Методы уменьшения помех сейсмического гиронаклономера

Для решения широкого круга актуальных научных и прикладных задач в сейсмологии зачастую необходима информация об истинном или полном движении грунта при сейсмических явлениях, которая включает в себя знание не только величин перемещений поверхности Земли по трем осям в точке регистрации, но также значения наклонов или поворотов поверхности в этой точке.

Для полного описания перемещения любого физического тела конечных размеров в пространстве необходимо измерять шесть ординат его движения — X, Y, Z перемещения по трем взаимно перпендикулярным осям и Ox, Оу, Oz — соответствующие углы вращений в декартовой (картезианской) системе координат. Между тем, вплоть до настоящего времени, в сейсмометрии при использовании сейсмометров, представляющих собой различного типа физические маятники, не представляется возможным надежно разделять на сейсмических записях поступательные и вращательные движения грунта. Для решения данной задачи используют особый тип сейсмических приборов — наклономеры.

Главным препятствием на пути создания эффективных длиннопериодных сейсмических приборов, включая наклономеры, являются различного рода помехи, зачастую не сейсмического происхождения, воздействие которых на прибор возрастает по мере продления его частотной характеристики в сторону длинных периодов. Следовательно, для создания сейсмических приборов обладающих высоким разрешением необходима разработка эффективных аппаратных и программных способов и методов помехозащиты этих инструментов. Однако следует подчеркнуть, что такая помехозащита представляет собой достаточно сложную техническую и алгоритмическую задачи, для решения которых в целом непригодны ранее разработанные методы защиты короткопериодных сейсмических датчиков.

Цели работы.

Целью настоящей работы является разработка методов борьбы с наведенными и собственными шумами сейсмических наклономеров, значительно ухудшающими качество выходных записей (отношение сигнал/шум). В работе проведен комплексный анализ проблемы, рассмотрены аппаратные и программные методы уменьшения уровня помех.

Задачи исследования.

Надежность сейсмических моделей, прежде всего, зависит от качества и достоверности регистрируемых данных. На практике качество сейсмических данных бывает весьма разнообразно. Сейсмическую запись можно представить в общем виде, как Y = H (X+Q), где X — перемещение почвы, Н — передаточная функция датчика, Qшум.

Как нетрудно заметить [48], все три составляющие правой части уравнения влияют на качество записи. Перемещение почвы X включает в себя «чистый», сейсмический сигнал. В понятие шум Q включаются помехи, генерируемые изменениями физических полей (атмосферное давление, температура, и т. п. [37]), антропогенным воздействием [24], резонансными явлениями [55], включая помехи, генерируемые изменениями физических полей, но при их воздействии непосредственно на элементы датчиков и каналы связи [17], собственный шум («дрожание системы») [16], электромагнитные помехи, электрические наводки [4], шум оцифровки данных [25, 58] и так далее. Передаточную функцию прибора Н тоже нельзя считать постоянной, так как она может изменяться из-за временного варьирования значений параметров и компонентов прибора. Задачи уменьшения влияния вышеперечисленных шумов на качество сейсмических записей имеют первостепенное значение для получения достоверных сейсмических записей. Решению этих задач посвящена настоящая диссертационная работа.

Методика исследований.

Основными методами исследований являлись натурные и численные эксперименты. Для практической проверки, отработки и реализации разработанных методов и решений был использован опытный сейсмический гиронаклономер, в котором в качестве активного чувствительного элемента установлен прецизионный малогабаритный высокооборотный гироскоп отечественного производства. Принцип действия сейсмического гиронаклономера основан на законе сохранения момента количества движения. Гиронаклономер позволяет, в отличие от маятниковых датчиков, надежно регистрировать вращательные движения почвы, в том числе ее наклоны. Натурные эксперименты, с использованием гиронаклономера типа KST-1, проводились на опытной сейсмической станции (дер. Свитино, Московская область). Численные эксперименты проводились с применением программного комплекса Matlab производства фирмы Math Works [2]. Набор основных компонентов входящий в комплект поставки является многосторонним и крайне удобным средством для быстрого программирования программ, интерфейсов и соответственно получения результатов. С помощью разработанного программного обеспечения были изучены характеристики передаточной функции гиронаклономера, произведена предварительная и основная обработка собранных сейсмических данных, проведено моделирование функционирования подстраивающегося оптимального фильтра, разработанного в рамках данной работы.

