CC BY
0ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 550.34.03 К. С. Рябинкин, В. В. Пупатенко, Д. А. Литвих
РЕГИСТРАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СЕЙСМОСТАНЦИЕЙ «СЕЙСМОПРО»
Рябинкин К.С. - младший научный сотрудник Департамента инновационной политики и разработок (ТОГУ), e-mail: Kostya-rowan@mail.ru; Пупатенко В. В. - канд. техн. наук, старший научный сотрудник (Институт тектоники и геофизики им. Ю. А. Косыгина ДВО РАН), e-mail: pvv2.dv@gmail.com; Литвих Д. А. - студент группы КБ(с)-11, e-mail: 2021100221@pnu.edu.ru (ТОГУ)
В статье описан необходимый этап создания и внедрения разработанной нами новой сейсмостанции «СейсмоПро» - её тестирование в условиях, приближенных к условиям реальной эксплуатации. На двух пунктах сейсмологического мониторинга в г. Хабаровске и в Приморском крае проведены испытания с целью определить и подтвердить ожидаемые характеристики сейсмостанции. Кратко описана конструкция прибора. В частотном диапазоне 3-15 Гц, наиболее часто используемом для регистрации сейсмических колебаний, вызываемых слабыми и умеренными локальными землетрясениями, записи оказались идентичны получаемым широкополосным сейсмометром. Фактически, этот диапазон кратно шире. Подтверждено значение собственной частоты используемых датчиков (4.5 Гц), их усиление и характеристики АЦП. Собственный шум сейсмостанции «СейсмоПро» позволяет использовать её наравне с профессиональными сейсмостанциями в населённых пунктах и других местах с повышенным уровнем микросейсмического шума.
Ключевые слова: сейсмология, сейсмостанция, приборостроение, сейсмический регистратор, геофон, сейсмический шум, антропогенный шум.
Введение
В Хабаровском крае, как и в других регионах Дальнего Востока, велика вероятность возникновения разрушительных землетрясений. Согласно картам общего сейсмического районирования 0СР-2016 [1] основная часть Хабаровского края находится в зоне 7-балльных сотрясений (при повторяемости сотрясений около 500 лет). Сильные землетрясения, вызывавшие такие сотрясения, происходили в начале XX века.
Мониторинг сейсмичности необходим, как минимум, для: - уточнения сейсмической опасности;
© Рябинкин К. С., Пупатенко В. В., Литвих Д. А., 2023
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. .№ 4 (71)
ВЕСТНИКТОГУ. 2023. № 4(71)
- разработки и применения методов прогнозирования землетрясений;
- получения точной и оперативной информации о параметрах и предполагаемых последствиях возникающих сильных землетрясений.
Сейсмические станции (сейсмостанции) - основа инструментального мониторинга землетрясений. Современные сейсмостанции состоят из нескольких частей. Основные компоненты - это сейсмический датчик, устройство, которое преобразует механические колебания земной поверхности в аналоговые электрические импульсы, и сейсмический регистратор, который, управляя всей работой прибора, преобразует эти импульсы в цифровой вид, записывает их в память или передаёт по сети Интернет. Для точной синхронизации времени часто используется GPS/ГЛОНАСС приёмник.
Проблема сейсмического мониторинга в Хабаровском крае заключается в малом количестве сейсмических станций - их всего шесть. В южных и центральных районах края такого количества достаточно для обеспечения нормальной работы Единой геофизической службы РАН [2-4]. При этом возможностей столь редкой сети сейсмических станций недостаточно для мониторинга слабых землетрясений и решения разнообразных научных задач, в том числе изучения закономерностей и причин возникновения землетрясений. В итоге оказывается практически невозможным начало работ по прогнозированию (хотя бы среднесрочному) сильных землетрясений с использованием сейсмологических методов.
Расширение сети сейсмических станций наталкивается на финансовые и технические трудности. Наиболее распространённые современные широкополосные сейсмостанции стоят более 1,5 млн. рублей, короткопериодные - от нескольких сотен тысяч рублей. При этом при их установке в городских условиях страдает качество записи, а установка в ненаселенной местности фактически невозможна из-за опасности вандализма и низкой автономности оборудования.
Одним из возможных решений указанных проблем может стать использование большого количества недорогих автономных сейсмостанций. Разработка такого прибора - недорогой сейсмостанции на базе геофонов - была начата в 2021 г. в ИТиГ ДВО РАН и продолжается в настоящее время преимущественно в Тихоокеанском государственном университете. Целью этих работ является создание простого и недорогого прибора, который не требовал бы особых условий и навыков для эксплуатации, но при этом обеспечивал достаточное качество данных для проведения сейсмологических исследований. В настоящее время его разработка находится на стадии рабочего прототипа. Сей-смостанция получила название «СейсмоПро».
