способ определения ориентации трехкомпонентного сейсмометра
Классы МПК: | G01V1/16 приемники сейсмических сигналов |
Автор(ы): | Добринский В.И., Лисин А.М. |
Патентообладатель(и): | Вычислительный центр СО РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
1990-03-27 публикация патента:
30.10.1994 |
Использование: сейсмология. Сущность изобретения: при определении ориентации произвольно ориентированного сейсмометра производят регистрацию излучения последовательно от трех источников, удаленных на расстояния, не менее чем в 10 раз превышающие расстояние между произвольно ориентированными и опорным ориентированным сейсмометрами, и не лежащих в одной плоскости с произвольно ориентированным сейсмометром, ориентацию которого определяют по элементам матрицы, определяющей переход от направляющих косинусов кажущихся направлений к направляющим косинусам истинных направлений. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОРИЕНТАЦИИ ТРЕХКОМПОНЕНТНОГО СЕЙСМОМЕТРА, включающий установку в двух разных точках с известными координатами произвольно ориентированного и опорного ориентированного сейсмометров, регистрацию или сейсмического излучения от источника, удаленного от сейсмометров на расстояние, не менее чем в 10 раз превышающее расстояние между сейсмометрами, определение по записи излучения опорным ориентированным сейсмометром расстояния от него до источника и направление на источник, по которым вычисляют координаты источника излучения, по записи излучения произвольно ориентированным сейсмометром определяют кажущееся направление на источник, по координатам источника излучения и произвольно ориентированного сейсмометра определяют истинное направление на источник и определяют ориентацию произвольно ориентированного сейсмометра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности способа, последовательно регистрируют сейсмические излучения от трех источников, каждый из которых удален от сейсмометров на расстояние, не менее чем в 10 раз превышающее расстояние между произвольно ориентированным и опорным ориентированным сейсмометрами, причем сейсмометры лежат вне плоскости расположения источников излучения, вычисляют элементы aij (i = 1,2,3; j = 1,2,3), задающие переход от направляющих косинусов кажущихся направлений к направляющим косинусам истинных направлений, и определяют ориентацию произвольно ориентированного сейсмометра по формулам= a, j = 1,2,3,
где - векторы ориентации осей произвольно ориентированного сейсмометра;
- векторы ориентации осей опорного ориентированного сейсмометра.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано при исследовании сейсмических явлений, наблюдаемых с помощью сейсмометров. Из известных технических решений [1] наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ измерения ориентации сейсмометра [2] , основанный на использовании данных сейсмического излучения, регистрируемых самим сейсмометром и некоторым опорным ориентированным сейсмометром. Основным недостатком этого способа является то, что он фактически позволяет определять ориентацию сейсмометра лишь в частных случаях, когда известно направление одной из его осей, например, для вертикально ориентированного сейсмометра. В общем случае ориентации сейсмометра определяется с точностью до вращения. Целью изобретения является повышение точности определения ориентации сейсмометра за счет однозначности ее определения. В известном способе определения ориентации сейсмометра, заключающемся в том, что произвольно ориентированный сейсмометр и опорный ориентированный сейсмометр устанавливают в разных точках с известными координатами, этими сейсмометрами регистрируют сейсмическое излучение от источника, удаленного от сейсмометров на расстояние, не менее чем в 10 раз превышающее расстояние между произвольно ориентированным сейсмометром и опорным ориентированным сейсмометром, по записи опорным ориентированным сейсмометром определяют расстояние от опорного ориентированного сейсмометра до источника, по расстоянию от опорного ориентированного сейсмометра до источника и направлению на источник определяют координаты источника, по записи излучения произвольно ориентированного сейсмометра определяют кажущееся направление на источник, по координатам источника излучения и координатам произвольно ориентированного сейсмометра определяют истинное направление на источник и определяют ориентацию произвольно ориентированного сейсмометра, регистрируют последовательно сейсмические излучения от трех источников 1,2 и 3, каждый из которых удален от сейсмометров на расстояние, не менее чем в 10 раз превышающее расстояние между сейсмометрами. Условие удаленности источников позволяет не учитывать изменчивость параметров среды при распространении сейсмических волн. Координаты источников 1,2,3 в заданной системе координат с вершиной в точке расположения произвольно ориентированного сейсмометра определяют по формуламxi = lib1i + xo,
yi = lib2i + yo,
zi = lib3i + zo, (1)
