Способ приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений

Способ приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений

Реферат

 

Изобретение относится к инструментальному инженерно-сейсмологическому обследованию физического состояния зданий и сооружений посредством измерения микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона. С помощью группы периодически последовательно перемещаемых трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно трехкомпонентным вибродатчиком в фиксированной опорной точке измеряют колебания объекта. Путем пересчета записи группы перемещаемых вибродатчиков приводят к единому времени регистрации и соответствующему уровню микроколебаний в опорной точке и получают записи сигналов измерений приведенными к единому времени регистрации для любого количества точек наблюдения на объекте с помощью ограниченного числа датчиков и каналов регистрирующей аппаратуры. Технический результат - возможность получения представления о трехмерных колебаниях объекта, равнозначного одновременной многоканальной регистрации в тех же точках объекта. 6 ил.

Изобретение относится к области инструментального инженерно-сейсмологического обследования физического состояния зданий и сооружений посредством измерения микроколебаний объекта под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения или специальных управляемых источников вибрации и может быть использовано при обработке материалов обследования различных объектов.

Известен способ, согласно которому в результате обработки данных измерений инженерно-сейсмологического обследования определяют комплекс динамических параметров микроколебаний зданий и сооружений, характеризующих физическое состояние обследуемых объектов [1].

Представленный способ приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений существенно расширяет возможности использования способа [1] определения физического состояния зданий и сооружений путем обеспечения детального их обследования с помощью ограниченного числа вибродатчиков и, соответственно, каналов одновременной регистрации сигналов с последующим определенным способом пересчета аналогичных записей измерений для любого количества точек измерений на объекте.

Известен также способ определения характеристик требующейся виброизоляции для многоканальных аппаратурных систем, заключающийся в том, что для оценки и коррекции получаемых из отношения модулей спектров входа и выхода характеристик виброизоляции используют функцию когерентности между входными сигналами и реакцией системы [2].

Недостатками этого способа являются использование модулей входного и выходного сигналов (фазы не учитываются), а также коррекция характеристик виброизоляции с помощью функций когерентности и необходимость одновременной регистрации во всех точках наблюдения.

Наиболее близким (прототипом) к заявляемому способу является способ определения вибраций здания, в котором уровни вибраций одновременно регистрируют на грунте вблизи здания, а также в нижней и других частях здания [3]. По одновременным записям в разных частях здания определяют коэффициент передачи (передаточную функцию) вибраций от грунта к нижней части здания и далее по его частям. Коэффициент передачи от одной точки регистрации к другой определяют как отношение энергий в этих точках во временной области, или как отношение спектров в частотной области Здесь C_вх() - спектр в точке, которая считается входом линейной системы, а C_вых() - спектр в точке, которая является выходом системы.

Если один датчик установлен на грунте, то можно определить передаточную функцию K() от грунта в любую точку здания, где установлены другие датчики, регистрация в которых осуществляется одновременно с первым.

Существенный недостаток этого способа заключается в том, что коэффициент передачи определяется в виде отношения модулей спектров, в то время как коэффициент передачи является комплексной функцией, зависящей от фаз входного и выходного спектров, которые при этом не учитываются.

Кроме того, обязательным условием этого способа является требование одновременной записи во всех точках наблюдения, для которых определяется коэффициент передачи, включая точку, служащую входом линейной системы. Одновременная регистрация во множестве точек требует использования многоканальной регистрирующей аппаратуры.

Техническим результатом настоящего изобретения является способ приведения к единому моменту времени регистрации записей измерений, осуществляемых группой однотипных трехкомпонентных вибродатчиков, которые периодически последовательно перемещают по объекту и одновременно аналогичным трехкомпонентным вибродатчиком в фиксированной опорной точке, находящейся на исследуемом объекте или вблизи него, с учетом изменения уровня микроколебаний в опорной точке.

В зависимости от сложности объекта, выбирают одну или несколько опорных точек, местоположение которых определяется задачей обследования. Как правило, опорная точка располагается либо в основании, либо в верхней части объекта. При этом она не должна размещаться в узлах собственных форм колебаний по различным компонентам, так как в этом случае утрачивается возможность использования результатов измерений для этих форм при пересчете записей к единому времени регистрации. Местоположение опорной точки уточняется после проведения измерений в нескольких точках объекта и определения собственных частот и форм колебаний.

