Моделирование и обработка импульсных сигналов геоакустической эмиссии на базе разреженной аппроксимации

• Скачать автореферат

Актуальность работы

   Подготовка землетрясения является длительным процессом и состоит из нескольких этапов. Первый из них обусловлен накоплением упругой потенциальной энергии в гипоцентральной области, его продолжительность растет с магнитудой готовящегося землетрясения и может измеряться годами. Следующий этап характеризуется пластическими подвижками, образованием микротрещин, форшоками, длится от нескольких часов до нескольких суток, и заканчивается образованием магистрального разрыва, т.е. очага землетрясения. Именно на этом этапе в различных физических полях на расстояниях сотен километров от готовящегося землетрясения наблюдаются краткосрочные предвестники. Но несмотря на большое количество работ, посвященных прогнозу сейсмических событий, эта задача современной науки до сих пор не решена. С 1999 года в сейсмоактивном регионе полуострова Камчатка лабораторией акустических исследований ИКИР ДВО РАН ведется непрерывный мониторинг сигналов акустической эмиссии (АЭ). Акустическая эмиссия представляет собой упругие колебания, возникающие в ответ на деформации окружающей среды, при этом характеристики возникающего импульсного излучения напрямую зависят от свойств происходящих пластичных процессов. АЭ звукового диапазона, возникающую при деформации горных пород, принято называть мезомасштабной или геоакустической эмиссией (ГАЭ). Исследования, проведенные ИКИР ДВО РАН, показали, что частота следования импульсов ГАЭ зависит от динамики деформационного процесса, наибольшая частота следования импульсов имеет место во время сильных возмущений, предшествующих сейсмическим событиям. Геоакустические сигналы представляют большой интерес при исследовании пластичных процессов, связанных с устойчивостью ландшафтов и формированием предвестников землетрясений. По частотному составу сигнала ГАЭ можно определять масштаб порождающего сигнал источника и оценивать расстояние от него до пункта регистрации.

   Для анализа и обработки АЭ в различных частотных диапазонах используются частотные и частотно-временные преобразования, наиболее популярные – оценка спектральной плотности мощности дискретным преобразованием Фурье, спектрограммы, построенные с помощью оконного преобразования Фурье или квадратичного преобразования Вигнера-Вилля. Однако процесс исследования ГАЭ данными методами сталкивается с рядом трудностей:

• широкий динамический диапазон регистрируемых сигналов сопряжен с огромными объемами регистрируемой информации, требующими специальных методов хранения, передачи, обработки и анализа;
• существенная неоднородность природных сред и плохое распространение в них упругих колебаний приводит к сильному искажению и ослаблению сигналов, которое ограничивает возможности дистанционных методов исследования;
• в деформационных процессах часто возникают критические процессы, проявляющиеся в резких изменениях интенсивности и направления ГАЭ;
• аномалии четко локализованы по времени, поэтому анализ только в частотной области не предоставляет полной информации о сигналах и не учитывает частных особенностей;
• сильная зашумленность как природными, так и техногенными шумами осложняет анализ внутренней (морфологической) структуры импульсов;
• широкое разнообразие временных форм сигналов осложняет задачу классификации и требует применения адаптирующихся под конкретный сигнал методов анализа;
• главным препятствием для анализа частотно-временной структуры импульсов является их короткая длительность, приводящая к плохому частотно-временному разрешению. Длительность одиночного импульса не превосходит 200 мс, в среднем составляет около 50 мс при частоте регистрации 48 кГц, что составляет 2400 отсчетов.

   В 2011 году для моделирования геоакустических сигналов лабораторией акустических исследований ИКИР ДВО РАН был впервые использован активно развивающийся метод разреженной аппроксимации, позволяющий строить компактные представления по большому в общем случае линейно зависимому набору функций.
   Представленная работа посвящена разработке новой описательной модели импульсных сигналов, построенной на основе разреженных аппроксимационных схем, раскрывающей внутреннюю частотно-временную структуру импульса, и настройке данной модели под общие и частные особенности отдельных импульсов ГАЭ.
  Работа является актуальной в рамках задач разработки систем мониторинга природных сред в целях обеспечения безопасности населения и хозяйственных объектов при возникновении природных и техногенных катастроф.

Научная новизна работы

1. впервые предложена модель импульсного сигнала на базе разреженного представления, отличающаяся адекватным физической природе описанием структуры сложного импульса и позволяющая описывать сигналы короткой длительности;
2. впервые применен метод разреженной аппроксимации для анализа геоакустических сигналов, использующий комбинированные словари и позволяющий с высокой степенью детализации описывать импульсные сигналы малым числом компонент модели;
3. предложена новая модификация алгоритма согласованного преследования, позволяющая повысить точность разреженной аппроксимации за счет применения численного метода типа покоординатного спуска для итерационного уточнения структуры словаря и отличающаяся высокой разрешающей способностью и вычислительной эффективностью в условиях ограниченных вычислительных ресурсов.

Положения, выносимые на защиту:

1. модель импульсного сигнала на базе разреженной аппроксимационной схемы и алгоритм ее идентификации;
2. адаптивный алгоритм согласованного преследования с использованием численного метода типа покоординатного спуска для итеративного уточнения структуры словаря;
3. численная схема расчета адаптивного алгоритма согласованного преследования;
4. программный комплекс анализа и моделирования импульсных сигналов.

Моделирование и обработка импульсных сигналов геоакустической эмиссии на базе разреженной аппроксимации : автореферат дис. ... кандидата технических наук : 05.13.18 / Луковенкова Ольга Олеговна; [Место защиты: С.-Петерб. гос. электротехн. ун-т (ЛЭТИ)].- Санкт-Петербург, 2017. - 18 с.