УДК 550.8.08

 

Цифровой сейсмический регистратор “Ермак-5”. Опыт разработки и внедрения

 

© 2018 г. П.Г. Бутырин1, Ф.Г. Верхоланцев2,

А.В. Верхоланцев1, Д.Ю. Шулаков1

 

1 Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук, филиал “Горный институт Уральского отделения Российской академии наук”, г. Пермь, Россия

2 Федеральный исследовательский центр “Единая геофизическая служба Российской академии наук”,

г. Пермь, Россия

Автор для переписки: П.Г. Бутырин, e-mail: pbg2000@mail.ru

 

Аннотация

Рассмотрены необходимые условия для проектирования и успешного внедрения цифрового сейсмического регистратора “Ермак-5”. Приведен краткий обзор аналогичных технических решений, применяемых в современных системах сейсмологического мониторинга, и выполнен их качественный сравнительный анализ. Обоснованы технические и эксплуатационные требования, в соответствии с которыми разработан регистратор. Приведены результаты выполненных лабораторных и полевых экспериментов, необходимых для подтверждения ключевых технических характеристик прибора. При этом особое внимание уделено соответствию амплитудно-частотных характеристик регистратора эталонным аналогам. Для сравнительного тестирования использовались различные типы сейсмометров. Приведено описание аппаратной и программной реализации системы гибкого управления питанием модулей регистратора, которая предназначена для снижения потребляемой мощности. Минимальное значение потребляемой мощности составляет около 300 мВт при регистрации по шести каналам, что позволяет эффективно использовать прибор для проведения длительных измерений с применением автономных источников питания. Ядро времени сейсмического регистратора разработано с использованием специальных алгоритмов, позволяющих достичь технологического максимума увеличения точности синхронизации внутренних часов с использованием систем GPS/GLONASS (сотни наносекунд) и служб NTP (десятки микросекунд). Рассмотрены детали алгоритмов синхронизации и приведено описание экспериментальной установки для лабораторного и полевого тестирования точности временной синхронизации. Важной особенностью, значительно влияющей на эффективность эксплуатации, является наличие у регистратора графического дисплея, на который кроме времени и параметрической информации выводятся волновые формы в различных режимах отображения. Обобщен опыт внедрения на различных объектах сейсмологического мониторинга, который учтен в процессе доработки проекта регистратора.

 

Ключевые слова: сейсмологический мониторинг, сейсмический регистратор, система сбора данных, синхронизация времени, автономная сейсмическая станция, широкополосный сейсмоприемник, аналого-цифровой преобразователь, приемник GPS.

 

Цитируйте эту статью как: Бутырин П.Г., Верхоланцев Ф.Г., Верхоланцев А.В., Шулаков Д.Ю. Цифровой сейсмический регистратор “Ермак-5”. Опыт разработки и внедрения // Сейсмические приборы. 2018. Т. 54, № 2. C.5–23. DOI: 10.21455/si2018.2-1

  

Литература

 

Башилов И.П., Волосов С.Г., Королев С.А., Косарев Г.Л., Ризниченко О.Ю., Санина И.А. Широкополосная автономная цифровая сейсмическая станция АЦСС-3 // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49, № 4. С.5–25.

Белов С.В., Дьяконова П.С., Дягилев Р.А., Савич А.Д. Применение сейсмоакустических методов при контроле гидроразрыва пласта // Научно-технический вестник “Каротажник”. 2015. Вып. 10 (256). С. 79–90.

Беспроводной регистратор сейсмических сигналов НордЛаб NDAS-8226 [Электронный ресурс] / 2017. – Режим доступа: http://r-sensors.ru/1_products/Descriptions/NDAS-8226-RU.pdf

Бутырин П.Г. Модернизация систем сейсмологического мониторинга ВКМКС // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных: Материалы Шестой Международной сейсмологической школы. Обнинск: ГС РАН, 2011. С.45–47.

Бутырин П.Г., Верхоланцев Ф.Г. Влияние электромагнитных помех при проведении полевых работ мобильным комплексом ИСК-3 // Стратегия и процессы освоения георесурсов: Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 2003 г. Пермь: ГИ УрО РАН, 2004. С.79–81.

