Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line

В работе представлены результаты тестирования программного обеспечения телеметрической микросейсмической системы для определения прироста сейсмической бальности в пунктах наблюдений в режиме on-line. Данное программное обеспечение работает со станциями производства Института Геофизики НАН Украины. В...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2008
Hauptverfasser: Щербина, С.В., Лесовой, Ю.В.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України 2008
Schriftenreihe:Геодинаміка
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18527
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line / С.В. Щербина, Ю.В. Лесовой // Геодинаміка. — 2008. — № 1(7). — С. 110-115. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-18527
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-185272025-02-23T18:01:30Z Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line Програмне забезпечення телеметричної системи збору і обробки мікросейсмічних даних у режимі on-line The software for on-line telemetric system of microseismic data collection and processing Щербина, С.В. Лесовой, Ю.В. Геофізика В работе представлены результаты тестирования программного обеспечения телеметрической микросейсмической системы для определения прироста сейсмической бальности в пунктах наблюдений в режиме on-line. Данное программное обеспечение работает со станциями производства Института Геофизики НАН Украины. В качестве датчиков использованы модифицированные сейсмографы ВЕГИК и СМ-3. Данные передаются по протоколу TCP/IP через WiFi устройства. У роботі представлено результати тестування програмного забезпечення телеметричної мікросейсмічної системи для визначення приросту сейсмічної бальності у пунктах спостережень в режимі on-line. Дане програмне забезпечення працює із станціями виробництва Інституту Геофізики НАН України. В якості датчиків використано модифіковані сейсмографи ВЕГІК і СМ-3. Дані передаються по протоколу TCP/IP через WiFi пристрої. In the article the results of testing of software of telemetric microseismic system for determination of increase of seismic intensity in on-line mode are presented. Those programs works with the stations of production of Inst. of Geoph. of NAS of Ukraine. As a sensors the modified VEGIK and SM-3 seismographs was used. Information is transmitted on TCP/IP protocol through Wifi devices. 2008 Article Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line / С.В. Щербина, Ю.В. Лесовой // Геодинаміка. — 2008. — № 1(7). — С. 110-115. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1992-142X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18527 528.21/22 ru Геодинаміка application/pdf Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Геофізика
Геофізика
spellingShingle Геофізика
Геофізика
Щербина, С.В.
Лесовой, Ю.В.
Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line
Геодинаміка
description В работе представлены результаты тестирования программного обеспечения телеметрической микросейсмической системы для определения прироста сейсмической бальности в пунктах наблюдений в режиме on-line. Данное программное обеспечение работает со станциями производства Института Геофизики НАН Украины. В качестве датчиков использованы модифицированные сейсмографы ВЕГИК и СМ-3. Данные передаются по протоколу TCP/IP через WiFi устройства.
format Article
author Щербина, С.В.
Лесовой, Ю.В.
author_facet Щербина, С.В.
Лесовой, Ю.В.
author_sort Щербина, С.В.
title Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line
title_short Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line
title_full Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line
title_fullStr Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line
title_full_unstemmed Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line
title_sort программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line
publisher Інститут геофізики ім. С.I. Субботіна НАН України
publishDate 2008
topic_facet Геофізика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/18527
citation_txt Программное обеспечение телеметрической системы сбора и обработки микросейсмических данных в режиме on-line / С.В. Щербина, Ю.В. Лесовой // Геодинаміка. — 2008. — № 1(7). — С. 110-115. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series Геодинаміка
work_keys_str_mv AT ŝerbinasv programmnoeobespečenietelemetričeskojsistemysboraiobrabotkimikrosejsmičeskihdannyhvrežimeonline
AT lesovojûv programmnoeobespečenietelemetričeskojsistemysboraiobrabotkimikrosejsmičeskihdannyhvrežimeonline
