БулгГезТРАЛ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА
РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СЕТИ СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ.
Булгаков А.Ю., Велинский В.С., Вьюхин В.Н.,
Геза Н.И., Попов Ю.А., Саввиных В.С., Юшин В.И
Институт aвтоматики и электрометрии СО РАН, Институт геофизики СО РАН.
630090, Россия, г.Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга 1, ИАиЭ СО РАН.
630090, Россия, г.Новосибирск, пр-т Ак. Коптюга 3, Институт геофизики СО РАН.
тел.(3832)333-611, Геза Н.И ; (3832)332-872, fax.(3832)354-851, Вьюхин В.Н
Ключевые слова: прогноз землетрясений, сейсмостанция, активный вибросейсмический
мониторинг, 24-х разрядные АЦП, цифровая фильтрация, КИХ-фильтр, динамический диапазон, программное обеспечение сейсмостанции.
Abstract.
This article represents the description of developed seismologic station based on modern measurement
and computer technology. 24-bit ADCs and digital signal processor guarantee the wide dynamic
range of his station. Software for this station performs preliminary processing of data stream,
interactive displaying, saving and transmission this data to file-server.
1. Введение
В соответствии с “Системным проектом по развитию Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений” (Москва, 1995) в настоящее время разработана и проходит испытания станция сейсмологического мониторинга ”ТРАЛ-СМ”. Инициатором разработки – Геофизизической Службой СО РАН - была поставлена задача создания
аппаратуры, обьединяющей в себе не только возможности современных сейсмологических
станций, но и обеспечивающих регистрацию различных типов геофизизических полей, совместный анализ которых позволит приблизиться к решению проблемы прогноза землетрясений. В данном докладе представлена концепция сейсмологической станции ТРАЛ, обеспечивающей, с одной стороны, выполнение современных требований к аппаратуре, а с другой обладающей расширенными возможностями по внедрению некоторых нетрадиционных методов индикации предвестников землетрясений, таких как активный вибросейсмический мониторинг и др.
2. Распределенная обработка информации и нетрадиционная сейсмология
Одной из областей, где применение распределенной обработки информации может
сыграть важнейшую роль является проблема прогноза землетрясений. Несмотря на почти вековой опыт инструментальной сейсмологии и обнаружение более сотни предвестниковых
явлений, в том числе в геофизических полях самой различной природы, эта проблема остается по-прежнему далекой от решения. Огромный ущерб от землетрясений заставляет разви-
2
тые страны прилагать значительные усилия для ее решения. В рамках национальных и международных программ за последние годы созданы несколько наблюдательных сетей сейсмологического мониторинга, позволяющих непрерывно следить за "сейсмическим пульсом "
всей планеты, и более детально - в наиболее сейсмоопасных или густонаселенных регионах.
Данные от таких сетей с помощью системы космической связи непрерывно поступают в центры обработки, где оперативно анализируются, архивируются и могут быть ретроспективно
доступны всему научному сообществу. Поток поступающей первичной информации
настолько велик, что даже оснащенные вычислительными системами центры в настоящее
время способны выполнять в оперативном режиме лишь традиционные для сейсмологии
операции, такие как определение координат гипоцентра, энергии землетрясения и некоторых
специальных параметров. Освоение данных, получаемых от геофизических полей несейсмической природы, а также сравнительно недавно появившихся методов активного мониторинга (с использованием искусственного зондирования среды) пока не интегрировано в эти
мировые сети. Это связано отчасти с тем, что сами физические модели таких предвестников
пока что проблематичны, отчасти - с необходимостью предварительной или дополнительной
обработки данных, не вписывающиеся в существующие стандартные алгоритмы, выполняемые в центрах обработки.
Анализ показывает, что включение такой дополнительной информации в поток и базы
данных существующих и вновь создаваемых центров в ряде случаев целесообразен лишь при
условии ее предварительной обработки в узлах сети более низкого уровня (локальные и региональные центры), либо даже в пункте регистрации.
