Устройство сейсмической связи

Изобретение относится к области радиотехники, в частности реализации шахтной связи путем беспроводной передачи сигнала через толщу горных пород и может быть использовано для задач геокартирования в инженерной сейсморазведке.

Известно: «Устройство беспроводной аварийно-технологической сигнализации и связи» (Патент RU 2131515, МПК G08B 7/06, опубликован 27.09.2009) [1]. Известное устройство включает в себя установленный на поверхности земли передающий комплект, длинные антенны с заземлителями, излучающие низкочастотное магнитное поле, расположенный в шахтной выработке приемный комплект, содержащий антенну, подключенную к входу преобразователя. Дополнительно приемный комплект снабжен шахтерским радиомаяком, для каждого рабочего, и мобильным поисковым шахтным пеленгатором.

Недостатком известного устройства беспроводной аварийной связи является невозможность реализации канала связи из горной выработки на поверхность Земли, так как невозможно разместить в выработке антенну больших размеров, необходимую для передачи сигнала.

Известна «Система сейсмической телеметрии и связи» (Патент US 2011/0310701 A1, опубликован 22.12.2011) [2]. Система предназначена для передачи телеметрических данных между подземной структурой и поверхностью Земли. Система включает в себя сеть приемных устройств, в пределах подземной структуры, которая собирает данные телеметрии от передатчика данных, расположенного в пределах подземной структуры. Подземная радиостанция предназначена для связи с сетью приемных устройств и включает в себя подземное устройство обработки для преобразования данных телеметрии в закодированный сигнал. Управляемый сейсмический передатчик, находящийся в контакте с подземной структурой, передает закодированный сейсмический сигнал через горную породу. Система включает в себя также приемную станцию на поверхности Земли, имеющую в составе сейсмические датчики, образующие фазированную антенную решетку, и блок обработки сигналов (БОС). Сейсмические датчики находятся в контакте с грунтом, на поверхности Земли. Блок обработки сигналов связан с сейсмическими датчиками, через соответствующие усилители, и может преобразовывать принятый закодированный сейсмический сигнал в данные телеметрии.

Недостатком известной системы беспроводной сейсмической связи является недостаточная мощность принимаемого сигнала и помехоустойчивость передачи, также невозможность определения направления прихода сейсмического сигнала в аварийной ситуации, так как нет возможности управления размерами и направлением диаграммы направленности.

Задачей предлагаемого технического решения является реализация аварийной беспроводной системы с большей мощностью принимаемого сигнала, помехоустойчивостью передачи, а также реализация системы для определения направления прихода сейсмического сигнала в аварийной ситуации путем создания системы управления диаграммой направленности.

Для решения поставленной задачи в систему сейсмической телеметрии и связи, содержащую сейсмические передатчики, расположенные в шахтной выработке, и сейсмический приемник, расположенный на поверхности Земли, включающий в себя N сейсмических датчиков, соответственно образующих антенную решетку, N усилителей и блок обработки сигналов, согласно изобретению каждый из N сейсмических датчиков через соответствующий усилитель соединен с коммутатором, выход которого соединен через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера, являющегося и входом блока обработки сигналов, который содержит N оперативных запоминающих устройств, подключенных к микроконтроллеру по N-разрядной двунаправленной шине, N управляемых цифровых линий задержки, каждая из которых соединена входом с выходом микроконтроллера по N-разрядной шине, а выходом с соответствующим входом сумматора, который одним выходом подключен через измеритель отношения сигнал/шум, ко второму входу микроконтроллера, а другим выходом к дешифратору, который одним выходом подсоединен к индикатору, а вторым к радиопередающему устройству.

На фиг. 1 схематично представлено заявляемое устройство. На фиг. 2 схематично представлена реализация узкой диаграммы направленности для приема сигнала при помощи антенной решетки.

