Геосонар

(51) 01 1/00 (2010.01) 01 1/16 (2010.01) 01 1/28 (2010.01) 01 1/36 (2010.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ Технический результат, получаемый при использовании полезной модели -существенное повышение функциональности и надежности устройства, возможность определения объектов и трещиноватости скальных пород различных размеров в средах с различными акустически характеристиками. Предложен геосонар, включающий тактовый генератор, который через усилитель подключен к генератору зондирующих импульсов, соединенному через согласующее устройство с источником упругих колебанийприемников ультразвуковых колебаний подключенных к узлу предварительных усилителей, соединенных через аттенюаторы с аналого-цифровым преобразователем(АЦП),который через буферную память (ОЗУ) связан с сигнальным процессором и ЭВМ, а также узел синхронизации, вход которого соединен с тактовым генератором, а выход - с сигнальным процессором, а также блок выбора источника излучений, вход которого связан с сигнальным процессором и ЭВМ через узел синхронизациигенератор ударного импульсного воздействия, вход которого подключен к блоку выбора источника излучений блок акустических колебаний, подсоединенный к блоку выбора источника излучений встроенный блок когерентного накопления сигналов, вход которого подключен к АЦП, а выход к буферной памяти(72) Ахмедов Даулет Шафигуллович Васильев Иван Вениаминович Глухих Александр Вениаминович Шабельников Евгений Алексеевич(73) Товарищество с ограниченной ответственностью Специальное конструкторскотехнологическое бюро Гранит Товарищество с ограниченной ответственностью НПОАкционерное общество Национальный инновационный фонд(57) Полочная модель относится к облает сейсморазведки для изучения строения подземных горно-геологических структур и может быть использована для получения характеристик горных пород,идентификации неоднородностей,обнаружения горно-геологических объектов и подземных инженерных сооружений дистанционным зондированием геологических структур и инженерных объектов на основе излучения и последующего приема, записи и обработки отраженных акустических волн в следующих областях его потенциального применения горное дело геологоразведка гидрогеология строительство геодинамика мониторинг чрезвычайных ситуаций контроль гидросооружений и хвостохранилищ и т.д. 763 Полезная модель относится к области сейсморазведки для изучения строения подземных горно-геологических структур и может быть использована для получения характеристик горных пород,идентификации неоднородностей. обнаружения горно-геологических объектов и подземных инженерных сооружений дистанционным зондированием геологических структур и инженерных объектов на основе излучения и последующего приема, записи и обработки отраженных акустических волн в следующих областях его потенциального применения горное дело,геологоразведка,гидрогеология,строительство,геодинамика,мониторинг чрезвычайных ситуаций, контроль гидросооружений и хвостохранилищ и т. д. Известно устройство для обнаружения,классификации и идентификации подземных объектом (Патент ,2822548, кл. 011/00,2001),предназначенное для акустического зондирования подземных структур. Устройство состоит из устройства передачи и получения акустических сигналов, средств обработки и контроля мощности и представления сигнала,передачи и архивации в микропроцессоре, антенн,электронных средств передачи и получения акустических сигналов, средств акустического соединения между антенной и почвой. Данное устройство может использоваться как на земной поверхности, так и существует в варианте подводного использования для зондирования земной коры на дне водоемов. Акустические импульсы имеют продолжительность порядка 20 микросекунд, и излучаются на частотах от 10 до 100 КГц. Одной из важнейших характеристик,определяющих глубину зондирования, является частота между передачей и приемом акустического сигнала. Для рассматриваемого изобретения,длительность излучения составляет 20 микросекунд,и частотный диапазон от 10 до 100 КГц. Рассмотрим, к примеру, зондирование скальных пород, имеющих одну из самых высоких скоростей прохождения звука-около 3000 м/с. Акустическое зондирование на таком диапазоне частот позволяет обнаруживать разнородности и размеры исследуемых объектов от 3 до 30 см. Причем,следует отмстить, рассматриваемое устройство имеет только один способ генерации акустических сигналов. Это не позволяет использовать известное изобретение для обнаружения трещиноватостей в скальных породах шириной менее 3 см, что существенно снижает возможности использования изобретения для обнаружения критически опасного для подземной добычи состояния горных пород. Известна также сейсмическая станция (Патент 2248592, кл. 011/24, 2003), состоящая из последовательно соединенных сейсмоприемника,усилителя, аналого-цифрового преобразователя,сумматора,оперативного запоминающего устройства, цифроаналогового преобразователя,датчика и устройства управления, при этом выход датчика соединен со стартовым входом устройства управления, выход генератора - с тактовым входом устройства управления, а три управляющих выхода устройства управления подключены к соответствующим управляющим входам аналогоцифрового преобразователя,сумматора и оперативного