способ дискретного контроля расстояний до источника колебаний и устройство для его осуществления

Формула изобретения

СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО КОНТРОЛЯ РАССТОЯНИЙ ДО ИСТОЧНИКА КОЛЕБАНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ дискретного контроля расстояний до источника колебаний, при котором одновременно принимают сигналы на разном расстоянии от источника, усиливают их и преобразуют путем двухуровневого квантования в измерительные импульсные последовательности, первую из которых задерживают на дискретные интервалы времени, равные периоду тактовых импульсов, а вторую подвергают дискретизации по времени импульсов, период следования которых меньше периода тактовых импульсов, измеряют значения взаимной корреляционной функции импульсных последовательностей по порядковому номеру интервала задержки, на котором значение ординаты корреляционной функции максимально, определяют временной сдвиг между импульсными последовательностями и по нему находят расстояние, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и увеличения быстродействия, дополнительно определяют асимметрию ординат измеренной корреляционной функции ее максимума, а временной сдвиг находят из выражения



где ^* - оценка взаимного временного сдвига сигналов;

j - номер дискретного интервала задержки, на котором значение ординаты корреляционной функции максимально (j = 0, 1, 2, ...);

n_j-1, n_j, n_j+1 - дискретные значения ординат взаимной корреляционной функции на (j - 1)-, j- и (j + 1)-м интервалах задержки;

T - период повторения тактовых импульсов;

- корректирующие поправки на величину начального смещения, возникающего при задержке первой и в результате дискретизации второй измерительных последовательностей, задаваемые характеристиками измерителя;

T₀ - период повторения импульсов дискретизации.

2. Устройство дискретного контроля расстояний до источника колебаний, содержащее первый и второй датчики колебаний, связанные через среду с источником, расположенные на разном расстоянии от него и подключенные к измерительному блоку, выполненному в виде первого и второго формирователей импульсов, к входам которых подключены соответственно первый и второй датчики колебаний, генератора импульсов, делителя частоты, подключенного к выходу генератора импульсов, регистра сдвига, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого формирователя импульсов и делителя частоты, первой схемы ИЛИ, к входам которой подключены выходы регистра сдвига, первого элемента совпадения, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходами второго формирователя импульсов и генератора импульсов, вторых элементов совпадения, к первому и второму входам которых подключены соответственно выходы регистра сдвига и выход первого элемента совпадения, вторых схем ИЛИ, счетчиков импульсов, блок запоминания и обработки информации и блок управления, подключенный к измерительному блоку и содержащий первую и вторую схемы ИЛИ, элемент совпадения, распределитель импульсов и регистр, при этом входы первой схемы ИЛИ являются информационными входами блока управления и соединены с выходами переполнения счетчиков импульсов, выход первой схемы ИЛИ подключен к второму входу элемента совпадения, третий вход которого является входом синхронизации блока управления и соединен с выходом генератора импульсов, выход элемента совпадения подключен к первому входу второй схемы ИЛИ, выход которой соединен с входом распределителя импульсов, первый выход которого является вторым управляющим выходом блока управления и подключен к входам обнуления счетчиков импульсов и управляющему входу блока запоминания и обработки информации, выход регистра является адресным выходом блока управления и соединен с первым информационным входом блока запоминания и обработки информации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и увеличения быстродействия, в него введен блок измерения асимметрии, а в блок управления введены дополнительно преобразователь кода, вход которого подключен к информационному входу блока управления, и третья схема ИЛИ, с первым входом которой и управляющим входом регистра соединен третий выход распределителя импульсов, четвертый выход которого, являющийся первым управляющим выходом блока управления, подключен к второму входу третьей схемы ИЛИ и четвертому входу первого элемента совпадения измерительного блока, к первому входу первого элемента совпадения измерительного блока подключен выход первой схемы ИЛИ измерительного блока, выход третьей схемы ИЛИ блока управления соединен с первым входом элемента совпадения блока управления, блок измерения асимметрии выполнен в виде первого и второго коммутаторов, первого, второго и третьего триггеров, первого, второго, третьего, четвертого и пятого элементов совпадения, схемы ИЛИ - НЕ и счетчика импульсов, выход которого и выход третьего триггера являются информационным выходом блока измерения асимметрии и подключены к третьему входу блока запоминания и обработки информации, первые входы первого и второго коммутаторов являются информационным входом блока измерения асимметрии и соединены с выходами счетчиков импульсов измерительного блока, вторые входы коммутаторов являются адресным входом блока измерения асимметрии и подключены к выходу регистра блока управления, выходы коммутаторов соединены с входами установки первого и второго триггеров, входы обнуления первого, второго, третьего триггеров и счетчика импульсов являются первым управляющим входом блока измерения асимметрии и подключены к выходу регистра блока управления, выходы коммутаторов соединены с входами установки первого и второго триггеров, входы обнуления первого, второго, третьего триггеров и счетчика импульсов являются первым управляющим входом блока измерения асимметрии и подключены к второму выходу распределителя импульсов блока управления, неинверсные выходы первого и второго триггеров соединены соответственно с третьим и вторым входами четвертого элемента совпадения, первый вход которого и первый вход третьего элемента совпадения являются вторым управляющим входом блока измерения асимметрии и соединены с выходом генератора импульсов, выход четвертого элемента совпадения является управляющим выходом блока измерения асимметрии и подключен к второму входу второй схемы ИЛИ блока управления, инверсные выходы первого и второго триггеров соединены с первыми входами соответственно второго и первого элементов совпадения, выходы которых через схему ИЛИ-НЕ подключены к счетному входу счетчика импульсов, инверсный выход первого и инверсный выход второго триггеров соединены с входами пятого элемента совпадения, выход которого подключен к входу установки третьего триггера, второй вход третьего элемента совпадения является входом синхронизации блока измерения асимметрии и соединен с вторым выходом распределителя импульсов блока управления, выход третьего элемента совпадения, подключенный к второму входу второго элемента совпадения, является импульсным выходом блока измерения асимметрии и соединен с вторыми входами вторых схем ИЛИ измерительного блока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению и измерительной технике, может быть использовано в горнодобывающей, металлургической и других отраслях для измерения расстояний до источника излучения сейсмических и акустических колебаний, например определения уровня горной массы в подземных емкостях.

