5 курс / ОЗИЗО Общественное здоровье и здравоохранение / Инновационное_развитие_науки_фундаментальные_и_прикладные

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

проходит проверку на идентичность работы каналов с оборудованием сейсмической станции «Обнинск» (OBN), являющейся базовой для всей Федеральной сети сейсмических наблюдений в России. Ежегодно в шахте на постаменте сейсмической станции OBN производится тестирование подготовленного комплекта оборудования [15]. Там же тестируется оборудование, полученное после проведения комплексного обслуживания

(рис. 1а).

Рис. 1. Тестирование оборудования в шахте г. Обнинска на постаменте сейсмостанции OBN тестового комплекта (а) и в подвале на постаменте сейсмостанции VORR (б) двух новых комплектов с тестовым комплектом (AUC2) и сейсмостанцией Воронеж (VORR)

Параллельное расположение однокомпонентных горизонтальных сейсмометров дает возможность проверить, идентичность работы горизонтальных каналов каждого комплекта, которое влияет на точность расчета азимута по данным отдельной станции. Горизонтальные сейсмометры проверяемого оборудования располагаются в одном из направлений, например Восток-Запад (E) сейсмической станции OBN. Тестирование в шахте позволяет также оценить стабильность внутреннего генератора в регистраторе, которое должно обеспечивать синхронность получаемых данных продолжительное время после «потери» спутников антенной GPS.

На втором этапе, используя тестовый комплект, производится оценка правильной работы региональной сейсмической станцией «Воронеж» оснащенной комплектом оборудования на базе регистратора UGRA с сейсмоприѐмниками СМ-3КВ таким же, что и на локальной сети сейсмических станций (рис. 2б). Это позволяет по записям оценивать

149

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

идентичность работы комплектов оборудования во всей рабочей полосе частот.

На третьем этапе контроль штатной работы оборудования проводится с использованием тестовой станции. В пунктах наблюдения расположенных на территории ВКМ. На рис. 2 показан пример размещения оборудования при проведении тестирования на сейсмических станциях локальной сети.

Рис. 2. Проведение тестирования оборудования на сейсмических станциях локальной сети (AUB1- Каменно-Верховка;

VAU7 - Архангельское; VSR - Сторожевое)

Сейсмоприѐмники сверочной станции устанавливаются параллельно сейсмоприѐмникам проверяемого оборудования. Синхронизация выполняется от собственных GPS антенн. Совместная работа оборудования выполняется в течение суток, включая ночное время. По полученным записям проверяется стабильность привязки по времени их полярность и синхронность на всем

150

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

интервале сверки. Для этого сравниваются записи на коротких интервалах, на которых хорошо видны даже небольшие отличия, как по времени, так и по амплитуде, а кроме того рассматриваются мгновенные одномоментные, сглаженные амплитудные спектры 5-ти минутных фрагментов с различными по амплитуде входными сигналами по всей имеющейся записи.

Результаты тестирования комплектов оборудования. На рис. 1б

показано тестирование региональной сейсмической станции «Воронеж» (VORR) и двух подготовленных комплектов оборудования (VUS1, VUD1) для установки в новых пунктах наблюдений с тестовой станцией (AUC2). Сейсмоприемники тестируемого оборудования располагались параллельно (кроме N канала сейсмостанции VORR), что обеспечивает ориентацию горизонтальных сейсмоприемников по направлению E. Частота дискретизации оборудования 100 Отсч/с за исключением региональной сейсмостанции VORR, частота дискретизации которой 50 Отсч/с. Для анализа использовались двух суточные записи. Сравнительная оценка работы каналов проводилась в полосе частот от 0.1 до 40 Гц, в котором на записях практически отсутствует шумовая составляющая каналов оборудования.

