Автоматическое оценивание времен вступлений волн от сейсмических источников разной природы Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 550.34.06 ББК 6.01.16.

Г.М. Воскобойникова ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ ВРЕМЕН ВСТУПЛЕНИЙ ВОЛН ОТ СЕЙСМИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ РАЗНОЙ ПРИРОДЫ

В данной статье рассматривается задача в рамках проблемы локации сейсмических источников разного типа - промышленных и полигонных взрывов, сейсмических вибраторов. В ее основе лежит решение задачи определения времен вступления сейсмических волн по результатам регистрации сейсмических сигналов. При этом задача снижения погрешности измерений является одной из основных. Трудность ее решения обусловлена присутствием техногенных шумов и иных событий, которые являются фоновыми по отношению к полезному сигналу от события.

G.M. Woskoboynikova

Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS Prospect Akademika Lavrentyeva, 6, Novosibirsk, 630090, Russia

AUTOMATIC ESTIMATION OF THE ARRIVAL TIMES FROM SEISMIC SOURCES OF THE DIFFERENT NATURE

In this article the task within the location problem of the seismic sources of the different nature - industrial and ground explosions, seismic vibrators, is considered. The task solution of arrival time’s detection of the seismic waves according to the recording results is underlain of this task. At the same time the problem of the measurements inaccuracy reduction is one of fundamental. The difficulty of this task solution is that technogeneous noises occurrence and other events which are background with respect to useful signal form event.

АЛГОРИТМ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕН ВСТУПЛЕНИЯ ВОЛН

Предложен апостериорный алгоритм для автоматического определения времен вступления волн, решаемый с помощью метода динамического программирования.

В качестве целевой функции выбрано выражение вида: j MMq-l

S(nb...,nM) = — ZII Уп1+кУп:+к^таХ (1)

М i=l j=l к=0 Q

где п1, ^ (1, ] = 1, М) - времена вступления первых волн;

Уп +ЬУп +ьУ = 1>м,к = 0^-1 - сейсмические волны заданной

длительности q;

М - количество сейсмограмм;

□ = { пь...,пм 0<П1 <Ттах-Ч-1,>Т-Ттах-Ч<пм <N^-1,

q < Тт^п < < Tmax, i 2, M}

Критерий (1) основан на методе максимального правдоподобия. В результате некоторых преобразований, выражение (1) эквивалентно следующему выражению:

М q-l

Б пь...,пм = ££ик(ик-2уп+к)->тт (2)

ыыо 1 «

п^+к

где йк = у_* , , к=0,...^-1, П1 = Ащтах в П! = А^тах £ у* +к.

^тах"^1 ^^шах-вк^) 1

минимизации (2) с помощью метода найден оптимальный набор времен

В результате решения задачи динамического программирования вступления волн и их количество:

=Аг§шіп8 п1?

,п

м

а

Этот алгоритм очень критичен к уровню шума. На начальные условия наложено ограничение - стационарность шума, что невозможно на достаточно длинных сейсмограммах. За счет этого резко падает точность алгоритма. Чтобы избежать этой проблемы, необходимо рассматривать не всю сейсмограмму, а выбирать временную и частотную области, где заведомо находится сейсмическая волна, т.е. область наибольшего сосредоточения энергии сейсмической волны. Это осуществляется с помощью фрактального представления сейсмограмм - построения спектрально-временных функций (СВФ) для каждой из вибрационных сейсмограмм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

Чтобы продемонстрировать работу этой методики, рассмотрим следующий эксперимент, который проходил на оз. Байкал, п. Мантуриха. В результате эксперимента были получены вибрационные сейсмограммы, на которых необходимо как можно более точно определять времена вступления сейсмических волн (рис. 1).

12 3 4 5 6

Рис. 1. Мантуриха, 9 сентября 2009 г.

Фрактальное представление - спектрально-временные функции (СВФ) для вибрационных сейсмограмм рис. 1 представлены на рис. 2. С помощью

СВФ легко выделить временные области для повышения точности работы апостериорного алгоритма.

Рис. 2. Спектрально-временные функции, п. Мантуриха, 9 сентября 2009 г.

На рис. 3 представлены вибрационные сейсмограммы после фрактальной обработки. Времена вступления сейсмических волн на каждой из сейсмограмм, измеренные с помощью описанного алгоритма, помечено кружком.

Точность измерений времен автоматически алгоритмом составляет не хуже 5% по сравнению со временами, вычисленными оператором вручную.

0 1 2 3 4 5 6 7

Рис. 3. Времена вступления сейсмических волн

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проанализирована точность работы предложенного алгоритма по отношению к экспериментальным данным, полученным на оз.Байкал, п.Мантуриха. Дополнительным вопросом исследования явилось наложение начальных условий на работу алгоритма для повышения точности времен вступлений, которое осуществлялось с помощью фрактального представления сейсмограмм во временной и частотной областях с наибольшим сосредоточением энергии сейсмических волн. Показано, что предложенный способ обработки сейсмических сигналов позволяет автоматически вычислить времена с точностью 3-5 %.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 07-07-00214-а, №08-07-10000к.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Khairetdinov M.S., Omelchenko O.K., Sedukhina G.F., Woskoboynikova G.M. Numerical algorithms and results of experiments to determine the parameters of the borehole bottom and medium // Bulletin of Novosibirsk, Mathematical Modeling in Geophysics, Issue 10, 2005 - pp 19-35.

2. Воскобойникова Г.М., Седухина Г.Ф., Хайретдинов М.С. Анализ структурных изменений сейсмических волновых полей в трещиноватых и флюидонасыщенных средах // Вестник НЯЦ РК, Вып. 2, Боровое, - сс. 99-105.

3. Хайретдинов М.С., Клименко С.М. Автоматизированная сейсмолокация с помощью малой приемной группы // Динамика сплошной среды, вып.123, Акустика неоднородных сред. - С.127-133.

4. Voskoboynikova G.M. Detection and measurement of quasi-periodic seismic waves parameters. // The Proceedings of 8th Korea-Russia Int. Symposium (KORUS-2004), v.1, 2004, pp.184-187.

© Г.М. Воскобойникова, 2010