Так, например, одним из перспективных методов обнаружения предвестников землетрясений, имеющих ясную основу, является метод активного сейсмического мониторинга. Метод
основан на повторных (режимных) зондированиях некоторого сейсмически активного и потенциально сейсмического объема земной коры идентичными воздействиями. Анализируя
вариации параметров сейсмического отклика, можно определить изменения напряженнодеформированного состояния, обнаружить и локализовать области метастабильных состояний. Наиболее прогрессивным способом такого активного зондирования является вибрационный, обладающий наивысшей повторяемостью воздействий [1]. Однако вибросейсмическое зондирование требует обработки (корреляции) длинных рядов первичных данных, что
существенно загрузит как линию связи и центр обработки. Кроме того, к первичной вибросейсмической информации предъявляются требования, которым традиционные сейсмические сети могут не отвечать.
Другим примером источника такой дополнительной информации является метод анализа
естественных высокочастотных электромагнитных излучений в Томском государственном
политехническом университете (Малышков Ю.В.) Здесь проблема состоит не только в том,
что первичный частотный диапазон сигналов значительно превышает сейсмологический, но
также и в том, что сам метод еще не имеет какого-то очевидного физического обоснования.
Поэтому загружать обработкой такой информацией центр нецелесообразно, пока метод не
будет достаточно надежно апробирован.
3. Разработка сейсмологической станции
В соответствии с современными требованиями к цифровым широкополосным
сейсмическим системам изложенными, в частности, в материалах международных объединений по сейсмологии ORFEUS и IRIS, аппаратура и программное обеспечение сейсмостанции должны обеспечить решение следующих стандартных задач:
- усиление, фильтрацию и аналого-цифровое преобразование сигналов;
- временную привязку дискретных значений к абсолютному времени;
- выделение различных типов событий (землетрясений, взрывов и т.п.) с сохранением данных за определенный интервал до и после срабатывания детектора;
3
- запись сейсмической информации на долговременный носитель и передачу в центр сбора
данных.
Технические требования к региональной станции следующие:
частотный диапазон 0.05-20 Гц, количество каналов не менее 6, число разрядов АЦП –24,
диапазон регулировки усиления не менее 40 дБ при двух уровнях усиления, подавление внеполосных помех более 100дб, емкость носителя информации не менее 200 мб., привязка к
точному времени с помощью GPS, температурный диапазон – от –20 до+40 град.
Сейсмоприёмники маятникового типа высокого качества имеют динамический диапазон выходного сигнала 140 дБ. Построение измерительного тракта с таким диапазоном
весьма затруднительно, поэтому целесообразно обеспечить непрерывный диапазон 120 дБ и
иметь два поддиапазона - грубый и точный с коэффициентами передачи 0 и 40 дБ.
С точки зрения реализации измерительного тракта наиболее сложным является обеспечение требуемого динамического диапазона и подавление внеполосных помех на 100 дБ,
включая антиалайзинг. В состав измерительного тракта входят операционные усилители
(ОУ) и АЦП, причем наибольшие погрешности вносит АЦП. Нами был проведен анализ характеристик существующих 24-х разрядных АЦП с целью сравнения и выбора наиболее
приемлемого типа. В таблице приведены их параметры.
Тип
Фирма
Параметр
Интегральная
нелинейность
% шкалы
Дрейф нуля
мкВ/град.
Шум мкВ эфф.
в полосе 25Гц
Динам. диапазон дБ
в полосе 25 Гц
Число эффективных
разрядов в полосе 25 Гц
Первая частота дискретизации кГц
Число выходных частот /
в диапазоне
Ориент. стоимость $
AD77107712
ANALOG
DEVICE
0.0015
AD-7714
HI-7190
ADS-1210
ANALOG
DEVICE
0.0015
HARRIS
BURRBROWN
0.003
максимум
0.0015
2.5
0.5
13
10
2.5
1.4
Нет данных
102
105
117
128
130
18
18.5
20.5
22.5
23
20
20
78
320
256
8000 /
2.5Гц-8кГц
7/
62Гц-4кГц
40
500
2000 /
10-1000
Гц
30
2000 /
10-1000 Гц
30
1
1
CS-53215324
CRYSTALL
SEMICOND.
-100дБ
коэф.
гармоник
50-500
8000 /
10 Гц-2 кГц
----
Динамический диапазон D и эффективное число разрядов N рассчитывались по формулам:
D = 20 lg (вх /ш) ;
N эфф= (20 lg (Vм/ ш) - 1.8)/ 6.02
(1)
где вх и ш соответственно максимальное значение среднего квадрата входного сигнала и
шума, Vм – диапазон входного сигнала.
