СЕЙСМИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ А.Х.Ибрагимов Учебное пособие для студентов по специальности «Сейсмология и сейсмометрия» ТАШКЕНТ-2018 Для чего нужны приборы регистрации землетрясений? Прежде всего для изучения самого явления, далее надо определить инструментальным способом силу землетрясения, его место возникновения и частоту происхождения этих явления в данном месте и преимущественные места их возникновения. Возбуждаемые землетрясением упругие колебания подобно лучу света от прожектора способны осветить детали строения Земли. Возбуждаются четыре основных типа волн: продольные, имеющие максимальную скорость распространения и приходящих к наблюдателю в первую очередь, затем поперечные колебания и наиболее медленные поверхностные волны с колебаниями по эллипсу в вертикальной плоскости (Рэлея) и в горизонтальной плоскости (Лява) в направлении распространения. Разность времени первых вступлений волн используется для определения расстояния до эпицентра, положения гипоцентра и выяснения внутреннего строения Земли и местонахождения источника землетрясений. С помощью записи сейсмических волн, прошедших через ядро Земли удалось определить его строение. Внешнее ядро оказалось в жидком состоянии. В жидкости распространяются только продольные волны. Твердое внутреннее ядро обнаружено с помощью поперечных волн, которые возбуждаются продольными волнами, попавшими на границу раздела жидкость-твердость. По картине записываемых колебаний и типов волн, по временам вступлений сейсмических волн сейсмографами на поверхности Земли удалось определить размеры составных частей ядра, их плотности. Решаются и другие задачи по определению энергии землетрясений (магнитуды по шкале Рихтера, нулевая магнитуда соответствует энергии 10(+5) Джоулей, максимально наблюдавшаяся магнитуда соответствует энергии 10(+20-+21) Дж), спектрального состава для решений задачи сейсмостойкого строительства, для обнаружения и контроля за подземными испытаниями ядерного оружия, сейсмического контроля и аварийного отключения на таких опасных объектах как АЭС, железнодорожный транспорт и даже лифтов в высотных зданиях, контроля гидротехнических сооружений. Неоценима роль сейсмических приборов в сейсморазведке полезных ископаемых и, в частности, для поиска " резервуаров " с нефтью. Прежде всего, внесем ясность в терминологию. Сейсмограф – это прибор, который записывает сейсмические колебания на бумагу с помощью чернил, или в виде цифрового кода. Сейсмометр – прибор, преобразующий колебания в электрический сигнал. На рис.1. приведен современный цифровой сейсмограф для исследований тремора вулканов. Рис.1. Современный сейсмограф Механические сейсмические приборы Принцип действия сейсмических датчиков - сейсмометров - образующих систему сейсмографа, в которую входят такие узлы - сейсмометр, преобразователь его механического сигнала в электрическое напряжение и регистратор - накопитель информации, основан сразу на первом и третьем законе Ньютона - свойстве масс к инерции и к тяготению. Главным элементом устройства любого сейсмометра является масса, имеющая некий подвес к основанию прибора. В идеале масса не должна иметь каких либо механических или электромагнитных связей с корпусом. Просто висеть в пространстве! Однако это пока нереализуемо в условиях притяжения Земли. Различают вертикальные и горизонтальные сейсмометры. В первых масса имеет возможность перемещения только в вертикальной плоскости и обычно вывешена с помощью пружины для противодействия силе притяжения Землей. В горизонтальных сейсмометрах масса имеет степень свободы только в горизонтальной плоскости. Положение равновесия массы сохраняется как с помощью гораздо более слабой пружины подвеса (как правило плоские пластины) и, обратите особое внимание, возвращающей силой притяжения Земли, которая сильно ослаблена реакцией почти вертикально расположенной осью подвеса и действует в почти горизонтальной плоскости перемещения массы. Наиболее древние устройства для фиксации актов землетрясения обнаружены и восстановлены в Китае. Прибор не имел средств записи, а только помогал определению силы землетрясения и направление на его эпицентр. Такие приборы называются сейсмоскопами. Древний китайский сейсмоскоп относится к 123 г. нашей эры и представляет собой произведение искусства и инженерной техники (рис.2). Внутри художественно оформленного сосуда находился астатический маятник. Масса такого маятника располагается выше упругого элемента, который поддерживает маятник в вертикальном положении. В сосуде по азимутам расположены пасти драконов, в которых помещены металлические шарики. При сильном землетрясении маятник ударял по шарикам и они сваливались в маленькие сосуды в форме лягушек с открытыми ртами. Естественно, максимальные удары маятника приходились вдоль азимута на очаг землетрясения. По шарикам, обнаруживаемым в лягушках можно было определить, откуда пришли волны землетрясения. Рис.2. Сейсмограф Подобные используются приборы и сейчас, называются давая сейсмоскопами. ценную информацию Они широко о сильных землетрясениях в массовых масштабах на большой территории. В Калифорнии (США) размещены тысячи сейсмоскопов с записью астатическими маятниками на сферическом стекле, покрытом сажей. Обычно, видна сложная картина движения острия маятника по стеклу, в которой можно выделить колебания продольных волн, указывающие направление на очаг. А максимальные амплитуды траекторий записи дают представление о силе землетрясении. Период колебаний маятника и его затухание заданы таким образом, чтобы моделировать поведение типичных построек и, таким образом, оценивать балльность землетрясений. Балльность землетрясений определяется по внешним характеристикам воздействия колебаний на человека, животных, деревья, типичные здания, мебель, посуду и т.