Малогабаритный донный сейсмический модуль

Малогабаритный донный сейсмический модуль

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области геофизики, а более конкретно - к устройствам измерения геофизических параметров в придонной зоне морей и океанов, и может быть использовано при оперативной оценке сейсмического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий природного и техногенного характера, а также при поиске подводных залежей углеводородов.

Известные автономные донные станции [1-3] представляют собой цилиндрические или шарообразные корпусы, снабженные балластом для установки их на грунт, внутри и на корпусе которых установлены измерительные датчики и средства обработки первичной информации. В качестве измерительных датчиков используются, как правило, гидрофоны и геофоны. Зарегистрированная датчиками информация хранится на флеш-картах, которые после подъема донных станций обрабатываются на диспетчерских пунктах или считывается по каналам гидроакустической связи. Известные донные станции предназначены в основном для регистрации сейсмических сигналов на акватории моря. Так, устройство [3] представляет собой морскую автономную донную сейсмическую станцию, устанавливаемую на морское дно преимущественно с плавучих средств. Станция включает герметичный корпус, состоящий из двух полусфер, снабженных в месте сочленения уплотнительным кольцом. Внутри размещена геофизическая аппаратура, включающая измерительные датчики геофонного и гидрофонного типов, модули приема, регистрации, преобразования и хранения зарегистрированных сигналов, блоки сопряжения с бортовым модулем при всплытии, спутниковый и гидроакустический каналы связи, блок ориентации, блок синхронизации, блок управления размыкателем и блок питания. На внешней поверхности корпуса установлены гидроакустическая и спутниковая антенны, средства для поиска донной станции при всплытии, такелажные элементы и разъемы, устройство постановки на дно и обеспечения всплытия донной станции, выполненное в виде якоря-балласта.

Однако известные автономные донные станции измерения сейсмологических и гидроакустических сигналов на морском дне работают в непрерывном режиме регистрации и по причине недостаточного объема памяти и недостаточного заряда источника питания имеют ограниченный срок работы.

Известны также автономные донные станции [4-8], включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, датчик магнитного поля, блок оптических измерений, средства первичной обработки и хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, установленные на платформе, в которых для увеличения срока работы на дне регистрация производится в старт-стопном (ждущем) режиме накопление информации. Управление накопителем производится от специального устройства, в котором непрерывно определяется средний уровень сейсмического фона за большой промежуток времени и одновременно за малый промежуток, соизмеримый со средней длительностью сигналов землетрясений. Отношение этих уровней используется как пороговое значение для включения накопителя. Поскольку такое управляющее устройство имеет инерцию, то для исключения потери начальной части сигнала применяется буферная память ограниченного объема. В случае превышения порогового значения сигнал переписывается из буфера в накопитель.

Однако такая система реагирует только на землетрясения определенной продолжительности и интенсивности. В то же время длительность сигналов землетрясений может составлять от единиц секунд (местные слабые) до единиц часов (сильные удаленные), а их интенсивность может меняться на несколько порядков. С другой стороны, такая система сильно подвержена помехам, которые приводят к ложным записям. Например, периодические сигналы от пневматической пушки, используемой при сейсморазведке, или сигналы подводной гидроакустической связи, а также импульсные помехи биологического происхождении могут полностью заполнить накопитель и привести к преждевременной разрядке источника питания.

Также недостатком известных технических решений является то, что состав включенных в них измерительных средств не позволяет решить задачу, связанную с исследованием состояния морской среды в придонной зоне при взаимодействии с тектоническими процессами, а также задачу геофизического мониторинга сложных гидротехнических сооружений. Это обусловлено рядом проблем, связанных с влиянием придонных течений на аппаратурные шумы, сцеплением сейсмических приемников с мягким дном, микросейсмическими шумами, генерируемыми гравитационными волнами и особенностями распространения сейсмических сигналов в земной коре океанического типа.

Кроме того, такой существенный недостаток известных устройств, как недостаточный объем памяти накопителя информации (зарегистрированных сигналов), не позволяет в полном объеме реализовать определение корреляционных и спектральных функций случайных процессов в режиме непрерывной регистрации микросейсм.