Из таблицы следует, что максимальный динамический диапазон в полосе 25 Гц обеспечивают микросхемы ADS1210 и CS5321-5324 – соответственно 128 и 130 дБ. Специализированный набор микросхем – аналоговые модуляторы CS5321, 5323,5324 и цифровой фильтр
CS5322 хотя и обеспечивает самый высокий динамический диапазон, однако имеют большой
дрейф нуля – до 60 мкВ./град. Последнее обстоятельство затрудняет их применение для измерения сигналов в полосе от 0.01 Гц, особенно в случае, когда частое отключение сигнала
для выполнения коррекции дрейфа недопустимо. Кроме этого, их стоимость на порядок выше стоимости аналогов из таблицы. Исходя из изложенного, в измерительном тракте целесо-
4
образно применять АЦП типа ADS1210, а для задач не требующих столь широкого диапазона –типа AD7710 –7714. Экспериментальное измерение шумов названных микросхем показало их соответствие указанным в таблице. На рис.1 приведен спектр выходного сигнала
АЦП типа ADS1210 при подаче на вход гармонического сигнала, из которой видно, что динамический диапазон превышает 120 дБ.
Все существующие 24-х разрядные АЦП выполнены на основе дельта-сигма модуляторов и по принципу действия имеют высокий коэффициент передискретизации. Это обстоятельство позволяет использовать в качестве антиалайзингового фильтра звено (1- 2)-го порядка. Однако внутренний цифровой фильтр, преобразующий однобитовый поток дельта
модулятора в 24-х разрядные слова, не обеспечивает требуемого затухания в окрестностях
второй (выходной) частоты дискретизации, что приведет к значительным помехам типа
наложения спектров дискретизированных сигналов. Используя особенности АЧХ внутреннего цифрового фильтра в сочетании с применением внешнего цифрового фильтра, удается исключить этот эффект. Ниже будет показано, как можно получить общую АЧХ тракта обеспечивающую подавление помех более 100дБ на частотах выше половины частоты дискретизации.
Внутренний цифровой фильтр АЦП состоит из 3-х последовательно соединенных
звеньев однородного фильтра, два из которых выполняют скользящее осреднение потока
импульсов от дельта-модулятора, а третий-осреднение с децимацией. АЧХ такого фильтра
записывается в виде [2]:
| К1(f) | = [(Sin N  f / f1) / (N Sin  f / f1)] ³
(2)
где N- коэффициент децимации фильтра, устанавливаемый программно, f1- первая (входная)
частота дискретизации. Внутренний фильтр полностью подавляет помехи кратные его выходной частоте дискретизации. В интересующей нас области частот f « f1 выражение (2)
можно упростить:
|K2(f) |  [(Sin πf/ f2) / (πf /f2)] ³
(3)
где f2 вторая (выходная)частота дискретизации. В окрестностях наиболее опасной второй
частоты дискретизации f2 коэффициент передачи фильтра из (3) может быть выражен:
| K3(Δ f )|  (Δ f / f2 )³
(4)
где Δ f «f2 –полоса входного сигнала.
Из (4) определяется значение второй частоты дискретизации f2 для заданной полосы сигнала Δ f и требуемого подавления помех. В нашей разработке значение f 2 = 1кГц и для полосы
30 Гц обеспечивается подавление зеркальной помехи 91дБ. Кроме этого антиалайзинговый
аналоговый фильтр 2-го порядка с полосой 50 Гц обеспечивает дополнительно затухание 50
дБ на частоте 1кГц.
Основную фильтрацию с последующей децимацией осуществляет внешний цифровой
фильтр, который реализован на сигнальном процессоре СП-30 [3] .Тип фильтра – КИХфильтр длиной 511 отводов, рассчитанный по алгоритму Ремеза [2]. Фильтр имеет пульсации
в полосе пропускания менее 0.05 дБ, затухание в полосе задерживания 110 дБ, ширина переходной зоны 0.01. Задержка фильтра постоянна и равна 255 отсчетам. На рис.2 приведены
графики АЧХ: аналогового фильтра (а), цифрового фильтра АЦП (в), внешнего цифрового
фильтра до децимации (с), результирующая АЧХ до децимации (д) и, в ином масштабе, результирующая АЧХ после децимации (е). При полосе сигнала 30 Гц минимальная частота
дискретизации при отсутствии наложения спектров составляет 70Гц. Реально частота дискретизации установлена 100 Гц, и допустимая полоса составит 40 Гц.