п. Существую разные шкалы балльности. В средствах массовой информации применяется " балльность по шкале Рихтера ". Это определение рассчитано на массового жителя и не соответствует научной терминологии. Правильно говорить - магнитуда землетрясения по шкале Рихтера. Она определяется по инструментальным измерениям с помощью сейсмографов и условно обозначает логарифм максимальной скорости записи, отнесенное к очагу землетрясения. Такая величина условно показывает выделившуюся энергию упругих колебаний в очаге землетрясения. Подобный сейсмоскоп сделал в 1848 году итальянец Каччиаторе, в котором маятник и шарики заменены ртутью. При колебаниях грунта ртуть выливалась в сосуды, расположенные равномерно по азимутам (рис.3). Рис.3. Сейсмограф Каччиаторе Первый сейсмограф, имевший научное значение, был построен 1879 г. в Японии Юингом. В качестве груза для маятника было чугунное кольцо весом 25 кг, подвешенное на стальной проволоке. Общая длина маятника составила почти 7 метров (рис.4). За счет длины получен момент инерции в 1156 кгּм2. Относительные перемещения маятника и грунта записывались на закопченном стекле, вращающемся вокруг вертикальной оси. Большой момент инерции способствовал снижению влияния трения острия маятника о стекло. В 1889 г. японский сейсмолог опубликовал описание горизонтального сейсмографа, послужившего прототипом для большого числа сейсмографов. Рис.4 Сейсмограф Юинга Подобные сейсмографы изготавливались в Германии в 1902-1915 гг. При создании механических сейсмографов задача повышения чувствительности могла быть решена только с помощью увеличительных рычагов Архимеда. Сила трения при записи колебаний преодолевалась за счет огромной массы маятника. Так сейсмограф Вихерта имел маятник с массой 1300 кг. При этом достигалось увеличение всего 200 для периодов записываемых колебаний не выше собственного периода маятника 12 сек (рис.5). Вихерт был великим изобретателем и конструктором механических сейсмографов и построил несколько разных и остроумных приборов. Запись относительного движения инертной массы маятников и грунта осуществлялась на закопченной бумаге, вращаемой непрерывной лентой часовым механизмом. Рис.5. Сейсмограф Вихерта Сейсмографы с гальванометрической регистрацией Переворот в технике сейсмометрии произвел блестящий ученый в области оптики, математики князь Б.Б.Голицын. Он изобрел способ гальванометрической записи землетрясений. Россия - основоположница в мире сейсмографов с гальванометрической регистрацией. Впервые в мире им разработана теорию сейсмографа в 1902 году, создан сейсмограф и организовал первые сейсмические станции, на которых были установлены новые приборы. Германия имела опыт производства сейсмографов и первые сейсмометры Голицына были изготовлены там. И до сих пор этот аппарат носит все характерные черты первого регистрира. Барабан, на котором закреплялась фотобумага длиной почти 1 м и шириной 28 см, приводился во вращательное движение со смещением при каждом обороте на выбранное и сменяемое согласно задаче наблюдений расстояние вдоль оси барабана (рис.6). Рис.6. Сейсмограф Голицина Вес маятника уже не играл такого значения как в механических сейсмографах. Было только одно явление, которое надо было учитывать магнитоэлектрическая реакция рамки гальванометра, находящейся в воздушном зазоре постоянного магнита, на маятник сейсмометра. Как правило, эта реакция уменьшала затухание маятника, что приводило к возбуждению лишних собственных его колебаний, искажавших волновую картину записываемых волн от землетрясений. Поэтому Б.Б.Голицын использовал массу маятников порядка 20 кг, чтобы пренебречь обратной реакцией гальванометра на сейсмометр. Катастрофическое землетрясение 1948 года в Ашхабаде стимулировало финансирование расширение сети сейсмических наблюдений. Для оснащения новых и старых сейсмических станций профессором Д. П. Кирносом совместно с инженером В.Н.Соловьевым были разработаны гальванометрические сейсмографы общего типа СГК и СВК вместе с гальванометром ГК-VI (рис.7). Рис.7. Сейсмометр Кирноса Приборы Кирноса отличались тщательной научно-технической проработкой. Методика калибровки и эксплуатации была доведена до совершенства, что обеспечило высокую точность (около 5%) амплитудной и фазовой частотной характеристики (АЧХ) при записи событий. Это позволило сейсмологам ставить и решать не только кинематические, но и динамические задачи при интерпретации записей. Д.П.Кирносом была совершенствована теория сейсмографов с гальванометрической регистрацией введением коэффициента связи сейсмометра и гальванометра, позволившая построить амплитудную частотную характеристику сейсмографа для записи смещения грунта сначала в полосе 0,08 - 5 Гц, а затем в полосе 0,05 - 10 Гц с помощью вновь разработанных сейсмометров типа СКД. В данном случае речь идет о введении в сейсмометрию широкополосной АЧХ. Во второй половине ХХ века наступила эра электронных сейсмографов. На маятники сейсмометров в электронных сейсмографах помещаются параметрические преобразователи. Свое название они получили от термина параметр. В качестве переменного параметра может служить емкость воздушного конденсатора, индуктивное сопротивление высокочастотного трансформатора, сопротивление фоторезистора, проводимость фотодиода под лучом светодиода, датчик Холла и все, что попадалось под руку изобретателям электронного сейсмографа. Среди критериев выбора главными оказались простота устройства, линейность, малый уровень собственного шума, преимуществами экономичность электронных в электропитании. сейсмографов перед Главными сейсмографами с гальванометрической регистрацией состоят в том, что а) спад частотной характеристики в сторону низких частот происходит в зависимости от частоты сигнала f не как f^3 , а как f^2 - т.