Разработка и исследование методов и программ геоакустической локации мобильными сейсмическими группами (стр. 2 )

Диссертационные исследования выполнялись в рамках проектов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) №07-07-00214а, 09-07-12075-офи-м и междисциплинарного проекта СО РАН №16_3.

Исследования алгоритмов обнаружения, измерения параметров и локации тестовых полигонных взрывов выполнялись в рамках хоздоговора “Полесовщик” между НГТУ и ОАО “Завод Ленинец” (г. Санкт-Петербург). Полученные результаты исследований используются в составе технологии автоматизированной локации полигонных взрывов падающих боеприпасов и карьерных взрывов.

Достоверность полученных результатов подтверждается проведёнными натурными экспериментами и математическим моделированием, а также экспертизами отчетов по хоздоговору и грантам РФФИ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на международных, всероссийских конференциях и научных семинарах:

–Международной научной конференции «SIBIRCON» (Новосибирск, 2008 г., Иркутск, 2010 г.).

–Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2006, 2008 гг.).

–Конференции молодых учёных ИВМиМГ СО РАН (г. Новосибирск, 2008, 2009 гг.).

–Международных научных конгрессах «ГЕО-Сибирь» (г. Новосибирск, 2007, 2008 гг.).

–Международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (п. Боровое, Казахстан, 2008 г.).

–VI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 2008 г.).

–Международном семинаре "Акустика неоднородных сред-X" (Новосибирск, 2009 г.).

–Научной сессии НГТУ (г. Новосибирск, 2008, 2009 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных статей, а также тезисы докладов. Опубликована 1 статья в рецензируемом сборнике «Научный вестник НГТУ» № 2, 2010 г. Результаты исследований отражены в отчётах по грантам РФФИ, СО РАН и хоздоговору.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

Комплекс алгоритмов и программ, включающих в себя:

1. Алгоритм мультипликативной многоканальной обработки сейсмических данных с поиском оптимума целевой функции и результаты его применения на модельных и экспериментальных данных.

2. Результаты анализа помехоустойчивости алгоритма вейвлет-фильтрации в задачах выделения сейсмических и акустических волн в шумах от заданного класса источников и оценивания точности измерения времен вступлений волн на модельных и экспериментальных данных.

3. Статистические модели информативных параметров сейсмических P - и S-волн удалённых промышленных взрывов на угольных разрезах Кузбасса, а также сейсмических и акустических волн, порождаемых полигонными взрывами.

4. Метод распознавания сейсмоисточников на основе замкнутых разделяющих поверхностей и результаты его применения.

5. Экспериментальные оценки точности локации сейсмического источника на основе измерения параметров сейсмических и акустических волн, порождаемых малоудалёнными полигонными взрывами, а также P - и S-волн от удалённых промышленных взрывов.

6. Программное обеспечение для автоматизированной локации сейсмических событий, реализующее разработанные и исследованные методы и алгоритмы.

Структура и объём диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 65 наименований. Основное содержание представлено на 144 страницах, содержит 43 рисунка и 16 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении определены цели и задачи диссертационного исследования, обоснована его актуальность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается постановка задачи автоматизированной геоакустической локации сейсмических источников с использованием мобильных сейсмических групп (МСГ), анализируется современное состояние проблемы и выделяются основные этапы ее решенияна.

При решении задачи геоакустической локации выделяют ряд основных этапов:

·  выделение сейсмических и акустических волн в шумах и измерение их времен вступлений;

·  идентификации (распознавание) типа источника;

·  определение параметров очага;

·  отображение координат источника на цифровой карте.

Основная трудность точного определения времён вступлений сейсмических волн и параметров источника связана с существующей горизонтальной и вертикальной неоднородностью коры и верхней мантии Земли, которая вносит большие вариации параметров сейсмических волн, регистрируемых на разных удалениях станций от источника и при разных азимутах их расположения относительно источника.