Выявленные недостатки также присущи и аналогичным известным устройствам, описанным в следующих источниках информации: БАШИЛОВ И.П. и др. Донные геофизические обсерватории: методы конструирования и области применения / Научное приборостроение, 2008, т.18, №2, с.86-95 [9], патент RU №2276388 C1, 10.05.2006 [10], патент RU №2377606 C2, 27.12.2009 [11], ЗУБКО Ю.Н. и др. Современные донные станции для сейсморазведки и сейсмологического мониторинга / Научное приборостроение, 2003, т.13, №4, с.70-82 [12], патент GB №2449351А, 19.11.2008 [13], патент GB №2449351 A, 19.11.2008 [14].

Известна также автономная донная станция для сейсмических исследований (патент RU №2438149 C2, 27.12.2011 [15]), техническим результатом которой является повышение достоверности прогноза аномальных явлений за счет расширения функциональных возможностей автономных донных станций.

При этом технический результат достигается за счет того, что в устройство, представляющее собой автономную донную станцию для сейсмических наблюдений, соединенную гидроакустическим каналом связи с диспетчерской станцией и состоящую из герметичного корпуса, стационарно установленного на раме, и содержащую средства регистрации геофизических сигналов, включающие донный сейсмометр, гидрофизический модуль, средства хранения информации, средства связи с диспетчерской станцией, датчик пространственной ориентации, радиобуй, балласт, размыкатель балласта, дополнительно введены аналоговые усилители и фильтры низкой частоты, удаленный цифровой регистратор и блок точного времени; кроме того, гидрофизический модуль установлен в выносном корпусе, выполненном в виде сферы, в котором также размещены центральный компьютер, накопитель на жестком диске, гидрофон, блок гидроакустического канала связи, размыкатель балласта, таймер размыкателя, проблесковый маяк, радиомаяк, разъем внешней связи, источник питания; выносной корпус закреплен с рамой посредством кабель-троса, соединенного с корпусом, установленным на раме; стационарный и выносной корпуса отстоят друг от друга на расстоянии 50-100 м.

Новые отличительные признаки, заключающиеся в том, что в устройство дополнительно введены аналоговые усилители и фильтры низкой частоты, удаленный цифровой регистратор и блок точного времени; гидрофизический модуль установлен в выносном корпусе, выполненном в виде сферы, в котором также размещены центральный компьютер, накопитель на жестком диске, гидрофон, блок гидроакустического канала связи, размыкатель балласта, таймер размыкателя, проблесковый маяк, радиомаяк, разъем внешней связи, источник питания; выносной корпус закреплен с рамой посредством кабель-троса, соединенного с корпусом, установленным на раме; стационарный и выносной корпуса отстоят друг от друга на расстоянии 50-100 м, позволяют решить техническую задачу не только оперативной оценки сейсмического состояния исследуемых районов, но и задачу оперативной оценки гидродинамического состояния на границе вода-грунт, обусловленную влиянием окружающей среды под воздействием процессов природного и техногенного характера.

Для уменьшения помех от придонных течений станция выполнена из двух прочных сферических корпусов, разнесенных в пространстве. Один корпус (диаметром 450 мм) с блоком сейсмических датчиков лежит на дне, второй корпус (диаметром 650 мм) с регистрирующей аппаратурой, источником питания, каналом гидроакустической связи и вспомогательными устройствами находится в плавучем состоянии над дном. Корпуса соединены электрически и механически прочным кабель-тросом длиной от 50 до 100 м.

Однако такая конструкция (наличие двух корпусов, кабель-троса, рамы) не исключает влияния придонных течений на конструктивные элементы автономной донной станции, а соответственно и появление посторонних акустических шумов, что снижает достоверность регистрации сейсмических сигналов.