е. намного медленнее, б) есть возможность использовать электрический выход сейсмографа в современных самописцах, а, главное, в применении цифровой техники измерения, накопления и обработки информации, с) возможность влиять на все параметры сейсмометра с помощью хорошо известного автоматического регулирования с помощью обратных связей (ОС). Таким образом, характерными чертами современных электронных сейсмографов является широкополосная частотная характеристика от 0 до 10 Гц колебаний поверхности Земли и цифровой способ измерения этих колебаний. Фундаментальные проблемы сейсмометрии. Задача настоящего курса – дать представление о современных цифровых сейсмических приборах, предназначенных для записи колебаний (вибраций). Колебания микросейсмами, могут промышленными быть обусловлены взрывами, землетрясениями, оползнями, подземными ядерными взрывами, вулканами, а также быть вызваны техногенными источниками – транспорт, коперы (станок для забивки свай) и т.д. Здесь приведены теория и конструкция сейсмометров и методы их калибровки. Современная сейсмометрия может быть разделена на два раздела: первый приборы преобразования колебаний в электрический сигнал (сенсоры) и второй, регистраторы. Сенсоры должны преобразовывать колебания в электрический сигнал максимально приближенный к их исходной форме, без искажений. Электрический сигнал на выходе сенсора содержит информацию о колебаниях – амплитуда, частота, форма волны и т.д. Регистратор должен обеспечивать неискаженную запись сейсмических колебаний, преобразованных сенсором в электрический сигнал. Сейсмические регистраторы обеспечивают синхронизацию времени с использованием GPS- антенн (Global Positioning System). Знания о характеристиках современных сейсмометров и регистраторов необходимы для выбора аппаратуры при решении конкретных задач. Так, для мониторинга плотин водохранилищ, зданий и прочих конструкций достаточен частотный диапазон от 0,2 до 15 Гц. При регистрации местных землетрясений диапазон частот составляет 0,1-6 Гц, при записи удаленных (телесейсмических) событий -0,05-5 Гц. При регистрации вулканического тремора – 0,5-30 Гц. Колебания грунтов при сейсмологических исследованиях никогда не бывают периодическими, хотя условно используется выражение «период колебаний», который обозначает отрезок всего частотного диапазона измерений. Так, поперечные и поверхностные волны Лява и Рэлея, характеризуются периодом колебаний 20 секунд, микросейсмы – 5-6 секунд. Диапазон колебаний варьирует по амплитуде от нанометров (10 -9 м до нескольких сантиметров при очень сильных землетрясениях). Типы сейсмических сенсоров. Современные сейсмические сенсоры разделяются на два типа: первый - датчики скорости смещения (велосиметры) и второй – акселерометры (преобразование ускорений в электрический сигнал). Поскольку велосиметры в большинстве случаев работают по принципу движения катушки в магнитном поле, то на выходе прибора генерируется сигнал, пропорциональный скорости движения (смещения). Какие параметры важны при выборе сейсмического датчика ? Основные параметры: • частотный диапазон, • динамический диапазон, • чувствительность • внутренний уровень шумов. По технологиям изготовления ( принципу действия) чувствительных элементов сейсмические датчики можно разделить на : • магнитоэлектрические • молекулярно-электронные • пьезоэлектрические • электромеханические • микроэлектромеханические (МЭМС) Магнитоэлектрические кольцеобразном датчики воздушном наконечниками и сердечником имеют подвижную зазоре, (рис.8) образованном катушку в полюсными не имеют электрической обратной связи, что сужает их динамический диапазон почти в 2 раза по сравнению с остальными датчиками. Рис.8. Магнито-электрический сенсор Молекулярно-электронные датчики (рис.9) работают по принципу смещения рабочей жидкости через мембрану из анодов и катодов. Жидкость может изменять свои свойства в зависимости от температуры и давления , что может вносить погрешность в результаты измерений. Конечно, производители утверждают о сверхстабильных характеристиках рабочей жидкости, но все же не стоит забывать об изменении свойств текучести в зависимости от температуры и давления. В любой жидкости могут образовываться пузырьки воздуха и при потере герметичности (либо в следствие каких либо других процессов) это может вызывать ложные срабатывания при регистрации событий. Можно вывод, что при работе с этими сделать небольшой датчиками необходимо учитывать температурный диапазон работы инструмента и надеяться, что система будет герметична без образования пузырьков. Рис. 9. Смещение корпуса приводит к перетоку рабочей жидкости (серая толстая линия слева направо) через пористую перегородку (черно-белые ячейки) вследствие инерционности жидкости, что вызывает появление выходного сигнала при смешении зарядов. Пьезоэлектрические преобразователи (Рис.10) используют пьезоэлектрический эффект в кристаллах, керамике или плёнках и преобразуют механическую энергию в возникновения разности потенциалов механической деформации. электрическую на и наоборот, за счет пьезокристалле при его Рис. 10. Примерная схема работы пьезоэлектрического преобразователя. Электромеханические маятника датчики (рис.11) подвешенного на пружине. стабильно работают при перепаде Электромеханические датчики температур в рабочем диапазоне, вследствие малого влияния температур на пластины. действуют по принципу свойства металлической Конечно, когда речь идет об экстремально низких или высоких температурах, то будет использована пластина из другого металла, которая сохраняет свойства в другом диапазоне соответственно тоже модифицируется экстремальных условиях. температур . Электронная часть для возможности работы в Наличие силовой обратной связи обеспечивает динамический диапазон более 120 дБ (в некоторых случаях больше 160дБ), что в несколько раз больше по сравнению с датчиками без неё. Рис. 11. Слева – маятник на подвесе как основная идея (принцип действия). Справа – полная система с силовой обратной связью. Микроэлектромеханические (МЭМС) системы (рис.12), устройства, объединяющие