Бутырин П.Г., Верхоланцев Ф.Г. Цифровая система регистрации для интерференционного лазерного деформографа // Шестая Уральская молодежная научная школа по геофизике: Сборник научных материалов. Пермь: ГИ УрО РАН, 2005. С.37–39.

Верхоланцев А.В. Использование дисперсионных кривых поверхностных волн для изучения грунтовых условий в рамках работ по СМР // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных: Материалы XII Международной сейсмологической школы. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2017а. С.79–81.

Верхоланцев А.В. Контроль сейсмического воздействия БВР по результатам круглогодичного мониторинга // Стратегия и процессы освоения георесурсов: Сборник научных трудов. Вып. 15. Пермь: ГИ УрО РАН, 2017б. С.203–205.

Верхоланцев А.В., Шулаков Д.Ю. Оценка сейсмического влияния буровзрывных работ на поверхностные здания и сооружения // Геофизика. 2014. № 4. С.40–45.

Гаврилов А.В., Коновалов А.В., Никифоров С.П. Результаты полевых и стационарных испытаний регистратора сейсмических сигналов “Дельта 03” // Сейсмические приборы. 2010. Т. 46, № 4. С.30–39.

Дягилев Р.А., Богдан С.И., Барбиков Д.В. Влияние подземной разработки калийного месторождения на активность секущих тектонических нарушений // Развитие систем сейсмологического и геофизического мониторинга природных и техногенных процессов на территории Северной Евразии. Материалы Международной конференции, посвященной 50-летию открытия Центральной геофизической обсерватории в г. Обнинске / Отв. ред. А.А. Маловичко. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2017. С.30.

Маловичко А.А., Дягилев Р.А., Маловичко Д.А., Шулаков Д.Ю., Бутырин П.Г., Верхоланцев Ф.Г. Четырехуровневая система сейсмического мониторинга на территории Среднего Урала // Геофизика. 2011. № 5. С.8–17.

Матвеев И.В., Матвеева И.В. Портативный сейсмический регистратор “Сейсар-5” с очень низким энергопотреблением для автономной работы в сложных климатических условиях // Наука и технологические разработки. 2017. Т. 96, № 3. С.33–40. [Тематический выпуск “Прикладная геофизика: новые разработки и результаты. Часть 1. Сейсмология и сейсморазведка”]. DOI: 10.21455/std2017.3-3

Мехрюшев Д.Ю. Аппаратурные разработки Геофизической Службы РАН // Национальный отчет международной ассоциации сейсмологии и физики недр Земли Международного геодезического и геофизического Союза 2003–2006. С.15–21.

Сейсмологический мониторинг Западного Урала [Электронный ресурс]. 2017. – Режим доступа: http://pts.mi-perm.ru/region/

Сенин Л.Н., Сенина Т.Е., Парыгин Г.И., Воскресенский М.Н. Исследование сейсмодинамических характеристик строительных объектов с использованием регистратора сейсмических сигналов “Регистр” // Архитектон: известия вузов. 2012. № 38. С.200–206.

Система мониторинга состояния объекта ZETLAB [Электронный ресурс] / 2017. – Режим доступа: https://zetlab.com/sistema-monitoringa-sostoyaniya-obekta-zetlab/

Dyagilev R.A., Shulakov D.Y., Verholantsev A.V., Glebov S.V. Seismic monitoring in potash mines: observation results and development aspects // Eurasian mining. 2013. N 2. P.24–28.

Evseev A., Baryah A., Butyrin P.  Remote Instrumental Monitoring of Interchamber Pillar Stability // ISRM European Rock Mechanics Symposium (EUROCK 2017). Proceedings of a meeting held 20–22 June 2017, Ostrava, Czech Republic. Procedia Engineering. 2017. V. 191. P.962–966.

Mendecki A.J., Lynch R.A., Malovichko D.A. Routine seismic monitoring in mines // VNIMI Seminar on Seismic Monitoring in Mines. 2007. P.1–31.

