Разработка и исследование методов и программ геоакустической локации мобильными сейсмическими группами (стр. 1 )

На правах рукописи

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ
МЕТОДОВ И ПРОГРАММ ГЕОАКУСТИЧЕСКОЙ

ЛОКАЦИИ МОБИЛЬНЫМИ СЕЙСМИЧЕСКИМИ ГРУППАМИ

Специальность: 05.13.17 – Теоретические основы информатики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новосибирск – 2010

Работа выполнена на Кафедре сетевых информационных технологий Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет".

Научный руководитель – доктор технических наук профессор

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук профессор

Кандидат физико-математических наук

Ведущая организация – Московский физико-технический институт

Защита состоится 23 декабря 2010 г. в 16 часов на заседании Диссертационного совета Д 219.005.02 при ГОУ ВПО “Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики”,

, ком. 625.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО “СибГУТИ”.

Автореферат разослан “___” ноября 2010 г

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 219.005.02

кандидат технических наук

доцент

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Проблема мониторинга разного типа сейсмических событий – геоакустических предвестников землетрясений, промышленных и полигонных взрывов, мест падения фрагментов отделяющихся частей ракет-носителей и др. является одной из ключевых в современной экологии окружающей среды.

Особенность такого мониторинга состоит в том, что он осуществляется мобильными сейсмическими группами (МСГ), которые должны базироваться в предполагаемом районе возникновения событий.

Один из важных этапов решения обозначенной проблемы связан с обнаружением и измерением параметров источников сейсмических событий на основе регистрации сейсмических сигналов с помощью пространственно распределенных датчиков мобильной сейсмической группы. Задача определения географических координат источников лежит в основе направления, именуемого геоакустической локацией. Здесь проблема обнаружения и высокоточного измерения параметров полезных волн, порождаемых источниками в среде их распространения, является одной из основных. Трудность ее решения обусловлена рядом факторов: присутствием техногенных шумов и иных событий, которые являются фоновыми по отношению к полезному, вариабельностью параметров, характеризующих процессы взаимодействия источника со средой. На точность измерения параметров оказывает также влияние так называемая «азимутальная скоростная неоднородность» среды, приводящая к вариациям скоростей распространения волн на разных азимутальных направлениях.

Рассматриваемые события, как правило, являются источниками полей разной физической природы: наряду с сейсмическими полями они порождают акустические, которые могут распространяться на большие расстояния.

Учет физических особенностей возбуждения и распространения волн от рассматриваемого класса источников, а также создание помехоустойчивых методов обнаружения и измерения параметров волн разной природы, методов идентификации источников, определения их координат и отображения на цифровой карте местности, составляет перечень задач, лежащих в основе геоакустической локации.

На сегодня существует большая потребность в автоматизированной технологии сейсмического мониторинга сейсмических событий. Такая технология призвана в помощь человеку – оператору для снятия рутинной работы по обнаружению событий на фоне шумов в условиях непрерывного мониторинга. При этом должны быть учтены требования обеспечения работоспособности в режиме реального времени.

Решению указанных задач способствуют фундаментальные исследования в этой области отечественных ученых: , , , и ряд др., а также зарубежные ученые: , Фу К. С., и др.

В рамках данной диссертации разработана и исследована программная система автоматизированной геоакустической локации сейсмических источников с применением мобильных сейсмических групп (МСГ), включающая в себя алгоритмы и программы, для повышения точности геоакустической локации в условиях воздействия внешних шумов и распознавания источников в условиях неопределенности их появления. Охватываются источники в виде ближних полигонных взрывов (расстояние в несколько километров) и удалённых промышленных взрывов (расстояние в сотни километров).

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка и проведение теоретических и экспериментальных исследований методов и программ для автоматизированной локации сейсмических событий с помощью мобильных сейсмических групп.

В соответствии с целью определены следующие задачи:

1.  обзор существующих работ в области обработки сейсмических сигналов, относящихся к поставленной задаче;

2.  разработка алгоритмов обнаружения и измерения параметров сейсмических волн на фоне шумов в поточном режиме. Исследование их помехоустойчивости и точности оценивания параметров;

3.  разработка алгоритма распознавания сейсмических событий на основе выбора информативных параметров сейсмических и акустических волн;

4.  реализация программного комплекса для персонального компьютера для геоакустической локации и оценивание его эффективности в экспериментальных условиях.