в себе микроэлектронные и микромеханические компо- ненты. МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогично технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1 микрометра до 100 микрометров, тогда как размеры кристалла МЭМС микросхемы имеют размеры от 20 микрометров до одного миллиметра. Рис. 12. Чувствительный элемент МЭМС- датчика. Про МЭМС-датчик можно сказать, что их динамический диапазон составляет около 80-90дБ, но стоит отметить, что они имеют намного более широкий частотный диапазон (вплоть до 2кГц и больше), что делает их лучшими работниками в местах с большим и уровням и локального шума и сильными высокочастотными вибрациями. Форс-балансные акселерометры. В обычном пассивном сейсмометре инерционная сила, произведенная сейсмическим колебанием почвы, отклоняет массу от своего положения равновесия, и смещение или скорость массы тогда преобразовауются в электрический сигнал. Этот принцип измерения теперь используется только для короткопериодных сейсмометров. Длиннопериодные или широкополосные сейсмометры построены согласно принципу «баланса силы». Это означает, 'уравновешена') с что инерционная электрически сила произведенной компенсирована силой так, (или чтобы сейсмическая масса переместилась как можно меньше; конечно, некоторое маленькое движение все еще требуется, потому что иначе инерционная сила не будет наблюдаться. Сила обратной связи произведена с электромагнитным преобразователем силы (Рис.13). Электронная схема - петля сервомотора (Рис. 6) как в аналоговом рекордере диаграммы. Петля сервомотора является самой эффективной, когда она содержит интегратор, в этом случае погашение массы точно обеспечивается в во времени. Из-за неизбежных задержек обратной связи, у систем баланса силы есть ограниченная пропускная способность; однако на частотах, где они эффективные, они вынуждают массу переместиться с землей, производя силу обратной связи, строго пропорциональную, чтобы основать ускорение. Когда сила пропорциональна току в преобразователе, тогда ток, напряжение через резистор обратной связи R, и выходное напряжение все пропорционально, чтобы основать ускорение. Мы таким образом преобразовали ускорение в электрический сигнал без в зависимости от точности механической приостановки. Рис.13. Схема форс-балансного акселерометра Частотный диапазон – интервал частот, в котором колебания преобразуются в электрический сигнал без искажений и с одинаковым усилением. На рис. 14 показан диапазон частот колебаний для различных источников. Рис.14. Диапазон частот колебаний Земли На рис.15 приведена сейсмограмма далекого сильного землетрясения, полученная короткопериодным сейсмометром СМ-3 с полосой пропускания 0,5-5 Гц. Рис.15. Короткопериодная сейсмограмма события На рис.16 показана запись того же события, полученная с помошью широкополосного сейсмометра с полосой пропускания 0,008-50 Гц. Рис.16. Запись события широкополосным сейсмометром. Здесь четко видны поверхностные волны, период которых составляет 20 и более секунд. На рис.17 приведены амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) различных сейсмометров. АЧХ прибора показывает коэффициент усиления в зависимости от частоты. Рис.17. АЧХ сейсмометров: 1- Беньоффа, 2- Гренет-Коломба, 3-ВуудаАндерсона, 4 –Кирноса, 5 – Вихерта, 6-Эвинга, 7- широкополосный сенсор. Динами́ческий диапазо́н — характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования некой величины представляющая логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины входного параметра устройства. Минимальное значение обычно определяется уровнем собственных шумов или внешних помех в устройстве, а максимальное — перегрузочной способностью устройства. Динамический диапазон измеряется в децибелах (dB): Log10 (Amax/Amin) =1, тогда Rd=20 Пример: Amax=500, Amin) =1 Log10 (500/1) =3,7 или Rd=74 dB Динамический диапазон магнитоэлектрических сейсмометров обычно не превышает 80-100 dB. Динамический диапазон современных широкополосных сейсмометров составляет 130-140 dB. На рис.18 приведена сейсмограмма землетрясения, на которой видно ограничение (обрезание) сигнала, обусловленное недостаточным динамическим диапазоном сенсора. Рис.18. «Обрезанная» по амплитуде запись сильного землетрясения. Чувствительность сенсора. Определяет выходное напряжение датчика в ответ на сотрясение известной скорости/ускорения. Единицы измерения: Вольт/(Метр/Секунда), G (ускорение). Так, чувствительность сейсмометров СМ-3 составляет 20 V/(sm/s), то есть при скорости смещения грунта 1 см/c выходное напряжение сенсора составляет 20 вольт. Внутренний уровень шума. Не существует сенсоров, не обладающих внутренними шумами. Например, любая катушка из тонкого медного провода в результате броуновского движения молекул генерирует широкополосные шумы без преобладающей частоты (так называемый белый шум), рис.19. Современные приборы оснащены электронными элементами – аналоговыми усилителями, резисторами, конденсаторами, и каждый элемент вносит свою долю в общий уровень выходного шума. Рис.19. Фрагмент «белого шума» Каждый датчик подходит для решения определенного списка задач. Здесь рассмотрены только аналоговые части датчиков. Всем аналоговым датчикам для работы необходим регистратор – внешний или внутренний . В таблице 1 приведены широко используемые сенсоры – сейсмометры и акселерометры со сравнительными характеристиками. Таблица 1 Сравнительные характеристики сенсоров Наименование прибора Частотный V вых, Динамический Чувствительность Диапазон, Гц вольт Диапазон, дБ Коротко – и среднепериодные сейсмометры Lennartz LE-1D 1,0-80,0 120 3 nm/s, на 1 гц Lennartz LE-3D/5s 0,2-40,0 120 1 nm/s, на 1 гц Lennartz LE-3D/20s 0,05-40,0 2 nm/s, на 1 гц Kinemeitrcs WR-1 0,05-20,0 3 nm/s, на 1 гц Geotech KS-10 0,05-20,0 140 1nm/s, на 1 гц Акселерометры Kinemeitrcs FBA-23 0-50 2,5 135 Kinemeitrcs EpiSensor 0-200 10 155 Sprengnether