AT ŝerbinasv programnezabezpečennâtelemetričnoísistemizboruíobrobkimíkrosejsmíčnihdanihurežimíonline
AT lesovojûv programnezabezpečennâtelemetričnoísistemizboruíobrobkimíkrosejsmíčnihdanihurežimíonline
AT ŝerbinasv thesoftwareforonlinetelemetricsystemofmicroseismicdatacollectionandprocessing
AT lesovojûv thesoftwareforonlinetelemetricsystemofmicroseismicdatacollectionandprocessing
first_indexed 2025-11-24T06:51:28Z
last_indexed 2025-11-24T06:51:28Z
_version_ 1849653553742741504
fulltext Геофізика УДК 528.21/22 С.В. Щербина, Ю.В. Лесовой ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ СБОРА И ОБРАБОТКИ МИКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ДАННЫХ В РЕЖИМЕ ON-LINE В работе представлены результаты тестирования программного обеспечения телеметрической микросейсмической системы для определения прироста сейсмической бальности в пунктах наблюдений в режиме on-line. Данное программное обеспечение работает со станциями производства Института Геофизики НАН Украины. В качестве датчиков использованы модифицированные сейсмографы ВЕГИК и СМ-3. Данные передаются по протоколу TCP/IP через WiFi устройства. Ключевые слова: телеметрическая микросейсмическая система; программное обеспечение; микросейсморайонирование; прирост сейсмической бальности. Постановка задачи Целью создания системы on-line сбора и обработки микросейсмической информации яв- ляется оперативное получение данных о коле- баниях почвы на исследуемой площадке и возможность обработки их на некотором рас- стоянии от станции. Актуальность создания такой системы свя- зана с большим числом недостатков стандарт- ной методики камеральной обработки микро- сейсмических данных [1]. Это несовершенство приводит к большому проценту брака заре- гистрированных данных, потому что при про- ведении микросейсмических исследований в полевых условиях всегда присутствует мно- жество факторов, которые оказывают негатив- ное влияние на качество обработки. Из этого следует, что первичную обработку необходимо проводить, по возможности, на месте в опе- ративном режиме получения микросейсмичес- кой информации. Телесейсмический микросейсмический комплекс: аппаратура и программы Техническая часть созданной телеметричес- кой системы следующая: двухканальные стан- ции сбора информации UK-15 и UK-16; каждый канал состоит из трех компонент; сейсмические датчики – модифицированные ВЭГИКи и СМ-3. В этих модифицированных датчиках перемо- таны катушки, была изменена их конструкция, а также были встроены усилители сигнала с небольшой обратной связью на выходе для обеспечения сверхкритического затухания. Зарегистрированный сигнал на станции пре- вращается в поток данных и через сетевой интерфейс подается на устройство WiFi связи, а через него по радиоканалу поступает на цен- тральный сервер (в данном случае это ноутбук) (рис. 1). По радиоканалу данные передаются и принимаются по протоколу TCP/IP. Для обработки полученной микросейсми- ческой информации используется программное обеспечение “Oscilloscope”, которое позволяет не только просматривать волновые формы микросейсм, но и в оперативном режиме проводить их обработку, например, по методи- ке, предложенной в [3]. Полученный со станций поток данных через WiFi попадает на центральный сервер, где принимается программой для параллельной обработки микросейсмических данных. При работе с этим программным обеспече- нием мы можем задавать следующие парамет- ры: – длительность записи с каждой станции – выбираем длину записи для лучшей наглядной визуализации; Рис. 1. Внешний вид телеметрической системы: A – центральный сервер для сбора и обработки микросейсмической информации; B – станция; C – устройство WiFi связи Рис. 2. Блок-схема станции, датчиков и сервера – селекция записи по уровню LTA/STA – этот алгоритм позволяет отбросить такие © С.В. Щербина, Ю.В. Лесовой, 2008 110 Геофізика участки записи, которые по уровню превышают определенный порог LTA/STA, таким образом, это один из способов [1] избавления от неста- ционарной помехи; – эффект осреднения (накопления) – в про- граммном обеспечении мы задаем длительность записи t, программа накапливает определенное количество реализаций n и по окончании цикла усредняет накопленные данные, на выходе имеем более стационарную реализацию, такое осреднение наряду с LTA/STA функцией является еще одним способом подавления помех; – удаление тренда, если он существует – это необходимо делать для удаления постоянного смещения и наклона; – применение спектральных окон – так как сигнал всегда ограничен, то возникают иска- жения спектра, для того чтобы их убрать, используется оконная функция [4], из беско- нечно длинного сигнала вырезается часть, т.