Общим недостатком известных устройств является то, что, несмотря на сложность конструкций донных сейсмических станций, эффективность их сравнительно невелика. Для повышения эффективности донных сейсмических станций при геофизических исследованиях в районах со сложной топографией морского дна выполняют построение бесшовного сейсмического разреза на базе мобильного сейсмического комплекса, содержащего до 200 донных сейсмических станций (www.seismoshelf.com [16]), включающих герметичный корпус, выполненный в виде сферы диаметром 260 мм с тремя геофонами (X, Y, Z) с диапазоном регистрируемых частот 10-250 Гц и гидрофоном с диапазоном регистрируемых частот 10-200 Гц, а также акустический трансивер, всплывающий сигнальный буй, бетонный якорь, линь крепления якоря, электрохимический размыкатель.

Одной из главных проблем при измерениях на морском дне также является выставление сейсмометров относительно вертикальной и горизонтальных осей. При этом необходимо учитывать ограниченные углы наклонов сейсмометров, при которых они еще сохраняют работоспособность в районах со сложной топографией морского дна.

Кроме того, в известных устройствах при передаче кодовых сообщений при передаче информации по акустическому каналу связи используют методы со скачкообразной перестройкой частоты (Прокис Джон. Цифровая связь. М.: Радио связь, 2000 г. - с.628-629 [17]), т.е. методы многоуровневой частотной манипуляции (MFSK, т.е. M-ary frequency keying). Приемные устройства таких систем состоят из многоканальных приемников, настроенных на различные частоты. Это приводит к значительному усложнению аппаратуры связи.

Кроме того, морская среда, в которой распространяются гидроакустические сигналы, характеризуется значительной пространственно-временной изменчивостью, обуславливающей особый характер процессов передачи акустических волн. Особенность распространения сигналов в море проявляется в виде изменений амплитуды, фазы, времени и углов прихода и других параметров гидроакустического поля в точке приема. Одним из наиболее неприятных явлений, имеющих место при распространении сигналов, является реверберация и многолучевость, проявляющаяся в конечном счете в виде мультипликативной помехи, приводящая к замираниям. Такая помеха в общем случае может значительно снижать достоверность приема сообщений.

Задачей заявляемого технического решения является повышение достоверности регистрации микросейсмических колебаний на дне моря при исследовании характеристик микросейсмического волнового поля верхней части разреза земной коры морского дна в шельфовых и транзитных зонах.

Поставленная задача решается за счет того, что малогабаритный донный сейсмический модуль, соединенный гидроакустическим каналом связи с диспетчерской станцией и состоящий из герметичного корпуса, гидрофизического модуля, устройства регистрации геофизических сигналов, включающего сейсмический датчик, накопитель на жестоком диске, блок пространственной ориентации, балласт, размыкатель балласта, таймер размыкателя, проблесковый маяк, радиомаяк, разъем внешней связи, источник питания, в котором в отличие от прототипа [15, 16] герметичный корпус выполнен в виде полусферы, сочлененной с основанием герметичного корпуса, выполненным в виде тарелки, по верхнему диаметру которой установлены механические элементы размыкателя балласта, выполненные в виде строп, которые сочленены с балластом, плотно прилегающим к основанию герметичного корпуса по его нижнему диаметру, средство связи с диспетчерской станцией выполнено в виде однорелейного гидроакустического канала связи, при этом блок пространственной ориентации состоит из электронного 3D компаса, трех акселерометров и трех измерителей угловых скоростей, жестко сочлененных с сейсмическим датчиком, а сейсмический датчик выполнен в виде широкополосного молекулярно-электронного датчика.

В донном сейсмическом модуле применены молекулярно-электронные датчики, сохраняющие работоспособность при произвольных углах наклона, совместно с электронным 3D компасом, непрерывно контролирующим положение осей сейсмодатчиков в пространстве и позволяющим вычислять значения компонент XYZ сейсмосигнала в любой момент времени и при любом положении модуля на морском дне. Определение углов наклона сейсмического модуля осуществляется с помощью трех акселерометров и трех измерителей угловых скоростей.

Сущность технического решения поясняется чертежами (фиг.1, 2, 3).

Фиг.1. Блок-схема донного сейсмического модуля.

