CC BY
182
УДК 550.34:621.039.9
М.С. Хайретдинов
ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
С.А. Авроров
НГТУ, Новосибирск
ПОТОЧНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ И РАСПОЗНАВАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В ШУМАХ
Введение. Проблема локации разного типа сейсмических источников -землетрясений, ядерных и промышленных взрывов является одной из ключевых в современной сейсмологии. В ее основе лежит решение обратной задачи восстановления параметров (географических координат, глубины, мощности, времени в очаге) источника по данным регистрации сейсмических сигналов с помощью сети сейсмических станций либо сейсмической группы. При этом проблема понижения погрешности локации является одной из основных. Трудность ее решения обусловлена присутствием техногенных шумов и иных событий, которые являются фоновыми по отношению к полезному событию.
При решении задачи локации сейсмических источников можно выделить ряд основных этапов [1]:
- Выделение и измерение времен вступления сейсмических волн P и S;
- Идентификация источника;
- Определение параметров очага;
- Отображение координат источника на цифровой карте.
Имея в виду влияние фоновых событий и сейсмических шумов, существует большая потребность в автоматизированной технологии решения задач на обозначенных этапах. Такая технология призвана в помощь человеку
- оператору, чтобы снять с него множество рутинных операций обработки данных в условиях непрерывного мониторинга событий. В данном докладе рассматриваются алгоритмы, предназначенные для решения первых двух этапов задачи.
Выбор алгоритма решения задачи. Первоочередной этап на пути создания технологии автоматизированной локации сейсмических источников состоит в разработке алгоритма для поточного обнаружения моментов вступлений сейсмических волн. При этом важным требованием к алгоритму является малая трудоёмкость для обеспечения возможности обработки в режиме реального времени.
Для обнаружения сейсмических волн в процессе непрерывного
мониторинга и измерения времен вступления волн P и S используется
алгоритм, основанный на методе нелинейной многоканальной обработки [2]. Данный метод обработки лежит в основе работы мультипликативной антенны. Согласно данному алгоритму, решающая функция вычисляется как:
( N-1 ^
F (t) = max П s (t + ir) I
r V i-=о ) (1)
где 81(1) - значение сигнала с /-го сейсмоприёмника в момент времени I, N - количество сейсмоприёмников, т - временной сдвиг по направлению линии годографа.
Погрешность определения времени вступления волны методом мультипликативной обработки, по сравнению с традиционным методом синхронного суммирования, в N раз меньше, что обусловлено более высокой контрастностью вступления волны.
Пример обработки реальной многочасовой сейсмической записи для определения моментов вступлений сейсмических волн от удаленного взрыва (в данном случае удаление составляло 287 км) приведён на рис. 1.
(а)
1 1 1 1 1 1 1 1 1
20 40 60 80 100 120 140 160 180
- 1 1 1 1 , І І І І I
- 20 40 60 80 100 120 140 160 180
1 1 1 1 - Р Б І І І І I
(б)
Рис. 1. Результат обработки реальной многочасовой сейсмической записи:
(а) - исходная сейсмограмма; (б) - фргмент исходной сейсмограммы, содержащий волну; (в) - результат выделения волны методом синхронного сложения; (г) - тоже с помощью
нелинейной обработки
Данная длительная запись от начала до конца подверглась обработке двумя методами (мультипликативным методом и методом синхронного суммирования). В результате обработки времена вступлений продольных волн Р и поперечных S соответствуют максимумам обоих функций. На рис. 1б в увеличенном масштабе приведен фрагмент записи, содержащий взрывную сейсмограмму. На рис. 1в приведен результат ее выделения с помощью метода синхронного суммирования, на рис. 1г - тот же результат, но полученный с помощью мультипликативной обработки. На рис. 1 видно, что мультипликативная функция является по форме намного более острой и, соответственно, позволяет более точно оценивать времена вступлений волн. К тому же такая функция в ряде случаев оказывается более
помехоустойчивой, что иллюстрируется результатами обработки данных экспериментов (рис. 1в, г), а также результатами моделирования [2].
Таким образом, подвергая мультипликативной обработке в поточном режиме данные о сейсмической активности по нескольким каналам, можно получить очень ценный параметр, используемый в дальнейших фазах распознавания. Этот параметр - момент вступления сейсмической волны.
Набор информативных признаков для системы распознавания. Из-за присутствия интенсивного нестационарного фонового шума, имеющего импульсную природу, в процессе мультипликативной обработки могут возникать ложные всплески активности. Во избежание интерпретации шумовых всплесков как полезного сигнала, дальнейшей фазой обработки является процесс идентификации источника сейсмических сигналов, результатом которой будет отнесение сигнала к одному из двух классов: промышленный взрыв или шум (идентификация землетрясений является дальнейшей задачей). Построение системы распознавания сейсмических сигналов подразумевает выбор системы информативных признаков, на основе которой будет производиться классификация. В результате изучения особенностей сейсмических записей взрывов, была выбрана следующая система признаков:
- Задержка между временами вступления Р- и S-волн. Известно, что разность времён вступления продольных и поперечных волн, распространяющихся в упругой среде, есть функция расстояния от источника волн до точки регистрации. Задав необходимый временной интервал, можно настроиться на обнаружение событий интересующего диапазона расстояний.
