基于广域监测网的次声定位方法研究

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次声是核爆炸产生的重要物理效应之一,在大气层中传播具有频率低、衰减小、传播距离远等特点,是远程核爆监测的主要探测手段。《全面禁止核试验条约》将次声技术列为国际监测系统的4种探测技术之一,该技术不仅可以监测大气层核爆炸,还可用于监测水下核爆炸和浅层地下核爆炸。广域的次声监测网络不仅可以进行核爆炸监测,还可用于化学爆炸、火箭发射、地震和火山喷发等大型次声事件的监测。如何根据次声监测数据确定次声事件的源项位置是次声监测信号处理技术的重要研究内容之一,因此本文开展广域监测网络的次声定位方法研究。论文的主要工作及结论如下:(1)次声信号预处理方法研究。针对实测信号包含噪声干扰等问题,设计0.001Hz~20 Hz的数字巴特沃斯滤波器对次声信号进行降噪滤波,解决了精确计算时延量、提高定位精度的基础问题;对滤波后的次声信号进行频谱分析,得到各类次声源信号的特征频率参数,用于单站次声定向模型的选择。(2)单站次声定向方法的研究。以火箭发射次声信号为例,将短时能量突变算法用于计算次声信号的时间差;依据火箭发射次声信号的功率谱分布特性和监测阵阵元间距参数判断火箭发射次声事件处于近场范围内,提出一种单站近场次声定位方法。采用短时能量突变时延估计算法对火箭发射事件定向和测距,定向误差在2°以内、距离误差约为3.17%,定位精度较高。另外,采用短时能量突变时延估计算法对化学爆炸次声信号和汤加火山喷发的多站次声信号进行定向分析研究,针对化学爆炸试验,利用二元阵远场定向模型获得了化学爆炸事件的大致方位;采用16个国际次声台站的监测数据对火山喷发事件定向,定向误差较小,这为后续事件定位提供了较好的数据基础。(3)多站测向交汇定位方法研究。针对多站测向交汇并不能刚好“聚”于一点的问题,推导了基于最小二乘法的多站测向交汇定位方法。对所建分布于4个地区的广域次声网的定位精度进行评估,分别讨论了不同位置次声源对定位结果的影响,当次声源处于监测站内时,采用最小二乘优化定位误差较小;当次声源处于监测站外时(且其中两个监测站接收到的次声信号来波方向基本一致),定位结果显示定位误差较大。最后应用多站测向交汇定位方法对化学爆炸次声信号和火山喷发次声信号进行分析,化学爆炸试验双站交汇定位误差约3 km;采用K_means聚类算法剔除16个来波方向两两交汇误差较大的数据,再利用最小二乘优化定位,汤加火山喷发事件的定位误差约为102 km,定位结果与各监测台站的平均距离误差约为1.29%,取得了较好的定位结果。本文应用短时能量突变算法计算次声信号到达阵元之间的时间差,开展了基于时间差的单站次声定向、多站测向交汇定位方法研究。短时能量突变时延估计、K_means聚类以及最小二乘优化定位等算法已成功应用于广域监测网的次声定位,可为解决次声事件的定位问题提供关键技术支撑。
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