запоминающего устройства. Кроме того, станция содержит устройство цифровой коррекции смещения нуля, первый вход которого подключен к четвертому управляющему выходу устройства управления, второй вход - к выходу оперативного запоминающего устройства, а выход соединен с входом оперативного запоминающего устройства, при этом аналоговым выходом сейсмической станции является выход цифроаналогового преобразователя, а цифровым выход оперативного запоминающего устройства. Станция используется для цифровой коррекции смещения нуля в каналах переносной накопительной сейсмической станции с минимизацией времени и вычислительных мощностей для осуществления дайной процедуры Однако принцип построения и используемые комплектующие не позволяют изначально исключить геосейсмические шумы как естественного,так и искусственного происхождения, что не позволяет достаточно точно откорректировать смещение нуля и таким образом эффективно решить проблему смещения. Известен также параметрический локатор(Патент 2205420, кл.113/32, 2002),предназначенный для обнаружения объектов,расположенных в различных средах,и классификации этих объектов по их акустическому сопротивлению. Локатор содержит генератор высокочастотных сигналов, соединенный с входами двух делителей частоты, а их выходы - с входами двух импульсных модуляторов, управляющие входы которых соединены с выходом импульсного генератора, а выходы через усилители мощности и коммутаторы с элементами двухчастотного преобразователя, акустически связанного через среду лоцирования с приемным преобразователем,выход которого через избирательный усилитель соединен с первым входом индикатора, второй вход которого соединен с выходом импульсного генератора, а третий и четвертый входы индикатора- с выходами двух избирательных усилителей,входы которых соединены со вторыми выходами двух коммутаторов выходы усилителей также соединены с входами двух умножителей частоты,выходы которых соединены с входами фазового детектора, а его выход соединен с пятым входом индикатора. Технические характеристики параметрического акустического локатора позволяют успешно осуществлять определение дальности и характеристик объектов в исследуемой среде распространения акустических сигналов, в которой для получения эффекта распознавания акустической мягкости или жесткости облучаемых объектов должно происходить взаимодействие излученных сигналов с частотами 2 и 3 и образование нового сигнала с частотой 2 - 3 . Однако это условие 763 устойчиво выполняется только в случае достаточной однородности среды, поэтому основной областью применения данного параметрического акустического локатора является гидроакустика,ультразвуковая дефектоскопия,медицина,рыболокация,т.е. среды распространения акустических сигналов с априорно известными акустическими характеристиками. Наиболее близким по технической сущности аналогом к предлагаемой полезной модели является ультразвуковая компьютеризированная станция(Патент 2124741, кл. 01 1/40, 1997). Станция содержит тактовый генератор, который через оптронную развязку и усилитель подключен к генератору ультразвуковых зондирующих импульсов, соединенному через согласующее устройство с источником упругих колебанийприемников ультразвуковых колебаний подключены к узлу предварительных усилителей, соединенных через аттенюаторы и аналоговые фильтры с программируемыми основными усилителями,выходы которых подключены к аналого-цифровому преобразователю, который через буферную память(ОЗУ) связан с сигнальным процессором и ЭВМ, а также узел синхронизации, вход которого соединен с Тактовым генератором, а выход - с сигнальным процессором. Станция предназначена для исследования горных пород, бетона и других материалов. Недостатками ближайшего аналога является то,что он имеет только один тип излучаемых сигналов,формируемый генератором зондирующих импульсов,передающих сформированные акустические сигналы па пьезокристаллические или пьезокерамические преобразователи. Задача полезной модели повышение функциональности и надежности устройства расширение областей применения, уменьшение потребляемой энергии и габаритов при упрощении его конструкции. Технический результат, получаемый при использовании полезной модели -существенное повышение функциональности и надежности устройства, возможность определения объектов и трещиноватости скальных пород различных размеров в средах с различными акустически характеристиками,значительное уменьшение потребляемой энергии и габаритов при упрощении его конструкции. Данный технический результат достигается тем,что в известное устройство, содержащее тактовый генератор, который через усилитель подключен к генератору зондирующих импульсов, соединенному через согласующее устройство с источником упругих колебанийприемников ультразвуковых колебаний подключенных к узлу предварительных усилителей, соединенных через аттенюаторы с аналого-цифровым преобразователем(АЦП),который через буферную намять (ОЗУ) связан с сигнальным процессором и ЭВМ, а также узел синхронизации, вход которого соединен с тактовым генератором, а выход - с сигнальным процессором,согласно изобретению введены блок выбора источника излучений, вход которого связан с сигнальным процессором и ЭВМ через узел синхронизации генератор ударного импульсного воздействия,вход которого подключен к блоку выбора источника излучений блок акустических колебаний, подсоединенный к блоку выбора источника излучений,встроенный блок когерентного накопления сигналов, вход которого подключен к АЦП, а выход- к буферной памяти (ОЗУ). Указанный результат достигается также тем, что использована современная элементная база. Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг 1 представлена структурная схема гсосопара, на фиг.2 приведена блок-схема устройства, на фиг.3 показан линейио-частотномодулированный зондирующий сигнал, на фиг.4 вид принятых упругих колебаний, полученный после их обработки в блоке когерентного накопления сигналов, очищенные от шумов с одновременным увеличением их амплитуды. 1 Предлагаемый геосонар состоит из следующих основных блоков (фиг. 1 ) А- персональный компьютер (ноутбук) Б- блок управления, в котором наряду с записью принимаемых акустических сигналов осуществляется когерентное накопление сигналов В- блок синхронизации Г- блок выбора источника излучения. Д- излучатели Е- горно-геологический или инженерный объект в подповерхностном слое Земли Ж- приемные датчики упругих колебаний. Геосонар (фиг 2) содержит тактовый генератор ультразвуковых колебаний 1, который через ультразвуковой линейно-частотный модулятор 2 подключен к усилителю ультразвуковых зондирующих импульсов 3, соединенному через согласующее устройство 4 с источником ультразвуковых колебаний 5 приемников упругих колебаний 6 подключенные к узлу предварительных усилителей 7, соединенных через аттенюаторы 8 с аналого-цифровым преобразователем 9,соединенному с блоком когерентных накоплений 10, который через буферную память 11 связан с сигнальным процессором 12 и персональным компьютером (ПК) 13. Помимо генератора ультразвуковых колебаний 1 в устройстве имеется тактовый генератор звуковых колебаний 14,который через звуковой линейно-частотный модулятор 15 подключен к усилителю звуковых зондирующих импульсов 16, соединенному через согласующее устройство 17 с источником звуковых колебаний 18. Третьим источником колебаний в устройстве является генератор ударного импульсного воздействия 19. Первый вход узла синхронизации 20 через блок выбора источника излучения 21 соединен с тактовым генератором ультразвуковых колебаний 1,с тактовым генератором звуковых колебаний 14 и генератором ударного импульсного воздействия 19, а первый 763 выход соединен с сигнальным процессором 12. Второй вход узла синхронизации 20 соединен с П 13, а второй выход соединен с блоком выбора источника излучения 21. Геосонар работает следующим образом (фиг 1). Для определения основных характеристик выбранный горный массив предварительно облучается ударным импульсным акустическим сигналом, предварительная обработка которого позволяет определить, в каком частотном диапазоне необходимо проводить последующее зондирование данного участка земной коры. В случае более однородной среды распространения акустического сигнала может быть использован звуковой излучатель. Для этого оператор устанавливает тип режима непосредственно в блоке выбора источника излучения Г вручную сразу после включения изделия, после чего он запускает выбранный тип излучателя Д командой с ПК А. Генератор зондирующих импульсов вырабатывает импульсы,из которых блок синхронизации В вырабатывает импульсы, синхронизирующие работу геосонара. С этого момента начинается процесс регистрации отраженных от горно-геологического или инженерного объекта К сигналов, поступающих из подповерхностного слоя. Сигналы принимаются приемными датчиками упругих колебаний Ж и передаются в блок управления Б, в котором наряду с записью принимаемых акустических сигналов осуществляется когерентное накопление и обработка сигналов. О предполагаемом диапазоне зондирующих импульсов оператор судит по результатам предварительной обработки, которые он видит на мониторе. Для расширения диапазона исследуемых неоднородностей и изобретении предусмотрена возможность использования линейно-частотномодулированного сигнала (фиг 3). Рассмотрим подробно режимы работы излучателей Г (фиг. 1). В случае выбора ультразвукового излучения тактовый генератор ультразвуковых колебаний 1 по команде ПК 13 вырабатывает импульсы,синхронизирующие работу системы. Импульсы поступают на ультразвуковой линейно-частотный модулятор 2, на выходе которого находится усилитель ультразвуковых зондирующих импульсов 3. Сформированный зондирующий импульс через узел согласования 4 подается на источник ультразвуковых колебаний 5. В случае использования акустического излучения тактовый генератор звуковых колебаний 14 по команде ПК 13 вырабатывает импульсы,синхронизирующие работу системы. Импульсы поступают на звуковой линейно-частотный модулятор 15, на выходе которого находится усилитель звуковых зондирующих импульсов 16. Сформированный зондирующий импульс через узел согласования 17 подается на источник ультразвуковых колебаний 18. В третьем варианте источником упругих колебаний является генератор ударного импульсного воздействия 19. Процесс обработки принимаемых зондирующих колебаний осуществляется следующим образом. Импульс тактового генератора ультразвуковых колебаний 1. генератора звуковых колебаний 14 или генератора ударного импульсного