- Отношение амплитуд волн S и Р. По отношению к пространственным компонентам волнового поля (ХД,7 компоненты), соотношения амплитуд Ри Б-волн имеют различные значения. Диаграмма распределения значений признака для взрывов и шумов приведена на рис. 2.
- Диапазон частот волн Р и S. По результатам анализа, диапазон частот Р-волн лежит выше, чем для S-волн.
- По отношению к промышленным взрывам соотношение соответствующих частот составляет 1.5-2 раза. Стоит отметить, что в случае интенсивных шумов, спектр Р-волны, как правило, оценить не удаётся и соответственно использование данного признака возможно лишь на слабо зашумлённых сейсмограммах.
Данная система признаков была обоснована и выбрана на основе анализа набора сейсмических записей промышленных взрывов, проведённых на открытых угольных разрезах Кемеровской области. Разрезы располагались в диапазоне расстояний 130-334 км по отношению к пунктам регистрации. Всего было проанализировано около 20 записей взрывов.
Алгоритм обнаружения сейсмических сигналов. На основе собранной статистики параметров волн была построена система обнаружения сигналов промышленных взрывов. Алгоритм функционирования системы является ступенчатым, состоящим из 2 этапов (рис. 3).
Этап 1. Поданная на вход системы многоканальная сейсмическая запись подвергается мультипликативной обработке. В случае наличия в записи сейсмических событий, результат многоканальной обработки - решающая функция (1), будет содержать контрастные всплески в местах прихода волн (см. рис. 1г). Данные скачки можно обнаружить при помощи порогового метода. В нашем случае порог вычислялся исходя из вероятности превышения значения шума 99,99%, с предварительной оценкой распределения шума перед каждым сеансом обработки. Таким образом, косвенно реализовывался отбор сигналов по первому признаку - углу наклона годографа. Поиск значений мультипликативной функции, превышающих порог и соответствующих волнам Р и 8, осуществлялся в соответствии с учетом априорного диапазона разностей времён вступлений, в результате чего производился отбор по второму признаку - разности времён вступлений Р и 8 волн.
Этап 2. Дальнейшим этапом алгоритма обнаружения сигналов является процесс классификации посредством решающей функции, призванной исключить реагирование системы на ложные шумовые импульсы. Классификация осуществлялась в две ступени: сначала на основе признака отношения амплитуд, затем, в случае положительного результата, на основе признака отношения спектров волн Р и 8.
Рис. 2. Диаграмма распределения значений признака «отношение амплитуд Р и S волн» для взрывов и шумов. Пунктирная линия изображает границу
между классами
Сейсмическая запись
Мультипл.
Пороговый метод
Поиск времён вступления P,S волн в рамках заданной
разницы времён пробега
Проверка соотношения 1—N Проверка соотношения 1—\ Результат:
амплитуд P и S волн 1—/ спектров P и S волн 1—/ взрыв или шум
Этап 2
Рис. 3. Структура алгоритма обнаружения и распознавания сейсмических
сигналов
Разработанная система обнаружения и распознавания сейсмических сигналов (на данный момент - промышленных взрывов) была опробована на наборе записей промышленных взрывов, проведённых на открытых угольных разрезах Кемеровской области, в диапазоне расстояний 130-334 км. В итоге, каждый из 20 тестовых взрывов был обнаружен. В случае сильно зашумлённых записей замечена редкая реакция системы на шумовые всплески. Оценку точности определения параметров волн и вероятность корректного распознавания событий предстоит еще провести.
В дальнейших этапах задачи локации сейсмических источников, после обнаружения полезного события, предстоит решать задачи определения параметров очага (географических координат, глубины, мощности) с дальнейшим отображением на электронной картографической системе.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. M.S. Khairetdinov, O.K. Omelchenko, G.F. Sedukhina, G.M. Voskoboynikova. Numerical algorithms and results of experiments to determine the parameters of the borehole bottom and medium. Bull. Nov. Comp. Center, Math. Model. In Geoph., 10 (2005), 33-41.
2. Хайретдинов М.С. Нелинейный метод выделения и измерения параметров сейсмических волн / М.С. Хайретдинов, С.А. Авроров // Сб. материалов междунар. науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2006» Т.3. Мониторинг окружающей среды, геоэкология, дистанционные методы зондирования Земли фотограмметрия. Ч.2. - Новосибирск: СГГА, 2006. - С. 8-13.
3. M.S. Khairetdinov. Increasing of sensitivity of active vibroseismic monitoring method with allowance for wave field nonlinearity // Bull. Nov. Comp. Center, Math. Model. In Geoph., 10 (2005), 19-34.
© М.С. Хайретдинов, С.А. Авроров, 2007