Способ позволяет получить записи сигналов измерений для любого количества точек наблюдения на объекте, приведенными к единому времени регистрации с помощью ограниченного числа датчиков и соответственно каналов регистрирующей аппаратуры.

Технический результат достигается тем, что в способе приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений, заключающемся в том, что, аналогично прототипу, измерения колебаний объекта осуществляют под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого находится обследуемый объект, посредством группы периодически последовательно перемещаемых трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно трехкомпонентным вибродатчиком в фиксированной опорной точке, расположенной на исследуемом объекте или вблизи него, отличающийся тем, что посредством последующего вычисления линейной части осредненных комплексных передаточных функций вход-выход для каждой из трех одно- и разноименных компонент в точках измерения, характеризующих коэффициент передачи сигнала и фазу от опорной точки к точке измерений и оценки погрешности вычисления с помощью осредненного спектра когерентности, путем перемножения передаточной функции для каждой точки измерений на определенную сейсмограмму в опорной точке, получают комплексные амплитудно-частотные характеристики колебаний точек объекта в момент записи сейсмограммы в опорной точке, далее с помощью обратного преобразования Фурье от АЧХ объекта по трем компонентам осуществляют переход к временным трассам для каждой точки измерения, приведенным к единому времени, соответствующему времени записи определенной сейсмограммы в опорной точке, с учетом уровня сигнала в опорной точке и получают записи сигналов измерений, приведенными к единому времени регистрации, для любого количества точек измерения на объекте с помощью ограниченного числа датчиков и, соответственно, каналов регистрирующей аппаратуры и получают детальное представление о трехмерных колебаниях объекта, равнозначное одновременной многоканальной регистрации в тех же точках объекта.

Суть способа заключается в следующем.

При проведении инженерно-сейсмологического обследования зданий или сооружений необходимо осуществить регистрацию поля смещений, скоростей смещений или ускорений по трем компонентам в возможно большем количестве точек наблюдения. Если проводят детальное обследование объекта, то регистрацию осуществляют с шагом между точками измерений в несколько метров. Для проведения записи микроколебаний объекта одновременно в нескольких сотнях или даже тысяче точек потребуется тысячеканальная регистрирующая аппаратура.

Предлагаемый способ позволяет, в течение необходимого времени, выполнить обследование объекта с помощью нескольких трехкомпонентных вибродатчиков последовательно, а затем, с помощью записей в опорной точке, привести записи группы перемещаемых вибродатчиков к единому времени регистрации и соответствующему уровню микроколебаний в опорной точке.

Таким образом, способ позволяет, используя сигнал, зарегистрированный вибродатчиком в опорной точке, привести множество разновременных записей измерений на объекте, осуществленных группой перемещаемых вибродатчиков, к единому моменту времени регистрации и получить представление о колебаниях объекта равнозначное тому, которое могло быть получено с помощью одновременной регистрации данных во всех точках измерения.

Способ осуществляют следующим образом.

Измерения микроколебаний зданий и сооружений, а также грунта вблизи объекта осуществляют трехкомпонентным вибродатчиком в фиксированной опорной точке, находящейся на исследуемом объекте или вблизи него, и одновременно группой трехкомпонентных вибродатчиков, которые периодически последовательно перемещают по объекту в соответствии с заданной схемой наблюдений.

Объект рассматривают как линейную систему с одним или несколькими входами (за вход принимают точку, где установлен опорный вибродатчик) и многими выходами - точками, соответствующими точкам установки перемещаемых по объекту датчиков.

Использование линейной модели для описания процесса микроколебаний объекта обосновано тем, что измерения выполняются при малых величинах амплитуд динамических смещений, деформаций и напряжений.

В случае регистрации на объекте больших величин амплитуд колебаний (результат воздействия землетрясения или достаточно мощного взрыва) описание процесса колебаний линейной моделью может быть несколько некорректно.

Поскольку регистрацию сигналов от перемещаемых датчиков осуществляют одновременно с регистрацией сигнала в опорной точке, то линейную часть передаточной функции вход-выход для каждой из трех одно- и разноименных компонент для всех точек измерения можно определить как отношение осредненных спектров: где K() является функцией координат точек регистрации x_i, y_i, z_i при фиксированной опорной точке с координатами x₀, y₀, z₀.

