CC BY
30
УДК 534.21
МЕТОДИКА ВЫЯВЛЕНИЯ СУТОЧНОГО ХОДА ГЕОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
Солодчук А.А.
Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН, 684034, Камчатский край, с. Паратунка, ул. Мирная, 7 E-mail: [email protected]
Разработана методика выявления суточного хода геоакустической эмиссии. В соответствии с методикой производится очистка сигнала от шума на основе вейвлет-преобразований, автоматизированный анализ наличия суточного хода и его интенсивности.
Ключевые слова: геоакустическая эмиссия, суточный ход, вейвлет-преобразование
(с) Солодчук А.А., 2012
MSC 65T60
METHOD FOR IDENTIFICATION OF GEOACOUSTIC EMISSION DAILY VARIATIONS Solodchuk A.A.
Institute of Cosmophysical Researches and Radio Wave Propagation Far-Eastern Branch, Russian Academy of Sciences, 684034, Kamchatskiy Kray, Paratunka, Mirnaya st., 7, Russia
E-mail: [email protected]
The method for identification of geoacoustic emission daily variation was developed. According to this method, signal denoising, based on wavelet-transform, automated analysis of daily variation and its intensity are carried out.
Key words: geoacoustic emission, daily variation, wavelet-transformation
(c) Solodchuk A.A., 2012
Введение
На Камчатке с 1999 г. производится мониторинг сигналов геоакустической эмиссии (ГАЭ) [1], [2]. Для организации сбора геоакустических данных используется измерительный комплекс ИКИР ДВО РАН, установленный на дне озера Микижа, который состоит из 4-x гидрофонов, ориентированных по сторонам света [1]. Регистрация и первичный анализ сигналов ГАЭ осуществляется как во всем принимаемом диапазоне частот от 0.1 до 11000 Гц, так и на выходе полосовых фильтров, делящих частотный диапазон на несколько поддиапазонов: 0.1-10, 30-60, 70-200, 200-700, 700-2000, 2000-6500, 6500-11000 Гц. Такая система обеспечивает фильтрацию, накопление и визуализацию получаемых данных и позволяет оперативно выявлять акустические сигналы различной природы [3]. При выявлении суточного хода используется акустический сигнал, усредненный в часовом интервале.
Анализ геоакустической эмиссии
Первичный анализ геоакустической эмиссии показал что в данных присутствуют вариации похожие на суточный ход причем их амплитуда достигает максимума в 16:00-17:00 часов по местному времени (GMT+12). Наиболее ярко суточный ход наблюдается в диапазоне частот от 2000 до 6500 Гц, поэтому данный диапазон использовался для дальнейшего анализа.
Для выявления суточного хода была произведена очистка исходных данных от шумов на основе вейвлет-разложения. Вейвлеты (wavelets) - это обобщенное название временных функций, имеющих вид волновых пакетов той или иной формы, локализованных по оси независимой переменной и способных к сдвигу по ней и масштабированию (сжатию -растяжению). Вейвлеты создаются с помощью специальных базисных функций-прототипов, задающих их вид и свойства. Набор вейвлетов, в их временном и частотном представлении, может приближать сложный сигнал или изображение, причем идеально точно или с некоторой погрешностью. Вейвлеты имеют явные преимущества в представлении локальных особенностей функций по сравнению с рядами Фурье. Благодаря этому вейвлеты нашли практическое применение для анализа тонких особенностей сложных сигналов и изображений, для их сжатия и очистки от шума [4]. Шумовая составляющая сигнала создает детализирующие коэффициенты с высоким содержанием шумовых компонент, имеющих большие случайные выбросы значений сигнала. Поэтому, задав некоторый порог для их уровня и срезав по уровню детализирующие коэффициенты, можно уменьшить уровень шумов. Уровень ограничения можно устанавливать для каждого коэффициента отдельно, что позволяет на основе вейвлетов строить системы очистки сигналов, адаптивные к изменениям сигнала [4].
Методика очистки заключается в следующем. Сначала проводится одноуровневое дискретное одномерное вейвлет-преобразование, в результате которого образуются векторы коэффициентов аппроксимации и детализации. Затем используется пороговое ограничение значений коэффициентов детализации. После чего проводится обратное одноуровневое дискретное одномерное вейвлет-преобразование, которое возвращает вектор восстановления сигнала используемый в последующем анализе. Для очистки геоакустического сигнала как для прямого, так и для обратного вейвлет-
преобразований использовался ортогональный вейвлет Добеши db4, поскольку он наиболее точно аппроксимирует исходный сигнал [5].
На рис. 1 и рис. 2 представлен геоакустический сигнал до и после очистки.
