Разработка и исследование автономных сейсмических станций для сейсмологических наблюдений (стр. 2 )

Регистратор содержит формирователь 1 сигналов точного времени (PPS и PPM), АЦП 2, контроллер 3, тактовый генератор 4, блок памяти 5. Аналоговый сигнал с сейсмоприёмника поступает в АЦП 2, где происходит его оцифровка. Для управления выборкой цифровых данных из него выход 7 синхронизации контроллера 3 соединён с входом синхронизации АЦП 2, а вход 8 разрешения приёма данных – с выходом готовности данных. Метка времени PPS с выхода формирователя 1 подаётся на вход 6 прерываний контроллера 3, а PPM на его вход 9 общего назначения.

В качестве формирователя 1 может быть использован приёмник GPS с формирователем минутной метки. Выход PPS блока 1 используется для коррекции периода выборки АЦП 2, а выход РРМ – для создания маркеров в структуре сейсмической записи, упрощающих её расшифровку.

Работа схемы синхронизации поясняется временными диаграммами рис. 2. При отсутствии переднего фронта PPS контроллер формирует на входе синхронизации АЦП импульсы с периодом Тоцф., соответствующим периоду выборки АЦП.

Рис. 2. Синхронизация циклов преобразования в цифровой код с сигналом PPS.

Начало каждого преобразования аналогового сигнала инициируется по отрицательному фронту этих импульсов синхронизации. Начав преобразование, АЦП сбрасывает в «0» выход готовности данных и остаётся в этом состоянии на время tпр., пока преобразование не закончится.

Реальная частота задающего генератора fг отличается от номинальной f0.

В начале каждой секунды с приёмника GPS приходит передний фронт сигнала PPS, по которому запускается программа обработки прерывания и перезапускает отсчёт времени цикла оцифровки Тоцф., корректируя тем самым фазу цикла на время tсдв., а затем проверяет состояние АЦП. Если в этот момент АЦП находится в режиме преобразования (fг > f0), то на этом программа обработки прерывания завершается. Следующее преобразование АЦП просто задержится на время tсдв..

В противном случае (fг < f0), контроллер по переднему фронту PPS вместе с перезапуском отсчёта цикла оцифровки сразу инициирует начало преобразования АЦП. В результате преобразование начинается раньше на время tсдв..

Т. к. сигнал PPS приходит на все станции одновременно, то, имея не очень хороший кварц с точностью 10-5 и подстраивая цикл оцифровки каждую секунду, получим погрешность синхронизации между разными станциями 10 мкс. При улучшении качества кварца ограничивающим фактором становится только точность прихода переднего фронта сигнала PPS, которая в современных приёмниках GPS составляет 1 мкс.

Вся нагрузка по коррекции периода оцифровки АЦП в данной схеме возложена на программу контроллера, что требует наличия в нём соответствующих ресурсов. Кроме того, переход к программе прерывания происходит не мгновенно, а требует нескольких тактов генератора системной частоты, что может составить несколько мкс. Для синхронизации станций группы между собой это не столь важно, т. к. такая задержка будет иметь место одновременно на всех станциях, но систематическая погрешность привязки сейсмограмм к астрономическому времени увеличится на такую же величину.

Если данные факторы важны для проводимых исследований, то может быть использована схема синхронизации, показанная на рис. 3. Коррекция периода выборки АЦП в ней обеспечивается с задержкой в несколько десятков наносекунд и без привлечения для этого ресурсов микроконтроллера.

Регистратор сейсмометра содержит формирователь 1 сигналов точного времени, АЦП 2, контроллер 3, тактовый генератор 4, блок синхронизации 5, блок памяти 6. Сигнал РРМ с первого выхода формирователя 1 поступает на вход контроллера 3, а сигнал PPS со второго выхода – на вход коррекции блока синхронизации 5.