Осреднение спектров позволяет получить с некоторой погрешностью модуль передаточной функции, но ведет к потере фазы между входным и выходным сигналами, что исключает возможность определения относительного движения элементов объекта.

Кроме того, этот метод помехоустойчив только при больших уровнях сигналов.

Передаточную функцию между опорной точкой и точками измерений перемещаемыми вибродатчиками следует определять в комплексном виде: Здесь в числителе стоит функция взаимной корреляции между колебаниями в опорной точке и линейной частью колебаний в i-й точке измерения, а в знаменателе квадрат модуля спектра колебаний в опорной точке.

Осредняя K(x_i,y_i,z_i,), в пределах корректности линейной модели, можно не только с достаточной точностью определить модуль передачи сигнала от опорной точки к точке измерения, но и задержку (фазу) сигнала.

Осреднение спектров можно осуществить, разбивая реализацию сигнала колебаний, записанных одновременно на n не перекрывающихся блоков и осредняя это множество реализаций. При этом следует иметь достаточно длительные записи сигналов на объекте.

Передаточная функция K(x_i,y_i,z_i,) не зависит от времени, что позволяет определить ее для любого количества точек измерений на объекте.

Комплексная функция K(x_i,y_i,z_i,), позволяет в рамках линейной модели получить для определенной трехкомпонентной сейсмограм мы в опорной точке картину движения элементов объекта, близкую к реальной. Достигают это умножением передаточной функции для каждой точки измерений на объекте на определенную сейсмограмму и переходом от спектров во временную область.

Комплексная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) колебаний точек объекта по трем компонентам будет иметь вид: где C_On(x₀,y₀,z₀,) - спектр выбранной сейсмограммы в опорной точке, полученный в интервале времени t = t₂-t₁. С помощью обратного преобразования Фурье от АЧХ объекта по трем компонентам переходят к трассам для каждой точки измерения, приведенным к единому времени регистрации, соответствующему времени записи сейсмограммы C_оп, с учетом уровня сигнала в опорной точке.

Вместо одной трехкомпонентной реализации (сейсмограммы) в опорной точке может быть взят спектр, осредненный по всем записям в опорной точке, и получены осредненные (за все время регистрации) сейсмограммы в каждой точке измерения на объекте.

Для оценки погрешности приведения разновременных записей к единому времени регистрации на базе записей в опорной точке может быть использован спектр когерентности (), который вычисляют по записям колебаний для любых двух точек объекта для каждой из трех одно- и разноименных компонент следующим образом: Здесь R₀₀() - осредненный спектр автокорреляционной функции сигнала в опорной точке; R_ii() - осредненный спектр автокорреляционной функции сигнала в i-й точке объекта с координатами x_i, y_i, z_i; R_0i() - взаимно корреляционная функция сигналов в опорной точке и i-й точке регистрации.

Спектр когерентности является мерой оценки корректности линейной модели при пересчете сейсмограмм. Пределы изменения () в диапазоне [01].

Единица соответствует случаю, когда колебания в двух точках, между которыми определяется (), исчерпывающе описывает линейная модель передачи колебаний от опорной точки.

При () = 0 колебания в двух точках независимы, то есть линейная модель некорректна.

Спектр когерентности следует осреднять. Для этого записи в двух точках разбивают на n блоков, по которым и осуществляют осреднение.

Для оценки точности расчета спектра когерентности, используют приближенную формулу относительной ошибки где n - число блоков, на которое разбивают длину реализации сигнала T.

Из последней формулы следует, что чем больше значение ²(), тем выше точность определения спектра когерентности при фиксированном значении n. Заданной точности оценки спектра когерентности достигают увеличением числа блоков, используемых для осреднения, то есть, повышая в разумных пределах время регистрации T.

Пример. Способ приведения разновременных записей измерений к единому времени регистрации с помощью одновременной регистрации микроколебаний в опорной точке был использован при обработке результатов измерений двух этапов инженерно-сейсмологического обследования арочно-гравитационной плотины Саяно-Шушенской ГЭС (СШГЭС).

Перечень графических иллюстраций применения предлагаемого способа Фиг. 1 - общий вид плотины Саяно-Шушенской ГЭС (а) и поперечный разрез плотины и машинного зала (б).