е. делается свертка прямоугольного окна с бес- конечно длинным участком сигнала, в основном применяется окно Хеннинга. Далее строится амплитудный спектр, кото- рый достаточно “изрезан”, состоит из большого числа гармоник и является достаточно слож- ным. Операция накопления и осреднения также может быть применена и к спектру. Проведя эту операцию по отношению к спектру сигнала, получаем кумулятивные (накопительные) спек- тры. Кроме того, можно улучшить ситуацию путем сглаживания спектра с помощью аппро- ксимирующего полинома. Аналогичные процедуры мы проводим и для второй станции и в результате имеем два спек- тра, которые аппроксимированы полиномом определенной степени. Далее производится процедура фильтрации [4]. Из всего спектра вырезается участок в пределах заданного диапазона частот 0,1–1,0 Гц или 1,0–10,0 Гц. В результате имеется две части полинома в одном общем частотном диапазоне. Зачастую используется диапазон 0,1–1,0 Гц. Результатом обработки является прирост баль- ности для исследуемого участка, определенный по следующим формулам [2, 3]: Ірез=І0+ΔІ; ΔІ=2lgS1/S2. В итоге получаем прирост бальности ΔI. В идеальном случае ΔI будет равняться нулю, когда спектры совпадут (S1=S2). Опыт пока- зывает, что даже датчики, которые стоят в одном и том же месте, дают небольшой разброс в оценке прироста бальности (±0,1). Но это приращение находится в пределах нормы из-за целочисельности шкалы бальности. Точность определения прироста балла, как правило, не превышает ±0,5. Приведем краткое описание процесса обра- ботки в программном обеспечении “Oscillo- scope” и тестирования аппаратной части соз- данной телеметрической системы. Ниже приведены два варианта тестирования аппаратуры: определения приращения бальнос- ти с использованием одного датчика и одной станции, а также с использованием двух дат- чиков, подключенных к двум станциям. Первый вариант определения приращения бальности был проведен для одного датчика с одной станцией. Основное окно программного обеспечения “Oscilloscope”, с которого начинается работа со станциями в режиме on-line, имеет следующий вид (рис. 3). В верхней части окна отображаются режимы работы со станцией, это стандартная обработка волновых форм микросейсм “No Mathematics” или расширенный вариант с возможностью задания дополнительных параметров “Mathe- matics”. Рис. 3. Интерфейс главного окна программного обеспечения “Oscilloscope” В рабочем поле окна программы “Oscillo- scope” находится список станций. Нижняя часть окна содержит ряд кнопок для непосред- ственной работы со списком станций. Элемент списка, напротив которого стоит метка “Con- nected”, активный, т.е. в данный момент имеется связь со станцией и она наблюдается на экране монитора. Рассмотрим режимы работы со станцией: 1). Первый режим “NO Mathematics”. После соединения посредством сети с выбранной станцией открывается окно просмотра волновых форм программы “Oscilloscope”, приведенное на рис. 4. В верхней части окна имеется панель инструментов для выбора каналов, которые отражаются в рабочей области. Также разме- щены “радиокнопки” для выбора режима “Vie- wer” или “Spectroscope”. Кроме того, имеется окно “sec”, в котором можно задавать длину волновой формы в секундах, и кнопка “stop- 111 Геодинаміка 1(7)/2008 play” для остановки и запуска просмотра волновых форм в режиме реального времени. Рис. 4. Окно просмотра волновых форм Щелкнув правой кнопкой мыши в окне просмотра волновых форм, можно вызвать контекстное меню, с помощью которого можно изменять цветовую гамму рабочей области программы “Oscilloscope” или можно свести все открытые на данный момент трассы в одно окно, что придает большей наглядности при просмотре микросейсмической информации (рис. 5). Рис. 5. Окно просмотра волновых форм, где все трассы сведены в одно окно С помощью левой кнопки мыши, после остановки просмотра волновых форм в режиме реального времени, можно выделить интере- сующую часть волновой формы, и после этого выделенный участок фиксируется неподвижно, временная развертка прекращается. Рассмотрим теперь режим работы “Spectroscope” в про- грамме “Oscilloscope”. После выбора “радио- кнопки” “Spectroscope” на экране появляются амплитудные спектры выбранных каналов в ло- гарифмическом масштабе по осям X и Y (рис. 6). В этом режиме программа “Oscilloscope” может вычислять два типа спектров – кумуля- тивный и некумулятивный. Некумулятивный спектр вычисляется по одной реализации микросейсмического процесса, длина которого указывается в окне “Sec”. Рис. 