Методы уменьшения помех сейсмического гиронаклономера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.10, кандидат физико-математических наук Гравиров, Валентин Валентинович

• Гравиров, Валентин Валентинович
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Гравиров, Валентин Валентинович

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность работы.

Цели работы.

Задачи исследования.

Методика исследований.

Основные защищаемые положения.

Научная новизна.

Теоретическая и практическая значимость.

Апробация работы.

Публикации по теме диссертации.

Структура и объем диссертации.

Выполнение работы.

Краткое содержание работы.

Глава 1. АНАЛИЗ ГИРОНАКЛОНОМЕРА.

1.1 Помехи, присутствующие в записях наклономеров.

1.2 Краткое описание тестового гиронаклономера.

1.3 Передаточная функция гиронаклономера.

1.3.1 Расчет передаточной функции гиронаклономера.

1.3.2 Анализ устойчивости передаточной функции.

1.3.3 Передаточная функция экспериментального образца гиронаклономера.

1.4 Оценка разрешающей способности измерительного тракта и коэффициента преобразования гиронаклономера.

1.5 Выводы.

Глава 2. ПОМЕХИ В СЕЙСМИЧЕСКИХ ЗАПИСЯХ ГИРОНАКЛОНОМЕРА И

СПОСОБЫ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ.

2.1 Температурная составляющая помех.

2.1.1 Температурные возмущения гиронаклономера.

2.1.2 Расчет параметров системы термостатирования.

2.1.3 Подавление температурной помехи путем активного термостатирования гиронаклономера.

2.2 Барическая составляющая помех.

2.2.1 Помехи в сейсмических записях, вызванные атмосферными явлениями.

2.2.2 Экспериментальные результаты регистрации наклонов почвы атмосферного происхождения.

2.2.3 Подавление барической помехи путем применения оптимальных фильтров.

2.2.4 Тестирование работы подстраивающегося оптимального фильтра.

2.3 Прочие помехи.

2.3.1 Помехи, вызванные собственными вибрациями гироскопа

2.3.2 Влияние вращения Земли.

2.3.3 Влияние юстировки центра тяжести гироскопа.

2.4 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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, Q -шум.

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 РАН; были представлены на международных конференциях, в том числе на Генеральной Ассамблее Международного Геофизического Союза (IUGG), проходившей в г. Саппоро, Япония в 2003 году; на 2-м Международном симпозиуме «Активный геофизический мониторинг литосферы Земли», проходившем в 2005 году в Новосибирске; на 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.

Заключение диссертации по теме «Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых», Гравиров, Валентин Валентинович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Гравиров, Валентин Валентинович, 2009 год

1. Андреев Н.И. Теория статистически оптимальных систем управления. — М.: Наука, 1980.-423 С.

2. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова Е.Н. MATLAB 7. СПб.: БХВ-Петербург. 2005. - 1104 С.

3. Брагинский В.Б., Манукин А.Б. Измерение малых сил в физических экспериментах. М.: «Наука», 1974. 152 С.

4. Гольдштейн B.JL, Турлов П.А., Ямпольский A.M. Эксплуатация цифровых сейсморазведочных станций «Прогресс». М.: Недра. 1986. — 144 С.

5. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Дрофа, 2006.-719 С.

6. Грайзер В.М. "Истинное" движение почвы в эпицентральной зоне / АН СССР. Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта. М., 1984. -198 С.

7. Грайзер В.М. Об определении траектории движения грунта при сейсмических явлениях // Известия АН СССР, физика Земли. (10). - 1986. - С.14-19.

8. Грайзер В.М. О выделении поступательного движения и поворотов поверхности Земли в эпицентральной зоне // Приборы и методы регистрации землетрясений. Сейсмические приборы, вып. 19. М., 1987. - С.122-127.

9. Ю.Грайзер В.М. Влияние поворотов на запись маятникового сейсмографа // Исследования по сейсмометрии. Сейсмические приборы, вып.20. М., 1988. - С.139-144.

10. Дьяконов В .П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6R в математике и моделировании. // Серия «Библиотека профессионала». — М.: COJIOH-Пресс. 2005. 576 С.

