis HA/, exploración geofísica, monitohzación sísmica en edificios, etc.
En el caso concreto de medidas en matriz, la adquisición de las señales de cada sensor debe realizarse de forma sincronizada y coordinada, actuando como un conjunto en sí y no cada una de forma individual. A continuación, se citan algunos de los trabajos desarrollados para la toma de medidas en matriz o red de sensores: a) Picozzi et al (https://doi.org/10.3390/s100403280) han desarrollado un sistema inalámbrico para medidas en matriz de ruido sísmico. En este caso, la señal del sensor sísmico va directamente conectada al conversor analógico-digital, el cual incorpora un filtro antisolapamiento pero ningún otro tipo de acondicionamiento de la señal. La sincronización del sistema, así como la estabilidad temporal, están asociadas a la precisión del GPS. b) En el trabajo de Soler-Llorens et al. (https://doi.org/10.3390/s19194087) se establece una red de sensores (o nodos) inalámbrica mediante el protocolo de comunicación Zigbee para la gestión de la adquisición de las señales sísmicas y la sincronización entre las medidas de cada sensor. Los datos se recogen localmente en cada nodo, por lo que el principal inconveniente es que hay que quitar las tarjetas de memoria de cada nodo y acceder a los archivos uno por uno. Además, este sistema no permite la visualization de las señales en tiempo real, lo que impide detectar en el campo los problemas asociados al mal funcionamiento de un geófono o errores en las conexiones. c) En el trabajo de Yin Zhiyuan (https://doi.org/10.3390/s20041018) se presenta un sistema de vahas matrices o redes de sensores que utilizan conexión WiFi para la comunicación entre sensores y tecnología LTE para la comunicación entre los diferentes grupos o matrices. En este caso, el objeto del trabajo no es estrictamente en el campo de la microzonación sísmica. La sincronización del sistema y la estabilidad temporal están asociadas a la precisión de la señal de GPS.
Estos sistemas presentan ciertos inconvenientes:
• Las señales sísmicas están conectadas directamente al conversor analógico-digital o a un circuito de adquisición de relativamente baja relación señal-ruido (SNR). Esto los hace aptos para señales de relativamente alta amplitud, pero no tanto para ruido sísmico.
• La sincronización entre las estaciones está asociada a la precisión de la señal de GPS.
• No se tiene en cuenta la posible deriva temporal debida al reloj interno de los microprocesadores. Para medidas de vahas horas, esta deriva puede introducir errores notables en el análisis posterior de las señales.
• En algunos casos, la grabación de los datos se realiza de forma local en cada uno de los nodos de la red de sensores.
• En algunos sistemas no es posible la visualization de datos en tiempo real, lo que impide la detección de errores en el campo, con el coste económico que conlleva tener que desplazarse de nuevo y repetir la medida.
Para ello, la presente invención se centra en una propuesta de un sistema integral, viable económica y técnicamente, basado en la adquisición mediante una red de sensores sísmicos de ruido ambiente, y que permite dar solución a los problemas técnicos comentados anteriormente.
Explicación de la invención
La invención es un sistema de bajo ruido para la adquisición sincronizada e inalámbrica de señales de ruido ambiente en redes de sensores sísmicos según la reivindicación independiente. Sus variantes se definen en las demás reivindicaciones y se describen en el resto de la memoria.
El sistema de la invención permite registrar de forma inalámbrica en un solo servidor todas las medidas obtenidas desde los diferentes geófonos o sensores sísmicos. El análisis directo de estas señales permite obtener la curva de dispersión de las ondas Rayleigh (velocidad de las ondas en función de la frecuencia) y a partir de ahí, la estimación del perfil de velocidad de las ondas de cizalla en el área bajo estudio (caracterización del tipo de suelo).
Para la consecución del objeto de la invención se ha desarrollado un sistema compuesto por una serie de nodos conectados a un geófono o sensor sísmico que miden al menos la componente vertical del movimiento del suelo y a un servidor central que recogerá las muestras de cada nodo vía Wi-F¡ y las irá mostrando y guardando en ficheros localmente. La disposición de los nodos normalmente será alrededor del servidor, con una apertura que depende de la profundidad de los sedimentos que se vayan a analizar.
El área que se puede medir con el sistema desarrollado es hasta unos 250 metros de diámetro en campo abierto y libre de interferencias.
El número máximo de nodos permitidos en el sistema es de 10 y se componen de un circuito adaptador diseñado específicamente para el geófono o sensor sísmico, un conversor analógico digital (ADC) de 8 canales de 24 bits y un microcontrolador CC3200 que se encarga de gestionar la toma de muestras, las comunicaciones y la sincronización con el servidor.