Известен способ компенсации погрешностей акустического измерителя расстояний, основанный на том, что одновременно излучают акустические измерительные и реперные импульсы, их принимают, усиливают, разделяют во времени, формируют и интегрируют измерительный импульс и определяют расстояние, при этом формируют опорный сигнал, интегрируемый измерительный сигнал пропускают через управляемый усилитель, сравнивают с опорным сигналом, сигналом ошибки сравнения, управляют коэффициентом передачи управляемого усилителя, в момент приема реперного импульса запоминают коэффициент передачи управляемого усилителя, а расстояние определяют по величине проинтегрированного измерительного сигнала на выходе управляемого усилителя.

Этот способ реализован в акустическом измерителе расстояний, содержащем синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, излучатель и приемник акустического датчика, реперный отражатель, усилитель, схему разделения реперного и измерительного сигналов, триггеры измерительного и реперного интервалов, интегратор, причем синхронизатор соединен с триггерами реперного и измерительного интервалов, интегратором, схемой разделения реперного и измерительного сигналов, генератором зондирующих импульсов, который соединен с излучателем акустического датчика, а приемник акустического датчика через усилитель и схему разделения реперного и измерительного сигналов соединен с триггерами измерительного и реперного интервалов, выход триггера измерительного интервала соединен с входом интегратора, и снабженным управляемым усилителем, ключом, источником опорного напряжения, схемой сравнения и запоминающим конденсатором, причем управляемый усилитель соединен сигнальным входом с интегратором, выходом - с схемой сравнения, которая соединена с источником опорного напряжения и сигнальным входом ключа, управляющий вход которого соединен с триггером реперного интервала [1].

Недостатком этих способа и устройства является необходимость излучения акустических измерительных и реперных импульсов в моменты времени, задаваемые синхронизатором. Это затрудняет возможность компенсации погрешностей в условиях, когда моменты излучения сейсмических и акустических колебаний заранее неизвестны, причем принимаемые сигналы имеют характер случайногно процесса.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ компенсации погрешностей устройства дискретного контроля уровня кусковых материалов в подземных емкостях, реализованный в устройстве [2] и основанный на том, что одновременно принимают сигналы на разном расстоянии от подземной емкости, их усиливают, преобразуют путем двухуровневого квантования в измерительные импульсные последовательности, первую из них задерживают на дискретные интервалы времени, равные периоду тактовых импульсов, а вторую подвергают дискретизации по времени импульсами, период следования которых в целое число раз меньше периода тактовых импульсов, измеряют значения взаимной корреляционной функции импульсных последовательностей по порядковому номеру интервала задержки, на котором значение ординаты корреляционной функции максимально, определяют временной сдвиг между импульсными последовательностями и по нему находят искомую высоту уровня, при этом ординаты корреляционной функции измеряют сперва на первой тактовой частоте на К дискретных интервалах задержки, а затем на второй тактовой частоте в пределах интервала задержки с максимальным значением ординаты корреляционной функции, измеренной на первой тактовой частоте, причем вторая тактовая частота в К раз выше первой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство дискретного контроля уровня кусковых материалов в подземных емкостях, содержащее два датчика сейсмических колебаний, связанных механически через тело горного массива с емкостью и подключенных к измерительному блоку, причем датчики расположены на разном расстоянии от подземной емкости, измерительный блок состотит из первого и второго формирователя импульсов, входы которых подключены через первый и второй входы измерительного блока к первому и второму датчику сейсмических колебаний, генератора тактовых импульсов, делителя частоты, регистра сдвига, элементов совпадения, счетчиков, блока запоминания и обработки, подключенного к выходам счетчиков, причем выход первого формирователя подключен к информационному входу регистра сдвига, выход второго формирователя подключен к первому входу первого элемента совпадения, выход генератора подключен к второму входу первого элемента совпадения и через делитель частоты к тактовому входу регистра сдвига, вторые входы оставшихся элементов совпадения подключены к выходу первого элемента совпадения, а их выходы - к счетным входам счетчиков, выходы переполнения которых подключены к различным входам многовходового элемента ИЛИ, при этом в него введены групповые элементы ИЛИ, подключенные входами к группам выходов регистра сдвига, а выходами через первые ключи и далее через двухвходовые элементы ИЛИ - к первым входам элементов совпадения, число которых и число связанных с ними счетчиков равно квадратному корню из числа контролируемых дискретных уровней, коммутатор выходов, подключенный входами к первым в каждой группе выходам регистра сдвига, второй регистр сдвига, подключенный информационным входом через второй ключ к выходу коммутатора, тактовым входом к генератору, а выходами к вторым входам двухвходовых элементов ИЛИ, и блок управления, через информационные входы которого соединены выходы переполнения счетчиков с входами многовходового элемента ИЛИ, вход синхронизации блока управления соединен с выходом генератора, при этом блок запоминания и обработки снабжен двумя информационными входами, один из которых подключен к выходам переполнения счетчиков, а другой вместе с адресным входом коммутатора - к адресному выходу блока управления, первый выход управления последнего подключен к входам управления первых ключей, второй выход - к входу управления второго ключа, третий выход - к третьим входам элементов совпадения, связанных со счетчиками, четвертый выход - к входу управления блока запоминания и обработки, пятый выход - к входам обнуления счетчиков. Кроме того, блок управления выполнен в виде запоминающего регистра, подключенного информационным входом к информационному входу блока управления, а выходом к его адресному выходу, распределителя импульсов, первого и второго триггеров, элементов совпадения, из которых первый и второй подключены первыми входами к входу синхронизации блока управления, а выходами через элемент ИЛИ к входу распределителя импульсов, второй вход второго элемента совпадения соединен с выходом многовходового элемента ИЛИ, нулевой выход распределителя импульсов подключен к третьему выходу блока управления, первый выход - через третий и четвертый элементы совпадения к входам обнуления и установки первого триггера, соединенным соответственно с входом управления регистра и с четвертым выходом блока управления, второй выход через пятый и шестой элементы совпадения - к входам установки и обнуления второго триггера, третий выход - к второму входу первого элемента совпадения и к пятому выходу блока управления, инверсный и неинверсный выходы первого триггера соединены с вторыми входами пятого и шестого элементов совпадения, а инверсный и неинверсный выходы второго триггера подключены к вторым входам третьего и четвертого элементов совпадения, связанным соответственно с первым и вторым выходами блока управления [2].