6. Спектральный вид волновых форм (по оси “X” – логарифм частоты, по “Y” – уровень сигнала в db) Кумулятивный спектр вычисляется по нес- кольким реализациям. В ходе такого вычис- ления исключается нестационарная часть про- цесса, и он представлен более гладкой кривой (рис. 7). Рис. 7. Вид кумулятивного спектра Последний пункт в контекстном меню, вызываемом нажатием правой клавиши мыши “Save Spectrum”, позволяет сохранить спектры для выбранных каналов в файл для последую- щей обработки с помощью других программ. С помощью программного обеспечения “Os- cilloscope” в режиме “Spectroscope” можно оце- нить динамический диапазон цифрового регис- тратора. На рис. 8 представлены кумулятивные спектры каналов Е групп А и В. К каналу Е группы А цифрового регистратора подключен датчик, а канал Е группы В не имеет подклю- ченного датчика. На нижнем графике свободного канала Е группы В мы видим уровень собственных шу- мов цифрового регистратора, он находится в пределах –(146−148) db, что соответствует пас- портным данным для используемой микро- схемы АЦП. 2). Второй режим “Mathematics”. Эта часть программного обеспечения, в которой прово- дится математическая обработка, она предна- 112 Геофізика значена для расчета приращения бальности. Интерфейс окна параллельной обработки пред- ставлен на рис. 9. Рис. 8. Кумулятивные спектры для оценки динамического диапазона цифрового регистратора Рис. 9. Окно математической обработки программы “Oscilloscope” В верхней части окна из списка выбираются станции и через параметр “Zoom” задается дли- тельность волновых форм в секундах. Эта дли- тельность одинакова для каждой из станций и об этом свидетельствует одно общее окно “Zoom&Succession”. Кроме задания длитель- ности можно изменить и последовательность обработки в окне “Succession”. Можно менять местами последовательность таких действий как: “Transformation” (интегрирование или дифференцирование исходного сигнала) → “Average” (накопление n-числа реализаций, длина которых определена параметром в окно “Zoom” и усреднение) → “Vector” (процедура предназначена для вычисления вектора, если выбрано более одного канала для каждой станции). Процедура LTA/STA предназначена для выбора тех реализаций микросейсмического процесса, в которых отсутствуют большие по амплитуде помехи, превышающие порог “L”. Порог “L” – отношение LTA к STA [1]. В окне “Status window” отображается ин- формация о ходе выполнения конкретной про- цедуры и общего процесса обработки (рис. 10). Важными процедурами являются регрессия и наложение спектрального окна на исходную волновую форму. Все эти процедуры прово- дятся до вычисления спектра. Рис. 10. Окно текущего процесса процедуры LTA/STA Процедура регрессии предназначена, как известно, для удаления постоянной составляю- щей и наклона в исходной волновой форме. В результате применения процедур регрессии и наложения окна Хеннинга получаем модифи- цированную волновую форму, которая вместе с исходной представлены на рисунке 11. Рис. 11. Результат проведения процедур регрессии и наложения окна Хеннинга (А – до наложения окна, В – после применения окна) Блок вычисления спектральной характерис- тики грунтов является достаточно сложным вследствие большого числа дополнительных параметров. Первая из процедур – аккумуляция спектров с указанием их числа. Далее прово- дится усреднение спектра по определенному числу точек. Интерполяция полиномом пресле- дует две цели. Во-первых, сгладить достаточно изрезанный исходный спектр, а во-вторых, получить функциональную зависимость ампли- туды спектра от частоты. Это объясняется тем, что приращение бальности есть отношение двух спектров. Результаты вычисления спектральной характеристики грунтов представлены на рис. 12, где тонкая линия – это интерполирующий полином. При процедуре фильтрации задаются час- 113 Геодинаміка 1(7)/2008 тоты среза полосового фильтра, левые и правые границы. Фильтр применяется к полиному, если указана интерполяция спектра. Рис. 12. Результаты вычисления спектральной характеристики грунтов Блок процедуры деконволюции предназна- чен для учета влияний передаточной функции прибора на исходный сигнал. Процедура вычисления приращения бальнос- ти является тривиальной [2, 3]. Результат ее применения к одному и тому же датчику (канал ALZ), подключенному к одной и той же стан- ции, приводит к физически разумному резуль- тату – приращение бальности равно нулю (рис. 13). Рис. 13. Результат вычисления приращения бальности Второй вариант определения приращения бальности проведен с использованием двух дат- чиков, подключенных к двум станциям. Далее