При сравнении используются записи, преобразованные из Отсч в нм/с с помощью простых минимально необходимых математических операций центрирования и масштабирования, для которого используются коэффициенты преобразования сейсмометрических каналов (Кпр), полученные по паспортным данным. Центрирование (вычитание среднего) необходимо для компенсации смещения «нуля» сигма-дельта АЦП используемого для повышения точности преобразования. Для исключения влияния шумовой составляющей оборудования в низкочастотной части использовался высокочастотный фильтр Баттерворта 3-го порядка от 0.1 Гц. Диапазон частот полностью включает в себя рабочую полосу частот каналов (0.5-40 Гц при 100 Отсч/с, Кпр=150 Отсч/(мкм/с)) и одновременно исключает влияние «технологических особенностей», которые могут влиять на волновые формы записей, снижая объективность результата. На рис. 3 представлены мгновенные 17-ти секундные записи фоновых колебаний сверяемого оборудования.

151

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Рис. 3. Сравнение трѐх компонентных записей «пакета» регулярных колебаний тестируемого оборудования, расположенного на постаменте сейсмостанции «Воронеж»

152

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Как видно из рис. 3 записи как вертикальных, так и горизонтальных каналов имеют одинаковую полярность, синхронизированы по времени и имеют близкие значения амплитуд колебаний. Это показывает отсутствия технических проблем у тестируемого оборудования с «привязкой» данных к единому мировому времени UTC.

Кроме того на записях 4-х комплектов оборудования отсутствуют заметные на глаз искажения, то есть поступающий «сигнал» (фон) является регулярным и записи отражают фактические колебания постамента. Использование «глаза» для оценки идентичности является более информативным, хотя и субъективным, чем, например, коэффициент корреляции, который сильно зависит от изменений амплитуд тестирующего сигнала, что затрудняет выбор порога. К тому же одним числом трудно оценить характеристику во всѐм сверяемом интервале записи. Как показывает практика, при оценке «на глаз» различия в 10% уже видны, особенно если применить наложение записей друг на друга.

Если отсутствуют видимые проблемы в синхронности и идентичности записей производится сравнение в частотной области. Для оценки идентичности и синхронности в каждый момент времени используются мгновенные амплитудные спектры, а не спектр мощности, который является «средним по больнице». Сравниваются мгновенные 5-ти минутные амплитудные спектры одномоментных записей на одинаково ориентированных каналах, как фоновых колебаний, так и источников, удаленные от постамента на более чем 50 м, т.е. не создающих существенных наклонных колебаний постамента. Это обеспечивает идентичность воздействия на размещенные по всему постаменту сейсмоприемники (см. рис. 1б).

Для получения амплитудного спектра используется дискретное преобразование Фурье (ДПФ) с наложением окна Хемминга и сглаживанием спектральных амплитуд по 7-ми значениям (осреднение с тремя до и тремя после), которое служит для снижения разброса значений соседних спектральных амплитуд, что позволяет визуально оценить степень идентичности. Использование ДПФ обеспечивает сравнение разночастотных записей, т.к. шаг по частоте спектра определяется длительностью интервала, а от частоты оцифровки зависит только верхняя граница в спектре (половина от частоты дискретизации). На рис. 4 представлено сравнение «наложением» мгновенных амплитудных спектров для записи фона (а), техногенного источника (б) и вступления телесейсмического землетрясения (в).

153

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Рис. 4. Сравнение трѐх компонент мгновенных амплитудных спектров рассчитанных для 5-ти минутного фрагмента записи с: минимальным уровнем микросейсмического шума (а); записью техногенного источника (б); вступления телесейсмического землетрясения (в)

Как видно из рис. 4, в рабочей полосе частот одномоментные амплитудные спектры записей на одинаково ориентированных каналах сверяемого оборудования практически полностью «накрываются» соответствующими амплитудными спектрами сверочной сейсмической станцией AUC2 на записях различных по типу источников. Только по записи микросейсмического фона на частотах ниже 0.5 Гц наблюдается небольшие расхождения («зашумленность»), обусловленные приближением уровня входного сигнала к уровню собственного шума сейсмометрического канала. Видно, что на частотах до 0.2 Гц уровень собственного шума выше, чем у входного сигнала, а в присутствии «реального» низкочастотного сигнала (землетрясения) «зашумленность» уже не наблюдается. Из рисунков также видно, что подготовленное оборудование в полосе частот 0.5-20 Гц работает идентично с сейсмостанцией «Воронеж».