Однако известные способ и устройство имеют следующие недостатки. Точность компенсации систематической погрешности, обусловленной дискретизацией сигналов и интервалов задержки, ограничивается длительностью периода следования импульсов на тактовой частоте, в пределах которого находится остаточная погрешность. Повышение точности требует увеличения числа измерительных счетчиков и других, связанных с ними элементов. Кроме того, измерение осуществляется за два цикла, из-за чего снижается быстродействие.

Цель изобретения - повышение точности компенсации и увеличение быстродействия за счет повышения частоты следования импульсов дискретизации.

Это достигается тем, что в способе компенсации погрешностей дискретного измерителя расстояний до источника излучения сейсмоакустических колебаний, основанном на том, что одновременно принимают сигналы на разном расстоянии от источника, их усиливают, преобразуют путем двухуровневого квантования в измерительные импульсные последовательности, первую из них задерживают на дискретные интервалы времени, равные периоду тактовых импульсов, а вторую подвергают дискретизации по времени импульсами, период следования которых меньше периода тактовых импульсов, измеряют значения взаимной корреляционной функции импульсных последовательностей по порядковому номеру интервала задержки, на котором значение ординаты корреляционной функции максимально, определяют временной сдвиг между импульсными последовательностями и по нему находят расстояние. Согласно изобретению дополнительно определяют асимметрию ординат измеренной корреляционной функции относительно ее максимума,а временной сдвиг находят из выражения

^* = j + T+_н1-_н2, (1) где ^*- оценка взаимного временного сдвига сигналов;

j - номер дискретного интервала задержки, на котором значение ординаты корреляционной функции максимально (j = 0,1,2,...);

n_j-1, n_j, n_j+1 - дискретные значения ординат взаимной корреляционной функции на (j-1)-м, j-м и (j+1)-м интервалах задержки;

Т - период повторения тактовых импульсов;

_н1, _н2 - корректирующие поправки на величину начального смещения, возникающего при задержке первой и в результате дискретизации второй измерительной импульсной последовательности, задаваемые характеристиками измерителя, _н1 T/2, Т_о/2 _н2 < Т_о;

Т_о - период повторения импульсов дискретизации.