El servidor preferido está compuesto por una Raspberry P¡ modelo 4B al cual se le conecta una tarjeta Wi-Fi-USB de alta potencia. Al servidor se le conectará un portátil para poder acceder a la interfaz de usuario por medio de un navegador web.
Se ha diseñado una interfaz donde se puede interactuar con el sistema, iniciando y finalizando los registros, sincronizando los nodos, y además se visualiza las señales de los nodos en tiempo real.
Alguna de las características diferentes que aporta la invención desarrollada son:
- Circuito de acondicionamiento de la señal de bajo ruido en cada nodo. Permite adaptar la baja amplitud del ruido sísmico a una señal de voltios adaptada al rango dinámico del conversor analógico digital.
- Comunicación entre nodos y servidor mediante un protocolo propio exclusivo a través de UDP. Esto ha implicado la invención e implementación de un sistema propio que controle el flujo ordenado de los paquetes que contienen las muestras y del control de errores y recuperación.
- Creación de una red Wi-F¡ para la comunicación entre nodos y servidor. El hecho de que los nodos estén en la misma red Wi-F¡ ha llevado a implementar un mecanismo exclusivo basado en slots de tiempo de transmisión para que transmita cada nodo sin que se produzca una colisión ya que el medio es compartido y los nodos comienzan a muestrear a la misma vez. El mecanismo de retransmisión de tramas perdidas también está supeditado a los slots de tiempo de transmisión.
- Protocolo propio de sincronización entre todos los nodos, y control de la desviación o deriva entre cada uno de ellos y el servidor. Este aspecto es fundamental para el posterior correcto análisis de las señales registradas.
- Rápido y fácil despliegue de todo el sistema para realizar una serie de medidas, ahorrando en tiempo ya que no se tienen que desplegar ningún tipo de cableado hasta los nodos.
- Visualization de cada una de las señales muestreadas por cada nodo en tiempo real. De esta manera se pueden detectar si se está midiendo correctamente o hay algún problema con algún nodo.
- Centralización de las muestras de los sensores y disponibilidad del registro en formato estándar nada más finalizar el registro.
En base a la señal captada y las capacidades de los sensores sísmicos, la señal de tensión proporcionada por el geófono o el sensor sísmico, en el caso de medidas de ruido ambiente, es de muy baja amplitud y su conexión directa al conversor analógico digital solo proporciona una señal de muy baja resolución y que no serviría para los propósitos de caracterización del tipo del suelo. Por ese motivo es necesario un circuito de acondicionamiento que transforme la señal registrada por el sensor sísmico a unos niveles de tensión y a un rango de frecuencias que se ajusten al rango dinámico del conversor analógico digital utilizado.
No obstante, dada la baja amplitud de las señales registradas, la simple amplificación y filtrado de la señal puede llegar a no ser suficiente. Es importante que el ruido interno del circuito diseñado esté por debajo de los mínimos niveles de ruido sísmico que se puedan registrar. De otro modo, la señal de interés quedaría enmascarada por el ruido del propio circuito.
En la presente invención se ha desarrollado un circuito de acondicionamiento de la señal de bajo ruido interno, adaptado a los objetivos de la propia invención.
El circuito de acondicionamiento se compone básicamente de los siguientes módulos:
1 . Módulo de conversión de tensión (por ejemplo el TC7662A). Proporciona la tensión de alimentación necesaria para cada uno de los integrados del circuito. Es capaz de proporcionar una tensión simétrica. En este caso los integrados trabajan con tensiones de 5V y +-5V-.
2. Amplificador de instrumentación. Convierte la señal diferencial del geófono en una señal amplificada y referenciada a masa. La ganancia del sistema se controla mediante una resistencia externa. Dada la baja amplitud del ruido sísmico, la resistencia seleccionada es tal que sea capaz de proporcionar una ganancia de 1000 o 10000. La elección de la ganancia depende del tipo de emplazamiento seleccionado. En sitios relativamente tranquilos, la ganancia de 10000 puede ser la más apropiada. En lugares urbanos, con un mayor nivel de ruido ambiente, se recomienda una ganancia de 1000, pues la ganancia de 10000 puede llegar en ocasiones a saturar la señal. La ganancia es seleccionadle por una resistencia que preferiblemente se selecciona de 5Q para conseguir el máximo de ganancia y así conseguir que la señal sísmica se ajuste perfectamente al rango dinámico del conversor de 23 bits.