Рассмотренный выше пример показал возможности применения способа для тестирования однотипного оборудования. Теперь рассмотрим возможности тестирования разнотипных сейсмометрических каналов.

154

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

На сейсмостанции Архангельское (VAU7) (см. рис. 2) используется регистратор SDAS с двумя комплектами сейсмоприемников: широкополосные

Кпр=500 Отсч/(мкм/с)). На рис. 5 представлены одномоментные фрагменты записи каналов разнотипного оборудования, на котором хорошо видны отличия в записях, обусловленных различиями частотных характеристик этих каналов.

Из рис. 5 видно, что наиболее близкими по форме являются записи короткопериодных EH каналов, отличающихся по «заполнению», которое на сверочной станции больше. На ВН каналах это отличие существенно, т.к. верхняя граница рабочей полосы частот составляет 7 Гц, а не 40 Гц, как у короткопериодных (EH). Кроме того на BH каналах заметно присутствие низкочастотных колебаний, что связано с увеличенной в нижние частоты рабочей полосой. Для обоих типов сейсмоприемников рабочая полоса частот пересекается в диапазоне 0.5 – 7 Гц. Таким образом, сравнение волновых форм исходных записей, полученных на разнотипном оборудовании, не позволяет визуально подтвердить их идентичную работу во всѐм диапазоне рабочих частот.

Рис. 5. Сравнение фрагментов одномоментных записей трѐх компонент скорости колебаний грунта в ночное время оборудованием разного типа на сейсмостанции Архангельское (VAU7)

155

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

Хотя из сравнения записей (см. рис. 5) видно, что присутствуют отдельные колебания, начало которых имеют хорошую временную синхронизацию одинаковую полярность. Однако, в общем случае при сильных различиях в фазовых характеристиках разных типов сейсмоприемников без использования фазовой коррекции записи (нули-полюса) может не получиться (зависит от преобладающих частот в записи). Использование амплитудных спектров для сравнения сейсмоприемников разного типа имеет преимущество, т.к. на него не влияют различия фазовых характеристик оборудования, что позволяет оценивать только амплитудный состав полученных одномоментных записей.

На рис. 6 представлено сравнение мгновенных одномоментных амплитудных спектров записей техногенного (интенсивное движение тяжелого транспорта) (а) и природного (телесейсмическое землетрясение) (б) источников, а также микросейсмического фона в ночное время (в), разнотипными сейсмометрическими каналами. Сравнение амплитудных спектров записей техногенного (а) и природного (б) источника показывает, что наблюдается хорошее совпадение по всем составляющим (Z, N, E) записи в диапазоне частот 0.5-7.0 Гц, соответствующим пересечению рабочих полос всех сейсмометрических каналов.

Рис. 6. Сравнение трѐх компонент мгновенных одномоментных амплитудных спектров 5-ти минутных фрагментов записи:

а– техногенного источника; б – телесейсмического землетрясения;

в- ночных (фоновых) колебаний на сейсмостанции VAU7

156

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

У сейсмометрических каналов с однотипными сейсмоприѐмниками СМ3КВ диапазон частот «идентичной» работы расширяется и составляет 0.2- 28 Гц для природного и 0.2-33 Гц для техногенного. Различая в оставшемся диапазоне частот до 40 Гц, обусловлены как собственным шумом сверочной станции, так и действием после 30 Гц антиалайзингового фильтра в канале регистратора SDAS.

Присутствие на записи собственного шума канала тестового оборудования особенно хорошо видно в ночное время (рис. 7в) по его повышенному уровню. При отсутствии регулярных волн достаточной амплитуды, фоновое микросейсмическое поле регистрируется по-разному, на однотипных каналах. На частотах выше 12 Гц расхождения обусловлены уровнем фонового микросейсмического поля на станции Архангельское, которое ниже, чем уровень собственного шума сейсмометрических каналов тестовой станции. При этом идентичная работа всех сейсмометрических каналов при сверке на сейсмостанции «Воронеж» объясняется высоким уровнем фона в ночное время, который превышал собственный шум сверочной станции.