FBX23 0-50 10 90 11 mkg Sprengnether FBX26 0-50 10 135 0,4 mkg Geotech PA22 0-15 15 114 10 mkg Guralp CMG5 0-80 128 Eantec EA140 0-100 5 140 2 mkg Широкополосные сейсмометры Nanomtrics Trillium 0,03-30 10 Sprengnether S-3000Q, 1-250 12 Streckeisen STS-2 0,033-20 12 Streckeisen STS-1 0,0028-20 12 Sprengnether WB 2023 0,03-20 36 Sprengnether WB2123 0,016-50 36 160 Geotech KS-2000 0,01-50 10 Geotech KS-54000 0,003-5 20 Güralp CMG-1 0,003-50 10 Güralp CMG-3 0,01-50 12 Güralp CMG-3T 0,01-100 12 Güralp CMG-40 0,03-50 12 Güralp CMG-40T 0,03-50 12 145 Eentec P-123 0,1-50 12 140 Регистраторы Регистраторы выполняют функцию оцифровки аналогового сигнала, который поступает на аналоговые входы регистратора, и накапливают и/или передают данные уже в виде цифрового сигнала, который, известно практически не подвержен никаким помехам. Опции для (требования к) регистрирующей аппаратуры: - разрядность, бит. как - динамический диапазон, dB. - уровень внутренних шумов. - частота дискретизации сигнала Из каких основных элементов состоит сейсмический регистратор? 1. Входные усилители сигнала с антиалиясинговым фильтром. 2. Коммутатор 3. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 4. GPS-приемник для синхронизации времени 5. Встроенный мини-компьютер с операционной системой Linux. 6. Модуль сохранения данных (SSD-диск или флэш-память). Далее пошагово рассмотрим устройство каждого элемента. Входные усилители. Количество усилителей сигнала равно количеству входных каналов. Построены с использованием малошумящих операционных усилителей (ОУ) фирмы Linear Technology. Далее сигнал поступает на антиалиясинговый фильтр. На рис.20 приведена схема простейшего усилителя сигнала на ОУ. Рис.20. Схема дифференциального усилителя на ОУ. Коэффициент усиления (КУ) зависит от отношения резисторов R2/R1. Если R2=100 ком, R1=1 ком, КУ=100. сопротивления Антиалайзинговый фильтр. Алиасинг, наложение — в обработке сигналов эффект, приводящий к наложению, неразличимости различных непрерывных сигналов при их дискретизации (оцифровке). Алиасинг — одна из главных проблем при аналого-цифровом преобразовании сигналов. Неправильная дискретизация аналогового сигнала приводит к тому, что высокочастотные его составляющие накладываются на низкочастотные, в результате чего восстановление сигнала во времени приводит к его искажениям. Для предотвращения этого эффекта частота дискретизации должна быть достаточно высокой и сигнал должен быть надлежащим образом отфильтрован перед оцифровкой. Антиалайзинговый фильтр (anti-aliasing filter) – это фильтр низкой частоты (ФНЧ), применяемый на входе АЦП для повышения качества оцифровки сигнала. Если Fd – частота дискретизации АЦП, то частота среза антиалайзингового ФНЧ примерно равна половине 0,5* Fd. Подавление частот сигнала выше половины частоты дискретизации АЦП исключает эффект наложения на сигнал зеркальных частот преобразования, или, как это обычно называют в классической литературе по ЦОС, исключает эффект наложения спектров. На рис.21 показана схема простого фильтра низкой частоты (НЧ) Рис.21. Схема простого фильтра НЧ на ОУ. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) Типы АЦП - АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC) - АЦП последовательного приближения (SAR ADC) - дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда) Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность. В сейсмических регистраторах используются дельта-сигма АЦП. Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 22). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис.22. объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания». Рис.22. Структурная схема дельта-сигма АЦП Величину, обратную максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП способность называют выражается разрешающей способностью. Разрешающая в разрядах децибелах процентах, или и характеризует потенциальные возможности АЦП с точки зрения достижимой точности. На рис.23 показан принцип дискретизации АЦП. Рис.23. Дискретизация АЦП. Серая линия – входной сигнал. Теорема Котельникова для АЦП: на один период Тв верхней частотной границы /в = 1/Гв спектра преобразуемого сигнала должно приходиться не менее двух отсчетов АЦП. Иными словами, частота квантования /к должна как минимум вдвое превышать верхнюю частоту сигнала. На самом деле частота отсчетов должна быть не менее 3. Пример недостаточной дискретизации сигнала приведен на рис.24. Здесь можно получить на выходе АЦП любую произвольную форму сигнала. Рис.24. Пример недостаточной дискретизации входного сигнала. Неоднозначность восстановления гармонического сигнала по двум отсчетам на период На рис.25 показано восстановление сигнала по отсчетам АЦП. Рис.25. Восстановление сигнала по отсчетам: а — вид аппроксимирующих функций; б — результат восстановления Разрядность АЦП. У каждого устройства АЦП есть такой важный параметр как разрядность. Чем больше значение этого параметра, тем точнее работает прибор. Предположим, что у нас есть АЦП с разрядностью 1. Подавая на вход любое напряжения от 0 до 2,5 Вольт, на выходе мы получим 0. Любое же напряжение от 2,5 до 5 вольт даст нам единицу. То есть 1-битный АЦП сможет распознать только два уровня напряжения. АЦП с разрядностью 2 распознает уже четыре уровня напряжения: от 0 до 1,25 — это 0; от 1,25 до 2,5 — это 1; от 2,5 до 3,75 — это 2; наконец, от 3,75 до 5 — это 3. Пример. Если мы используем десятиразрядный преобразователь, полной шкале входного сигнала xМАХ(t) будет соответствовать код NВЫХ МАХ = 210 = 1024, а значение кванта h будет равно, соответственно, 1/1024 от шкалы, т. е. примерно 0,1 %. Иными словами, погрешность представления сигнала десятиразрядным двоичным кодом не будет превышать 0,1 % от диапазона входного сигнала. При использовании восьмиразрядного преобразователя максимальная относительная погрешность представления сигнала с помощью двоичного кода будет равна 1/28 = 1/256, т. е. примерно 0,4 %. Самая дешевая сейсмическая станция Webtronics имеет разрядность АЦП 16 бит, т.