Como se ha comentado anteriormente, la amplitud del ruido interno del circuito en general y de los integrados en particular, es crucial para el correcto funcionamiento del sistema. En este caso, el amplificador de instrumentación se caracteriza por un bajo ruido del orden de 0.2uVpp. La señal de referencia, conectada al terminal 5, se fija a la mitad de la máxima tensión de alimentación, esto es a 2.5V. Para ello se utiliza un amplificador operacional de bajo ruido que actúa como seguidor de tensión con una muy baja impedancia de salida. 3. Filtro antisolapamiento. Se trata de un filtro paso-bajo, de orden 8, de capacidades conmutadas cuya frecuencia de corte se controla mediante una señal de reloj externa. La señal cuadrada de reloj es proporcionada por el propio microcontrolador del nodo y de este modo, vía software, se escoge la frecuencia de corte deseada. En el sistema de la invención, la frecuencia de muestreo es normalmente de 100Hz y la frecuencia de corte del filtro se ha seleccionado en 15Hz. Esta frecuencia de corte asegura una atenuación suficiente a la frecuencia de Nyquist (evitando posibles solapamientos) y a la vez incluye el rango de frecuencias de interés en los estudios de caracterización del terreno.
La comunicación entre el conversor analógico digital y el microcontrolador se realiza mediante el bus de comunicación SPI. A través de la interfaz SPI, los datos digitalizados son enviados al microcontrolador para poder ser guardados y transmitidos al servidor.
Es importante destacar que el circuito de acondicionamiento y el conversor analógico digital se alimentan con su propia fuente de alimentación o batería, independiente de la utilizada para alimentar al microcontrolador. Esto evita posibles interferencias que pudieran propagarse entre los dos sistemas a través de las conexiones de alimentación.
Como microcontrolador preferido se escoge la plataforma TI LaunchPad CC3200 por su bajo consumo y porque en ella se integra la interfaz Wi-F¡ y sus librerías.
Los nodos realizan la toma de muestras y su conversión, conectan con el servidor por una red inalámbrica, calculando el tiempo de retardo y de deriva. Los nodos configuran los tempoñzadores para ser sincronizado con el servidor NTP mediante un tempoñzador Heartbeat. En paralelo, reciben las tramas y envían paquetes al servidor por UDP (protocolo de datagramas de usuario) y los acuses de recibo (ACK).
Las muestras se toman con un periodo fijado, por ejemplo de 10 ms. Cada momento lee el valor del tiempo y de los canales, y agrupa las muestras en paquetes, por ejemplo de 100 muestras que corresponden a un segundo, para enviarlas al servidor. La información del tiempo permite asegurar que la frecuencia de muestreo se mantiene estable, dando tiempo para ejecutar todos los pasos entre cada par de muestras.
Es importante asegurar la sincronización de los nodos, entre ellos y con el servidor, para que los momentos de cada muestreo sean idénticos y puedan extraerse los datos buscados. Para ello cada nodo se conecta al servidor por una trama de tipo Helio y le solicita el tiempo de la red (NTP). A partir de ahí se sincroniza en dos fases. Una primera mediante intercambio de tramas entre servidor y nodo, en el cuál ambos guardan el tiempo de cada trama en cada punto (St, Nt2, Nts, St4...). A partir de esos tiempos se calculará el desfase y la deriva entre ambos.
La fórmula utilizada, para la secuencia de cuarenta tramas, es:
Ti = di + d2 + 3
Figure imgf000011_0001
TTTotai = min(TT )
1 y40 DriftTotal = — 2_li-1 drifti
Donde T¡ es el tiempo total que tarda una única secuencia de tramas de sincronización y sus respuestas, ch es el tiempo que tarda en viajar una trama desde el servidor hasta el nodo, e es el tiempo de procesamiento invertido en el nodo hasta que envía una respuesta, y efe es el tiempo que se tarda en transmitir la respuesta al nodo. TTi es el tiempo invertido en la transmisión de ¡da y vuelta, es decir ch y efe, sin contar con el tiempo de procesamiento, STi es la estampa de tiempo (TimeStamp) del servidor en el instante i, NTi es el TimeStamp del nodo. El drift, es la diferencia de tiempos entre server y nodo de la secuencia i. Estableceremos como el tiempo de transmisión total (TTrotai) al valor mínimo obtenido en la secuencia de 40 tramas, y la diferencia total (Drift-Total) a la media de los valores de diferencia dados en la secuencia de 40 tramas.
En la segunda fase se utilizarán las tramas tipo Helio. En ellas cada nodo guardará su tiempo justo antes de enviar el Helio. Para que no se produzcan colisiones de las tramas en la Wi-Fi , ya que es un medio compartido, cada Nodo envía su trama Helio con un desfase respecto de las anteriores (1 segundo, por ejemplo) y de forma secuencial vahas veces.
