Рис. 4. Результаты многоканальной обработки модельного сигнала по 9 каналам: (а) исходная запись (соотношение сигнал/шум составляет 1/4), (б) – результат аддитивной обработки, (в) – результат сглаживания алгоритмом STA/LTA с параметрами 0.1 c/1 c; (г-д) – результат мультипликативной обработки с последующим сглаживанием STA/LTA с параметрами 0.1c/1c соответственно.
На рис. 4в, д видно, что мультипликативная обработка выдаёт более контрастный момент вступления искомого сигнала по сравнению с аддитивной, что является экспериментальным подтверждением выражения (3): дисперсия оценки времени вступления импульсного сигнала обратно пропорциональна ширине спектра импульса.
В третьей главе приводятся результаты анализа и выбора информативных признаков сейсмических и акустических волн, рассматривается процедура их распознавания на основе замкнутых разделяющих поверхностей, рассматривается алгоритм локации сейсмического источника. Приводятся оценки точности и помехоустойчивости разработанной технологии применительно к задачам локации тестовых полигонных взрывов и удалённых промышленных взрывов.
Анализ информативных признаков сейсмических и акустических волн. Из-за присутствия фоновых мешающих сейсмических событий, имеющих импульсную природу (движение транспорта, случайные взрывы и др. техногенные шумы), в процессе обработки сейсмических записей могут возникать ложные всплески сейсмической активности. Во избежание интерпретации помех как полезного сигнала вводится дальнейший этап обработки, основанный на распознавании источника сейсмических событий. Результатом его будет решение об отнесении волновых откликов среды к одному из нескольких классов сейсмических событий, которые зависят от решаемой прикладной задачи.
В результате многократных экспериментов по регистрации сигналов от сейсмических источников, удалённых на расстояния до десятков километров, было показано, что сейсмические датчики различных типов наряду с сейсмическими волнами с успехом регистрируют акустические волны.
В результате изучения особенностей сейсмических записей взрывов была выбрана система из четырёх признаков [4-5]:
· отношение амплитуд сейсмических и акустических волн (рис.5а);
· отношение средних частот этих волн Fa/Fs (рис. 5б);
· задержка между временами вступления сейсмических и акустических волн Ta-Ts (рис. 5г);
· длительности сейсмических и акустических волн.
На рис. 5а видно, что в одном и том же диапазоне мощностей взрывов (в процессе эксперимента он лежал в пределах 200г - 2600г в тротиловом эквиваленте) сейсмические волны представляют собой более низкоамплитудные колебания в сравнении с более высокоамплитудными акустическими волнами. Это объясняется большим затуханием сейсмических волн в земле, чем акустических в воздухе. С учетом этого выбор в качестве информативного параметра соотношения уровней рассматриваемых волн является оправданным.
Рис. 5б отражает результаты анализа средних частот преобладающих спектров для обоих типов волн. Видно, что основные частоты сейсмических волн лежат в диапазоне 15-18 Гц, а акустических волн - в диапазоне 25-40 Гц. Это явление связано с тем, что высокие частоты затухают в земле быстрее, чем в воздухе.
Рис. 5. Экспериментальные данные, отражающие значения амплитуд сейсмических и акустических волн (a), средние частоты сейсмических и акустических волн (б), длительности волн (в), экспериментальную зависимость между разницей времён вступлений сейсмических и акустических волн Ta-Ts (г).
На Рис. 5г показана экспериментальная зависимость расстояния «источник-приёмник» R от разности времён вступлений сейсмических и акустических волн.
Линейный характер зависимости позволяет устанавливать соответствие между парой соседних регистрируемых волн и расстоянием «источник-приемник»
По аналогии с рассмотренными был осуществлен выбор информативных признаков по отношению к удаленным промышленным (карьерным) взрывам [6‑9]:
· отношение амплитуд продольных P и поперечных S волн;
· отношение средних частот этих волн- Fp/Fs;
· задержка между временами вступления P и S волн - Ta-Ts (рис. 5г);
· длительности P и S волн.