При этом в дискретный измеритель расстояний до источника излучения сейсмоакустических колебаний, содержащий два датчика колебаний, связанных механически через среду с источником, расположенных на разном расстоянии от него и подключенных к измерительному блоку, состоящему из первого и второго формирователя импульсов, входы которых подключены через первый и второй входы измерительного блока к первому и второму датчику сейсмоакустических колебаний, генератора тактовых импульсов, делителя частоты, регистра сдвига, элементов совпадения, счетчиков, двухвходовых схем ИЛИ, число которых равно числу счетчиков, многовходовой схемы ИЛИ, блока управления, соединенного информационным входом с выходами переполнения счетчиков, а входом синхронизации с выходом генератора, и блока запоминания и обработки результатов, снабженного двумя информационными входами, первый из которых подключен к адресному выходу блока управления, причем выход первого формирователя подключен к информационному входу регистра сдвига, выход второго формирователя подключен к первому входу первого элемента совпадения, выход генератора подключен к второму входу первого элемента совпадения и, через делитель частоты к тактовому входу регистра сдвига, выходы которого соединены с первыми входами оставшихся элементов совпадения, подключенных вторыми входами к выходу первого элемента совпадения, блок управления связан первым управляющим выходом с третьим входом первого элемента совпадения, вторым выходом - с входом управления блока запоминания и обработки результатов и входом обнуления счетчиков, введен блок измерения асимметрии, подключенный информационным входом к выходам переполнения счетчиков, адресным входом к адресному выходу блока управления, информационным выходом к второму информационному входу блока запоминания и обработки, входом синхронизации к выходу генератора, импульсным выходом к входам двухвходовых схем ИЛИ, через которые выходы элементов совпадения связаны со счетными входами счетчиков, первым управляющим входом к первому, а вторым управляющим входом к третьему выходу блока управления, который оснащен вторым входом синхронизации, связанным с управляющим выходом блока измерения асимметрии, при этом выходы регистра сдвига подключены через многовходовую схему ИЛИ к четвертому входу первого элемента совпадения. Блок измерения асимметрии выполнен в виде первого и второго коммутаторов, первого, второго и третьего триггеров, счетчика импульсов, схема ИЛИ-НЕ и элементов совпадения, из которых первый и второй подключены выходами через схему ИЛИ-НЕ к счетному входу счетчика, первыми входами - к инверсным выходам первого и второго триггеров, вторыми входами вместе с импульсным выходом блока измерения асимметрии - к выходу третьего элемента совпадения, каждый i-й информационный вход первого коммутатора подключен к (i-1)-му разряду, а второго коммутатора - к (i+1)-му разряду информационного входа блока измерения асимметрии, адресные входы первого и второго коммутаторов подключены к адресному входу блока, а их выходы - к входам установки соответственно первого и второго триггеров, входы обнуления всех триггеров и счетчика соединены с первым управляющим входом блока, неинверсные выходы первого и второго триггеров подключены к входам четвертого элемента совпадения, кроме того, инверсный выход первого триггера и инверсный выход второго триггера связаны с входами пятого элемента совпадения, подключенного выходом к входу установки третьего триггера, неинверсный выход которого и выходы счетчика соединены с информационным выходом блока измерения асимметрии, первый вход третьего элемента совпадения подключен к второму управляющему входу блока, выход четвертого элемента совпадения подключен к управляющему выходу блока, его третий вход вместе с вторым входом третьего элемента совпадения соединен с входом синхронизации блока. Кроме того, блок управления, содержащий промежуточный регистр, распределитель импульсов, элемент совпадения и схему ИЛИ, подключен информационным входом через преобразователь кода к информационному входу регистра и через первую схему ИЛИ - к первому входу элемента совпадения, первым входом синхронизации - к второму входу элемента совпадения, связанного выходом с первым входом второй схемы ИЛИ, вторым входом синхронизации через вторую схему ИЛИ - к входу распределителя, адресным выходом - к выходу регистра, первым, вторым и третьим управляющим выходами - соответственно к четвертому , первому и второму выходам распределителя импульсов, соединенного третьим и четвертым выходами через третью схему ИЛИ с третьим входом элемента совпадения, а третьим выходом с входом управления регистра.

Сопоставительный анализ показывает, что предлагаемые способ и устройство отличаются от прототипа измерением асимметрии ординат корреляционной функции относительно ее максимума, определением временного сдвига сигналов с учетом относительной величины асимметрии. изменением состава и взаимосвязи элементов.

Таким образом, предлагаемый способ и устройство соответствуют критерию "новизна".

Сравнение предлагаемых технических решений с прототипом и другими техническими решениями в данной области техники показывает, что в известных решениях временной сдвиг сигналов от обоих датчиков, характеризующий расстояние до источника излучения сейсмических и акустических колебаний, определяется сперва в пределах суммы К дискретных интервалов задержки, а затем в пределах одного из интервалов, но на повышенной в К раз тактовой частоте. В предлагаемом техническом решении точность компенсации погрешности дискретности повышается благодаря дополнительной информации об асимметрии ординат измеренной корреляционной функции сигналов, а быстродействие - за счет того, что результат выдается за один цикл измерения вместо двух циклов по прототипу. Введение в предлагаемые способ и устройство новых признаков обеспечивает повышение точности компенсации, исключает зависимость остаточной погрешности дискретности от числа измерительных счетчиков, при этом результат измерения достигается в два раза быстрее, чем в прототипе. Следовательно, предложенные технические решения соответствуют критерию "существенные отличия".

На фиг.1 показано расположение датчиков относительно источника сейсмоакустических колебаний; на фиг.2 - схема дискретного измерителя расстояний, реализующего предлагаемый способ; на фиг.3 и 4 - графики, поясняющие работу способа и устройства, а также показывающие характер и пределы изменения погрешности до и после компенсации.