El servidor irá guardando los dos instantes de tiempo del Helio', el registrado por el nodo y cuando el servidor lo ha recibido. Cuando tenga los instantes de tiempo de vahas tramas Helio de cada nodo, el servidor calculará el desfase de tiempo que hay para cada trama Helio de la siguiente manera (para 10 tramas):
Figure imgf000012_0001
Donde driftHi es la diferencia de tiempos entre el servidor y el nodo de una trama obtenida del envío de una trama, y DríñHrotai es la media de las últimas 10 tramas recibidas.
El desfase total del nodo (DriftHrotai) será la media de los valores. A continuación, el servidor enviará una indicación al nodo para que adelante o atrase su tiempo X milisegundos si el desfase total es mayor de 5ms. Se ha establecido el umbral de 5ms porque tiene que ser menor que el periodo de muestreo (10ms), de esta manera nos aseguramos de que la diferencia de tiempos no llegue a ser de 1 muestra.
El buffer encargado de almacenar los tiempos de las tramas Helio siempre guardará el tiempo de las últimas, excepto cuando se realice un ajuste del tiempo, en donde se reseteará a cero y habrá que esperar a recibir otras tramas.
Finalizada la fase 2, los nodos ya estarán sincronizados y se mantendrán con una diferencia de 5ms como máximo. En este momento el sistema ya estará preparado para realizar una medida.
Durante el registro, los nodos tenderán a desfasarse entre ellos en función de la duración del registro, cuanto más largo más desviación. Para evitar esta situación se ha desarrollado un método de sincronización. En la trama donde se envía un alto número de muestras, se guarda el tiempo del nodo justo antes de enviarse la trama, que será con una frecuencia conocida. El servidor, a la vez que recibe las muestras, recibe el tiempo del nodo volverá a aplicar el mecanismo de la fase 2, es decir, almacenará en el buffer los valores de los últimos tiempos de envío y recepción, calculará la media del desfase de tiempo y si es mayor de 5ms enviará una orden para que se reajuste el nodo.
Otra parte importante es el protocolo desarrollado para la transmisión de las muestras a través de UDP y que garantiza la entrega de las muestras de manera secuencial y sin errores. En el caso de producirse pérdidas de paquetes de muestras, el sistema es capaz de reenviarlas soportando cortes de transmisión ya que los nodos poseen un buffer capaz de almacenarlas.
Se han definido los siguientes tipos de tramas con sus correspondientes campos para la realización preferida:
Tabla 4. Tipos de mensajes
Type of messages Type Code
Echo Reply 0
Sampling Order, START immediately 1 1
Sampling Order, STOP 1 2
Sampling Order, START without sending 1 3
Sampling Order, , START in next sec 1 5
Samples Reply 2 1
ACK Samples Reply* 2 2
Hello 5
Set Timer, set Sampling Timer counter value 6 1
Set Timer, Ack 6 2
Set Timer, set Delay Timer value in milisecs 6 5
Set Timer, ACK Delay Timer value in milisecs* 6 6
TimeStamp, init sampling 7 1
TimeStamp, stop&go 7 2
TimeStamp, finish sampling 7 3
Echo Request 8
SYNC CLK Request 9 1
SYNC CLK Reply 9 2
SYNC CLK Return values 9 3 Los mensajes Tipo 1 (SO, Sampling Order} se utilizan para enviar las órdenes de START/STOP de los registros de acuerdo con el valor del campo Código:
• Código = 1: Indica que el Nodo comenzará a muestrear inmediatamente después de recibir esta trama y enviará al Servidor las muestras.
• Código = 2: Indica que el Nodo finalizará el muestreo inmediatamente después de recibir esta trama y enviará las muestras que hayan quedado pendientes.
• Código = 3: Indica que el Nodo comenzará a muestrear inmediatamente después de recibir esta trama y no enviará al Servidor ninguna muestra.
• Código = 5: Indica que el Nodo comenzará a muestrear en el siguiente segundo después de recibir esta trama y enviará al Servidor las muestras. Los mensajes Tipo 2 (SR, Samples Reply) están relacionados con el envío y recepción de las muestras.
• Código = 1 : contiene el valor de 100 instantes de muestras. Cada instante de muestras está formado por una marca que se corresponde con el valor de los milisegundos del instante de tiempo en que se tomaron las muestras (2 Bytes), el valor del canal 1 del ADC que se corresponde con el eje X (3 Bytes), el valor del canal 2 del ADC correspondiente al eje Y (3 Bytes), y por último el valor del canal 3 del ADC correspondiente al eje Z (3 Bytes).
