Диссертация (1143140), страница 48
Текст из файла (страница 48)
В сложных 3D системах математическая задачараспространения ударных волн вообще может не иметь решения из-за значительной разностиначальных условий по моментам возникновения ударных волн (взрывов). Таким образом,возникаетнастоятельнаянеобходимостьэкспериментальногоизмерениявременныхинтервалов между командой «старт» от сейсмостанции и реальным срабатыванием источникаударных волн (взрыва толовой шашки). При наличии таких измерений в программу обработки239сейсмограммы устанавливается истинное значение начальных условий математическойзадачи распространения ударных волн, и локация месторождения производится с точнойпривязкой к местности.
Бурение промышленной скважины для добычи нефти и газа попредсказаниям сейсморазведки при такой технологии с большей вероятностью обеспечитположительный результат.Таким образом, актуальной задачей сейсморазведки является точное измерениевременныхинтерваловмежду командой«Старт» отсейсмостанциииреальнымсрабатыванием источника ударных волн (взрыва толовой шашки). Разработанное вдиссертации приемно-преобразующее устройство, осуществляющее данное измерение,получило название «волоконно-оптический регистратор временных задержек моментовсрабатывания источников ударных волн в сейсморазведке».
Техническая реализациярегистратора выполнена на элементной базе программируемых логических интегральныхсхем (ПЛИС) фирмы Altera семейства Cyclone IV. Чувствительный элемент регистраторадолжен работать в условиях сильных электромагнитных помех, связанных со значительнымтоком разряда конденсатора, формирующего импульс подрыва толовой шашки. Поэтому вкачестве разрываемой линии выбрано волокно как среда, нейтральная к электромагнитнымпомехам. В случае использования обычной проводной линии (например, медной) наизмерение интервала времени существенным образом скажутся электромагнитные наводки отсильноточного искрового индуктора, подрывающего толовую шашку.Волоконно-оптический регистратор временных задержек моментов срабатыванияисточников ударных волн представляет собой специализированное аппаратное средство,объединяющее высокоскоростную систему сбора данных с первичной обработкой сигналовдатчика.
Поэтому при реализации принято решение использовать в качестве элементной базырегистратора ПЛИС на основе FPGA Cyclone IV EP4CE22F17C6N. Микросхема ПЛИСсодержит 22 320 логических элементов (LE), 594 кбит встроенной памяти, 66 перемножителей18×18, 4 PLL общего пользования, 153 ввода/вывода. В ПЛИС из логических блоковформируется процессорное ядро NIOS II, что позволяет программировать на языке С/С++.Совместное использование аппаратной части ПЛИС и программы для процессорного ядраNIOS II образуют так называемую однокристальную систему (System On Chip – SoC).Волоконно-оптический регистратор временных задержек моментов срабатыванияисточников ударных волн измеряет интервал времени между приходом команды «Старт» отсинхронизатора сейсмостанции и реальным срабатыванием источника ударных волн (взрыватоловой шашки) с целью повышения точного измерения временных начальных условийматематической задачи распространения ударных волн с точностью ~100 нс.Принцип использования регистратора в сейсморазведке состоит в следующем.240Волоконно-оптическая линия заводится в область, подвергающуюся прямому воздействиюисточника ударных волн (например, обвивает толовую шашку).
Момент разрыва волоконнооптической линии точно совпадает с моментом срабатывания источника ударных волн.Разрабатываемый регистратор измеряет интервал времени между приходом команды «Старт»от сейсмостанции (разъем «Источник») и моментом разрыва волоконно-оптической линии.Измеренный таким образом интервал записывается в виде числа в наносекундах либо на SDкарту, либо передается по линии связи в центр обработки сейсмограмм, где значениеинтервала считывается и вводится в качестве начального временного условия в программуобработки данных.Принцип регистрации временных задержек моментов срабатывания источниковВременные диаграммы функционирования регистратора в системесейсморазведкиударных волн поясняет рис.
7-7.Сигнал «Старт» отсейсмостанцииСигнал «Старт» от сейсмостанцииtВыходной сигналоптическогопередатчикаtОптическийсигнал на входеприемникаМомент разрыва ВОЛtСигналразрешения счетаимпульсовtСчетныеимпульсы 50 МГцtСигналразрешениязаписи на SD картуСтартВремя задержки моментасрабатывания источникаударных волн - t задСтопtРис.