Предлагаемый способ включает следующие операции: одновременный прием сигналов на разном расстоянии от источника, их усиление, преобразование путем двухуровневого квантования в измерительные импульсные последовательности, задержку первой из них на дискретные интервалы времени, равные периоду тактовых импульсов, дискретизацию второй, сдвинутой по времени последовательности импульсами с меньшим чем у тактовых импульсов периодом следования, измерение ординат взаимной корреляционной функции импульсных последовательностей на интервалах задержки, измерение асимметрии ординат корреляционной функции относительно ее максимума, оценку по выражению (1) взаимного временного сдвига принятых сигналов и определение по этому сдвигу искомого расстояния.

Источниками излучения сейсмических и акустических колебаний могут быть, например, подземная технологическая емкость для промежуточного накопления и хранения горной массы, в которой колебания возбуждаются на уровне заполнения ударами падающего кускового материала, подземные коммуникации, используемые для транспортирования жидких и газообразных продуктов под избыточным давлением и излучающие шумы в местах повреждения, человек, находящийся под снежным или иным завалом и подающий аварийные сигналы, и другие объекты. Между источником 1 сейсмических и акустических колебаний, находящимся в точке А, существует механическая связь через физическую среду 2 (например, через тело горного массива) с датчиками 3 и 4, установленными в точках В и С. Датчик 3 размещен на кратчайшем расстоянии АВ от источника 1, а датчик 4 - на известном расстоянии ВС от датчика 3 (при этом АВ < АС). Датчики 3 и 4 соединены электрически с измерительным блоком.

Кроме датчиков 3 и 4 дискретный измеритель расстояний, осуществляющий предлагаемый способ, содержит подключенные к датчикам формирователи 5 и 6 прямоугольных импульсов, выполненные в виде усилителя и триггера Шмитта (при необходимости в их состав включается полосовый фильтр), генератор 7 импульсов, подключенный через делитель частоты 8 к тактовому входу регистра сдвига 9, который связан информационным входом с выходои формирователя 5, а выходами - через схему ИЛИ 10 с входом элемента совпадения 11, подключенного другими входами к выходу формирователя 6 и генератору 7, а выходом через элементы 12 совпадения и схему ИЛИ 13 к счетным входам счетчиков 14, причем элементы 12 соединены входами с выходами регистра 9, блок 15 управления, блок 16 измерения асимметрии и блок 17 запоминания и обработки результатов измерения, подключенный первым информационным входом вместе с адресным входом блока 16 к адресному выходу блока 15, вторым информационым входом к информационному выходу блока 16, информационные входы блоков 15 и 16 соединены с выходами переполнения счетчиков 14, первый вход синхронизации блока 15 и вход синхронизации блока 16 - с выходом генератора 7. Блок 15 управления содержит преобразователь кода 18, схему ИЛИ 19, входы которых соединены с информационным входом блока 15, выход преобразователя 18 подключен к информационному входу промежуточного регистра 20, связанного своим выходом с адресным выходом блока 15, элемент 21 совпадения, схему ИЛИ 22, распределитель импульсов 23, подключенный четвертым выходом через первый управляющий выход блока 15 к первому управляющему входу блока 16, к входу элемента 11 и через схему ИЛИ 24 к входу элемента 21, связанного другими входами с выходом схемы ИЛИ 19 и первым входом синхронизации блока 15, а выходом через схему ИЛИ 22 подключенным другим входом к второму входу синхронизации блока 15 с входом распределителя импульсов 23, третий вход которого подключен к управляющему входу регистра 20 и входу схемы ИЛИ 24, его второй выход через третий выход блока 15 - к второму управляющему входу блока 16, а первый выход распределителя 23 через второй выход блока 15 - к управляющему входу блока 17 и к входам обнуления счетчиков 14. Блок 16 измерения асимметрии состоит из коммутаторов (мультиплексоров) 25 и 26, подключенных адресными входами к адресному входу блока 16, триггеров 27, 28 29, элементов совпадения 30 - 34, схемы ИЛИ-НЕ 35 и счетчика 36, информационные выходы которого и выход триггера 29 подключены к информационному выходу блока 16, вход синхронизации которого соединен с входами элементов 30 и 31 совпадения, первый управляющий вход - с входами обнуления триггеров 27, 28, 29 и счетчика 36, второй управляющий вход - с входом элемента 31 совпадения, связанного выходом через элементы 33, 34 совпадения, и далее через схему ИЛИ-НЕ 35 со счетным входом счетчика 36, а через импульсный выход блока 16 с вторыми входами схемы ИЛИ 13, каждый i-й информационный вход коммутатора 25 подключен к (i-1)-му разряду, а коммутатора 26 - к (i+1)-му разряду информационного входа блока 16, входы установки триггеров 27 и 28 подключены к выходам коммутаторов 25 и 26, их инверсные выходы - к входам элементов 33 и 34, неинверсные выходы - к входам элемента 30, соединенного выходом через управляющий выход блока 16 со вторым входом синхронизации блока 15, неинверcный выход триггера 27 и инверсный выход триггера 28 связаны через элемент 32 с входом установки триггера 29.

Устройство работает следующим образом.