Эмпирический подход к повышению точности локации заключается в использовании событий с известным местоположением и временем для определения набора поправок к скоростной модели распространения волн. Среди таких событий доступны сигналы от промышленных взрывов, ежесуточно производимые в различных шахтных регионах России и имеющих мощность от 10 т до 500 т в тротиловом эквиваленте. При этом перед началом каждого сеанса регистрации необходимо расстановка профиля регистрирующей аппаратуры в направлении прихода ожидаемой волны. Такая возможность обеспечивается за счёт использования мобильных регистрирующих систем ( МСГ). МСГ располагается на относительно небольшой площади (порядка 3 на 3 км), что позволяет организовывать систему сбора данных на основе обычных проводных каналов и при этом получить точность определения параметров сейсмических событий на уровне, сопоставимым с обычными региональными сейсмическими сетями при значительно более высокой оперативности получения результатов.

На пути создания технологии автоматизированной локации сейсмических источников с помощью мобильных сейсмических групп остаётся нерешённой задача обнаружения сейсмических событий в условиях нестационарных мешающих сигналов, выступающих в роли внешних помех.

Особая актуальность решения этих вопросов связана с использованием МСГ в задачах мониторинга сейсмических событий применительно к проблеме сейсмической калибровки трасс распространения сейсмических волн на основе удалённых промышленных и полигонных взрывов. При этом целью калибровки является уточнение скоростей распространения волн в неоднородной среде на заданных азимутальных направлениях. Учет полученных скоростей способствует повышению точности геоакустической локации, реализуемой с помощью глобальных сейсмических сетей.

Во второй главе в результате анализа существующих математических моделей и оценок погрешности вычисления координат сейсмических источников предложен мультипликативный многоканальный алгоритм обработки сейсмических данных, описывается технология, используемая для вычисления времен вступления основных типов сейсмических (продольных и поперечных) и акустических волн на основе многоканального метода обработки, а также с использованием вейвлет-фильтрации в варианте одноканальной обработки.

Общая постановка геоакустической локации разного типа сейсмических событий связана с решением обратной задачи восстановления их параметров (географических координат, глубины, мощности, времени в очаге) по результатам определения характеристик сейсмических волн, регистрируемых с помощью группы пространственно разнесенных сейсмических датчиков. Задача оценивания неизвестных параметров источника сводится к решению нелинейной системы условных уравнений:

(1)

где - вектор времен пробега сейсмических сигналов,

- N-мерный вектор вычисляемых времен пробега (теоретический годограф) или функция регрессии, - вектор невязок,

- m-мерный вектор оцениваемых параметров,

– матрица координат датчиков (или точек излучения),

N - число датчиков (или точек излучения).

В качестве оцениваемых параметров выступают пространственные координаты источника-x,y,z, cкоростная характеристика среды ν и время в источнике t. В ряде случаев скорость в среде является известной.

Решение уравнения (1) сводится к решению обратной задачи. При этом точность решения зависит, в первую очередь, от ошибок оценивания вектора времен вступлений волн , скорости волн ν, ошибок измерения , выбора геометрии расстановки датчиков на дневной поверхности Земли. В частности, по отношению к полярной системе координат дисперсия ошибки определения азимута Az на источник и расстояния R «источник-приемник» с помощью триады сейсмостанций (случай N=3) определяется соотношениями:

, (2)

где - ошибки оценивания времён , - вектор параметров, характеризующий геометрию расстановки сейсмической группы.

По отношению к сейсмическим волнам, описываемым импульсными сигналами, ошибки оценивания времен могут быть представлены в виде:

(3)

где tИ – длительность волнового импульса, ∆f- ширина его спектра, E/N0 – отношение энергии импульса к спектральной плотности внешнего шума.

Как видно из (2) от точности измерений времён вступлений волн зависит точность определения параметров источника. Трудность решения задачи усугубляется влиянием шумов, имеющих техногенную природу.

Алгоритм мультипликативной многоканальной обработки. В рамках данной диссертации, в стремлении повысить точность определения моментов вступлений волн при ограниченном числе сейсмоприёмников, предложен алгоритм мультипликативной обработки [1-3], функционирующий по принципу мультипликативной антенны, используемой в радиофизике. Как известно, в отличие от антенн с линейной обработкой, в этом случае достигается возможность более острого разрешения по направлению распространения волны при одном и том же числе элементов антенны.