7-7. Временные диаграммы функционирования регистратораЭлектронный блок регистратора вырабатывает непрерывный, промодулированныйчастотой 50 МГц, оптический сигнал, распространяющийся по ВОЛ. В момент приходасигнала «Старт» от синхронизатора сейсмостанции в ПЛИС формируется передний фронтсигнала «разрешения счета импульсов» и уровень этого сигнала устанавливается в значениевысокого уровня. Запускается основной счетчик регистратора, на вход которого подаютсяимпульсы кварцевого генератора. В момент подрыва источника ударных волн (толовойшашки) ВОЛ разрывается, оптический сигнал не достигает фотоприемного устройстваэлектронного модуля.
Как только в принимаемой последовательности импульсов пропадаетхотя бы один импульс 50 МГц, вырабатывается задний фронт сигнала «разрешения счетаимпульсов» и уровень этого сигнала устанавливается в значение низкого уровня. Сигнал«разрешения счета импульсов» стробирует основной счетчик регистратора, то есть при241высоком уровне счетчик инкрементирует свое значение, при низком – останавливается. Такимобразом, количество периодов опорной частоты в промежутке между событиями «Старт –разрыв волокна» содержится в разрядах главного счетчика. В ПЛИС выход главного счетчикапредставляет параллельную 48-ми разрядную шину.
Семейство ПЛИС ALTERA Cyclon IVпозволяет внутри кристалла сформировать процессор, который имеет название NIOS II. Навход процессора подаются сигналы разрядов главного счетчика. Процессор с этой шинысчитывает уровни разрядов, преобразует их в число. Для расчета интервала времени числоимпульсов процессор умножает на период опорной последовательности импульсов, которыйсоставляет значение 20 нс. Запись измеренного регистратором интервала времени на SD-картупроисходит при высоком уровне сигнала «разрешения записи на SD-карту».
Этот сигналформирует ПЛИС.Волоконно-оптическая линия регистратора моментов срабатывания источников ударныхволн выполнена по топологии «линия» и имеет 4-ре разъемных соединения. Сигнал,передаваемый по волокну 62,5/125 мкм, представляет собой последовательность импульсовИКМ со скоростью передачи B = 50 Мбит/с. В качестве источника оптического излученияиспользуется InGaAsP светодиод на длину волны λ = 1300 мкм с шириной спектральной линии∆λ = 130 нм и оптической мощностью в волокне -14 дБм.
Длительность фронтов оптическихимпульсов – 2 нс. Фотоприемное устройство на основе InGaAs pin фотодиода ималошумящего трансимпедансного усилителя имеет пороговую чувствительность -45 дБм иполосу пропускания 125 МГц. В волоконно-оптической линии используется градиентноемногомодовое волокно фирмы «Corning» 62.5/125 мкм. Затухание на рабочей длине волны(λ = 1300 нм) составляет αλ = 0.7 дБ/км. Рабочий температурный диапазон –60+85° С.Энергетический бюджет волоконно-оптической линии составляет 7.2 дБ, а максимальнаядлина ВОЛ, определяемая делением энергетического бюджета на затухание оптическогосигнала в градиентном многомодовом волокне, составляет 10,2 км.
Учет модовой,материальной и волноводной дисперсий в волокне, быстродействия передающего и приемногомодулей ППУ, ширины спектральной линии светодиода, определил максимальное значениедлины ВОЛ 8.1 км. Это величина меньше рассчитанной длины линии по энергетическомубюджету. Таким образом, спроектированное значение максимальной длины ВОЛ (≈ 8 км),вполне соответствует техническим требованиям к регистратору.Внешний вид экспериментального макета волоконно-оптического регистраторавременных задержек моментов срабатывания источников ударных волн представлен на рис.7-8. Два отрезка волоконно-оптического кабеля соединены между собой втулкой,позволяющей легко разъединять волокна, что при испытаниях соответствует разрыву волокнав реальных условиях.242Рис.
7-8. Экспериментальный макет регистратора.Многократная проверка записи временных интервалов на SD-карту показалабесперебойную работу микропроцессора NIOS II, то есть при превышении 1-го мкВтоптической мощности на ФПУ незаписанных файлов на SD-карту выявлено не было. Такимобразом, разработанный волоконно-оптический регистратор прошел первичные тестовыелабораторные испытания, точность измерения временного интервала составила величинупорядка 100 нс. В настоящее время регистратор проходит полевые испытания на объектахгеологоразведки полезных ископаемых с целью внедрения в промышленные системы.7.2Газоанализаторы на основе эффекта проявления МоЯК, использующиеразработанные радиотехнические приемно-преобразующие устройстваПри конструировании ППУ газоанализаторов на основе эффекта проявления МоЯК,дополнительно к предложенным автором методикам Главы 3 и 4 потребовалась разработкаконструктива фотометра ППУ, компоновка узлов газоанализатора в единый переноснойкорпус, обеспечение пневматической и электрической схем соединения узлов, работающихпод управлением УРОИ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