Aunque la utilización generalizada del sistema de invención es con geófonos verticales, con una sola componente, el sistema está preparado para trabajar también con sensores sísmicos triaxiales, lo que proporcionaría el movimiento del suelo en la componente vertical (Z) así como en las dos componentes horizontales (X e Y).
• Código = 2: Confirma al Nodo de la correcta recepción de las muestras hasta el número de secuencia indicado.
El mensaje Tipo 5 se corresponde a la trama Helio donde en el campo UTC System Time se guarda el valor del tiempo UTC en formato segundos, y en el campo Millisecs System Time se guarda el valor de los milisegundos.
Los mensajes Tipo 6 (ST, Set Timer) están relacionados con el ajuste del tiempo y el reloj de los nodos.
• Código = 1 : configura y establece el valor del contador del Timer que controla el tiempo de muestreo que es de 10ms. Con este campo controlamos la deriva del reloj interno del microcontrolador CC3200.
• Código = 2: el Nodo confirma que ha configurado el nuevo valor en el registro del Timer.
• Código = 5: valor en milisegundos del retraso/adelanto que tiene que aplicar en el RTC interno del microcontrolador.
• Código = 6: el Nodo confirma que ha aplicado el retraso/adelanto en el valor del RTC.
Los mensajes Tipo 7 (TS, TimeStamp) se utilizan para marcar el tiempo tanto del comienzo del muestreo (tiempo cuando se va a producir la primera muestra del registro), como la finalización de la última muestra del registro en cada Nodo. Estas tramas sirven como marcas calculándose con exactitud el tiempo invertido en el registro y si falta ajustar el reloj de algún nodo.
• Código = 1 : TimeStamp del inicio del registro al producirse la primera muestra
• Código = 2: indica al Servidor que el Nodo ha llegado a la muestra marcada para resincronizar con el método Stop&Go.
• Código = 3: TimeStamp del final del registro al producirse la última muestra
Los mensajes Tipo 9 (SC, Sync CLK) se utilizan en la fase 1 de la sincronización para el cálculo del desfase y la deriva. Se utiliza un proceso de tres vías.
• Código = 1 : el Servidor inicia la trama marcando su tiempo.
• Código = 2: el Nodo devuelve la trama marcando su tiempo en el que la recibió del Servidor y también marcando el tiempo cuando va a enviarla de vuelta al Servidor.
• Código = 3: El Servidor devuelve al Nodo la trama completa con los cuatro tiempos para que pueda calcular el desfase y la deriva.
Para garantizar la recepción de las muestras de forma ordenada se ha implementado un mecanismo de ventana deslizante aplicado a slots de tiempo para la retransmisión.
Para evitar la colisión de las tramas que contienen las muestras, se ha definido slots de transmisión para cada nodo. Para conseguir esto, la primera trama de cada nodo comprenderá un número diferente de muestras. Así se genera directamente una separación en los envíos siguientes, todos ¡guales en número de muestras. Por ejemplo, para diez nodos, el primer envío del primer nodo será de 10 muestras. El segundo enviará 20... de forma que cada nodo termina de preparar su trama y la envía en momentos diferentes. A partir de ese momento todos enviarán grupos ¡guales de muestras.
Se ha desarrollado un mecanismo de acuse de recibo cada número de tramas. El servidor y el nodo irán almacenando las últimas tramas recibidas/enviadas. Si el servidor si recibe las tramas y detecta que las muestras son consecutivas, observando el tiempo o el número de secuencia, entonces enviará una trama de acuse de recibo ara indicarle al nodo de que las ha recibido correctamente. En este instante el servidor y el nodo vaciarán su buffer a la espera de las siguientes.
Si en el transcurso de la recepción de dichas tramas se pierde alguna, el servidor enviará un acuse de recibo incluyendo la última muestra correcta recibida. El nodo calculará cuántas tramas debe reenviar y cuando le toque su ventana de transmisión enviará todas las tramas seguidas que pueda durante el tiempo de ventana. Si quedaran tramas pendientes de enviar, el nodo se esperará al siguiente slot para transmitirlas, así hasta que las haya transmitido todas. Gracias a la implementación de este método de recuperación de tramas perdidas se ha podido incrementar el área a medir considerablemente, pasando de 20-30 metros de diámetro a una distancia sobre los 250 metros de diámetro.
Otras realizaciones se describirán más adelante.
Se ha de tener en cuenta que, a lo largo de la descripción y las reivindicaciones, el término “comprende” y sus vahantes no pretenden excluir otras características técnicas o elementos adicionales.