Данный пример наглядно демонстрирует важность правильных настроек сейсмологического оборудования, т.к. основным отличием в параметрах сейсмометрических каналов двух станций является значение коэффициента преобразования канала. На станции SDAS для канала с сейсмоприемниками СМ-3КВ он составляет 500 Отсч/(мкм/с), а у сверочной станции на базе регистратора UGRA и сейсмоприемников СМ-3КВ около 150 Отсч/(мкм/с), что почти в 3.5 раза меньше. При этом видно (см. рис. 7в), что в диапазоне частот 0.7-1.4 Гц отличный по типу канал ВНZ сейсмостанции VAU7 имеют близкие спектральные амплитуды с каналом EHZ, что связано с правильно выбранным коэффициентом преобразования (Кпр=750 Отсч/(мкм/с)). Это подтверждает также регулярность фоновых колебаний и «правильность» полученных спектральных амплитуд каналами сейсмостанции VAU7. В тоже время на записи тестовой станции AUC2 в этом диапазоне частот присутствует «цифровой» шум канала, связанный с ценой деления одного отсчета АЦП, которая в 4 раза больше, чем должна быть. Таким образом, коэффициент преобразования каналов для получения качественного материала в пункте наблюдения Архангельское не должен быть ниже

500 Отсч/(мкм/с).

Отметим также то, что основные отличия находятся в высокочастотной области, начиная с 12-13 Гц. Поэтому при дискретизации 50 Отсч/с (до 20 Гц) имеющиеся небольшие расхождения (особенно по Z) не носят «катастрофического» характера. Но при использовании частоты 100 Отсч/с (до 40 Гц) увеличение коэффициента преобразования каналов на сверочной станции становиться необходимым. Для этого в регистраторе UGRA имеется входной предусилитель, коэффициент усиления которого программно может

157

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

ИННОВАЦИОННОЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ: ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫ

быть выбран из ряда: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256. Тогда оптимальными значениями коэффициента усиления можно считать 4 и 8, которые обеспечивают коэффициенты преобразования сейсмометрического канала СМ-3КВ – UGRA соответственно 600 и 1200 Отсч/(мкм/с).

Результат тестирования наглядно показал, что при правильной настройке 16-ти разрядное оборудование SDAS работает лучше, чем 24-х разрядное UGRA с неправильно выбранным усилением. Данный пример также прекрасно иллюстрирует, то, что для окончательной проверки идентичности оборудования и его правильной настройки надо использовать пункт наблюдения с минимальным уровнем фоновых колебаний.

Таким образом, выше изложенные методико-технологические особенности выбора сейсмического оборудования и способ его тестирования, гарантируют использование в сети сейсмических станций на слабосейсмичной территории идентично работающих комплектов оборудования.

Выводы. Представленный в работе способ тестирования позволяет оценить возможности комплектов сейсмического оборудования и выбрать пригодные для совместного использования в сейсмической сети слабосейсмичной территории. Трѐхэтапное тестирование позволяет обеспечить идентичность работы комплектов оборудования на всех уровнях сейсмической сети (Федеральном, региональном и локальном).

Конечно, на этапе выбора оборудования, использование паспортных данных регистратора и сейсмоприемника может сэкономить время и деньги. Однако представленные там характеристики не всегда позволяют без тестирования полностью определить возможности выбранного комплекта оборудования. А существование большого количества разнообразного оборудования (Российского производства) делает предложенный метод тестирования простым и эффективным способом оценки идентичной работы оборудования в различной комплектации для мониторинга слабосейсмичной территории.

Достоинством рассмотренного методического подхода является то, что он позволяет не только определить идентичность работы каналов сверяемого оборудования, но также в случае отсутствия достоверной информации, оценить возможность его использования, а также рассчитать по результатам тестирования реальный коэффициент преобразования «неизвестного» сейсмометрического канала. Кроме того, позволяет на практике оценивать правильность настроек прецизионного сейсмологического оборудования.

158

МЦНП «НОВАЯ НАУКА»

Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/