Устройство сейсмической связи содержит M сейсмических передатчиков 1_1…, 1_M, расположенных в защитных камерах в горных выработках, N сейсмических датчиков (2₁…2_N) расположенных на поверхности Земли и образующих фазированную антенную решетку по двум направлениям x и y. Каждый из N датчиков соединен через соответствующий усилитель (3₁…3_Ν), с коммутатором 4, выходом, соединенным с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 5. АЦП подсоединен к входу микроконтроллера (МК) 6, являющегося входом и блока обработки сигналов (БОС). МК по двунаправленной N-разрядной шине соединен с N блоками ОЗУ (7₁…7_Ν), и по другой N-разрядной шине с N управляемыми цифровыми линиями задержки (8₁…8_Ν), соединенных выходами с сумматором 9. Он включает в себя N входов, одним выходом через измеритель отношения сигнал/шум 10 соединенным с микроконтроллером, а другим с дешифратором 11, который соединен с индикатором 12 и радиопередающим устройством 13. Антенная решетка из сейсмических датчиков создает диаграмму направленности (ДН) решетки x 14, сечение «пятна» решетки x на дне шахты 15, сечение «пятна» обеих решеток x и y 16.

При отсутствии аварийной ситуации в шахтной выработке для связи с поверхностью и оповещения персонала возможно использование простых абонентских телефонных линий. Однако при возникновении аварийной ситуации в шахте (взрывы, обвалы, обрушения), проводные средства связи могут выйти из строя, следовательно, для обеспечения аварийной связи, шахтной выработки с поверхностью, включается дополнительный сейсмический канал связи. Для защиты персонала в шахтной выработке обычно создается прочная защитная камера для его временного укрытия, в которой расположен сейсмический передатчик. В шахтной выработке могут находиться и другие защитные камеры для персонала с сейсмическими передатчиками (1₁…1_M). При необходимости передачи аварийного сообщения оператор использует компьютер. Для набора сообщения используется клавиатура или предоставляется выбор заранее записанных текстовых сообщений для передачи. Далее осуществляется обработка сообщения, а также генерация кода и обеспечение последовательности передачи элементов сообщения. Совместно со схемой синхронизации, которая подает импульсы для формирования протокола связи, блок кодирования управляет последовательностью сейсмических импульсов, задавая работу сейсмического источника, включенного в сейсмический передатчик 1. Электропитание сейсмического передатчика в аварийной ситуации может обеспечиваться импульсным источником бесперебойного питания, который включает в себя несколько аккумуляторных батарей и преобразователь напряжения, для его повышения, что необходимо для работы сейсмического источника [3]. Сейсмический источник механически соединен с излучающим стержнем, вмурованным в стену шахтной выработки, который является также частью сейсмического передатчика для излучения сейсмического сигнала в породу. Далее сейсмический сигнал поступает через породу на входы N сейсмических датчиков (2₁…2_Ν), размещенных на поверхности Земли, в виде ортогонально расположенных линейных групп и образующих фазированную антенную решетку. Это необходимо для создания узконаправленной подвижной диаграммы направленности при помощи подстройки задержек сигналов. Диаграмма направленности такого вида обеспечивает быстрый поиск активного сейсмического передатчика и точное определение места его положения. Количество сейсмических датчиков выбирается в зависимости от конкретной шумовой обстановки в районе их расположения, так как их число влияет на уровень отношения сигнал/шум по напряжению q_u, и определяется исходя из минимальной вероятности ошибки.

Отношение сигнал/шум по напряжению q_u для одного сейсмического датчика находится по формуле [4]:

где U_c - уровень полезного сигнала [B],

U_ш - уровень шума [B].

Для повышения отношения сигнал/шум в сейсмическом приемнике используется фазированная антенная решетка из линейных групп N сейсмических датчиков, которая обеспечивает накопление и корреляцию полезного сигнала путем его повторения. Как известно, шум в каждом сейсмическом датчике некоррелирован за счет того, что расстояние между сейсмическими датчиками не менее половины длины волны сейсмического сигнала (l≥λ/2). Тогда отношение сигнал/шум для линейной группы N сейсмических датчиков по мощности определяется по формуле:

где N - количество сейсмических датчиков,

- дисперсия шума [B²].

Отношение сигнал/шум по напряжению для нескольких сейсмических датчиков оценивается по формуле:

Отношение сигнал/шум по напряжению пропорционально . Следовательно, с увеличением количества сейсмических датчиков увеличивается отношение сигнал/шум.