Breve descripción de las figuras
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
En la figura 1 se muestra un dibujo de la caja externa de la invención, indicando cada una de las conexiones, botones, etc.
En la figura 2 se muestra un diagrama de bloques con los componentes que integran cada uno de los nodos.
En la figura 3 se muestra esquemáticamente el diagrama de bloques del circuito de acondicionamiento.
En la figura 4 se muestra a modo de ejemplo una posible distribución de los geófonos y nodos, donde el servidor se encuentra en el centro y los nodos distribuidos a lo largo de una circunferencia exterior.
En la figura 5 se muestra el resultado obtenido para el caso de ejemplo.
Exposición detallada de unos modos de realización
Se describe a continuación una serie de formas de realizar la invención, como ejemplos descriptivos pero que no buscan limitar la invención.
La realización de la invención que se describe con apoyo de las figuras 1 a 4 consta de vahos nodos (12) conectados a sendos geófonos o sensores sísmicos (11). Todos los nodos (12) se conectan de forma inalámbrica a un servidor (13), en cual se encarga del control de las comunicaciones y del registro de todos los datos. Para la configuración de la adquisición y visualization en tiempo real de las señales registradas, se conecta el servidor (13) con un ordenador portátil (15) u otro sistema de computación mediante cable (14) Ethernet y se opera a través de un explorador web.
Cada uno de los nodos (12) de la invención realizada se compone internamente de los elementos que se muestran en las figuras 2 y 3.
Los nodos (12) se pueden configurar mediante un puente para muestrear sensores sísmicos (11) de un solo canal o sensores de tres componentes (tres canales). Por lo tanto, la matriz que se implementa en el campo puede ser híbrida. El servidorweb se configura solo y muestra el gráfico de un canal o de tres canales para cada sensor sísmico (11).
Cada nodo del sistema posee un circuito de acondicionamiento (27) formado internamente por los siguientes bloques:
• Módulo de conversión de tensión (18). Proporciona la tensión de alimentación necesaria para cada uno de los demás elementos del circuito. Es capaz de proporcionar una tensión simétrica. En este caso los integrados trabajan con tensiones de 5V y ±5V.
• Amplificador de instrumentación (17). Convierte la señal diferencial de cada sensor sísmico (11) en una señal amplificada y referenciada a masa. La ganancia del amplificador de instrumentación (17) se controla mediante una resistencia externa, la cual se puede configurar para proporcionar ganancias crecientes, por ejemplo de 1000 o 10000, según sea necesario. La señal de referencia de este amplificador de instrumentación (17) se fija a la mitad de la máxima tensión de alimentación, esto es a 2,5V.
• Amplificador operational de bajo ruido (19) que actúa como seguidor de tensión con una muy baja impedancia.
• Filtro antisolapamiento (20). Se trata de un filtro paso-bajo, de orden ocho, de capacidades conmutadas cuya frecuencia de corte se controla mediante una señal de reloj externa. La señal cuadrada de reloj es proporcionada por un microcontrolador (25) y de este modo, vía software, se escoge la frecuencia de corte deseada. En el sistema de esta realización, la frecuencia de muestreo es de 100 Hz y la frecuencia de corte del filtro se ha seleccionado en 15 Hz. Esta frecuencia de corte asegura una atenuación suficiente a la frecuencia de Nyquist (evitando posibles solapamientos) y a la vez incluye el rango de frecuencias de interés en los estudios de caracterización del terreno, siendo entre 0-50Hz.
Para la realización de registros de ruido sísmico es requisito indispensable tener la máxima ganancia posible con el menor ruido interno posible para así detectar con mayor relación señal-ruido la señal sísmica. Este requisito nos lleva a elegir componentes de muy bajo ruido y bajo consumo como es el caso del INA128 como amplificador de instrumentación (17) y OPA177 como amplificador operacional (19) que se ajustan a nuestros requerimientos. Los requisitos necesarios en la realización preferida son:
Módulo de conversión de tensión (18): o Rango de operación entre 3V-18V o Corriente de salida de 40mA o Baja impedancia, 40 Q o Potencia de disipación superior a 700mW
- Amplificador de instrumentación (17): o Rango de operación entre 3V-18V o Bajo voltaje offset, máximo 50pV o Baja deriva, máximo 0,5pV/°C o Corriente Bias de entrada 5nA o Corriente menor de 750pA
- Amplificador operacional (19): o Rango de operación entre 3V-18V o Bajo voltaje offset, máximo 25pV o Baja deriva, máximo 0,3pV/°C o Corriente típica máxima de 1.5mA
Filtro antisolapamiento (20): o Rango de operación entre 3V-16V o Frecuencia de corte hasta 100Hz o Troughput mínimo 72dB
La señal de salida del circuito de acondicionamiento (27), amplificada y filtrada, se conecta directamente a un conversor analógico digital (23). Por ejemplo, el conversor ADS1256, que permite digitalizar hasta un máximo de 8 canales a 24 bits (23 bits efectivos). En el sistema de la realización se utiliza un canal, correspondiente a la componente vertical del sensor sísmico (11), pero el sistema puede digitalizar, si fuera necesario, los tres canales correspondientes a un sensor triaxial. La señal digitalizada se envía mediante el bus SPI (24) al microcontrolador (25), en este caso CC3200, donde la señal no sólo se guarda temporalmente de forma local, sino que también se envía vía Wi-F¡ al servidor (13).