Фиг. 2 - приведение разновременных записей к единому времени регистрации.

а) исходные записи радиальных колебаний плотины СШГЭС (галерея N 10) на отметке 521 м; б) те же записи, приведенные к единому времени регистрации; в) те же записи, после двумерной фильтрации области 15-ти собственных форм радиальных колебаний плотины СШГЭС.

Фиг. 3 - карты амплитуд радиальной скорости смещения на отметке 521 м плотины СШГЭС в зависимости от частоты и расстояния от левого берега: а) уровень верхнего бьефа 539 м; б) уровень верхнего бьефа 500 м.

Фиг. 4 - карты абсолютных амплитуд смещений (в микронах) и фаз собственных форм радиальных колебаний плотины СШГЭС (УВБ 539 м): а) амплитуды; б) фазы.

Фиг. 5 - карты абсолютных амплитуд смещений в поперечном сечении плотины СШГЭС по секции 25 первой собственной формы радиальных колебаний (УВБ 500 м): а) радиальные колебания (X-компонента); б) тангенциальные колебания (Y-компонента); в) вертикальные колебания (Z-компонента).

Фиг. 6 - карты спектров когерентности радиальных колебаний плотины СШГЭС на частотах собственных форм (УВБ 539 м).

Общий вид и поперечный разрез плотины приведены на фиг. 1.

Первый этап обследования проведен зимой 1997 г. при уровне верхнего бьефа (УВБ) с абсолютной отметкой 539 м, второй - весной 1998 г. при УВБ 500 м.

Целью обследования являлось определение основных динамических параметров микроколебаний плотины, характеризующих ее физическое состояние и сопоставление этих параметров при разных уровнях верхнего бьефа.

Микроколебания плотины на собственных частотах и формах вызваны микросейсмическим фоном естественного и техногенного происхождения. Основными техногенными источниками колебаний плотины являются работающие гидроагрегаты, водопроводящие тракты, водосбросы и т.д.

Измерения уровня микроколебаний плотины проведены по девяти горизонтальным продольным и трем поперечным галереям плотины (на абсолютных отметках от 332 м до 521 м), а также по шести штольням на правом и левом берегах.

На первом этапе измерения выполнены более чем в 1200 точках, на втором - более чем в 1500 точках. Регистрация колебаний осуществлялась одновременно четырьмя трехкомпонентными датчиками, последовательно перемещаемыми по продольным и поперечным галереям плотины и аналогичным датчиком, установленным в фиксированной опорной точке на отметке 521 м (секция 33). Шаг измерений L = 7,5 м. Время регистрации в каждой точке 5-10 мин.

Запись сигнала в опорной точке использована для приведения всех разновременных записей измерений в галереях к единому времени регистрации и, соответственно, к одному уровню сигнала в опорной точке.

Обследование плотины проводилось на первом и втором этапах в течение 12 и 9 дней соответственно. За это время в опорной точке в первом случае зарегистрировано 235 сеансов по 5 мин и 237 сеансов по 10 мин во втором случае.

По записям в опорной точке видно, что амплитуды микроколебаний плотины на разных собственных формах изменяются во времени на порядок, однако способ приведения разновременных записей измерений к единому времени регистрации позволяет эти данные обработать и интерпретировать.

Эффективность приведения по предлагаемому способу разновременных записей к единому времени регистрации показана на фиг. 2, где представлены первичные записи радиальных колебаний плотины (галерея N 10) на отметке 521 м (а), эти же записи, приведенные к единому времени регистрации (б) и эти же записи, после двумерной фильтрации области 15-ти собственных форм радиальных колебаний плотины (в).

В результате инженерно-сейсмологического обследования плотины с использованием при обработке данных измерений способа приведения разновременных записей к единому времени регистрации: 1. Выделены 15-ть преимущественно радиальных форм и частот собственных колебаний плотины.

Получены фактические величины частот собственных форм и величины амплитуд колебаний плотины для различных форм. На фиг. 3 в качестве примера представлены карты абсолютных амплитуд скорости смещения для радиальных собственных форм колебаний плотины в зависимости от частоты и расстояния от левого берега для УВБ 500 и 539 м.