Временные диаграммы (рис. 2) реализуются аппаратно по сигналам, вырабатываемым блоком 5, который может быть спроектирован, например, на основе программируемой логической интегральной схемы. Как и в схеме коррекции периода оцифровки программным путём, время ближайшего и всех последующих моментов оцифровки аналоговых данных может быть определено относительно начала сигнала PPS, но, в отличие от неё, коррекция выполняется с задержкой всего в несколько десятков нс (на порядок меньше погрешности привязки фронта PPS к астрономическому времени) на цепочке из трёх логических цифровых элементов.

В разработанных схемах моменты оцифровки данных синхронизируются фронтами секундных меток, вырабатываемых приёмниками глобального позиционирования. Эти метки поступают на все сейсмометры группы, где бы они ни находились, одновременно с точностью до 1 мкс, обеспечивая расхождение между «одновременными» отсчётами разных сейсмометров, как было показано выше, не более 10 мкс. При этом сейсмические записи, получаемые с выхода регистраторов, не требуют никакой предварительной подготовки и могут сразу обрабатываться стандартными пакетами программ.

В третьей главе «Разработка и исследование портативного цифрового сейсмометра» описано устройство и принцип работы ПЦС в целом, а также его регистратора; приведены технические характеристики ПЦС, результаты лабораторных исследований регистратора, стендовых и сравнительных испытаний сейсмометра, а также его апробации в полевых условиях.

ПЦС представляет собой прибор для измерения временного ряда скоростей сейсмических колебаний, преобразования его в последовательность цифровых кодов, синхронизации с реальным временем, накопления измеренных данных во внутренней памяти с последующей передачей их во внешнее обрабатывающее устройство, например, компьютер. Прибор предназначен для использования, в первую очередь, в мобильных сетях сейсмологических наблюдений, а также для работ в «поле», инженерных сооружениях, в труднодоступных местах. Его блок-схема показана на рис. 4.

Сейсмометр состоит из контейнера сейсмоприёмника СМ-3, куда помещены датчик СМ-6, платы фильтра, вторичного источника питания и регистратора, закреплённые на одном шасси, а также аккумуляторной батареи. На лицевой панели имеются USB разъём для подключения к компьютеру и разъём RS-232 для подключения приёмника GPS, а также кнопки запуска и сброса. Кроме того, прибор имеет разъём, через который производится подзаряд аккумулятора. Через этот же разъём возможен запуск регистрации сигналом точного времени и калибровка сейсмоприёмника. Светодиоды предназначены для сигнализации о режимах работы сейсмометра.

В основу разработки модуля регистрации и управления (регистратора), структурная схема которого показана на рис. 5, положена «система на кристалле» MSC1213Y5, представляющая собой 24-х разрядный сигма-дельта АЦП, совмещённый с микроконтроллером с системой команд 8051. Низкая потребляемая мощность 4 мВт и низкий уровень собственных шумов АЦП 75 нВ делают данную систему весьма привлекательной для использования в аппаратуре сбора сейсмической информации.

Передача данных в компьютер производится через USB интерфейс, который реализован на микросхеме FTDI245BM. Энергонезависимая память выполнена на микрочипе, ёмкостью 1 Гбайт которая позволяет производить непрерывную запись в течение месяца при частоте выборок 100 Гц. Основные технические характеристики сейсмометра сведены в Таблицу 2.

Таблица 2.

Основные технические характеристики ПЦС.

Параметр	Единицы	Значение
Режим преобразования		велосиметр
Число каналов		1 вертикальный
Рабочий диапазон частот по уровню 0,7	Гц	0,7-40 (СМ-6) 0,03-40 (СМ-5ДВ)
Коэффициент преобразования	В·с/м	2000 (СМ-6) 480 (СМ-5ДВ)
Возможность увеличения коэффициента преобразования
Динамический диапазон, не менее	дБ	112
Разрядность АЦП		24
Максимальная частота оцифровки	Гц	1000
Синхронизация		GPS
Режим запуска		автоматический, ручной
Связь с компьютером		USB
Автономность при частоте оцифровки 100 Гц, не менее	Сут.	30
Питание		Внутренний аккумулятор 6 В
Масса, не более	кг	4
Габариты, не более	мм	230х160х140
Условия эксплуатации	0C	От -20 до +40

Следует также отметить, что применение в сейсмометре датчика СМ-6 не является обязательным. В одном корпусе с разработанным модулем регистрации и управления может быть использован любой другой сейсмоприёмник, подходящий по конструктивным параметрам и массогабаритным и метрологическим характеристикам.