Излучаемые источником 1 сейсмические и акустические колебания распространяются в физической среде 2, окружающей источник 1, и возбуждают в датчиках 3 и 4 электрические сигналы. В приближенном к источнику датчике 3 сигнал появляется раньше, чем в отдаленном датчике 4. Временной сдвиг сигналов, определяемый разностью хода сейсмических и акустических лучей через среду 2 от точки А до точек В и С, где установлены датчики 3 и 4. функционально связан с расстоянием между датчиком 3 и источником 1 колебаний. Чем больше расстояние АВ при фиксированном базовом расстоянии ВС, тем меньше разность хода сейсмических и акустических лучей и соответственно короче время сдвига сигнала отдаленного датчика 4 относительно сигнала ближнего датчика 3. Сигналы, поступающие от датчиков 3 и 4 в измерительный блок, по своей структуре идентичны, поскольку излучаются общим для обоих датчиков источником 1 колебаний. Полезные сигналы от датчиков 3 и 4, которые могут искажаться помехами, физически связаны между собой взаимным временным сдвигом, что позволяет выделить их из смеси с помехами и измерить величину указанного сдвига путем совместной корреляционной обработки сигналов. При цифровом измерении временного сдвига возникают погрешности, обусловленные преобразованием сигналов и представлением непрерывных величин через их дискретные отсчеты. Первая составляющая систематической погрешности образуется при формировании дискретных интервалов задержки, вторая - при дополнительной временной дискретизации сигнала, третья - это разность между оценкой взаимного временного сдвига принятых сигналов, выраженной числом дискретных интервалов задержки, и истинным значением этого сдвга. Первые две составляющие постоянны, их значения определяются характеристиками измерителя. Значение третьей составляющей зависит от значения измеряемого временного сдвига.Сигналы от датчиков 3 и 4 поступают на формирователи 5 и 6, где усиливаются и преобразуются посредством двухуровневого квантования, осуществляемого с помощью триггера Шмитта, в измерительную импульсную последовательность. Амплитуда импульсов последовательности постоянна и соответствует уровню логической единицы, а их длительность и скважность меняется в зависимости от параметров входного сигнала. В формирователях 5 и 6 может осуществляться фильтрация сигналов с целью лучшего выделения полезного сигнала. С выхода формирователя 5 сигнал поступает на информационный вход регистра сдвига 9 непосредствено либо через схему коррекции начального смещения первой измерительной импульсной последовательности относительно тактовых импульсов (не показано). На регистре 9 осуществляется задержка сигнала с интервалом, равным периоду Т тактовых импульсов, поступающих на тактовый вход от генератора 7 через делитель частоты 8. При наличии на информационном входе единичного сигнала в нулевой разряд регистра 9 записываются единицы, а при их отсутствии - нули. По мере продвижения сигналов логических единиц и нулей по регистру 9 эти сигналы последовательно появляются на его разрядных выходах, откуда поступают на входы элементов совпадения 12 и через схему ИЛИ 10, на вход элемента 11.

На вторые входы элементов 12 одновременно подаются группы импульсов от генератора 7 через элемент 11, если он открыт единичными сигналами с выхода схемы ИЛИ 10, с первого управляющего выхода блока 15 и импульсами второй измерительной последовательности, поступающей с выхода формирователя 6. Тем самым эта измерительная импульсная последовательность подвергается на элементе 11 дополнительной временной дискретизации импульсами от генератора 7, период следования которых равен То<Т, с целью последующего цифрового измерения ординат взаимной корреляционной функции и их асимметрии с заданной точностью. С выходов элементов 12 группы импульсов поступают через схему ИЛИ 13 на счетные входы счетчиков 14. Интенсивность появления импульсов (среднее число импульсов за единицу времени) максимальна на том интервале задержки и соответственно на выходе того элемента 12, на котором происходит совпадение сигнала от датчика 3 , задержанного регистром 9, с одноименным сигналом от датчика 4. Поэтому счетчик 14 на данном интервале задержки переполняется в процессе измерения раньше других. Номер переполнения счетчика 14 определяет число интервалов (тактов) задержки, соответствующее значению временного сдвига сигналов с учетом погрешности дискретности, равной Т/2. Сигналы с выходов переполнения счетчиков 14 подаются на информационные входы блока 15 управления и блока 16 измерения асимметрии. Результат измерения обрабатывается блоком 17 запоминания и обработки, на первый информационный вход которого поступает код номера переполненного счетчика 14 с адресного выхода блока 15, а на второй информационный вход - дополнительная информация с информационного выхода блока 16 о значении и знаке разности чисел импульсов, накопленных смежными с переполненным счетчиками.