Блок-схема включает герметичный полусферический корпус 1, балласт 2, стропы 3. В герметичном полусферическом корпусе 1 размещены центральный микропроцессор 4, накопитель на жестком диске 5, гидрофон 6, блок гидроакустического канала связи 7, размыкатель балласта 8, таймер размыкателя 9, проблесковый маяк 10, разъем внешней связи 11, источник питания 12, гидрофизический модуль 13, радиомаяк 14. В герметичном полусферическом корпусе 1 также установлены трехкомпонентный сейсмический датчик 15, выполненный в виде широкополосного молекулярно-электронного датчика, аналоговые усилители 16, фильтры низкой частоты 17, цифровой регистратор 18, блок хранения точного времени 19, блок пространственной ориентации 20. На верхней плоскости герметичного полусферического корпуса 1 установлена антенна 21 гидроакустического канала связи.

Фиг.2. Функциональная схема приемного устройства гидроакустического канала связи включает гидроакустическую антенну 21, усилитель-ограничитель 22, предназначенный для усиления и нормирования сигнала, поступающего на вход приемника с гидроакустической антенны 21, схему квадратурного детектирования и фильтрации, состоящую из двух перемножителей 23 и 24, фильтров низкой частоты (ФНЧ) 25 и ФНЧ 26, генератора переменной частоты (ГЕН) 27 и схемы 28 принятия решения о наличии полезного сигнала на входе приемника, декодер 29 гидроакустической цифровой информации, схему управления 30 частотой генератора 27.

Фиг.3. Пример формирования кодовой посылки, состоящей из семи разрядов.

Выполнение герметичного корпуса 1 в виде полусферы, жестко сочлененной с основанием герметичного корпуса, выполненным в виде тарелки, по верхнему диаметру которой установлены механические элементы размыкателя балласта, выполненные в виде строп, которые сочленены с балластом, плотно прилегающим к основанию герметичного корпуса по его нижнему диаметру, позволяет исключить влияние на качество регистрации сейсмических сигналов придонных течений. Постановка донного сейсмического модуля на дно производится в свободном падении путем сбрасывания за борт с обеспечивающего судна. Подъем донного сейсмического модуля производится следующим образом. По гидроакустическому сигналу от судна, принимаемому через гидроакустическую антенну блока гидроакустического канала связи 7, срабатывает размыкатель балласта 8, стропы 3 отсоединяются от герметичного корпуса и донный сейсмический модуль всплывает. Поиск донного сейсмического модуля на поверхности производится с помощью проблескового маяка 10 (в ночное время).

Сейсмический датчик 15 предназначен для обеспечения непрерывного сейсмического мониторинга морского дна в широком частотном и динамическом диапазонах и представляет собой молекулярно-электронный датчик.

Сейсмический датчик 15 регистрирует три компоненты сейсмического поля: две горизонтальные и одну вертикальную, и предназначены для преобразования скорости колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазоне. Основные технические характеристики датчика: количество сейсмоакустических каналов 3, рабочий диапазон регистрируемых частот 0,3-40 Гц, разрядность аналого-цифрового преобразователя 24 бит, RMS шум 112 дБ при частоте опроса 100 Гц. Суммарная емкость внутреннего накопителя данных 4 Гб.

Блок пространственной ориентации 20 предназначен для определения точного положения в пространстве донного сейсмического модуля и содержит электронный 3D компас, три акселерометра, три измерителя угловых скоростей, четыре фильтра высоких частот (ФВЧ), один фильтр низких частот (ФНЧ), блок оценки угловых перемещений, блок оценки медленно меняющихся углов и сумматор, два интегратора и вычислительный блок.

Применение в донном сейсмическом модуле молекулярно-электронного датчика, сохраняющего работоспособность при произвольных углах наклона, совместно с электронным 3D компасом, непрерывно контролирующим положение осей сейсмодатчика в пространстве и позволяющим вычислять значения компонент XYZ сейсмосигнала в любой момент времени и при любом положении модуля на морском дне.