Целью настоящей работы является проведение испытаний прототипа разработанной сейсмостанции «СейсмоПро» на базе геофонов.
Задачи исследования включали: проведение тестирование разработанной сейсмостанции в реальных условиях эксплуатации; обработка полученных данных измерений; подтверждение характеристик сейсмостанции, прогнозируемых на основе характеристик отдельных её компонентов.
РЕГИСТРАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СЕЙСМОСТАНЦИЕЙ «СЕЙСМОПРО»
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 4 (71)
Материалы и методы
В базовом варианте регистратор состоит из следующих компонентов (рис. 1):
- микрокомпьютер Ардуино Леонардо - центральный элемент управления всей системой. Платформа Ардуино оказалась достаточна для полноценного функционирования устройства, обеспечила невысокую стоимость, удобство прототипирования и дальнейшего создания готовых приборов и, что немаловажно, очень низкое энергопотребление;
- картридер для подключения карт памяти MicroSDHC, используемых в качестве накопителя данных;
- аналого-цифровой преобразователь (АЦП) ADS1256, необходимый для конвертации аналогового сигнала с датчиков в цифровую форму;
- модуль ГЛОНАСС/GPS с антенной, посредством которого происходит синхронизация внутренних часов и определение координат;
- источник питания, обеспечивающий автономную работу при отсутствии или потере внешнего электропитания.
орв
Рис 1. Регистратор в базовой комплектации и интерфейсы взаимодействия
его компонентов
Для связи этих компонент использованы стандартные протоколы SPI и UART, и написана программа для микроконтроллера, обеспечивающая весь процесс работы.
В качестве датчика использовались низкочастотные модификации геофонов - приборов, применяющихся, как правило, в сейсморазведке (рис. 2). Возможность и перспективность использования геофонов для регистрации локальных землетрясений обсуждалась неоднократно в научной литературе [5-
ВЕСТНИКТОГУ. 2023. № 4(71)
8]. В базовом варианте сейсмостанции «СейсмоПро» используется три ортогонально расположенных геофона 08-0пе с собственной частотой 4.5 Гц, что позволяет определять все три компоненты сейсмического сигнала.
Основные характеристики базовой версии сейсмостанции «СейсмоПро» приведены в таблице 1.
Таблица 1
Основные характеристики сейсмического датчика и сейсмического регистратора
Характеристика Значение
Сейсмические датчики (GS-One 4.5 Гц)
Собственная частота 4.5 ± 0.75 Гц
Чувствительность 100 В/м/с (в открытой цепи)
Собственный шум На 5-20 дБ выше МЬММ в диапазоне частот 1-30 Гц
Стоимость комплекта 23 000 руб.
Сейсмический регистратор
АЦП, разрядность ADS1256, 24 бита
Уровень шума АЦП до 23 бит без шума (в реальных условиях эксплуатации 21-22 бита)
Память Карты MicroSDHC, до 32 ГБ
Автономность по памяти до 11 месяцев
Синхронизация времени По GPS
Энергопитание От USB; от аккумулятора 3-20 В
Энергопотребление среднее 0.3 Вт
Энергопотребление в месяц с учетом КПД 250 Вт*ч/мес.
Рабочий диапазон температур -20°...+30°С
Базовая стоимость 8 000 руб.
РЕГИСТРАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СЕЙСМОСТАНЦИЕЙ ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 4 (71)
«СЕЙСМОПРО»
Для подтверждения характеристик используемого оборудования и компонентов, указываемых производителями, была проведена серия испытаний.
Разработанные нами сейсмостанции «СейсмоПро» сравнивались с широкополосными сейсмостанциями в пунктах постоянного мониторинга в г. Хабаровске и на мысе Шульца (Хасанский район Приморского края) на территории геофизической обсерватории Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН. При сравнении оба типа приборов были помещены в одинаковые внешние условия в непосредственной близости друг относительно друга и на протяжении длительного периода времени работали совместно. При этом широкополосные сейсмостанции использовались в качестве эталона.
Обработка сейсмических данных проводилась в программе DIMAS - специализированной программе для работы с сейсмическими сигналами.
Записи, полученные сейсмостанцией «СейсмоПро», были скорректированы на амплитудно-частотную (АЧХ) и фазово-частотную характеристику (ФЧХ) используемых геофонов, так, чтобы получить одинаковые (линейные) АЧХ и ФЧХ на частотах выше 0.1 Гц [9]. Для этого использовалось свойство эквивалентности двух последовательно применяемых цифровых фильтров составному фильтру следующего вида:
где Н\(г), Нг(г) и Н(г) - передаточные функции, соответственно, первого, второго и составного фильтров.