Был проведён полный комплекс испытаний макета ПЦС: лабораторные, в которых определялись характеристики регистратора; стендовые – на аттестованном стенде ПСВУ, в которых измерялась АЧХ прибора; сравнительные – на постаменте ИДГ РАН. Для сравнительных испытаний макет ПЦС был укомплектован малогабаритным широкополосным датчиком СМ5-ДВ. В качестве контрольных сейсмоприёмников использовались короткопериодный СМ-6 и близкий по характеристикам к датчику исследуемого прибора длиннопериодный СМ-5М, подключенные к станции «Экспресс-4». Показания СМ-5ДВ поступали как на регистратор ПЦС, так и на один из каналов «Экспресс-4».

Во время проведения испытаний измерительной аппаратурой 11.09.2008 в 5:03 было зарегистрировано землетрясение магнитудой 5.5, произошедшее на о. Хоккайдо (Япония) в 4:32:45 по Московскому времени на глубине 10 км. Его сейсмограммы, принятые станцией «Экспресс-4» и ПЦС приведены на рис. 6.

Рис. 6. Записи землетрясения на о. Хоккайдо 11.09.2008. Три верхние сейсмограммы записаны станцией «Экспресс-4» с датчиков СМ-5М, СМ-5ДВ (установленный на ПЦС), СМ-6. Нижняя запись сделана регистратором ПЦС с датчика СМ-5ДВ.

Мощная поверхностная волна зафиксирована широкополосными датчиками СМ5-ДВ и СМ5-М. Записи землетрясения, сделанные ими, практически не отличаются друг от друга. Короткопериодный сейсмоприёмник СМ-6 землетрясения в указанное время не зафиксировал. Кроме того, на приведённых сейсмограммах хорошо видно, что запись, сделанная контрольной станцией для датчика СМ5-ДВ, полностью идентична записи, сделанной ПЦС.

Завершающей стадией испытаний опытного образца ПЦС на базе сейсмоприёмника СМ-6 стала апробация его работы при проведении сейсмологических измерений в полевых условиях совместно с контрольными станциями REFTEK 130, укомплектованными датчиками GS-1 и REFTEK-151-30. Апробация проводилась в два этапа: сначала на относительно кратковременных работах по локации карьерных взрывов, а затем опытный образец сейсмометра был поставлен на долговременную регистрацию данных совместно с группой сейсмического мониторинга.

Первый взрыв, при локации которого исследовался ПЦС, был произведён на Афанасьевском карьере 08.07.2010 в 12:31 по московскому времени. Его мощность составляла 5,664 т (5 ступеней по 1,13 т).

Вся аппаратура данной точки сейсмической группы была расположена на расстоянии 40 км от эпицентра взрыва. Колебания, возникшие в результате взрыва, без специальной обработки выделить сложно из-за высокого уровня техногенного шума. Программная фильтрация этих записей фильтром Баттервотта нижних частот 10-го порядка с частотой среза 2 Гц показала, что амплитуды скоростей колебаний частотой ~1 Гц, вызванных взрывом, зафиксированные ПЦС, в несколько раз превосходят аналогичные величины, измеренные контрольным прибором (рис. 7).

Рис. 7. Отфильтрованные записи карьерного взрыва.