Определение углов наклона донного сейсмического модуля осуществляется с помощью трех акселерометров и трех измерителей угловых скоростей.

Измерители угловых скоростей и акселерометры жестко привязаны к сейсмическому датчику 15, что позволяет по их показаниям оценивать положение и ориентацию в пространстве донного сейсмического модуля. С измерителей угловых скоростей в первый ФВЧ поступают сигналы, пропорциональные угловым скоростям донного сейсмического модуля вокруг трех осей подвижной системы координат, привязанной к донному сейсмическому модулю. В первом ФВЧ осуществляется подавление низкочастотных компонент оценок угловых скоростей, которые могут вызвать существенную ошибку при оценивании угловых перемещений в блоке оценки угловых перемещений. В блоке оценки угловых перемещений оцениваются угловые перемещения донного сейсмического модуля в неподвижной системе координат, привязанной к Земле. Для этого сначала оцениваются угловые перемещения донного сейсмического модуля в подвижной системе координат, привязанной к ней. При этом учитывается, что угловая скорость является производной от углового перемещения по времени. Переход от подвижной системы координат к неподвижной осуществляется с помощью известной формулы поворота осей координат. При замене системы OXYZ новой системой OX'Y'Z' с тем же началом старые координаты точки выражаются через новые формулы

x = x ' cos ( i ' , i ∧ ) + y ' cos ( j ' , i ∧ ) + z ' cos ( k ' , i ∧ ) y = x ' cos ( i ' , j ∧ ) + y ' cos ( j ' , j ∧ ) + z ' cos ( k ' , j ∧ ) z = x ' cos ( i ' , k ∧ ) + y ' cos ( j ' , k ∧ ) + z ' cos ( k ' , k ∧ ) }

где ( i ' , i ∧ ) - угол между векторами i и i', т.е. между новой и старой осью абсцисс, ( j ' , i ∧ ) - угол между новой осью ординат и старой осью абсцисс и т.д. (см., например, книгу: Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. / М.Я. Выгодский. - М.: Физматгиз, 1963. - 872 с.).

На выходе блока оценки угловых перемещений отсутствует информация о медленно меняющихся углах наклона донного сейсмического модуля. Ее можно получить, оценивая направление ускорения свободного падения. Для этого сигналы с акселерометров подвергают низкочастотной фильтрации в ФНЧ, в результате которой подавляются составляющие ускорения, обусловленные относительно быстрыми перемещениями донного сейсмического модуля, обусловленные влиянием подводных течений, а компоненты, связанные с притяжением Земли, остаются. По соотношению проекций ускорения свободного падения на оси акселерометров в блоке оценки медленно меняющихся углов наклона оцениваются медленно меняющиеся углы наклона. В сумматоре суммируются оцененные быстро и медленно меняющиеся углы наклона донного сейсмического модуля, что позволяет судить об изменении углов в продольной и поперечной плоскостях.

В блоке оценки вертикальной проекции ускорения на основании данных с акселерометров и оценок углов наклона с сумматора вычисляется вертикальная проекция ускорения. Затем последовательным фильтрованием во втором ФВЧ, первым интегрированием в интеграторе, фильтрованием в третьем ФВЧ, вторым интегрированием в интеграторе и фильтрованием в четвертом ФВЧ выполняется подавление низкочастотных составляющих и двойное интегрирование. Интегрирование нужно выполнять для оценивания вертикального перемещения, так как ускорение - это вторая производная от перемещения по времени. Второй и третий ФВЧ нужны, чтобы после интеграторов ошибка акселерометров не увеличивалась катастрофически из-за очень большого усиления интегратором низкочастотных сигналов. Четвертый ФВЧ должен обладать слабыми фильтрующими свойствами, его назначение в устранении накопления ошибок, связанных с квантованием в аналого-цифровых и цифровых устройствах.

Составные части блока пространственной ориентации 20 выполнены программно, например, на распределенном вычислительном устройстве, в которое входят быстродействующее ВУ на базе микроконтроллера и ВУ на базе ЭВМ.