представлена процедура измерения приращения бальности для двух станций и для двух разных типов датчиков. Станциям, кото- рые использовались в данном эксперименте, присвоены названия UK-15 и UK-16. Исполь- зуемые датчики – модифицированный ВЭГИК и модифицированный СМ-3 (см. выше) были установлены на одном постаменте, что можно увидеть на рис. 14. Для проведения математической обработки “Mathematics” в программе “Oscilloscope” вы- бираем только Z-канал каждой из станций. В окне установок проводим все необходимые настройки “Zoom”, “Succession”, “LTA/STA”, а также задаем функцию кумуляции спектров. Кумулятивные спектры приведены на рис. 15. Рис. 14. Сейсмические датчики установленные на постаменте После аппроксимации полиномом и филь- трации в диапазоне частот 1–10 Гц спектраль- ные характеристики принимают следующий вид (рис. 16). Рисунок 15. Результаты вычисления спектральной характеристики грунтов по двум станциям и датчикам Рис. 16. Вид спектров после апроксимации и фильтрации в частотном диапазоне 1–10 Гц Результаты определение приращения баль- ности по двум датчикам представлены на рис. 17. Выводы Программное обеспечение было апробиро- вано в полевых условиях и показало свою ста- бильность и эффективность работы. Кроме того, программа написана на cross-платформенном языке программирования “Java”. Преимущес- твом этого является то, что данное программное обеспечение может работать в различных опе- 114 Геофізика рационных системах. няется 0,01, что представлено на рис. 17. Созданная телеметрическая система может использоваться как на маленьких площадках, так и на больших территориях благодаря тому, что устройство WiFi связи легко заменить сетью Internet, и тогда станции могут быть установ- лены на любом расстоянии друг от друга. На основе полученных данных делаем вывод о том, что протестированная телеметрическая система, которая использовалось для проведе- ния микросейсмических работ, и использован- ное программное обеспечение для определения приращения бальности отвечают необходимым требованиям, предъявляемым к системам такого типа, и могут быть использованы для опреде- ления ΔI в полевых условиях. Литература 1. “Understanding & setting LTA/STA trigger algorithm parameters for the K2”. Dr. Amadej Trnkoczy. Application Note #41. August 1998. Kinemetrics Inc. 2. Касымов С.М. Инженерно-геологическая основа детального сейсмического райони- рования и микрорайонирования. – Ташкент: ФАН. – 1979. Рис. 17. Приращение бальности с использованием двух станций и двух датчиков 3. Дягилев Р.А., Баранов Ю.В., Верхолан- цев Ф.Г. Локальный эффект усиления грун- тов при сейсмическом микрорайонирова- нии: методы оценки и их сравнение. // Вест- ник горного института Уральского отде- ления РАН “Горное эхо”. – 2006. – 4 (26). В результате проведенного тестирования программного обеспечения и on-line расчета приращения бальности получены следующие результаты: • приращение бальности на одном и том же датчике и одной станции равно нулю; • приращение бальности с использованием двух разных станций и двух датчиков рав- 4. Канасевич Э.Р. Анализ временных после- довательностей в геофизике. – М: Недра, 1985. – 300 с. ПРОГРАМНЕ ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ТЕЛЕМЕТРИЧНОЇ СИСТЕМИ ЗБОРУ І ОБРОБКИ МІКРОСЕЙСМІЧНИХ ДАНИХ У РЕЖИМІ ON-LINE С.В. Щербина, Ю.В. Лісовий У роботі представлено результати тестування програмного забезпечення телеметричної мікросейсмічної системи для визначення приросту сейсмічної бальності у пунктах спостережень в режимі on-line. Дане програмне забезпечення працює із станціями виробництва Інституту Геофізики НАН України. В якості датчиків використано модифіковані сейсмографи ВЕГІК і СМ-3. Дані передаються по протоколу TCP/IP через WiFi пристрої. Ключові слова: телеметрична мікросейсмічна система; програмне забезпечення; мікросейсмо- районування; приріст сейсмічної бальності. THE SOFTWARE FOR ON-LINE TELEMETRIC SYSTEM OF MICROSEISMIC DATA COLLECTION AND PROCESSING S.V. Sherbina, Ju.V. Lisovyi In the article the results of testing of software of telemetric microseismic system for determination of increase of seismic intensity in on-line mode are presented. Those programs works with the stations of production of Inst. of Geoph. of NAS of Ukraine. As a sensors the modified VEGIK and SM-3 seismographs was used. Information is transmitted on TCP/IP protocol through Wifi devices. Key words: telemetric microseismic system; software; microseismic zoning; increase of seismic intensity. Інститут геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України, м. Київ Надійшла 11.10.2008. 115