Сейсмические датчики (2₁…2_N), находящиеся в непосредственном контакте грунтом (заглублены в грунт для уменьшения шумов на поверхности Земли), улавливают распространяющийся в горной породе сейсмический сигнал, и преобразуют его в аналоговый электрический сигнал, после чего сигналы со всех датчиков поступают на соответствующие усилители (3₁…3_N), которые увеличивают амплитуду слабого электрического сигнала при низком уровне собственных шумов. После усиления сигнал поступает на коммутатор 4, который переключается между всеми сейсмическими датчиками для последующего преобразования в цифровой сигнал в аналого-цифровом преобразователе 5. Цифровой сигнал с АЦП поступает на микроконтроллер 6 для обработки. С микроконтроллером по двунаправленной N-разрядной шине соединено N ОЗУ (7₁…7_N) по числу сейсмические датчиков для временного хранения оцифрованного сигнала, адресов и значений задержек для всех сейсмических передатчиков (1₁…1_M) и накопления сообщения. К выходу микроконтроллера, по N-разрядной шине, подсоединено N управляемых цифровых линий задержек (8₁…8_N) по числу сейсмических датчиков. Так как скорость сейсмических волн 1500-7000 м/с, а сейсмические датчики расположены на расстоянии l≥λ/2, необходимо учесть влияние задержки, с которой сигнал доходит до каждого сейсмического датчика. Для компенсации задержки в блок обработки сигналов встроена система подстройки задержек (МК, ОЗУ, управляемые цифровые линии задержек, сумматор, измеритель отношения сигнал/шум). Она позволяет создавать при помощи линии сейсмических датчиков узконаправленную и подвижную диаграмму направленности для поиска активного сейсмического передатчика из M передатчиков и определения сигнала с максимальным уровнем отношения сигнал/шум. Подстройка задержки осуществляется на этапе «обучения» (настройки) для каждого сейсмического датчика отдельно, по критерию отношения сигнал/шум, чтобы подобрать значения задержек для каждого сейсмического передатчика (1₁…1_Μ), находящегося в шахтной выработке. Каждая из управляемых цифровых линий задержки производит подстройку задержки совместно с сумматором 9 и измерителем отношения сигнал/шум 10, который определяет максимальное отношение сигнал/шум для каждого сейсмического датчика, после этого значение задержки через МК 6 записывается в память соответствующего ОЗУ 7. После подстройки всех сейсмических датчиков, значение задержки для каждого сейсмического передатчика записывается в память ОЗУ. Это позволяет оперативно определить активный передатчик и произвести соответствующую подстройку сейсмического приемника по задержке.

После обработки цифрового сигнала и окончания приема сообщения, он поступает через сумматор с N входами по числу сейсмических датчиков на дешифратор 11, который преобразует цифровой сигнал в сообщение для вывода на индикатор 12 и (или): передачу через радиопередающее устройство 13. Оно встроено для дельнейшей передачи сообщения в том случае, если сейсмический приемник расположен отдельно от командного пункта.

Из этого следует, что заявляемое устройство позволяет повысить отношение сигнал/шум, мощность сигнала, реализовать узконаправленную подвижную диаграмму направленности определить место положения активного сейсмического передатчика и реализовать беспроводную аварийную связь для передачи сообщений из шахтной выработки на поверхность Земли, из небольшого объема горной выработки, с использованием сейсмических сигналов.

Технический результат подтвержден экспериментально на макете устройства и заключается в создании канала беспроводной аварийной связи между шахтной выработкой небольшого размера и поверхностью Земли с использованием малогабаритного точечного сейсмического передатчика, не требующего большого пространства для размещения, а также в создании узконаправленной диаграммы направленности, для улучшения помехоустойчивости и возможности определения направления прихода сигнала. Также устройство позволяет осуществлять поиск активных сейсмических передатчиков и определять их местоположение в шахтных выработках.

Указанный технический результат экспериментально подтвержден на экспериментальном макете макет устройства, с мощностью излучателя 2 кВт и несущей частотой вибрации 215 Гц показал по результатам наземных испытаний дальность более 1000 м при отношении сигнал/шум 17 дБ и скорости передачи 0.1 бит/с. Испытания были проведены в угольной шахте г. Абаза, Хакасия.