Разъем внешней связи 11 обеспечивает связь при подключении внешних устройств при всплытии донного сейсмического модуля.

Гидрофизический модуль 13 предназначен для выполнения измерений следующих величин:

- температура,

- давление,

- электропроводимость,

- вектор скорости течения (трехосный акустический измеритель течений).

Диспетчерские станции выполнены в виде береговых сооружений или плавучих средств (плавучие, стационарные и заякоренные платформы, суда).

Средства диспетчерской станции включают в себя:

- персональный компьютер, совместимый с IBM PC,

- приемник спутниковой навигационной системы GPS,

- блок автономного гидроакустического размыкателя,

- аппаратуру гидроакустического телеуправления.

Минимальная конфигурация персонального компьютера включает:

- процессор - Pentium 166 МГц,

- ОЗУ - 32 Мбайт,

- плату SVGA с памятью 1 Мбайт,

- дополнительную плату с двумя последовательными портами с FIFO памятью (UART 16550-совместимая).

Они используются для обработки информации, полученной с сейсмических донных модулей.

Программно-математическое обеспечение средств диспетчерской станции предназначено для проверки всех измерительных каналов донных сейсмических модулей через последовательный порт RS-485, привязки к системе единого времени внутренних часов, осуществления привязки к географическим координатам посредством аппаратуры гидроакустического канала связи 7, получения информации о результатах тестовых проверок после установки донных сейсмических модулей на дно.

Алгоритм основного режима работы диспетчерской станции заключается в обеспечении связи между донными сейсмическими модулями и диспетчерской станцией, осуществляемой через гидроакустический канал связи по методу доступа с временным разделением абонентов. Каждый донный сейсмический модуль имеет свой адрес. В этом случае сеть диспетчерских станций работает в симплексном режиме. Количество измерительных каналов в каждом донном сейсмическом модуле зависит от решаемой задачи в конкретном месте постановки. В принципе максимальное количество цифровых измерительных каналов может быть до 30, а аналоговых до 6.

Управляющий компьютер диспетчерской станции и программно-математическое обеспечение реального времени предназначены для управления оборудованием донного сейсмического модуля, диагностирования его неисправностей, приема данных и размещения получаемых данных на устройствах накопления информации. Функционирование всего аппаратно-программного комплекса определяется файлом конфигурации, который создается специальной программой и задается наличием установленных донных сейсмических модулей, типом используемых геофизических каналов, параметрами каналов, а также наличием или отсутствием аппаратуры синхронизации времени.

При запуске программы регистрации считывается конфигурация всего донного сейсмического модуля и производится привязка времени по Гринвичу с точностью до нескольких десятков микросекунд и расчет поправок к частоте кварца компьютера для поддержания функционирования донного сейсмического модуля. Вслед за синхронизацией происходит опрос, программирование, синхронизация и запуск оборудования отдельных донных сейсмических модулей. Запрашивается состояние оборудования каждого донного сейсмического модуля (его исправность, наличие каналов, исправность каналов и т.д.). В случае возникших проблем на экран выдается соответствующее сообщение (оно также записывается в файл протокола функционирования). На донный сейсмический модуль передается программа работы для каждого измерительного канала, частота опроса и коэффициент усиления.

Перед запуском каждый цифровой регистратор 18 синхронизируется по времени компьютера диспетчерской станции (в дальнейшем синхронизация проводится каждые 10 с). При синхронизации учитывается время прохождения сигнала от компьютера диспетчерской станции до синхронизируемого блока регистрации. После этого блок регистрации запускается и начинает сбор данных с измерительных каналов. Блок регистрации в каждого донного сейсмического модуля работает независимо и всю информацию сжимает и складывает в буферную память.

Управляющий компьютер диспетчерской станции циклически запрашивает у соответствующего блока регистрации данные о зарегистрированных датчиками сигналах и в случае их наличия принимает их и записывает в свои буфера в оперативной памяти. После накопления достаточного количества данных для канала они переписываются в файл, соответствующий типу канала. Обычно эти файлы расположены на другом компьютере и доступны по локальной сети, хотя для кратковременных экспериментов система может быть сконфигурирована таким образом, что будет использоваться локальный диск. При кратковременных разрывах связи (до 10 мин) данные не теряются в силу наличия у каждого блока регистрации достаточно большого собственного буфера. В процессе обмена данными оператором может быть проведена калибровка любого измерительного канала, входящего в состав сети диспетчерской станции.