По результатам выполненного статистического анализа набора волн от взрывов и от помех определены соответствующие различия по анализируемому параметру – соотношения средних частот спектрограмм волн P и S. Преобладающие значения спектров P-волн промышленных взрывов сосредоточены в районе 6-9 Гц, S-волн - в районе 2-5 Гц. В среднем преобладающая частота P-волн в 1.5-2 раза выше, чем частота S-волн. Указанные различия обусловлены нелинейными процессами распространения волн в земле, характеризуемой неидеальной упругостью.
Метод разделяющих замкнутых разделяющих поверхностей. Рассматриваемый в рамках данной работы класс сейсмических событий (промышленные и полигонные взрывы, падающие на землю тела и др.) характеризуются многообразием волновых форм – откликов среды [10-11]. Такое многообразие характеризуется как параметрами самого события - его спектрально-временной функцией, мощностью источника, а также расстоянием «источник – приёмник», типами волн – сейсмические и акустические, сейсмические P - и S-волны, поверхностные волны и др.
В этой ситуации мы имеем дело с априорной неопределённостью о количестве классов, соответствующих многообразию возможных эталонов, идентифицирующих сейсмические события. Один из возможных подходов к решению задачи идентификации в этих условиях состоит в охвате эталонов замкнутыми разделяющими поверхностями. Условно их можно определить как области принятия решения.
В общем случае рассматриваемые поверхности описываются уравнениями, значительно превосходящими второй порядок. Поскольку реализация таких поверхностей на ЭВМ громоздка, целесообразно аппроксимировать их набором простых поверхностей, например, гиперэллипсоидами, каждый из которых условимся считать отдельным эталоном:
(j = 1, 2, ..., M). (10)
Здесь M - число эталонов, аппроксимирующих данную область; 
— пороговое значение для j-го эталона; 
, 
— соответственно математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение i-го признака j-го эталона.
Решение о принадлежности к данной области принимается при выполнении одного из условий:
(j = 1, 2, ..., M). (11)
Объем эталона в (10) определяется выбором порогового значения 
, в свою очередь зависящего от заданной вероятности α попадания в эталон. Поскольку эталон формируется на основе выборки конечного размера N и, следовательно, задается уравнением
; (12)
то для вычисления 
, соответствующего заданным N и α, необходимо знать распределение статистики, определяемой левой частью уравнения (12). Данное распределение описывается выражением вида
,
где 
есть 
— распределение с N-1 степенями свободы; 
— известное F-распределение с n и N-1-n степенями свободы, которое для заданного α может быть найдено из таблицы. С учетом сказанного пороговое значение определяется соотношением
. (13)
Построение эталонов происходит следующим образом. Первая точка 
является центром координат первого эталона — гиперсферы радиуса 
. Если вторая точка на попадает в первый эталон, то она образует второй эталон в виде гиперсферы того же радиуса. В противном случае корректируются координаты первого эталона. Третья точка определяется на принадлежность одному из двух сформированных эталонов и корректирует параметры xi и mi того из них, в который попадает. В противном случае образуется третий эталон и т. д. Если число точек в каком либо эталоне достигает величины 
, то в дальнейшем он определяется как гиперэллипсоид с параметрами xi и mi и порогом 
. Принадлежность к этому эталону очередной точки 
устанавливается из условия
. (14)
Если условие (14) выполнено, то корректируются параметры xi и mi данного эталона и т. д.
В данной работе в качестве примеров рассмотрены процедуры построения эталонов по отношению к полигонным взрывам, которые регистрировались на удалениях 512-870 м, а также к промышленным карьерным взрывам, зарегистрированным на расстояниях в нескольких сотен километров от источника. Пример аппроксимации эталонами областей принятия решения для данных двух типов событий приведён на рис. 6.
Вычисление координат источника. Для вычисления координат источника необходимо знать две составляющие: расстояние от пункта регистрации и азимут.
Расстояние «источник-приёмник» для удалённых (более сотни километров) сейсмических источников рассчитывается по формуле
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 |