е. 216 =65 536. То есть при входном напряжении сигнала 10 В, значение разряда АЦП будет иметь значение 0.00015 В. При входном напряжении 1 В – 0,000015 В. 24 разрядное АЦП соответственно -16777216, или 5.96E-07 В. В этом случае точность оцифровки возрастает на 3 порядка – в 1000 раз. GPS-приемник. Работа модуля синхронизации по GPS основывается на периодической подстройке цикла выборки АЦП регистратора станции сигналом точного времени, формируемым GPS-приемником. Данная операция выполняется с минимальной добавкой загруженности контроллера регистратора или вообще без нее. Такой подход позволяет не только установить соответствие каждого отсчета АЦП астрономическому времени, но и обеспечить одновременность выборок АЦП всех станций сейсмической группы с точностью до 10 мкс, что особенно важно для решения ряда геофизических задач. Современные сейсмические регистраторы Встроенный мини-компьютер с операционной системой Linux. Все современные регистраторы в большинстве оснащены мини- компьютерами (встроенными компьютерами). В основном, за исключением продукции компании PMD Scientific, установлена облегченная версия операционной системы Linux. Что дает использование встроенных компьютеров? 1. Возможность использования модуля хранения данных (SSD-диск или флэш-память большого объема). 2. Возможность передачи потока данных в режиме реального времени посредством Ethernet, COM-порта или WiFi канала связи. 3. Настройка параметров регистратора с использованием встроенного WEB-сервера. 4. Автоматическая калибровка сейсмических каналов по заданному графику или по команде с использованием импульсов или синусоидальных сигналов с меняющейся частотой (Sweep сигнал) и расчет чувствительности каналов. Калибровка сенсоров. Существует несколько методов калибровки приборов. Первый способ – калибровка методом сравнения. В этом случае на бетонный постамент устанавливаются поверяемый и образцовый сенсоры, параллельно ведется регистрация сигналов с обоих приборов, затем по записям образцового прибора рассчитываются поправочные коэффициенты. Второй способ – калибровка синусоидальным SWEEP сигналом. На калибровочную катушку сенсора подается синусоидальный сигнал с меняющейся частотой (рис.26). Рис.26. Калибровочный SWEEP сигнал По отклику прибора строится АЧХ прибора, т.е. какой частоте соответствует усиление колебаний (коэффициент преобразования) Рис.27 АЧХ сейсмометра Третий способ- калибровка на калибровочном столе (рис 28). Рис.28 Сейсмометр на калибровочном столе. Здесь основание колеблется с заданной частотой и амплитудой, величина которой контролируется посредством микрометра часового типа. Зная входные величины колебаний, легко рассчитывается коэффициент усиления (чувствительность или передаточная функция) сенсора. Следует детально разъяснить что такое канал регистрации. Под этим термином подразумаевается сенсор (сейсмометр или акселерометр) + усилитель регистратора + антиалиясинговый фильтр + АЦП. Установка сейсмометра. Современные высокочувствительные сейсмометры с широким частотным диапазоном чувствительны к перепадам температуры и атмосферного давления. Для станционарного применения на сейсмических станциях и сейсмологических обсерваториях приборы устанавливают либо в механически изолированных от зданий подвальных помещениях, либо в штольнях. Цель размещения высокочувствительных сенсоров в подобные места – снизить суточные и сезонные вариации температуры. На рис. показана установка сейсмометра в грунт на временном пункте регистрации. Здесь сенсор размещается в теплоизолированном коробе, затем еще в цилиндрической тубе с теплоизолятором. Рис.29 Установка временной станции На рис.30 приведен пример установки сенсоров сети GSN (Global seismographic Network). Здесь установлены сенсоры STS-1 производства Швейцарии с частотным диапазоном от 360 секунд до 50 Гц. Каждый сенсор установлен на стеклянную пластину толщиной 60 мм. Сверху надета толстостенная стеклянная колба, из которой откачан воздух. В этом случае снимается влияние температуры. на датчик вариаций атмосферного давления и Рис.30 Установка сейсмометров сети GSN На следующих рисунках показана установка прибора на станции MOXA, Германия. Слева – сейсмометр, справа- обмотанный теплоизолирующим материалом Поверх теплоизолятора надевают стальной корпус, затем опять изолятор Сверху –металлическая фольга с заземлением для устранения влияния магнитного поля Земли. Самый верхний слой – пленка для защиты от влаги. Приборы GSN на станции KDK, Индонезия. СЕЙСМИЧЕСКИЕ ШУМЫ Что такое сейсмические шумы? Это колебания поверхности Земли, регистрируемые только чувствительными приборами. Сточники сейсмических шумов могут иметь природное и антропогенное (вызванное деятельностью человека) происхождение. К последним относится вибрация, вызванная движением транспорта, работой агрегатов на промышленных предприятиях, даже мощные трансформаторы (так называемые трансформаторные подстанции) являются источником вибрации на частоте 50 Гц. К природным шумам относятся – ветровые колебания, вызванные им колебания деревьев и кустарников, а также зданий. Есть еще тип колебаний, называемый микросейсмами, источником которых является мировой океан – это поверхностные Рэлеевские волны с периодом 6 секунд, беспрепятственно пересекающие огромные расстояния. В 1959 г. немецкий сейсмолог Брунее разработал модель низкого уровня сейсмических шумов. В 1998 г. немецкий сейсмолог Петер Борман усовершенствовал модель и представил ее в табличной и графической формах. Используется параметров «плотность спектра мощности сигнала». На рис.35 представлена модель низкого и высокого уровня сейсмических шумов. Рис.35 Модель сейсмического шума Земли. Черные линии- ускорения, синяя- скорости смещения грунта, красная – смещение. По плотности спектра мощности шумов можно судить о качестве пункта регистрации, где установлен сенсор. На рис.36 приведен спектр сигнала на сейсмостанции Агалык. Рис.36 Спектр сигнала на ст.