Основные защищаемые положения.

• Разработка методики анализа устойчивости (повторяемости) передаточной функции сейсмического гиронаклономера.

• Уменьшение уровня температурных помех за счет активного термостатирования гиронаклономера.

• Улучшение соотношения сигнал/шум записанных выходных сейсмических сигналов за счет использования алгоритмов оптимальной фильтрации.

Научная новизна.

1. Разработана методика автоматизированного анализа устойчивости передаточной функции сейсмического гиронаклономера.

2. Впервые для гиронаклономера разработан активный термостат с компенсатором температурных наклонов, возникающих за счет деформации наружных опор корпуса прибора и постамента.

3. Впервые разработан метод подстраивающегося оптимального фильтра, позволяющий существенно уменьшать уровень наведенных барических или температурных помех, присутствующих в записях сейсмического гиронаклономера.

Теоретическая и практическая значимость.

Теоретическая значимость данного исследования заключается в разработке методов и алгоритмов помехозащиты сейсмических приборов, и в частности наклономеров, от воздействия на них температурных, атмосферных барических и прочих возмущений. Эти исследования имеют высокую научную значимость и позволяют улучшить общее соотношение сигнал/шум на записях не только наклономеров, но и других сейсмических приборов.

Практическая значимость исследований заключается в применении разработанных методов и алгоритмов, как в строительной геологии, так и для анализа и улучшения характеристик сейсмических приборов, а также последующей обработки результатов экспериментальных наблюдений.

Апробация работы.

Результаты исследований докладывались и обсуждались на научных семинарах МИТП РАН и ИФЗ им. О. Ю. Шмидта РАНбыли представлены на международных конференциях, в том числе на Генеральной Ассамблее Международного Геофизического Союза (IUGG), проходившей в г. Саппоро, Япония в 2003 годуна 2-м Международном симпозиуме «Активный геофизический мониторинг литосферы Земли», проходившем в 2005 году в Новосибирскена международной конференции «Проблемы геокосмоса-2008», проходившей в Государственном Санкт-Петербургском университете в 2008 г.

Результаты работы также были использованы в ходе выполнения проектов Международного научно-технического центра (МНТЦ) № 415 и 1539 [6] в 2001;2003 гг.

Публикации по теме диссертации.

Основные результаты работы по теме диссертации изложены в 10 публикациях, в том числе две статьи в реферируемом российском издании и две статьи в российских электронных Интернет изданиях.

1. Гравиров В. В. Экспериментальные результаты регистрации наклонов почвы атмосферного происхождения гиронаклономером типа KST-1. // Естественные и технические науки.- М.: Спутник+. 2008, № 6, С.159−160.

2. Гравиров В. В., Кислов К. В. Шумы упругих элементов сейсмической аппаратуры // Естественные и технические науки.-М.: Спутник+. 2008, № 5, С.142−148.

3. Гравиров В. В., Кислов К. В. Легкий сейсмометрический стенд для определения АЧХ вертикальных сейсмодатчиков. // Активный геофизический мониторинг литосферы Земли. Материалы 2-го Международного симпозиума 12 — 16 сентября 2005 г. Академгородок, Новосибирск. Новосибирск: Изд-во СО РАН. 2005, С.446−449.