Рис. 1. Исходный геоакустический сигнал в диапазоне частот от 2000 до 6500 Гц
Геоакусгическая эмиссия, отн. ед,
06/07/04 06/07/05 06/07/06 06/07/07 06/07/08 06/07/09 06/07/10
1)Т, сутки
Рис. 2. Геоакустический сигнал после очистки
В результате корреляционного и спектрального анализа полученных данных установлено, что периодичность суточных вариаций составляет ровно 24 часа.
Далее было произведено выявление участков наличия суточного хода геоакусти-ческой эмиссии в течение года. Определение данных участков проводилось следующим образом. Очищенный сигнал центрировался, после чего просматривался полусуточным окном, в котором рассчитывалось математическое ожидание ряда. Наличием суточного хода считалась смена знака математического ожидания не менее 5 раз подряд в 72-часовом временном окне с шагом 12 часов для всего ряда (т.е. наличие периодичности не менее 3 суток).
В результате проведенного анализа установлено, что суточный ход наблюдается в течение всего года, иногда пропадая (рис. 3), при этом существуют периоды, когда суточные вариации ярко выражены, т. е. их интенсивность существенно увеличивается (рис. 4).
Геоакустическая эмиссия, отн. ед.
0.051--1-і----------1----------------1---------------1---------------1---------------1----------------г
0.04 -
0.03 -
0.02 -
0.01 -
10/06/05 10/06/06 10/06/07 10/06/08 10/06/09 10/06/10 10/06/11 10/06/12
1)Т, сутки
Рис. 3. Участок данных, на котором суточный ход ГАЭ не наблюдается
Геоакустическая эмиссия, отн. ед.
0.02
0.01
О
06/07/17 06/07/18 06/07/19 06/07/20 06/07/21 06/07/22 06/07/23 06/07/24
11Т, сутки
Рис. 4. Участок данных, на котором суточный ход ГАЭ наблюдается
Для выявления участков с ярко выраженным суточным ходом была использована вышеописанная методика с дополнительным пороговым ограничением. Для каждого года в качестве порога устанавливалось минимальное на всем участке наблюдений значение математического ожидания за 12 часов «тихих» суток, т.е. суток без сильных аномалий. Если установленный порог был превышен в 2 и более раз, то считалось, что суточный ход ГАЭ ярко выражен. Амплитуда и фаза суточного хода определялись сравнением исходного сигнала с эталонной синусоидой с периодом 24 часа, имеющей те же амплитуду и фазу, что и суточные вариации.
Разработанная методика реализована в комплексе программ [6]. На ее основе был проведен анализ геоакустических данных за 6 лет с 2006 по 2011 гг. Установлено, что суточный ход в каждом году ярко выражен приблизительно в одно и то же время - с конца июня до начала сентября (рис. 5). Причины его появления будут исследованы в последующих работах.
Геоакустическая эмиссия, отн. ед.
2 4 6 8 10 12 I 2 4 б 8 10 121 2 4 6 8 10 121 2 4 б 8 10 121 2 4 6 8 10 121 2 4 6 8 10 121
2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
Время, мес./год
Рис. 5. Геоакустическая эмиссия за 6 лет (2006-2011), серым цветом выделены участки с ярко выраженным суточным ходом
Библиографический список
1. Купцов А.В., Марапулец Ю.В., Шевцов Б.М. Анализ изменений геоакустической эмиссии в процессе подготовки сильных землетрясений на Камчатке // Исследовано в России. 2004. С. 28092818.
2. Мищенко М.А. Статистический анализ возмущений геоакустической эмиссии, предшествующих сильным землетрясениям на Камчатке // Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2011. №1 (2). С.
57-65.
3. Ларионов И. А., Мищенко М. А., Щербина А. О. Аппаратно-програмный комплекс мониторинга геоакустической эмиссии // Вестник КРАУНЦ. Сер. Науки о Земле. 2005. № 2. С. 128-132.
4. Дьяконов В.П. Вейвлеты. От теории к практике. М.: Солон-Р. 2002. 448 с.
5. Марапулец Ю.В., Мищенко М.А., Солодчук А.А. Метод выделения суточного хода геоакустической эмиссии на основе вейвлет-разложения // Научно-технические исследования в рыбохозяйственной отрасли Камчатского края: материалы ежегод. науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава и аспирантов КамчатГТУ, 5-7 мая 2009 г. Петропавловск-Камч.: КамчатГТУ, 2009. С. 8689.
6. Солодчук А.А. Программный комплекс для исследования суточного хода геоакустической эмиссии: электрон. информ. образовательный ресурс // Наука и образование: хроники объединенного фонда электрон. ресурсов. 2011. № 11.
Поступила в редакцию / Original article submitted: 05.11.2012