Агалык. Зеленая, красная и синяя линиикомпоненты вертикальная, север-юг и восток-запад соответственно. Здесь фон техногенных помех невысокий. На таких пунктах регистрации можно увидеть на всех трех компонентах микросейсмы с периодом 6 секунд (рис.37). Рис. 37 Фрагмент записи на ст.Агалык. Ниже приведен спектр сигнала на станции Китаб (рис.38). Рис.38. Спектр колебаний на ст.Китаб. Здесь из-за движения транспорта уровень колебаний превышает допустимый. На рис. 39 приведен спектр шумов сейсмического регистратора (без сенсора) Рис.39 Спектр собственных шумов сейсмического регистратора В таблице 2 приведена сравнительная характеристика регистраторов. Таблица 2 Сравнительная характеристика регистраторов Тип Nanometrics HDR 24 Nanometrics RD Nanometrics Trident Lennartz M24 Earth data 2400 RefTek 72A RefTek 130S01 RefTek 130 MC Geotech DR24 Kinemetrics Q330 Kinemetrics Q730BL Kinemetrics Quanterra Q8 Kinemetrics Obsidian 4 Güralp DM24 Güralp DM-16-R8 SeisProd SEISAD18 Webtronics К-во входов 3-6 Разрядность 24 Коэффициент Частота Потр. усиления оцифровки мощность 1 20-500 4,4 Выход 3-6 3 16 24 1 1-8 25-500 2-200 4,4 1,5 3 3-6 3 3-6 24 24 24 24 10 1 1 1, 32 1-500 25-1000 1-1000 1-1000 <2 1,8 <2 1 12-18 1-6 3-6 24 24 24 1 1-256 1 50-500 1-1000 1-250 21 4 <1 1-3 24 1 1-250 10 6 24 1 1-1000 3 RS-232 TCP flash 4 24 1 1-50 2 TCP 3-6 8 24 16 1 1 1-200 1-200 1,5 3 RS-232 RS-232 3 18 1-16 25-200 0,4 RS-232 3-8 16 1-128 5-100 3 RS-232 RS-232 RS-422 RS-232 NMX RS-232 RS-232 flash Flash TCP TCP RS-232 TСP ФОРМАТ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ Сейсмология не имеет границ, так колебания от сильных землетрясений с магнитудой выше 7 имет разрушительный эффект на расстоянии в сотни километров. Каждая сейсмическая сеть собирает от своих сейсмических станций данные в каком либо формате записей. Кратко остановимся на основных распространенных форматах цифровых данных. Начиная с 1990 года почти все сети сейсмомониторинга, оснащенные цифровыми регистраторами, начали собирать с данные в современных форматах, включающих характеристки регистрирующей аппаратуры. Сегодня в сейсмологии используются много различных форматов для цифровых данных. Большинство форматов может быть сгруппировано в один из следующие пяти групп: 1) местные форматы в использовании на отдельных станциях, сетях или используемый сейсмической станцией (например, ESSTF, PDR-2, BDSN, GDSN); 2) форматы, используемые в стандартном аналитическом программном обеспечении (например, SEISAN, АХ, BDSN); 3) форматы, разработанные для обмена данными и архивации(GSE); 4) форматы, разработанные для систем базы данных (CSS, FOAM); 5) форматы для оперативной передачи данных (IDC/IMS, EarthWorm). Большой шаг в этом направлении был сделан группой научных экспертов (Group of Scientific Experts, GSE), организованной ООН на конференции по ядерному разоружению. Эта группа разработала формат GSE/IMS для обмена параметрическими сейсмологическими данными с Центром мониторинга за ядерными взрывами (CTBTO), который стал весьма широко использоваться. Комиссия по сейсмологическим наблюдениям и интерпретации международной ассоциации сейсмологии и физике земных недр в 2001 г. разработала новый формат ICF, совместимый с GSE. Формат HYPO71, разработан для разработанной в Геологической службе США (USGS) программы локации очагов землетрясений HYPO71. Этот формат кроме цифровых данных содержит название и координаты станций, необходимые для локации землетрясений. Дальнейшее развитие программа получила как HYPOINVERSE, формат которой совместим с HYPO71. NORSAR, норвежская сеть сейсмического мониторинга разработала собственное программное обеспечение SEISAN, формат данных которых назван нордическим форматом. AH . Операционная система (ОС): Unix. Формат Ad Hoc (AH) используется программным комплексом AH, разработанным сотрудниками Геологической обсерватории Lamont Doherty, США. В программный комплекс включены утилиты конвертации форматов. CSS. ОС: Unix. Используется Центром сейсмологических исследований (The Center for Seismic Studies ,CSS), разработан для обмена сейсмическими данными. Данные разделены на два типа – цифровые сейсмограммы и параметрические GeoSig. ОС: PC. Бинарный формат используемый регистраторами GeoSig. Формат состоит из заголовка и мультиплексированных данных. GCF. ОС: PC Используется регистраторами компании Guralp, Великобритания. ESSTF binary. ОС: Все ОС. European Standard Seismic Tape Format (ESSTF) разработан компанией Lennartz Electronic GmbH [LEN]. ESSTF использовался в качестве структуры для файловой системы в системе сбора данных SAS-58000. ESSTF объединяет информацию о заголовке в формате ASCII с сейсмическими данными в двоичном (бинарном) формате. Блок заголовка событий - единственный блок, предшествующий блокам данных, содержащий информацию о времени начала событий. Каждый блок данных содержит 48-символьный блок заголовка (номер канала, время, и т.