воздействия 19 в зависимости от выбранного режима работы поступает также на вход узла синхронизации 20. С этого момента начинается процесс регистрации сигнала, поступающего с приемников упругих колебаний 6. Сигнал усиливается предварительным усилителем 7. Коэффициент усиления устанавливается ручным ступенчатым аттенюатором 8. Далее сигнал после обработки в аналого-цифровом преобразователе 9 поступает в блок когерентных накоплений 10. Результат когерентного накопления размещается в буферной памяти 11 и обрабатывается сигнальным процессором 12. Рассмотренный процесс повторяется столько раз, сколько указано в счетчике накоплений управляющей программы. По запросу программы управляющей ЭВМ 13 результаты обработки передаются для визуализации и хранения. Полученные и обработанные на этом этапе сигналы и служат той информационной основой,которая позволяет сформировать строение изучаемого массива горных пород или подземных искусственных сооружений. Результат работы блока когерентного накопления сигнала поясняется двумя графиками,представленные на фиг. 4. На фиг. 4 а) представлен вид принятого акустического сигнала, а на фиг. 4 б) - результат когерентного сложения серии принятых акустических сигналов. Предлагаемый геосонар имеет возможность не только формировать, акустические сигналы н диапазоне 10-100 КГц, но также обладает возможностью акустического просвечивания толщи горных пород акустическим динамиком путем формирования мгновенного акустического сигнала большой мощности,содержащего в себе акустические сигналы в диапазоне от 0 до 10 МГц,что позволяет сканировать подземные объекты в широком диапазоне размеров, а не только в диапазоне от 3 до 30 см. Введение двух дополнительных типов излучателей, а именно генератора ударного импульсного воздействия и блока звуковых колебаний, позволяет провести предварительно работы по выявлению основных акустических свойств горных пород, и, обладая данной информацией, синтезировать акустические волны,наиболее подходящие для исследования выбранного участка земной коры, что делает его гораздо эффективным,как с точки зрения его функциональных возможностей, так и решения задачи выявления свойств и параметров подземных горно-геологических объектов и подземных инженерных сооружений. Кроме того, существенно повышается надежность прибора, т при отказе, к 763 примеру, генератора ультразвуковых зондирующих импульсов,можно достаточно эффективно использовать ударный импульсный генератор, при максимально компактных габаритах устройства. Генератор ударного импульсного воздействия формирует единичную импульсную функцию,содержащую значительно более широкий частотный диапазон звуковых колебаний, чем в известных устройствах,что позволяет получить,предварительные характеристики изучаемого горного массива для последующего подбора наиболее подходящих зондирующих колебаний. Введенный блок звуковых колебаний служит источником акустических колебаний, для тех же целей, что и генератор ударного импульсного воздействия, но для более однородных массивов. Введение блока когерентного накопления сигналов позволяем уже на предварительных стадиях обработки полученных сигналов значительно уменьшить уровень естественных шумов при проведении акустического зондирования. Такие шумы исключаются на основе использования когерентного накопления сигналов,при этом амплитуда полезного сигнала значительно увеличивается, а шумы, имея стохастическую природу, с течением времени компенсируют друг друга. Что касается искусственных шумов,приводящих к смещению нуля, то использование современных комплектующих, в том числе максимально точная синхронизация,и использование возможностей цифровых сигнальных процессоров позволяют как на аппаратном, так и на программном уровне откорректировать смещение нуля и таким образом более эффективно, чем в известных устройствах, решить проблему смещения нуля. Таким образом, принцип построения и используемые современные комплектующие,использованные в предлагаемом устройстве,изначально позволяют исключить геосейсмические шумы, значительно расширить функциональные возможности, повысить эффективность проводимых работ по изучению и анализу строения подземных объектов как естественного, так и искусственного происхождения. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Геосонар, содержащий тактовый генератор,который через усилитель подключен к генератору зондирующих импульсов, соединенному через согласующее устройство с источником упругих колебаний приемников ультразвуковых колебаний подключенных к узлу предварительных усилителей, соединенных через аттенюаторы с аналого-цифровым преобразователем(АЦП) который через буферную память (ОЗУ) связан с сигнальным процессором и ЭВМ, а также узел синхронизации, вход которого соединен с тактовым генератором, а выход - с сигнальным процессором отличающийся тем, что дополнительно введены блок выбора источника излучений, вход которого связан с сигнальным процессором и ЭВМ через узел синхронизации генератор ударного импульсного воздействия, вход которого подключен к блоку выбора источника излучений блок акустических колебаний, подсоединенный к блоку выбора источника излучений встроенный блок когерентного накопления сигналов, вход которого подключен кЦП, а выход - к буферной памяти