При возникновении нештатных ситуаций (разрыв связи с донным сейсмическим модулем, его поломка, отказ отдельных каналов либо восстановление вышеперечисленного), а также некоторых штатных ситуаций (возникновение события или запуск калибровки соответствующего измерительного канала) выдается сообщение на экран, включающее время по Гринвичу наступления ситуации, имя донного сейсмического модуля и канала, а также само сообщение. Сообщения записываются в буфер размером 100 строк и в файл протокола. Буфер может быть просмотрен оператором в любое время.

Измерительные датчики после постановки на дно донного сейсмического модуля функционируют по прямому назначению.

Зарегистрированные датчиками сигналы записываются на средства хранения информации (накопитель на жестком диске 5), при сеансах связи передаются на диспетчерскую станцию, где выполняется полный анализ оценки сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов, по результатам которого строят спектры микросейсмического волнового поля верхней части разреза земной коры морского дна в шельфовых и транзитных зонах, относительный скоростной разрез для морского дна, выполняют геологическую интерпретацию полученных разрезов.

Сбор, оцифровка и накопление сигналов широкополосных сейсмических датчиков осуществляется посредством программно-аппаратного комплекса для Intel-совместимого семейства процессоров и снабжена средствами отладки, тестирования и визуализации. Предусмотрены три режима регистрации сигналов: непрерывный, старт-стопный по заданной программе и старт-стопный с управлением по уровню сигнала. Управление параметрами системы производится по результатам экспресс-обработки сигналов на основе анализа уровня энергии и спектрального состава с помощью быстрых алгоритмов реального времени.

Аппаратная часть подсистемы сбора и регистрации данных состоит из следующих основных элементов: цифрового регистратора 18, блока хранения точного времени 19, центрального микропроцессора станции 4 с накопителем на жестком магнитном диске 5.

Цифровой регистратор 18 представляет собой микромодульный контроллер на базе Intel-совместимого процессора NEC V25 с PCMCIA флэш-накопителем и стандартным выходным средством коммуникации на основе интерфейса RS232. Микроконтроллер содержит встроенный многоканальный АЦП с последовательным интерфейсом, программируемые таймеры, часы реального времени, порты цифрового ввода-вывода, внешние каналы аппаратного прерывания и канал прямого доступа к памяти. Отличительными особенностями используемого контроллера являются миниатюрные размеры (100×70×30 мм), малое потребление (0,5 Вт), высокая надежность и низкая стоимость.

Блок хранения точного времени 19 сконструирован с использованием энергосберегающих технологий полностью на КМОП-элементах. Используется как генератор эталонных минутных (секундных) меток для синхронизации часов микроконтроллера центрального микропроцессора 4.

Центральный микропроцессор 4 собран на базе PC-совместимого оборудования для автоматизации промышленности с использованием процессорной платы типа MicroPC фирмы Octagon Sistems (США). Примененная конструкция отвечает жестким требованиям промышленной эксплуатации, в частности она способна выдерживать большие перегрузки при ударах и имеет повышенную наработку на отказ. Сохранив вычислительную мощность современного персонального компьютера, он имеет малые габариты, вес и энергопотребление (несколько единиц ватт). При этом, что особенно важно для герметичной донной станции, не требует дополнительного охлаждения (вентилятора). Наличие 16-разрядного IDE интерфейса для накопителя на жестком магнитном диске 5 позволяет применять современные накопители повышенной емкости и, соответственно, увеличить время автономной работы станции, используя режим непрерывной регистрации. Система регистрации в целом оказывается полностью совместимой с PC и работает под управлением ROM-DOS (DOS 6.22).