д.) в ASCII. Все каналы сохранены в мультиплексной форме в одном файле. Данные организованы в структуры, каждый содержащий 500 точек (отсчетов) данных. Самый эффективный доступ к двоичным данным неотформатированное, буферизованное чтение со способностью расшифровки данных о ASCII непосредственно из a буфер памяти. GSE ОС: Все ОС. Формат, предложенный Группой Научных Экспертов (формат GSE), был экстенсивно используемый с проектами GSETT на разоружении. GSE2.1, теперь переименованный в IMS1.0, новая версия. Файл данных GSE2.1 состоит из идентификационной линии формы волны (WID2), сопровождаемый станционными данными (STA2), сама информация о форме волны (DAT2) и контрольная сумма данных (CHK2) для каждого раздела DAT2 (Временные Форматы сообщения GSE 2.1. Длина блока данных по умолчанию составляет 132 байта. SAM-PITSA. ОС: Unix. Indexed Sequential Access Method (ISAM) коммерческая файловая система базы данных, разработанная для легкого доступа. PITSA основывает свою внутреннюю структуру файла для цифровых данных о форме волны по ISAM. Файловая система ISAM-PITSA состоит из двух файлов базы данных содержа заголовки и информацию об индексации для всех отметок времени и по крайней мере один файл отметки за канал. Ismes. ОС: PC. Формат используется итальянскими сейсмическими регистраторами Kinemetrics formats. ОС: PC. Фирма Kinemetrics разработала формата данных для регистраторов DataSeis и сеймейства регистраторов K2. Lennartz . ОС: PC. Используется регистраторами фирмы Lennartz серии MARS Nanometrics. ОС: PC. Формат данных используется регистраторами канадской компании Nanometrics. NEIC ORFEUS. ОС: PC. Программное обеспечение сейсмической сети NEIC ORFEUS (Франция) SONIC-1 может использоваться для поиска, просмотра и записи сейсмических событий из CD-диска в формате NEIC Digital Data. Earthquake Цифровые данные в формате ASCII содержат два типа записей- в заголовке прописана информация о станции, время записи, частоту дискретизации, а также чувствительность каналов. PDAS . ОС: PC. Используется регистраторами PDAS американской компании Geotech Instruments. PITSA BINARY. ОС: PC и UNIX. Разработана сотрудниками USGS для портативных временных сейсмических сетей. Public Seismic Networks (PSN). ОС: PC. Используется как для записи, так и анализа данных публичными сейсмическими сетями. Заголовок включает информацию о станции, чувствительности каналов и времени события. Регистратор – Webtronics. SAC. ОС: Unix. Расшифровывается как «Seismic Analysis Code (SAC)»- код сейсмического анализа, для интерактивной программы, также называемой SAC. Программа разработана для решения научных задач. SEED. ОС: все ОС. The Standard for the Exchange of Earthquake Data (SEED) – стандарт для обмена данными землетрясений разработан FDSN (международная федерация цифровых сейсмических сетей). SEISAN. ОС: все. Формат разработан в Институте Земли при Университете Бергена, Норвегия. Используется программой SEISAN. Содержит заголовок, в котором описаны все каналы. Программа SEISAN также может использовать файлы формата GSE. Sismalp. ОС: PC. Формат разработан для регистраторов сейсмической сети Франции –City Shark. SUDS. ОС: PC. SUDS - “The Seismic Unified Data System” (Система унифицированных сейсмических данных). Заключение Это пособие – попытка в краткой форме изложить основные принципы регистрации землетрясений и характеристики сенсоров и регистраторов. Также весьма сжато приведены основные форматы хранения и обмена сейсмологическими данными, принятые в мировом сейсмологическом сообществе. ЛИТЕРАТУРА 1. Пьезоэлектрический эффект. [Электронный ресурс], 2015. https :// ru . wikipedia . org 2. МЭМС. [Электронный ресурс], 2015. http://www.npkphotonica.ru/content/products/mems 3. Электромолекулярный сейсмометр. [Электронный ресурс], 2015. http://www.сейсмометр.р ф/tech.html 4. W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial.www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-020.pdf 5. W. Kester. ADC Architectures II: Successive Approximation ADC. Analog Devices, MT-021 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-021.pdf 6. W. Kester. ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics. Analog Devices, MT-022 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-022.pdf 7. Golitzin B. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 2, в. 2, 1906. 8. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 3, в. 1, 1907. 9. Голицын Б.Б. Изв. Постоянной сейсмической комиссии АН 4, в. 2, 1911. 10. Голицын Б., Лекции по сейсмометрии, изд. АН, СпБ., 1912. 11.Е.Ф.Саваренский, Д.П.Кирнос, Элементы сейсмологии и сейсмометрии. Изд. Второе, переработанное, Гос. Изд. Техн.-теор. Лит., М.1955 г. 12. Аппаратура м методика сейсмометрических наблюдений в СССР. Изд-во " Наука " , М. 1974 г. 13. Д.П.Кирнос. Труды Геофиз. Ин-та АН СССР, № 27 (154), 1955 г. 14.Д.П.Кирнос и А.В.Рыков. Специальная быстродействующая сейсмическая аппаратура для оповещения о цунами. Бюлл. Совета по сейсмологии, " Проблемы цунами " , № 9, 1961 г. 15. А.В.Рыков. Влияние обратной связи на параметры маятника. Изв. АН СССР, сер. Геофиз., № 7, 1963 г. 16.А.В.Рыков. К проблеме наблюдений колебаний Земли. Аппаратура, методы и результаты сейсмометрических наблюдений. М., " Наука " , Сб. " Сейсмические приборы " , вып. 12, 1979 г. 17. А.В.Рыков. Сейсмометр и колебания Земли. Изв. Российской АН, сер. Физика Земли, М., " Наука " , 1992 г. 18.Wieland E.., Streckeisen G. The leaf-spring seismometer - design and performance // Bull. Seismol..Soc. Amer.,1982. Vol. 72. P.2349-2367. 19.Wieland E., Stein J.M. A digital very-broad-band seismograph // Ann. Geophys. Ser. B. 1986. Vol. 4, N 3. P. 227 - 232. 14. А.В.Рыков, И.П.Башилов. Сверхширокополосный цифровой комплект сейсмометров. Сб. " Сейсмические приборы " , вып. 27, М., Изд-во ОИФЗ РАН, 1997 г. 15. К.Крылов Сильное землетрясение в Сиэтле 28 февраля 2001 г. http://www.pereplet.ru/nauka/1977.html 16. К.Крылов Катастрофическое землетрясение в Индии http:/ /www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1549#1549 17. http://earthquake.usgs.gov/ 18. http://earthquake.usgs.gov/4kids/facts.html 19. http://neic.usgs.gov/neis/seismology/keeping_track.html 20. http://earthquake.usgs.gov/4kids/science.html 21. http://neic.usgs.gov/neis/eqlists/10maps_world.htmlэто сильнейшие землетрясения в мире. 22. http://www.pereplet.ru/cgi/nauka.cgi?id=1580#1580 Предвестники землетрясений в околоземном космическом пространстве - В журнале "Урания" появилась новая статья (на русском и английском языках). Работа сотрудников МИФИ посвящена предсказанию землетрясений по спутниковым наблюдениям.