Причина этого рассогласования хорошо видна, если рассмотреть частотные спектры обеих станций (рис. 8), полученные из сделанных ими получасовых записей. В частотном диапазоне от 1,5 до 40 Гц спектры практически совпадают. Колебания же с частотами ниже 1,5 Гц отрабатывались ПЦС лучше, чем контрольной аппаратурой, что неудивительно, т. к. граничная частота сейсмоприёмника СМ-6, входящего в состав исследуемого сейсмометра, составляет 0,7 Гц, а датчика GS-1 – 1 Гц.

Рис. 8. Частотные спектры записей карьерного взрыва.

На основании приведённых выше экспериментальных данных, учитывая частотный диапазон колебаний, вызываемых карьерными взрывами, можно сделать вывод, что использование ПЦС для их локации предпочтительнее короткопериодных сейсмоприёмников GS-1.

Долговременная апробация ПЦС проводилась во время работ в июне 2011 г. по сейсмическому мониторингу местности в районе предполагаемого строительства Нижегородской АЭС на территории д. Чудь Нижегородской области. Исследуемый опытный образец сейсмометра располагался на расстоянии 20 м от работающей в составе группы сейсмической станции REFTEK-130 с широкополосным трёхкомпонентным датчиком REFTEK-151-30, которая послужила контрольным прибором в данном эксперименте.

Регистрация исследуемым прибором продолжалась ~57 часов до его остановки из-за разряда аккумулятора. В указанный период никаких сейсмических событий, доступных для регистрации данной аппаратурой в месте её установки, не произошло. На рис. 9 показан фрагмент записей шумов.

Рис. 9. Фрагмент записей шумов расположенных рядом ПЦС и станции REFTEK.

Запись, сделанная ПЦС, воспроизведена без предварительной обработки, а запись станции REFTEK программно отфильтрована фильтром Баттерворта высоких частот 10-го порядка с частотой среза 0,7 Гц. Это сделано для того, чтобы можно было сравнить записанные сейсмограммы, т. к. рабочий диапазон частот контрольного сейсмоприёмника, используемого в данном случае, составлял 0,016 – 40 Гц. Сравнение полученных таким образом записей обеих станций показывает, что они близки друг к другу как по полученным значениям скоростей, так и по фазам колебаний. Временная синхронизация данных станции REFTEK и ПЦС также совпала на протяжении всего времени работы опытного образца сейсмометра.

Идентичность работы исследуемой и контрольной аппаратуры в рабочем диапазоне частот ПЦС подтверждает и частотные спектры скоростей (рис. 10), полученные из соответствующих получасовых записей.

Рис. 10. Частотные спектры записей ПЦС и станции REFTEK.

Расхождение спектров имеет место на частотах ниже 0,7 Гц, что соответствует техническим характеристикам сейсмоприёмников.

Проведённая апробация опытного образца ПЦС в полевых условиях показала, что он более удобен в эксплуатации, чем контрольная аппаратура, по следующим причинам. Во-первых, разработанный сейсмометр представляет собой единую моноблочную конструкцию и не требует соединения разных модулей станции на месте размещения аппаратуры.

Во-вторых, не требуется тщательная подготовка площадки под его установку и точное выравнивание её горизонтальности, т. к. маятник сейсмоприёмника выводится на нуль автоматически электронной схемой. В-третьих, для запуска сейсмометра на регистрацию достаточно только включить питание и нажать кнопку «Пуск». Отсутствие необходимости проведения многочисленных и достаточно сложных настроек для запуска аппаратуры, выполняемых обязательно на месте работы станции, выгодно отличает ПЦС от станций REFTEK. Вместе с тем полученные данные подтверждают, что технические характеристики разработанного сейсмометра при работе в составе мобильной группы позволяют получить результат, по крайней мере, не хуже получаемого с применением используемых для этого известных средств измерения сейсмических сигналов.

В четвёртой главе «Разработка и исследование автономной сейсмической станции» описано устройство и принцип работы регистратора АЦСС; приведены технические характеристики АЦСС, результаты её исследований и апробации; проведено уточнение структуры коры и верхней мантии под ГФО «Михнево» методами Накамуры и HVSR по данным, полученным с помощью разработанной АЦСС.