Μέθοδοι επεξεργασίας μη στάσιμων μεταβατικών σημάτων για τον εντοπισμό της θέσης επιφανειακών σεσμικών πηγών

Abstract

The scope of the present thesis is focused on the detection of impulsive seismic events and the localization of their source, as the signals propagate in the surface of dispersive media, with the use of arrays of accelerometers. First, the theoretical background of seismic propagation is studied and its effect on the propagating signal is experimentally evaluated. The statistical analysis of experimental data corroborates the effect of dispersion on the signal during its propagation, which causes low cross-correlation between seismic events recorded from spatially separated sensor nodes. A thorough examination of the existing literature on the issue of source localization reveals that the problem is more often addressed from the scope of acoustic propagation and not as adequately for seismic signals. As a result, a great deal of research is focused on methods that either presume significant correlation between signals and utilize a cross-correlation function to estimate the differences in times of arrival (TDOA) between the nodes of the sensor array, or require some a priori knowledge of the signal’s features in time and/or frequency domain in order to yield an estimation of the signal’s time of arrival (TOA) at each separate node. In the present thesis, as low correlation has been proven to be a fact in experimental data due to the seismic propagation, a different approach is proposed. Two wavelet based methods are developed that, contrary to the existing techniques, do not require an explicit signal model nor do they rely on coherence between received signals at multiple sensors, but instead they extract the signal’s features in the wavelet domain upon the signal’s acquisition and based on them they accurately estimate the TOA. Conclusively, the novelty and contribution of the present thesis is summarized in the following points: · Development of a discrete wavelet transform based method for transient seismic event detection in high noise environment. · Development of methods for accurate TOA estimation with the use of the dicrete and the wavelet packet transforms, for unknown signals. · Source localization in dispersive environments with uncorrelated signals, with the use of an unattended ground sensor array. · Analysis of the effect of an array’s topology on the accuracy of localization with the use of a specifically designed simulation program.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανίχνευση και τον εντοπισμό της πηγής κρουστικών σεισμικών σημάτων που διαδίδονται στην επιφάνεια σκεδαστικών υλικών μέσων με τη χρήση διατάξεων αισθητήρων επιτάχυνσης. Αρχικά, μελετώνται οι αρχές της διάδοσης των κρουστικών σημάτων σε στερεό μέσο, τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά. Με βάση τη στατιστική ανάλυση των πειραματικών μετρήσεων επιβεβαιώνεται η επίδραση της σκέδασης κατά τη διάδοση, η οποία προκαλεί χαμηλή ετεροσυσχέτιση μεταξύ των σημάτων που καταγράφονται από κόμβους σε διαφορετικές θέσεις. Μια εκτενής ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας για το πρόβλημα του εντοπισμού της θέσης μιας πηγής σημάτων αποδεικνύει ότι το ζήτημα εξετάζεται κατά κύριο λόγο από τη σκοπιά της ακουστικής διάδοσης και πολύ λιγότερο από αυτή των σεισμικών σημάτων. Κατά συνέπεια, ο κύριος όγκος της βιβλιογραφίας χρησιμοποιεί μεθόδους οι οποίες είτε προϋποθέτουν σημαντική συσχέτιση μεταξύ των σημάτων, από την οποία υπολογίζονται οι διαφορές στον χρόνο άφιξης (Time Differences of Arrival, TDOA) είτε απαιτούν την εκ των προτέρων γνώση κάποιων χαρακτηριστικών παραμέτρων των σημάτων στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας προκειμένου να υπολογιστεί ο χρόνος άφιξης (Time of Arrival, TOA) του σήματος σε καθέναν από τους κόμβους της διάταξης. Στην παρούσα διατριβή, δεδομένου του προβλήματος της χαμηλής ετεροσυσχέτισης λόγω της σεισμικής διάδοσης, προτείνονται δύο μέθοδοι για την ακριβή εκτίμηση του TOA οι οποίες, σε αντίθεση με τις ήδη υπάρχουσες μεθόδους, δεν χρησιμοποιούν κάποιο γνωστό μοντέλο για τα διαδιδόμενα σήματα, αλλά εξάγουν τα απαραίτητα χαρακτηριστικά του σήματος σε πραγματικό χρόνο αναλύοντάς τα με τον μετασχηματισμό Wavelet. Συνοπτικά, η καινοτομία και η προσφορά της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτυπώνεται στα εξής σημεία: · Ανάπτυξη μεθόδου ανίχνευσης μεταβατικών σεισμικών γεγονότων σε θορυβώδες περιβάλλον με τη χρήση του διακριτού μετασχηματισμού wavelet. · Ανάπτυξη μεθόδων βασιζόμενων στους μετασχηματισμούς wavelet και wavelet packet για τον ακριβή εντοπισμό του TOA σε σήματα με άγνωστα χαρακτηριστικά στο πεδίο του χρόνου και της συχνότητας. · Εντοπισμός της θέσης επιφανειακής σεισμικής πηγής σε σκεδαστικό περιβάλλον με μη συσχετιζόμενα σήματα, με τη χρήση ανεπιτήρητης διάταξης αισθητήρων εδάφους. · Ανάλυση της τοπολογίας της διάταξης αισθητήρων με τη χρήση ειδικά σχεδιασμένου προγράμματος προσομοίωσης.