i = 1,2,3, где bji = Bji/(B1i2 + B2i2 + B3i2)1/2 - направляющие косинусы лучей от опорного сейсмометра к источникам; B1i, B2i, B3i - амплитуды компонент колебаний, регистрируемые опорным сейсмометром для некоторых моментов времени; li - гипоцентральные расстояния от опорного сейсмометра до источника, вычисленные по разностям времен прихода продольных и поперечных волн; xo, yo, zo - координаты опорного сейсмометра. Расстояние от произвольно ориентированного сейсмометра до плоскости, в которой расположены три источника, должны быть больше нуля. Если это условие не выполнено, то вместо какой-либо из трех взятых записей излучений рассматривают новую запись из совокупности всех зарегистрированных и таким образом находят необходимую. Затем по записям произвольно ориентированным сейсмометром в некоторые моменты времени амплитуд колебаний G1i, G2i, G3i(i = 1,2,3) от источников 1-3 определяют направляющие косинусы лучей кажущихся направлений на источники по формуле
gji = Gji/(G1i2 + G2i2 + G3i2)1/2, (2)
i,j = 1,2,3. Далее определяют направляющие косинусы истинных направлений сейсмических лучей на источники 1-3 по формулам
= xi/di
= yi/di
= zi/di (3) где di = (xi2 + yi2 + ti2)1/2, i = 1,2,3. Направляющие косинусы gji являются координатами единичных векторов в собственной системе координат , , произвольно ориентированного сейсмометра. Направляющие косинусы являются координатами этих же единичных векторов в исходной системе координат x, y, z, задаваемой векторами , , . В связи с этим
= gki, (4) где aji - элементы матрицы перехода от системы координат , , к системе координат , , . Разрешив системы линейных уравнений (4) относительно величин ajk, определяют ориентацию произвольно ориентированного сейсмометра по формуле
= a, j = 1,2,3. (5)
На чертеже приведен один из вариантов расположения сейсмометров и источников. Приведем пример конкретного выполнения предлагаемого способа в условиях полевого эксперимента. Произвольно ориентированный сейсмометр (точка 0) и опорный ориентированный сейсмометр (точка 01), имеющие одинаковую чувствительность компонент, опускают по стволу скважины на глубину соответственно 10 и 9,5 м. Сейсмометры имеют жесткий контакт со стенками скважины. С точкой расположения произвольно ориентированного сейсмометра связывают две системы координат с единичными базисными векторами , , и , , , направленными соответственно по осям чувствительности опорного ориентированного сейсмометра и произвольно ориентированного сейсмометра. Из трех пунктов на поверхности Земли, отстоящих от верхнего основания скважины на расстоянии 10 м и на расстоянии 14, 14 и 20 м друг от друга, последовательно производят возбуждение сейсмических колебаний почвы с помощью механических ударов кувалды по жесткой платформе. Относительное расположение сейсмометров и пунктов излучений удовлетворяет условию удаленности источников. Пункты излучений можно идентифицировать, если погрешность определения их координат не превосходит 7 м. Затем оба сейсмометра извлекают на поверхность и осуществляют анализ записей зарегистрированных сигналов, а именно по выделенным записям опорного ориентированного сейсмометра, используя шкалу сейсмограмм, устанавливают, что компоненты амплитуд колебаний от источников в начальные моменты времени составили
В11 = -1,69, В21 = 0, В31 = 1,73 ммк,
В12 = 0, В22 = 1,69, В32 = 1,73 ммк,
В13 = 1,69, В23 = 0, В33 = 1,73 ммк. Здесь значения первого индекса указывают, какой осью сейсмометра зарегистрирован сигнал. Значения второго индекса обозначают номер источника. Гипоцентральные расстояния li(i = 1,2,3), вычисленные по зарегистрированным разностям времен прихода продольных и поперечных волн, равным 0,039 с при средних скоростях распространения продольных волн 450 м/с и поперечных волн 200 м/с, составили l1 = l2 = l3 = 13,8 м. По формуле (1) при xo = yo = 0, zo = 0,5 м вычисляют координаты пунктов излучений
х1 = -10, у1 = 0, z1 = 10 м,
х2 = 0, у2 = 10, z2 = 10 м,
х3 = 10, у3 = 0, z3 = 10 м. Произвольно ориентированный сейсмометр отстоит от плоскости расположения источников на расстоянии 10 м, т.е. больше нуля. Компоненты амплитуд колебаний, регистрируемые произвольно ориентированным сейсмометром в начальные моменты времени, составили
G11 = 0, G21 = 0, G31 = 2,5 ммк,
G12 = 1,25, G22 = 1,75 G32 = 1,25 ммк,
G13 = 2,5 G23 = 0, G33 = 0 ммк. По формуле (2) определяют направляющие косинусы gji лучей кажущихся направлений
g11 = -0, g21 = 0, g31 = 1
g12 = 0.5, g22 = 0,7 g32 = 0,5,
g13 = 1, g23 = 0, g33 = 0. По формулам (3) определяют направляющие косинусы лучей истинных направлений
= -0,7, = 0, = 0,7
= 0, = 0,7 = 0,7,
= 0,7, = 0, = 0,7. Разрешив системы уравнений (4) с подставленными значениями величин и gki относительно величин ajk, находят ориентацию произвольно ориентированного сейсмометра, используя (5). А именно
= 0.7 + 0.7
=
= -0.7 + 0.7
Относительная погрешность восстановления коэффициентов при отношении шум/сигнал менее 1% составила <13%.
Класс G01V1/16 приемники сейсмических сигналов