Геофизические исследования

ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2021, том 22, № 1, с. 54-67. https://doi.org/10.21455/gr2021.1-4

УДК 534.6

Аннотация  Литература  Полный текст

БЫСТРЫЙ ДЕТЕКТОР ИНФРАЗВУКОВЫХ СОБЫТИЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ

© 2021 г. В.Э. Асминг⁽¹⁾, А.В. Федоров⁽¹⁾, Ю.А. Виноградов⁽²⁾, Д.В. Чебров⁽³⁾, С.В. Баранов⁽¹⁾, И.С. Федоров⁽¹⁾

⁽¹⁾ Кольский филиал Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба Российской академии наук”, г. Апатиты, Россия

⁽²⁾ Федеральный исследовательский центр “Единая геофизическая служба Российской академии наук”, г. Обнинск, Россия

⁽³⁾ Камчатский филиал Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба Российской академии наук”, г. Петропавловск-Камчатский, Россия

Автор для переписки: А.В. Федоров (e-mail: AFedorov@krsc.ru)

Предлагаемая статья посвящена развитию методов и алгоритмов автоматического обнаружения полезных сигналов в зашумленной среде на записях инфразвуковых групп. Приведен обзор наиболее распространенных методов обработки инфразвуковых сигналов. Описан набор алгоритмов и последовательность их применения для быстрого определения инфразвуковых сигналов на записях инфразвуковой группы, реализованные в виде автоматического детектора. Быстродействие представленного детектора достигается за счет оптимизации вычислений и предварительного расчета части параметров для инфразвуковых групп, состоящих из трех датчиков. Актуальность применения быстрых алгоритмов обнаружения целевых сигналов продиктована рядом прикладных задач по оперативному выявлению мест генерации инфразвуковых сигналов, например при поиске отработавших элементов ракет-носителей или контроле лавиноопасных склонов в горной местности. Рассмотренный в статье автоматический детектор производит оценку ряда стандартных параметров обнаруженных акустических сигналов, таких как азимут на источник, угол падения волны, кажущаяся скорость. Дополнительно реализованы алгоритмы оценки длительности зарегистрированных сигналов и изменчивости азимута на источник. Последние два параметра применяются для автоматического выявления движущихся источников инфразвуковой эмиссии. Отработка применения описываемого детектора в режиме, близком к реальному времени, осуществлена в рамках экспериментальных работ по инфразвуковому мониторингу лавинной активности на полуострове Камчатка в феврале–апреле 2020 г. Результаты применения детектора показали высокую достоверность получаемых решений. Автоматически обнаруженные и ассоциированные с лавинными проявлениями сигналы были верифицированы визуальным осмотром местности.

Ключевые слова: детектирование, инфразвук, источники инфразвуковых сигналов, инфразвуковой мониторинг, снежные лавины.

Литература

Асминг В.Э., Виноградов Ю.А., Евтюгина З.А., Кременецкая Е.О., Прокудина А.В. О результатах наблюдений на Апатитском сейсмо-инфразвуковом комплексе // Вестник МГТУ. 2008. Т. 11, № 3. С.512–518.

Асминг В.Э., Евтюгина З.А., Виноградов Ю.А., Федоров А.В. Анализ инфразвуковых сигналов, генерируемых техногенными источниками // Вестник МГТУ. 2009. Т. 12, № 2. C.300–307.

Асминг В.Э., Виноградов Ю.А., Воронин А.И., Федоров А.В., Чигерев Е.Н., Роскин О.Г. Определение мест падений фрагментов ракет-носителей по данным инфразвуковых наблюдений // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2016. Т. 52, № 6. С.707–715.

Виноградов Ю.А. Сейсмоинфразвуковой комплекс “Апатиты” – новый инструмент дистанционного геомониторинга в Евро-Арктическом регионе // Север-2003: Проблемы и решения. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2004. С.103–108.

Виноградов Ю.А., Асминг В.Э., Баранов С.В., Федоров А.В., Виноградов А.Н. Сейсмоинфразвуковой мониторинг деструкции ледников (пилотный эксперимент на архипелаге Шпицберген) // Сейсмические приборы. 2014. Т. 50, № 1. С.5–14.

Воробьев Н.Н., Егоров В.И., Ерущенков А.И., Куличков С.Н., Матвеев А.К., Орлов В.В., Пономарев Е.А., Смирнова Н.А., Сорокин А.Г. О приеме низкочастотных акустических волн на больших расстояниях от импульсных источников // Исследования по геомагнетизму, аэрономии и физике Солнца. М.: Наука, 1986. Вып. 75. С.189–201.

Евтюгина З.А., Асминг В.Э. О регистрации падения болида 16.11.2017 г. инфразвуковыми станциями севера Европы // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных: Материалы XIII Международной сейсмологической школы / Отв. ред. А.А. Маловичко. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2018. С.99–102.

Карпинский В.В., Асминг В.Э. Результаты первичной обработки данных инфразвуковой группы на острове Валаам // Российский сейсмологический журнал. 2020. Т. 2, № 1. С.85–91.

Федоров А.В., Федоров И.С., Воронин А.И. Регистрация снежных лавин сейсмоинфразвуковым методом // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы XIII Международной сейсмологической школы / Отв. ред. А.А. Маловичко. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2018. С.273–276.

Blandford R.R. An automatic event detector at the Tonto Forest seismic observatory // Geophysics. 1974. V. 39, N 5. P.633–643.

Brown P.G., Whitaker R.W., ReVelle D.O., Tagliaferri E. Multi-station infrasonic observations of two large bolides: Signal interpretation and implications for monitoring of atmospheric explosions // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29, N 13. P.14-1–14-4.

Burg J.P. Three-dimensional filtering with an array of seismometers // Geophysics. 1964. V. 29, N 5. P.693–713.

Cansi Y. An automatic seismic event processing for detection and location: The P.M.C.C. method // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22, N 9. P.1021–1024.

Cansi Y., Le Pichon A. Infrasound Event Detection Using the Progressive Multi-Channel Correlation Algorithm // Handbook of Signal Processing in Acoustics. New York: Springer, 2008. P.1425–1435.

Gibbons S.J., Asming V., Eliasson L., Fyen J., Heikkinen P., Kero J., Kozlovskaya E., Kvaerna T., Liszka L., Nasholm S.P., Roth M., Vinogradov Y. The European Arctic: A Laboratory for Seismo-Acoustic Studies // Seismological Research Letters. 2015. V. 86, N 3. P.917–928.

Marchetti E., Ripepe M., Ulivieri G., Kogelnig A. Infrasound array criteria for automatic detection and front velocity estimation of snow avalanches: towards a real-time early-warning system // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. Discuss. 2015. V. 3. P.2709–2737. https://doi.org/10.5194/nhess-15-2545-2015

Melton B.S., Bailey L.F. Multiple signal correlators // Geophysics. 1957. V. 22, N 3. P.565–588.

Pilger C., Ceranna L., Le Pichon A., Brown P. Large Meteoroids as Global Infrasound Reference Events // Infrasound Monitoring for Atmospheric Studies. Cham: Springer, 2019. P.451–470. https://doi.org/10.1007/978-3-319-75140-5_12

Shumway R.H. On detecting a signal in N stationary correlated noise series // Technometrics. 1971. V. 13, N 3. P.499–520.

Smart E., Flinn E.A. Fast Frequency-Wavenumber Analysis and Fisher Signal Detection in Real-Time Infrasonic Array Data Processing // Geophysical Journal International. 1971. V. 26. P.279–284.