 

Сведения об авторах

 

БУТЫРИН Павел Генрихович – кандидат технических наук, научный сотрудник, Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук, филиал “Горный институт Уральского отделения Российской академии наук”. 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, д. 78а. Тел.: +7(342) 216-31-14. E-mail: pbg2000@mail.ru

 

ВЕРХОЛАНЦЕВ Филипп Геннадьевич – младший научный сотрудник, Сектор сейсмического мониторинга Уральского региона, Федеральный исследовательский центр “Единая геофизическая служба Российской академии наук”. 249035, г. Обнинск Калужской обл., пр. Ленина, д. 189. Тел.: +7(495) 912-68-72. E-mail: sombra@mail.ru

 

ВЕРХОЛАНЦЕВ Александр Викторович – ведущий инженер, Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук, филиал “Горный институт Уральского отделения Российской академии наук”. 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, д. 78а. Тел.: +7(342) 216-31-14. E-mail: vercholancev@gmail.com

 

ШУЛАКОВ Денис Юрьевич – кандидат технических наук, заведующий лабораторией, Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук, филиал “Горный институт Уральского отделения Российской академии наук”. 614007, г. Пермь, ул. Сибирская, д. 78а. Тел.: +7(342) 216-31-14. E-mail: shulakov@mi-perm.ru

 

 

METADATA IN ENGLISH

 

About the journal

SEISMICHESKIE PRIBORY, ISSN: 0131-6230, eISSN: 2312-6965, DOI: 10.21455/si,

http://elibrary.ru/title_about.asp?id=25597

English Translation: Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online),

https://link.springer.com/journal/11990

 

Digital seismic logger “Ermak-5”. Experience

of development and implementation

 

P.G. Butyrin1, P.G. Verkholantsev2, A.V. Verkholantsev1, D.Y. Shulakov1

 

1 Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Perm, Russia

2 Federal Research Center Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences, Obninsk, Russia

Corresponding author: P.G. Butyrin, e-mail: pbg2000@mail.ru

 

Abstract. The necessary conditions for development and successful implementation of digital seismic logger

“Ermak-5” is considered. Short review of similar technical solution for modern seismological monitoring systems is given and qualitative comparative analysis is fulfilled. Technical and operational demands for development of logger are substantiated. The results of Laboratory and field experiments were carried out for confirmation of key technical characteristics of the device. Wherein the special attention is paid to conformity of amplitude-frequency characteristics of the logger to reference analogues. Different types of seismometers used for comparative testing. Description of hardware-software implementation of the flexible power management system of the logger is given. It helps decrease power consumption to near 300 mW when the registration is made through six channels. The logger can be used for longtime registration with autonomous sources of power. The core of time in the logger is developed by using special algorithms, which allow technological maximum for inner clock synchronization accuracy by using the GPS/GLONNAS systems (hundreds of nanoseconds) and NTP-services (dozens of microseconds). Details of time synchronization algorithms are examined and description of experimental laboratory and filed setup for time synchronization accuracy is given. The LCD-screen of the logger is very important for effective exploitation. Information about time, some logger’s parameters and waveform in different modes are appeared at the display. The experience of implementation at the different seismic monitoring objects is generalized, and it accounted for the revision process of the logger project.

 

Keywords: seismic monitoring, seismic logger, data acquisition system, time synchronization, autonomous seismic station, broadband geophone, analog to digital converter, GPS receiver.

 

About the authors

 

BUTYRIN Pavel Genrikhovich – PhD, researcher, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 614007, Russia, Perm, Sibirskaya, 78-a. Phone: +7(342) 216-31-14.

E-mail: pbg2000@mail.ru

 

VERKHOLANTSEV Philipp Gennadyevich – junior researcher, Federal Research Center Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences. 249035, Russia, Obninsk of Kaluzhskaya region, Lenina av. 189. Phone: +7(484) 393-14-05. E-mail: sombra@mail.ru

 

VERKHOLANTSEV Aleksandr Viktorovich – lead engineer, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 614007, Russia, Perm, Sibirskaya, 78-a. Phone: +7(342) 216-31-14. E‑mail: vercholancev@gmail.com

 

SHULAKOV Denis Yurievich – PhD, head of laboratory, Mining Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. 614007, Russia, Perm, Sibirskaya, 78-a. Phone: +7(342) 216-09-84. E‑mail: shulakov@mi-perm.ru

 

 

Cite this article as: Butyrin P.G., Verkholantsev P.G., Verkholantsev A.V., Shulakov D.Y. Digital seismic logger “Ermak-5”. Experience of development and implementation. Seismicheskie Pribory, 2018, Vol. 54, no 2, pp. 5-23. (in Russ.). DOI: 10.21455/si2018.2-1

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2019, Volume 55, Issue 2.