Таким образом, полагая, что первый фильтр - прямой, второй - обратный, а для составного фильтра Н(г) = 1, и записывая передаточные функции через полюса и нули (без учёта коэффициента усиления), получим
ц ф _ П?1=0(г~1 - Рп) ц ф _ Пт=0(г~1 — ат)
Пт=0(г 1 — ат) Пп=0(^ 1 — Рп)
где г - комплексный аргумент передаточной функции; ат и вп - соответственно, полюса и нули прямого фильтра; N и М - количество, соответственно, нулей и полюсов передаточной функции.
Другими словами, необходимый для корректировки обратный фильтр будет иметь полюса, равные нулям прямого фильтра, и нули, равные полюсам прямого фильтра. Этот принцип лежит в основе обычно применяемых программных и аппаратных способов расширения частотного диапазона сейсмических датчиков [6].
ВЕСТНИКТОГУ. 2023. № 4(71)
Результаты и интерпретация
На рис. 3 показаны спектры записей сейсмического шума, полученных двумя сейсмостанциями. Установленный на сейсмостанции «Хабаровск» в комплекте с широкополосным сейсмометром 8Т8-2 регистратор на момент проведения измерений записывал данные с частотой дискретизации 50 Гц. Это означает, что его фактический частотный диапазон при частоте Найквиста 25 Гц должен быть ограничен сверху значением порядка 15-20 Гц (из-за применения фильтра высоких частот, предотвращающего шум от наложения спектров при дискретизации). Именно это можно наблюдать на рис. 3, где отчётливо видна частота среза - 15 Гц.
Рис 3. Сравнение спектров записей сейсмических шумов, полученных сейсмостанциями на базе геофонов (красная линия) и широкополосного датчика (синяя линия) на станции КНАВ, г. Хабаровск. Ломаными красными линиями показаны модели низкого (ЫЪЫМ) и высокого
(ЫНЫМ) шума [10]
Для проведения визуального контроля качества записи сигнала был определён частотный диапазон, в котором (при данных условиях) наблюдается приемлемое совпадение спектров записей двух сейсмостанций - 3-15 Гц. Этот диапазон был выделен с помощью полосового фильтра на каждой из записей. Небольшой (10-секундный) участок получившейся записи приведён на рис. 4.
РЕГИСТРАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СЕЙСМОСТАНЦИЕЙ «СЕЙСМОПРО»
ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 4 (71)
Рис 4. Сравнение наложенных записей сейсмических шумов, полученных сейсмостанци-ями на базе геофонов (красная линия) и широкополосного датчика (синяя линия) в пункте постоянного сейсмического мониторинга г. Хабаровск.
Визуальное сходство формы сигналов, совпадение амплитуд колебаний и визуальное отсутствие фазовых сдвигов подтверждает идентичность записей в выделенном диапазоне 3-15 Гц. Необходимо отметить, что полученные результаты не означают, что тестируемая сейсмостанция неверно записывает колебания вне этого диапазона. Причина различия в более высоких частотах была описана выше. Вероятной причиной различий на частотах ниже 3 Гц стал более высокий уровень шума геофонов из-за необходимости применения обратной фильтрации. Некоторую роль, вероятно, сыграла и более качественная установка стационарной сейсмостанции, которая была установлена на бетонный постамент.
Практически полное совпадение спектров на частотах 3-6 Гц показывает, что у данного комплекта геофонов собственная частота действительна близка к 4.5 Гц. Совпадение амплитуд говорит о верном и очень точно определённом производителем значении коэффициента усиления геофонов и о соответствии у АЦП аналогичных характеристик с заявленными.
На рис. 5 приведён пример влияния антропогенной составляющей сейсмического шума на качество записи.
ВЕСТНИКТОГУ. 2023. № 4(71)
ХабароЕ »ск
_и у л ь ц '
Гл кч
Рис 5. Сравнение спектров записи сейсмического шума, в пунктах постоянного сейсмического мониторинга в г. Хабаровск и на мысе Шульца.
Несмотря на близость и высокие амплитуды природных источников сейсмического шума - прибоя, шум на тестируемой сейсмостанции на мысе Шульца оказался ниже, чем в городских условиях в дневное время даже на частотах 3-4 Гц, где он наиболее интенсивен. На остальных частотах, используемых для регистрации локальных землетрясений, шум в городе выше на 10-20 дБ.
Полученный и показанный на рис. 5 уровень сейсмического шума на мысе Шульца приблизительно соответствует (за исключением участка около 3 Гц) типичному уровню собственного шума приборов такого же класса, но в несколько раз более дорогих [11].