2. Построены карты абсолютных амплитуд скоростей смещения и фаз для радиальных собственных форм колебаний в вертикальной плоскости, проходящей вдоль продольных и поперечных галерей (патерн) плотины. Они характеризуют микроколебания плотины по трем компонентам на частотах собственных форм.

На фиг. 4 представлены карты абсолютных амплитуд скорости смещения для первой, третьей, пятой и пятнадцатой собственных форм радиальных колебаний плотины и карты фаз для третьей и пятой собственных форм.

На фиг. 5 представлены карты радиальных, тангенциальных и вертикальных скоростей смещений в поперечном сечении плотины (по секции N 25, УВБ-500 м) для первой формы собственных радиальных колебаний.

3. Проведено сравнение динамических параметров колебаний плотины при уровнях верхнего бьефа 500 и 539 м. Выявлены изменения частот собственных форм колебаний плотины и логарифмических декрементов затухания. Абсолютная величина амплитуд радиальных колебаний плотины при наполнении водохранилища возрастает, частоты собственных форм колебаний с первой по седьмую - понижаются, а с седьмой по пятнадцатую - повышаются.

4. Определен осредненный логарифмический декремент затухания для разных собственных форм радиальных колебаний. Он изменяется в пределах 0,06-0,12.

5. Вычислены компоненты относительных динамических деформаций и напряжений, возникающих при микроколебаниях плотины на собственных формах. Получены величины динамических деформаций порядка 10^-8, а динамических напряжений - 30-100 Па.

6. Для оценки погрешности приведения разновременных записей измерений к единому времени регистрации с использованием записей в опорной точке вычислен осредненный спектр когерентности для первой, третьей, четвертой и пятой собственных форм колебаний плотины (фиг. 6). Как видно из фиг. 6, спектр когерентности близок к единице (кроме точек плотины, где расположены узлы собственных форм и амплитуды этих форм близки к нулю).

Это свидетельствует о корректности использования линейной модели, применимости и точности предложенного способа на частотах собственных форм колебаний, поскольку при внешних воздействиях объект воспринимает большую часть энергии именно в области частот собственных форм колебаний.

Значения спектра когерентности на промежуточных частотах несколько понижаются, но это в данном случае может не приниматься во внимание.

Литература 1. Способ определения физического состояния зданий и сооружений. Заявка на патент РФ, регистрационный N 98102539/03 (003232), кл. G 01 M 7/00, приоритет от 17.02.98.

2. Способ определения характеристик виброизоляции многоканальной динамической системы. Авторское свидетельство СССР, N 1779968, кл. G 01 M 7/02, 1992.

3. Способ определения вибраций здания. Авторское свидетельство СССР N 1777018, кл. G 01 M 7/00, 1992.

Формула изобретения

Способ приведения к единому времени регистрации разновременных записей измерений, заключающийся в том, что измерения колебаний объекта осуществляют под воздействием микросейсмического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого находится обследуемый объект, посредством группы периодически последовательно перемещаемых трехкомпонентных вибродатчиков и одновременно трехкомпонентным вибродатчиком в фиксированной опорной точке, расположенной на исследуемом объекте или вблизи него, отличающийся тем, что посредством последующего вычисления линейной части осредненных комплексных передаточных функций вход-выход для каждой из трех одно- и разноименных компонент в точках измерения, характеризующих коэффициент передачи сигнала и фазу от опорной точки к точке измерений и оценки погрешности вычисления с помощью осредненного спектра когерентности, путем перемножения передаточной функции для каждой точки измерений на определенную сейсмограмму в опорной точке, получают комплексные амплитудно-частотные характеристики колебаний точек объекта в момент записи сейсмограммы в опорной точке, далее с помощью обратного преобразования Фурье от АЧХ объекта по трем компонентам осуществляют переход к временным трассам для каждой точки измерения, приведенным к единому времени, соответствующему времени записи определенной сейсмограммы в опорной точке, с учетом уровня сигнала в опорной точке, получают записи сигналов измерений, приведенными к единому времени регистрации, для любого количества точек измерения на объекте с помощью ограниченного числа датчиков и, соответственно, каналов регистрирующей аппаратуры и получают детальное представление о трехмерных колебаниях объекта, равнозначное одновременной многоканальной регистрации в тех же точках объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6