Para alimentar el sistema se utilizan dos baterías externas (21 ,22). La primera batería (21) se encarga de suministrar la tensión y corriente necesarias para el circuito de acondicionamiento (27) y para el conversor analógico digital (23). La segunda batería (22) se encarga de alimentar el microcontrolador (25). Ambas baterías (21 ,22) son de idénticas características y en la realización se ha optado por baterías de 5V, 1A con capacidad de 4000mAh. De ese modo, al alimentarse de forma independiente, se evitan posibles interferencias ante picos de demanda de corriente que podrían producirse en la transmisión vía Wi-F¡ por parte del microcontrolador (25). Los cables (26) a través de los cuales se proporciona la tensión continua se muestran mediante línea discontinua en las figuras 2 y 3.
La selección de los diferentes elementos del circuito de acondicionamiento (27) se ha realizado teniendo siempre en cuenta el nivel de ruido interno de los mismos, a fin de lograr un muy bajo ruido. La amplitud del ruido interno del circuito de acondicionamiento (27) en general y de los integrados (amplificador de instrumentación (17), amplificador operacional de bajo ruido (19) y filtro antisolapamiento (20) en particular es crucial para el correcto funcionamiento del sistema.
En el caso del módulo de conversión de tensión (18), no solo se ha tenido en cuenta el nivel de ruido interno, sino también que sea capaz de proporcionar la corriente máxima necesaria para el correcto funcionamiento del resto de los integrados citados. La corriente típica calculada para los tres chips según los datasheets es de 16 mA, siendo 0,7 mA del amplificador de instrumentación (17), 1 ,3 mA del amplificador operacional de bajo ruido (19), 14 mA del filtro antisolapamiento (20), y la corriente máxima es de 30,75 mA. El módulo de conversión de tensión (18) es capaz de proporcionar un total de 40mA por lo que tenemos más de un 100% de corriente disponible si tenemos en cuenta el consumo normal, y de un 30% superior si tenemos en cuenta el consumo máximo.
En la figura 1 se muestra el aspecto externo de cada uno de los nodos (12), apreciándose el exterior de la carcasa o caja (9). Esta caja (9) tiene ranuras (1 ,4) para introducir las baterías (21 ,22) en la caja. Estas ranuras (1 ,4) permiten sustituir las baterías (21 ,22) desde el exterior de la caja. Posee igualmente un conector (5) preparado para recibir un cable adaptador (16) por medio de un cabezal (28). El conector (5) es generalmente macho, del tipo 3-Pole MiniPL SPEC comercializado por Pak, para exteriores.
La caja (9) comprende una serie de pilotos (2,8), LED, para indicar la conexión correcta de las baterías (21 ,22) y cualquier otra indicación necesaria. También comprende un botón de reset (3) del nodo (12) y un botón de conexión (6) que envía una trama “helio” al servidor (13). Otros botones (7) tienen funciones menos relevantes o futuras.
La caja (9) posee una antena (10), por ejemplo para WiFi que facilita la transmisión inalámbrica y permite alcanzar mayores distancias de comunicación.