Управляющий микроконтроллер станции ведет внутренние часы и сравнивает их с
внешним временем, управляет работой измерительного блока и обеспечивает связь с управляющим компьютером. Измерительный блок имеет до 9 каналов, каждый из которых содержит дифференциальный усилитель, аналоговый фильтр 2-го порядка и АЦП.
5
4. Программное обеспечение сейсмостанции
Разработанное прикладное программное обеспечение станции осуществляет связь между управляющим компьютером и аппаратурой станции, выполняет предварительную обработку полученной информации, включая выделение событий, и передает полученную и информацию на сервер вышестоящего уровня для последующей обработки и архивирования.
Связь станции с управляющим компьютером осуществляется по двум линиям. Данные передаются по синхронной шине на последовательный порт СП-30, управляющая информация
передается по каналу RS-232. Перед началом работы на управляющий микроконтроллер записываются режимы работы станции: число активных каналов, частота дискретизации АЦП,
коэффициент усиления каналов, время включения, длина кадра.
Из полученной измерительной информации компьютер формирует файлы, содержащие
данные одного кадра и служебную информацию. Файл минимального размера содержит 1024
отсчета по каждому каналу, что составляет 10.24 сек. по времени. Длина файла может быть
увеличена с шагом кратным минимальному. Каждый файл имеет уникальный заголовок, содержащий информацию о дате и времени записи, поправку текущего времени относительно
мирового, о параметрах используемых сейсмоприемников и точки регистрации. Эти файлы в
дальнейшем подлежат обработке и архивированию.
Программы первичной обработки потока данных реализованы на базе пакета Lab Windows/CVI и включают выполнение следующих процедур.
1.Визуализация полученных данных в реальном времени. На экран выводятся сигналы 3-х
каналов с фиксированным или нормированным к шкале масштабом по вертикали. Возможно,
оперативно выбирать вторую частоту дискретизации и коэффициент децимации цифрового
фильтра, что позволяет в широких пределах изменять масштаб по оси времени.
2. Визуализацию данных в частотной области с помощью быстрого преобразования Фурье.
Здесь же задается тип оконной функции для БПФ.
3. Вычисление и визуализацию гистограмм мощности сигналов в заданных частотных полосах для каждого канала. Гистограммы визуализируются на том же экране что и данные. Над
каждой гистограммой отображаются также заданные уровни мощности сигналов, превышение которых по всем гистограммам с учетом предшествующих шумов означает наличие событийного файла. Дополнительно учитывается и время превышения заданных уровней.
4. Для просмотра архивных записей создана программа, позволяющая выводить на экран записи во временной или частотной областях и производить их вторичную обработку.
В результате проведенных исследований показаны способы и разработана аппаратура
регистрации сейсмических событий, соответствующая современным требованиям. Созданы
два макета, один из которых установлен на опытную эксплуатацию на сейсмостанции "Новосибирск". На Рис.3 приведена форма суточного отчета станции, где зарегистрировано одно
из мощных землетрясений последнего времени в районе о. Тайвань.
Список литературы
[1] Yushin V.I., Geza N.I., Velinsky V.V., Mishurov V.V., Speransky N.F., Savvinikh V.S.,
Astafjev V.N. Vibroseismic monitoring at the Baikal region. Jornal of Earthquake Prediction
Reaserch, 3 (1994), p.119-134.
[2] Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. "Цифровая обработка сигналов",
М., Радио и связь, 1990.
[3] Цифровая обработка сигналов и изображений. Аппаратные и программные разработки. Проспект. Новосибирск, ИАиЭ СО РАН,1993.
6
0
0.dB
5.1
12.4
18.7
25
31.2
37.5
43.7
50 Hz.
-80dB
-160dB
Рис.1
A1
а)
f/f2
A2
в)
1
2
3
N
f/f2
A3
с)
f/f2
A4
d)
A4 = A1 A2 A3
f/f2
A5
е)
f , Гц
30
40
Рис.2
70
7
Рис.3