4. Гравиров В. В., Кислов К. В., Колесников Ю. А., Серегин В. Н. Использование научно-исследовательского потенциала в области авиационных систем в проблеме мониторинга сейсмичности: создание подспутниковой малоапертурной группы сейсмических станций для оперативного мониторинга региональной сейсмичности с целью прогноза землетрясений. // Итоговый технический отчет по проекту № 1539. М.:МНТЦ. 2003. С. 110.

5. Гравиров В. В., Кислов К. В. Критичность сейсмометра к вариациям параметров // Электронный журнал «Исследовано в России», 26, 2008, С.301−312. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/026.pdf.

6. Гравиров В. В., Кислов К. В., Моргунов В. В Определение остаточной сейсмичности зданий и сооружений. // Активный геофизический мониторинг литосферы Земли. Материалы 2-го Международного симпозиума 12—16 сентября 2005 г. Академгородок, Новосибирск. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005 С.426−428.

7. Кислов К. В., Гравиров В. В. Один из путей генерации температурной помехи широкополосного сейсмометра" // Электронный журнал «Исследовано в России», 27, 2008, С.313−321. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/027.pdf.

8. Колесников Ю. А., Кушнир А. Ф., Гравиров В. В., Мобильная спутниковая система для мониторинга региональной сейсмичности // Итоговый технический отчет по проекту № 415 М.: Международный научно-технический центр (МНТЦ). 2000, С. 105.

9. Kolesnikov Yu.A., Gravirov V.V., Development of a Satellite Small Aperture Seismic Array for Real Time Monitoring of Regional Seismicity, in Abstracts A of General Assembly IUGG 2003, Sapporo, Japan, 2003, P. A460. th.

10. Gravirov, V.V., Kislov, K.V. About reliability of seismic data. // 7 International Conference «Problems of Geocosmos». Book of Abstracts. -St.Petersburg, 2008, P.233−234.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и 2-х приложений. Общий объем диссертации составляет 120 страниц машинописного текста, содержит 38 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 64 наименований.

2.4 Выводы.

На основе анализа описанного в первой главе гиронаклономера во второй главе проанализированы причины основных помех, присутствующих в записях сейсмического наклономера. Произведен анализ возникающих температурных возмущений и основных параметров системы автоматического термостатирования, позволяющей существенно уменьшить влияния изменения наружной температуры на прибор. Показано, что при использовании активного термостата вместе с блоком термокомпенсации возможно существенное улучшение температурной помехозащищенности гиронаклономера. Детально описан и испытан алгоритм подстраивающегося оптимального фильтра, позволяющий существенно минимизировать влияние барических помех. Отмечены и недостатки метода связанные с наличием переходного процесса, в течение которого формируются коэффициенты, определяющие передаточную функцию подстраивающегося оптимального фильтра. Также проанализированы другие виды специфичных для гиронаклономера помех, связанных с особенностями конструкции данного сейсмического прибора. Показано, что большинство из них не приводят к значительному увеличению уровня шумов и, следовательно, могут быть легко минимизированы.

Заключение

.

В диссертационной работе разработаны методы и алгоритмы защиты сейсмических приборов и в частности сейсмического гиронаклономера от воздействия на них температурных и атмосферных барических возмущений. Эти методы и алгоритмы имеют высокую научную значимость и позволяют улучшить общее соотношение сигнал/шум на записях сейсмических наклономеров. В работе получены следующие наиболее важные результаты:

1. Анализируя устойчивость передаточной функции гиронаклономера можно заранее оценить ее чувствительность к изменению основных параметров.

2. Практически проверена возможность существенного уменьшения влияния температурной помехи на гиронаклономер за счет применения методики активного термостатирования внутреннего объема прибора.

3. На основании анализа барической составляющей помех разработан алгоритм подстраивающегося оптимального фильтра, позволяющий отфильтровывать из исходного сейсмического сигнала сигнал помехи при наличии дополнительного канала записи сигнала помехи. Проведены модельные и реальные испытания разработанного алгоритма, показывающие его реальную работоспособность по выделению «полезных» сейсмических сигналов.