Методы исследования. Разработка и исследование системы автоматизированной локации сейсмических событий осуществлялось на основе использования теории цифровой обработки сигналов, математического моделирования, математической статистики, системного и прикладного программирования. Оценивание точности работы созданной системы производилось на основе сопоставления результатов обработки записей тестовых полигонных взрывов, промышленных взрывов в Кузбассе с результатами измерений координат с помощью высокоразрешающей GPS.

Научная новизна работы. В диссертации разработан, реализован и исследован программный комплекс для автоматизированной геоакустической локации сейсмических событий импульсной природы в режиме реального времени. Программный комплекс предназначен для использования в мобильных полевых условиях, направленных на решение задач ближней (до нескольких километров) высокоточной локации ближних взрывов небольшой мощности и мест падения фрагментов отделяющихся частей ракет-носителей, так и для дальней локации (до сотен километров) мощных промышленных взрывов. Последние используются для калибровки трасс распространения сейсмических волн на разных азимутальных направлениях и расстояниях.

Программный комплекс интегрирует в себе созданные автором алгоритмы и программы для обнаружения, распознавания и измерения параметров сейсмических и акустических волн и координат событий в условиях воздействия внешних сейсмических шумов. С этой целью:

·  Разработан алгоритм многоканальной мультипликативной обработки сейсмических сигналов с целью оптимизации обнаружения сигналов волн и вычисления направления их прихода от источника. Исследована его помехоустойчивость по отношению к известному линейному алгоритму синхронного суммирования сейсмограмм при различных соотношениях уровней волн и шумов. Достигнута на порядок более высокая точность вычисления моментов прихода сейсмических волн в сравнении с известным алгоритмом синхронного суммирования сейсмотрасс.

·  Выполнен анализ эффективности применения алгоритма вейвлет-фильтрации для выделения волновых форм для последующего высокоточного определения параметров сейсмических волн. Оценена помехоустойчивость выделения волновых форм в зависимости от соотношения амплитуд волн и уровней шумов.

·  Произвёден анализ и выбор информативных признаков сейсмических и акустических волн, теоретически обоснован и предложен метод замкнутых разделяющих поверхностей и алгоритм их построения.

·  Получены экспериментальные оценки эффективности созданных средств применительно к геоакустической локации полигонных и карьерных промышленных взрывов.

Практическая ценность работы. Разработанный в рамках диссертации программный комплекс предназначена для автоматизированной обработки сейсмических данных, полученных с помощью мобильных малых сейсмических групп в режиме реального времени и ориентирован на решение ряда прикладных задач сейсмического мониторинга окружающей среды. В результате апробации разработанного программного обеспечения на экспериментальных данных регистрации сейсмических и акустических волн от полигонных и карьерных взрывов, данный подход может быть применён для решения многих актуальных прикладных задач сейсмического мониторинга, таких как локация:

·  мест падения ступеней ракет-носителей, порождающих мощные сейсмические и акустические колебания, с целью оперативной нейтрализации токсичных отходов.

·  зон подготовки землетрясений по геоакустическим предвестникам, представленным потоком сейсмических импульсов.

·  мест падения с воздуха боевых средств поражения;

·  эпицентров скрытых подземных ядерных взрывов по авторшоковой эмиссии (инспекция на месте в интересах Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний) и др.

·  короткозамедленных мощных (до 100-300 тонн) карьерных взрывов, регистрируемых на расстояниях в сотни километров. Они являются ценными событиями с точки зрения калибровки сейсмических трасс на различных азимутальных направлениях и расстояниях, что, в свою очередь, позволяет повысить точность локации сейсмических событий сетью глобального сейсмического мониторинга.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации составляют основу программного инструментария, применяющегося в отделе геофизической информатики Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиИГ СО РАН) при проведении лабораторных исследований и полевых экспедиционных работ.