Для расширения динамического диапазона регистрируемых сигналов под каждую регистрируемую компоненту отводится два канала усиления, чувствительный и грубый, с соотношением коэффициентов усиления K₁/K₂=2ⁿ, где n выбирается из уровня реального сейсмического фона в месте установки станции. Таким образом, удается довести динамический диапазон станции в условиях малых помех до 130 дБ с использованием недорогого и надежного 12-разрядного АЦП. Служба точного времени реализована на основе периодической синхронизации внутренних часов микроконтроллера ПЦР эталонными минутными метками от блока хранения точного времени 19.

Так как, данные регистров часов реального времени микроконтроллера могут обновляться с некоторой задержкой, то для достижения требуемой точности службы времени используются секундные метки блока хранения точного времени 19 или смесь секундных и минутных меток, которые вводятся через один из цифровых входов микроконтроллера в такт с частотой преобразования аналогового сигнала и записываются в младший бит слова АЦП. Таким образом, оцифрованные данные содержат бит пилот-сигнала, фронт которого оказывается привязанным к фронту эталонной метки с точностью не хуже одного отсчета.

Основное время центральный микропроцессор 4 находится в режиме "Sleep" и включается только на время переписи данных с флэш-карты на жесткий диск и для выполнения контрольных функций по обслуживанию станции. Использование режима "Sleep" позволяет резко снизить энергетические затраты в целом.

Программное обеспечение донного сейсмического модуля целиком написано на языке высокого уровня Си, который вместе с тем позволяет производить тонкое управление аппаратными средствами вплоть до побитовых операций в их регистрах, характерных для ассемблера. Применение компиляторов языка Си фирмы Borland путем соответствующей настройки среды компилятора позволяет генерировать коды, в значительной степени инвариантные к типу и классу используемого IBM-совместимого компьютера. В результате программа оказывается работоспособной для всех типов процессоров, начиная с семейства 8086/8088 и кончая 80486 и Pentium.

Версия программы размещается в EPROM микроконтроллера. Запуск программы на исполнение и, соответственно, начало работы происходят автоматически при подаче питания на микроконтроллер.

Оцифровка сейсмических сигналов происходит с использованием механизма внешних прерываний сигналами программируемого внутреннего таймера микроконтроллера. Оцифровка и сбор данных осуществляются с элементами предварительной обработки для улучшения метрологических характеристик каналов регистрации.

Аналоговые сигналы цифруются (аналоговые усилители 16) на более высокой частоте, затем подвергаются цифровой фильтрации и осреднению "тройками" и "пятерками" с последующей разрядкой до получения требуемой частоты выборок. Все процедуры фильтрации в системе выполняются в реальном времени с помощью быстрых рекурсивных фильтров Баттерворта. Применяются два вида фильтров 17. В характерных точках программы с высокой скоростью канализации данных (например, при входной фильтрации) целесообразно использовать рекурсивные фильтры с целочисленными коэффициентами. Такие фильтры не требуют вычислений с плавающей запятой и оказываются значительно быстрее своих аналогов с "точными" коэффициентами. Однако следует учитывать, что процедура округления коэффициентов вызывает ряд известных проблем и, в частности, может привести к неустойчивости фильтра. В других характерных узлах программы, где цифровой фильтрации подлежат отсчеты с частотой дискретизации 100 Гц и ниже, оказывается возможным применять рекурсивные фильтры с "точными" коэффициентами, представленными в виде чисел с плавающей запятой. Такие фильтры более устойчивы, функционально ближе к своему аналоговому прототипу, но проигрывают в быстродействии. Рекурсивные фильтры подобного типа используются, в частности, в алгоритме детектора сейсмических сигналов. Обычно в аналоговых и цифровых устройствах лучший результат дают фильтры Баттерворта высокого порядка, полученные путем каскадного соединения звеньев второго порядка.

С целью увеличения времени автономности станции, кроме непрерывного режима работы, предусмотрен также ждущий режим регистрации с краткой записью предыстории события. Для организации ждущего режима в системе используется наиболее часто применяемый для целей обнаружения сейсмических сигналов так назы