Сигнал переполнения любого из счетчиков 14 поступает через информационный вход блока 15 на преобразователь кода 18 и через схему ИЛИ 19 на вход элемента 21, на другой вход которого в это время подается единичный сигнал с четвертого выхода распределителя 23 импульсов через схему ИЛИ 24. Через открытый элемент 21 и схему ИЛИ 22 с первого входа синхронизации блока 15 проходит первый синхронизирующий импульс, переключающий распределитель 23 в состояние, когда единичный сигнал исчезает на четвертом и появляется на его третьем выходе. При этом прекращается поступление импульсов с выхода элемента 11, так как он закрывается нулевым сигналом, поступающим через первый управляющий выход блока 15 с четвертого выхода распределителя 23, и тем самым фиксируется состояние счетчиков 14 с сигналом переполнения одного из них. Единичный сигнал с третьего выхода распределителя 23 поступает на вход элемента 21 через схему ИЛИ 24 и на управляющий вход регистра 20, в котором запоминается код номера переполненного счетчика 14, формируемый преобразователем кода 18. Второй синхронизирующий импульс переводит распределитель 23 в состояние, при котором единичный сигнал появляется только на его втором выходе, откуда подается на третий выход блока 15 управления. Поступление импульсов на распределитель 23 с первого входа синхронизации блока 15 прекращается на время измерения асимметрии, поскольку элемент 21 закрыт нулевым сигналом с выхода схемы ИЛИ 24. Исходное состояние блока 16 измерения асимметрии устанавливается единичным сигналом, поступающим с первого выхода блока 15 через первый управляющий вход блока 16 на входы обнуления триггеров 27, 28, 29 и счетчика 36. С адресного выхода блока 15 через адресный вход блока 16 на адресные входы коммутаторов 25 и 26 подается код j-го счетчика 14, переполненного раньше других в данном цикле измерения. Учитывая, что информационный вход блока 16 подключен к информационным входам коммутаторов 25 и 26 со смещением номеров разрядов соответственно на +1 и на -1, выходы коммутаторов соединяются согласно коду j-го счетчика через информационный вход блока 16 с выходами переполнения (j-1)-го и (j+1)-го счетчиков 14.

В момент поступления единичного сигнала с третьего выхода блока 15 через второй управляющий вход блока 16 на вход элемента 31 через него начинают проходить импульсы с входа синхронизации блока 16 на входы элементов совпадения 33,34 и через импульсный выход блока 16 и схему ИЛИ 13 на счетные входы всех счетчиков 14. При этом,поскольку элементы совпадения 33 и 34 открыты единичными сигналами с инверсных выходов триггеров 27 и 28, импульсы проходят через них на входы схемы ИЛИ-НЕ 35, на выходе которой импульсы появляются при их наличии только на одном из ее входов. При переполнении (j-1)-го [либо (j+1)-го] счетчика 14 единичный сигнал, поступающий с его выхода переполнения через коммутатор 25 (26), переключает триггер 27 (28), в результате чего закрывается элемент совпадения 33 (34) нулевым сигналом инверсного выхода триггера 27 (28). С этого момента импульсы продолжают поступать только на один из входов схемы ИЛИ-НЕ 35 и счетчик 36 начинает подсчет его выходных импульсов. В зависимости от очередности поступления сигналов переполнения и соответственно переключения триггеров 27 и 28 триггер 29 либо переключается сигналом с выхода элемента совпадения 32 (если первым переключается триггер 27), либо остается в исходном состоянии (если первым переключается триггер 28). Значение сигнала на выходе триггера 29 определяют знак измеряемой асимметрии. При переполнении второго, смежного с j-тым, счетчика 14 единичным сигналом с его выхода переполнения переключается второй из триггеров 27 и 28, в результате чего прекращается поступление импульсов на счетчик 36. Результат измерения асимметрии подается с информационного выхода счетчика 36 и триггера 29 через информационный выход блока 16 на второй информационный вход блока 17. При этом единичные сигналы с неинверсных выходов триггеров 27 и 28 открывают элемент совпадения 30, через который проходят импульсы с входа синхронизации на второй управляющий выход блока 16 и далее через второй вход синхронизации блока 15 и схему ИЛИ 22 на вход распределителя 23 импульсов.

Третий синхронизирующий импульс переключает распределитель 23 так, что единичный сигнал на втором выходе исчезает, закрывая тем самым элемент 31 в блоке 16, и появляется на первом выходе распределителя, откуда поступает через второй выход блока 15 на вход управления блока 17 запоминания и обработки результатов и на входы обнудения счетчиков 14. По этому сигналу в блоке 17 фиксируются данные, присутствующие на его информационных входах, а именно код номера переполненного счетчика 14, значение и знак разности чисел импульсов на счетчиках 14, смежных с переполнением счетчиком. Четвертый синхронизирующий импульс переводит распределитель 23 в исходное состояние, при котором единичный сигнал присутствует только на его четвертом выходе. По этому сигналу, поступающему через первый выход блока 15 на вход обнуления триггеров 27, 28, 29 и счетчика 36 в блоке 16 и на вход элемента совпадения 11, завершается текущий и начинается очередной цикл измерения. Элемент 30 закрывается нулевыми сигналами триггеров 27 и 28, поэтому поступление синхронизирующих импульсов на распределитель 23 прекращается до момента переполнения одного из счетчиков 14 в следующем цикле измерения. В блоке 17 осуществляется вычисление согласно выражению (1) временного сдвига сигналов и по нему искомого расстояния до источника сейсмических и акустических колебаний. Для этого в блок 17 предварительно вводятся данные о скорости распространения колебаний в среде 2, расстоянии между датчиками 3 и 4, максимальном значении n_j ординаты корреляционной функции, равном емкости счетчика 14, значениях поправок _н1, _н2 и других.