Выводы
Проведённые испытания разработанных экспериментальных сейсмостан-ций «СейсмоПро» на двух пунктах в Хабаровском и Приморском краях показали, их принципиальную пригодность к регистрации сейсмических колебаний в частотном диапазоне, наиболее часто используемом для регистрации сейсмических колебаний, вызываемых слабыми и умеренными локальными землетрясениями. В частотном диапазоне 3-15 Гц записи оказались идентичны получаемым широкополосным сейсмометром, есть все основания считать, что этот диапазон кратно шире и ограничен сверху из-за ограничений по частоте дискретизации, а снизу - кратно возрастающей амплитудой сейсмического шума и практической целесообразностью.
Шум записей, получаемых сейсмостанцией «СейсмоПро» находится на среднем уровне. Это позволяет использовать её наравне с профессиональными сейсмостанциями в населённых пунктах и других местах с повышенным уровнем микросейсмического шума.
РЕГИСТРАЦИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИИ -
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ СЕЙСМОСТАНЦИЕЙ ВЕСТНИК ТОГУ. 2023. № 4 (71)
«СЕЙСМОПРО»
Благодарности: Работа выполнена Тихоокеанским государственным университетом в целях реализации программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (в части обработки, интерпретации и обобщения результатов) и Институтом тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН в рамках государственного задания (в части организации и проведения измерений).
Библиографические ссылки
1.Пояснительная записка к комплекту карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-2016 / Уломов В.И. и др. // Инженерные изыскания. 2016. № 7. С. 49-121.
2.Левин Б.В., Ким Чун Ун, Нагорных Т.В. Сейсмичность Приморья и Приамурья в 1888-2008 гг. // Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2008. № 6. С. 16-22.
3.Сафонов Д.А. Сейсмическая активность Приамурья и Приморья // Геосистемы переходных зон. 2018. Т. 2, № 2. С. 104-115. DOI: 10.30730/25418912.2018.2.2.104-115.
4.Сафонов Д.А., Нагорных Т.В., Коваленко Н.С. Сейсмичность региона Приамурье и Приморье / под ред. А.С. Прыткова. Южно-Сахалинск : ИМГиГ ДВО РАН, 2019. 104 с. + 1 электрон. опт. диск.
5.Беляков А.С. Конструкция магнитоупругих геофонов // Сейсмические приборы 2014. Т. 40. С. 28-35
6.Инструментальные методы расширения амплитудно-частотной характеристики геофона / Беседина А.Н., Кабыченко Н.В., Павлов Д.В., Волосов С.Г. // Сейсмические приборы. 2019. Т. 55. № 3. С. 5-23. DOI: 10.21455/si2019.3-1
7.Дергач П.А., Дучков А.А., Юшин В.И. Использование геофонов в локальных сетях сейсмологического мониторинга // Интерэкспо Гео-Сибирь. 2019. Т. 2, № 3. С. 140-146. DOI: 10.33764/2618-981X-2019-2-3-140-146.
8.Havskov J., Alguacil G. Instrumentation in Earthquake Seismology // Netherlands: Springer, 2010. 365 p.
9.Havskov J., Ottemoller L. Routine data processing in earthquake seismology - Dordrecht, the Netherlands: Springer Science & Business Media, 2010. 350 p.
10.Peterson J. Observations and modeling of seismic background noise / USGS Open-File Report 93-322. Albuquerque: U.S. Geological Survey, 1993. 94 p.
11.Do low cost seismographs perform well enough for your network? An overview of laboratory tests and field observations of the OSOP Raspberry Shake 4D / Anthony R. E., Ringler A. T., Wilson D. C., Wolin E. // Seismological Research Letters. 2019. Vol. 90, № 1. P. 219-228. DOI: 10.1785/0220180251.
BECTHHK TOry. 2023. № 4(71)
Title: Seismic Oscillations Registration by the Experimental Seismic Station «SeismoPro»
Authors' affiliation:
Ryabinkin K.S. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation Pupatenko V.V. - Kosygin Institute of Tectonics and Geophysics, Far Eastern Branch, Russian Academy of Sciences
Litvikh D.A. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation
Abstract: The article describes the necessary stage of creation and implementation of the new seismic station «SeismoPro» developed by us - its testing in operating conditions that are close to real ones. The tests have been carried out at two seismo-logical monitoring sites in Khabarovsk and the Primorsky Krai to determine and confirm the expected characteristics of the seismic station. The design of the device is briefly described. In the frequency range of 3-15 Hz, which is the most often used to record seismic vibrations caused by weak and moderate local earthquakes, the records have turned out to be identical to those obtained by a broadband seismometer. In fact, this range is many times wider. The value of the natural frequency of the sensors used (4.5 Hz), their amplification and ADC characteristics have been confirmed. The inherent noise of the «Seismo-Pro» seismic station allows it to be equally used with professional seismic stations in populated areas and other places with a relatively high level of microseismic noise.
Keywords: Key words: seismology, seismic station, instrumentation, seismic recorder, geophone, seismic noise, anthropogenic noise.