11. З.Казаков И.Е. Статистическая теория систем управления в пространстве состояний. М.: Наука, 1975. - 432 С.

12. Канасевич Э.Р. Анализ временных последовательностей в геофизике. — М.: Недра, 1985.-300 С.

13. Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Шульц М.М. MATLAB 7: программирование, численные методы. СПб.: БХВ-Петербург. 2005. — 753 С.

14. Кислов КВ., Колесников Ю.А., Марченков А.Ю., Старовойт Ю.О., Сейсмический микробарограф // Вычислительная сейсмология: Вып. 24. М.: Наука, 1991, с. 292 - 299.

15. Колесников Ю.А., Мациевский С.А. Шумы вертикальных длиннопериодных сейсмометров и методы их устранения. // Теория и анализ сейсмологических наблюдений. Вычислительная сейсмология: Вып. 12.-М.: Наука. 1979. С.125-144.

16. Колесников Ю.А., Токсез Н. Применение суммирования для подавления барических помех длиннопериодных сейсмометров // Вычислительная сейсмология. Математические модели строения Земли и прогноза землетрясений. -М.: Наука, 1982, Вып. 14, С. 170-183.

17. Колесников Ю.А., Марченков А.Ю., Старовойт Ю.О. Способ регистрации поступательного движения и наклона грунта. Авторское свидетельство №1562875, СССР. Заяв. 14.03.1988, опубл. 08.01.1990.

18. Кузовков Н.Т., Салычев О.С. Инерциальная навигация и оптимальная фильтрация. — М.: Машиностроение, 1982. — 216 С.

19. Левин Б.Р. Теория случайных процессов и её применение в радиотехнике. М., 1960. - 664 С.

20. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. М.: Советское радио, 1969. - 448 С.

21. Линьков Е.М. Сейсмические явления. Л.: Изд-во ЛГУ. 1987. - 248 С.

22. Мейкин Дж., Хаттон Л., Уэрдингтон М. Обработка сейсмических данных. Теория и практика. М.: Мир. 1989. - 216 С.

23. Мудров В.И., Кушко В.Л. Методы обработки измерений. — М.: Советское радио, 1983. 304 С.

24. Основы автоматического управления. / Под ред. В.С.Пугачева. Изд. 3. -М.: Наука, 1974. 720 С.

25. Сейдж Э.П., Уайт С.Ч. Оптимальное управление системами. -М.: Радио и связь, 1989.-639 С.

26. Собисевич А.Л., Собисевич JI.E. Волновые процессы и резонансы в геофизике. М.: ОИФЗ РАН, 2001. - 297 С.

27. Солодовников В.А. Введение в статистическую динамику систем автоматического управления. М.,1952. - 367 С.

28. Старовойт Ю.О. Чувствительность сейсмической станции «Обнинск» к микроколебаниям атмосферного давления. // Сейсмические приборы. — М.: Наука. 1998, Вып. 30, С. 28-39.

29. Старовойт О.Е., Чернобай И.П. Спектр помех в ЦСО Обнинск в диапазоне периодов 5-300 с // Сейсмические приборы. М.: Наука. 1978, Вып. 11,-С. 28-39.

30. Пугачев B.C., Синицын И.Н. Стохастические дифференциальные системы. М.: Наука, 1990, - 632 С.

31. Пылаев А.А., Яневич Ю.М. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа // Вестник СПбГУ. Физ. Хим. — СПб. 2002. Сер.4. Вып.2. N15.-15 С.

32. Рыжов А.В. Способы уменьшения зависимости параметров электродинамических сейсмоприемников от температуры. // В кн. «Прикладная геофизика». Вып. 129. М.: «Недра». 1995. -С.64 — 69

33. Рыков А.В. Моделирование сейсмометра. -М.: ОИФЗ. 1996. 109 С.

34. Феофилактов В.Д. Помехи в длиннопериодной сейсмометрии. — М.: Наука. 1977. 100 С.

35. Фильтрация и стохастическое управление в динамических системах. // Под ред. К.Т. Леондеса. М.: Мир, 1980. - 407 С.