Значение корректирующей поправки _н1 определяется погрешностью, возникающей при формировании дискретных интервалов задержки на регистре сдвига 9. При подаче импульсов первой измерительной последовательности на информационный вход регистра 9 непосредственно с выхода формирователя 5 они смещаются относительно тактовых импульсов в среднем на величину Т/2. В этом случае значение поправки _н1 = Т/2. Если указанные импульсы поступают на информационный вход регистра 9 через схему предварительной коррекции их начального смещения, то значение поправки _н1 0. Поправка _н2, компенсирующая начальное смещение второй измерительной импульсной последовательности, которое возникает вследствие ее дискретизации на элементе совпадения 11, зависит от скважности импульсов дискретизации. При скважности, равной двум, начальное смещение в среднем равно Т_о/2 и соответственно значение поправки _н2 = = Т_о/2. При увеличении скважности это смещение возрастает (не достигая значения Т_о). Точность компенсации погрешностей определяется точностью измерения ординат взаимной корреляционной функции и их асимметрии, что в свою очередь зависит от частоты следования импульсов дискретизации. С повышением частоты возрастает точность компенсации и соответственно точность результата измерения. Поэтому длительность периода Т_овыбирается исходя из предельно допустимого значения остаточной погрешности дикретности. Если при этом период Т тактовых импульсов выбран из условия, при котором он не превышает половины периода высокочастотной составляющей входного сигнала, то после компенсации всех составляющих систематической погрешности пределы остаточной погрешности, не скомпенсированной в силу ее малости, составляют Т_о/2 при среднем значении, равном или близким к нулю, и среднем квадратическом отклонении порядка Т_о/2.

В примере, приведенном на фиг.3 и в таблице, показано изменение остаточной погрешности с уменьшением длительности периода Т_о в пределах 1,0-0,0625 мс при фиксированном значении интервала задержки Т = 1 мс ( К= Т/Т_о = 1,2,4,8,16), действительных значениях сдвига _о = 9,1 мс и измеряемого расстояния z_о = 28,55 м, значениях поправок _н1 = Т/2, _н2 = T_o/2. В этом примере максимальное число импульсов при всех значениях Т_о накапливается на счетчике N 9. Если учесть только поправку _н1, то без компенсации остальных составляющих систематической погрешности оценка сдвига составляет *₁ = 9Т + _н1 = =9,5 0,5мс, а действительная погрешность ₁ = *1 _{- о} = 0,4 мс. Соответственно оценка измеряемого расстояния в этом случае Z*₁ = =26,17 м, пределы погрешности -2,77 . . .+3,03 м, действительная погрешность Z₁* = 26,17-28,55 = -2,38 м. Оценки сдвига ₂*, полученные после компенсации погрешностей по выражению (1), расстояния Z₂*, значения остаточной погрешности ₂ = ₂* - о и Z₂ = Z*₂ - Z_о приведены в таблице.

На фиг.4 показаны пределы и характер изменения погрешности на двух интервалах задержки Т до компенсации (погрешность ₁/Т) и после компенсации (остаточная погрешность ₂/Т) систематической погрешности в зависимости от фазы тактовых импульсов относительно момента совпадения отстающего входного сигнала с опережающим сигналом, задержанным на регистре 9. Изменения погрешности показаны на отрезке временного сдвига = =7,8...10,2 мс при изменении действительного значения сдвига _очерез 0,1 и частично через 0,05 мс, интервале задержки Т = 1 мс, отношении К = Т/Т_о = 8.

Из примеров видно, что оценки сдвига *, полученные из выражения (1), тем ближе к действительным значениям _о, чем меньше длительность периода Т_о следования импульсов дискретизации. Повышение точности компенсации погрешностей за счет повышения частоты следования импульсов дискретизации достигается без увеличения числа счетчиков 14, но требует увеличения их емкости (фиг.3). Остаточная погрешность дискретности после компенсации не выходит за пределы Т_о/2 при всех значениях периода Т_оимпульсов дискретизации и фазы тактовых импульсов. Среднее арифметическое значение остаточной погрешности ₂ (фиг.4) 0,0072 мс, т.е. |0,0072 мс| << Т_о = 0,125 мс. а ее среднее квадратическое отклонение 0,03 мс T_o/2 = 0,036 мс.

Если применяется схема предварительной коррекции начального сдвига первой измерительной импульсной последовательности (не показана) и _н1= 0, то эти величины при указанных выше исходных данных соответственно равны 0,0022 мс << Т_о, 0,04 мс T_o/2.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство обеспечивают компенсацию всех составляющих систематической погрешности результата измерения, обусловленных дискретизацией сигналов и интервала задержки опережающего по времени сигнала, а также сокращают время измерения. В отличие от прототипа точность компенсации погрешностей в них не зависит от значения периода следования тактовых импульсов, повышение точности достигается без увеличения числа измерительных счетчиков. Остаточная погрешность после компенсации определяется частотой следования импульсов дискретизации отстающего по времени сигнала, причем ее абсолютное значение не превышает половины периода следования импульсов дискретизации независимо от периода и фазы тактовых импульсов.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемых способа и устройства обеспечивается за счет повышения точности определения расстояния до источника излучения сейсмических и акустических колебаний и сокращения времени измерения.