Los pasos para el manejo del sistema son los siguientes: a) En el área seleccionada a medir se desplegarán e instalarán los sensores sísmicos
(11), identificándolos con un número y tomando nota de las posiciones relativas entre cada uno de ellos, Como ejemplo, en la figura 4 se muestra una disposición circular con el servidor (13) y el ordenador portátil (15) en el centro, y seis sensores sísmicos (11) con sus respectivos nodos (12) distribuidos uniformemente a lo largo de una circunferencia de radio igual a 20 metros. b) Una vez insertados los sensores sísmicos (11) en el suelo y conectados a sus correspondientes nodos (12), se encenderá el servidor (13) y se irá encendiendo cada nodo
(12) y comprobando en los pilotos del nodo (8) que se conecta a la red Wi-F¡ del servidor (13). c) Una vez se haya iniciado el nodo (12), aparecerá en la interfaz web el indicador del correspondiente nodo (12), indicando que tiene comunicación con el nodo (12). d) Tras establecer comunicación un nodo (12), el servidor (13) iniciará el proceso de sincronización con cada nodo (12), empezando por el primero. Los pilotos del nodo (8) irán indicando la evolución de ese nodo (12) hasta que se encuentra listo para un registro. e) A continuación, se realizará una comprobación de que los nodos (12) se han conectado correctamente al sensor sísmico (11) y todo está listo. La prueba consistirá en iniciar un registro para visualizar la señal en el explorador web e ir recorriendo cada nodo (12), empezando por el primero, y dando unos golpecitos al sensor sísmico (11) para que aparezca en la gráfica del interfaz del usuario. Si al dar los golpecitos no aparecieran dichos picos en la gráfica, indicaría que hay algún error. f) Una vez comprobados los nodos (12), se detendrá el registro y se esperaran a que vuelvan a sincronizar todos los nodos (12), realizando el envío de una serie de tramas y detectando el tiempo de envío. g) A partir de ese momento se iniciará el registro en el servidor (13) y se definirá la duración del registro, bien por tiempo en minutos o bien por número total de muestras a capturar. h) El registro se iniciará desde la interfaz de usuario. A partir de ese momento se empezarán a recibir las muestras y a visualizar la señal de cada nodo en la pantalla del interfaz de usuario. En el panel gráfico se mostrarán las últimas muestras recibidas. i) Una vez se ha finalizado el registro, el servidor (13) generará tres ficheros de datos: un primero con los valores absolutos de la señal, un segundo con los valores absolutos de la señal menos el valor medio, y un tercero con los valores de la señal expresados en voltios. j) A partir de este momento, ya se podrá acceder al sistema de archivos del servidor (13) mediante un programa de transferencia de archivos seguro (SCP, Secure Copy Protocol).
Como ejemplo, en la figura 5 se muestran las señales registradas (30) por los seis nodos (12) y el resultado del análisis de frecuencia-número de onda, que proporciona la curva de dispersión de las ondas Rayleigh (31).
Para la comunicación vía Wi-Fi , el sistema posee un mecanismo exclusivo basado en slots de tiempo de transmisión para que transmita cada nodo (12) sin que se produzca una colisión ya que el medio es compartido y los nodos (12) comienzan a muestrear a la misma vez.
El mecanismo de retransmisión de tramas perdidas también está supeditado a los slots de tiempo de transmisión.
El sistema también se caracteriza por un protocolo propio de sincronización entre todos los nodos (12), y control de la desviación o deriva entre cada uno de ellos y el servidor (13). Este aspecto es importante para el posterior correcto análisis de las señales registradas.

Claims

REIVINDICACIONES
1- Sistema de bajo ruido para la adquisición sincronizada e inalámbrica de señales de ruido ambiente en redes de sensores sísmicos, señales para la determinación de la curva de dispersión de las ondas Rayleigh, donde el sistema es del tipo formado por una serie de nodos (12) con sensores sísmicos (11) de toma de muestras y conectados a un servidor (3) central, caracterizado por que cada nodo (12): comprende un microcontrolador (25); está conectado de forma inalámbrica con el servidor (13), disponiendo de ventanas deslizantes para el envío de las muestras; comprende un circuito de acondicionamiento (27) de la señal formado por: un módulo de conversión de tensión (18); un amplificador de instrumentación (17) que convierte la señal diferencial de cada sensor sísmico (11) en una señal amplificada y referenciada a masa, de forma que la señal de referencia está fijada a la mitad de la máxima tensión de alimentación aportada por el módulo de conversión de tensión (18); y un filtro antisolapamiento (20) paso-bajo, con frecuencia de corte controlada por una señal de reloj emitida por el microcontrolador (25).
2- Sistema de bajo ruido para la adquisición sincronizada e inalámbrica de señales de ruido ambiente en redes de sensores sísmicos, según la reivindicación 1 , caracterizado por que el amplificador de instrumentación (17) tiene una ganancia de entre 1000 y 10.000 mediante un amplificador operacional de bajo ruido (19).
3- Sistema de bajo ruido para la adquisición sincronizada e inalámbrica de señales de ruido ambiente en redes de sensores sísmicos, según la reivindicación 1 , caracterizado por que comprende un protocolo de sincronización entre todos los nodos (12) y de control de la desviación o deriva entre cada uno de ellos y el servidor (13).
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