36. Яневич Ю.М. , Павлейно М.А. Активные и цифровые фильтры. — СПб. 1999.-280 С.

37. Яневич Ю.М., Павлейно М.А. Методы анализа линейных систем. -СПб. 1996.-320 С.

38. Beauduin R., Lognonne P., Montagner J.P. et al. The Effect of the Atmospheric Pressure Changes on Seismic Signals or How to Improve the Quality of a Station//Bull. Seism. Soc. Amer. 1996. Vol. 86. P. 1760-1769.

39. Claassen J.G. Characterization of Gyro Random Noise by Cross-Correlation of Gyro and Tiltmeter Signals // American Institute of Aeronautics and Astronautics, Guidance and Control Conference, Boston, Mass., Aug 20-22, 1975,-7 P.

40. Douze E.J., Sorrells G.G. Prediction of Pressure-Generated Earth Motion Using Optimum Filters // Bull. Seism. Soc. Amer. 1975. Vol. 65. P. 637-650.

41. Holcomb L.G., Hutt C.R. Test and Evaluation of the GURAPL Systems CMG — 3S Broadband Borehole Deployable Seismometer System. // Open-File Report 91-282 Albuquerque. New Mexico. 1991. 25 P.

42. Kay S.M. Modern Spectral Estimation. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1988.-454 P.

43. Kolesnikov Yu.A., Kislov K.V., Paquet P., Snissaert M. Development of New Very Broad-Band Seismometer Type KSP // Proc. Of Fall AGU Meeting, San Francisco, USA, 1997. 15 P.

44. Monitoring Volcanic Activity with Electronic Tiltmeters. USGS. Hawaiian Volcano Observatory. May 30, 2002.http://hvo.wr.usgs.gov/volcanowatch/2002/02 05 30.html)

45. Orfanidis S.J. Optimum Signal Processing. An Introduction. 2nd Edition, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1996.

46. Peterson J. Observation and Modeling of Background seismic Noise. // US Geol. Surv. Open-File Report 93-322. Albuquerque, New Mexico, 1993.

47. Peterson J., Hutt C.R., Holcomb L.G. Test and Calibration of the Seismic Research Observatory. // Open-File Report 80-187 Albuquerque, New Mexico, 1980, 86 P.

48. Programs for Digital Signal Processing, ШЕЕ Press, New York, 1979, Algorithm 8.1.

49. Rabiner L.R., Gold B. Theory and Application of Digital Signal Processing. Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1975.

50. Ruscak S., Singer L. Using Histogram Techniques to Measure AID Converter Noise. // Analog Dialogue. Vol. 29-2. 1995. P. 25-42

51. Saleh B. Study of Earth Tides Using Quartz Tiltmeter J. Surv. Engrg. Volume 129, Issue 2 (May 2003), P. 51-55

52. Shynk J.J. Frequency-Domain and Multirate Adaptive Filtering // IEEE Signal Processing Magazine, Vol. 9, No. 1, Jan. 1992. P. 14-37.

53. Standard for Seismometer Testing // A Progress Report. USGS Albuquerque Seismological Laboratory. New Mexico. USA. 1990. 79 P.

54. Stoica P., Moses R. Introduction to Spectral Analysis. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1997. P. 61-64.

55. Welch P.D. The Use of Fast Fourier Transform for the Estimation of Power Spectra: A Method Based on Time Averaging Over Short, Modified Periodograms. // IEEE Trans. Audio Electroacoust. Vol. AU-15 (June 1967). — P.70-73.

56. Wieland E., Stein J.M. A Digital Very-Broad-Band Seismograph // Ann. Geophys. Ser. B. 1986. Vol. 4. N 3. P. 227-232.

57. Yushkin V.D., Savrov L.A., Van Ruymbeke M. A Gravimetric Pendulum Device as a Precision Tiltmeter. Fundamental Problems in Metrology. Measurement Techniques, Vol. 50, No. 4, 2007

58. Ztirn W., Widmer R. On Noise Reduction in Vertical Seismic Records below 2 mHz Using Local Barometric Pressure. // Geophys. Res. Lett. 1995. Vol. 22.-P. 3537-3540.