Μέθοδοι Επεξεργασίας Μη Στάσιμων Μεταβατικών Σημάτων Για Τον Εντοπισμό Της Θέσης Επιφανειακών Σεισμικών Πηγών

Abstract

Το αντικείμενο του εντοπισμού της θέσης μιας πηγής σημάτων με τη χρήση μιας διάταξης αισθητήρων είναι ένα πεδίο με πολυάριθμες εφαρμογές που ποικίλουν, τόσο ανάλογα με το είδος του σήματος όσο και με τους περιορισμούς που επιβάλλονται από τις συνθήκες της εφαρμογής. Οι συνθήκες αυτές συνήθως αφορούν το μέσο διάδοσης και τις υπολογιστικές δυνατότητες του συστήματος που πρόκειται να υλοποιηθεί. Οι ραγδαίες εξελίξεις στην τεχνολογία των μικροσυστημάτων, ανοίγουν ολοένα και περισσότερο το δρόμο για τη χρήση νέων αισθητήρων στη θέση των πιο κλασικών στοιχείων που χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες σε ανάλογες εφαρμογές. Παράλληλα, η αναπτυσσόμενη τεχνολογία των δικτύων αισθητήρων έχει οδηγήσει σε αυξανόμενο ενδιαφέρον για εφαρμογές διάχυτου υπολογισμού, οι οποίες βασίζονται στη χρήση αλγορίθμων χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας που εφαρμόζονται σε αυτόνομους κόμβους που επικοινωνούν μεταξύ τους. 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 την 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.Μια περιεκτική εισαγωγή στον μετασχηματισμό Wavelet αναδεικνύει τα πλεονεκτήματα της πολυδιαχωριστικής ανάλυσης των σημάτων και αποδεικνύει την καταλληλότητα της μεθόδου για την εφαρμογή σε μεταβατικά μη στάσιμα σήματα, όπως αυτά που προκαλούνται από την κρουστική διέγερση κάποιου υλικού μέσου. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στα πλεονεκτήματα της μητρικής συνάρτησης Haar, η οποία αποτελεί την πλέον απλή συνάρτηση wavelet, άρα και την πλέον ενεργειακά οικονομική, ενώ παράλληλα η υψηλή διακριτική ικανότητα που προσφέρει στο πεδίο του χρόνου την καθιστά ιδανική για εφαρμογές που απαιτούν τον εντοπισμό απότομων αλλαγών στην ενέργεια του σήματος. Η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων γίνεται με τη χρήση του μετασχηματισμού wavelet προκειμένου να ανιχνευθούν τα σεισμικά γεγονότα σε θορυβώδες περιβάλλον. Αρχικά, οι προτεινόμενες μέθοδοι περιλαμβάνουν την ανάλυση του σήματος στο wavelet πεδίο, από την οποία εξάγονται τα χαρακτηριστικά του στα πεδία του χρόνου και της συχνότητας. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά, το καταγεγραμμένο σήμα κατηγοριοποιείται ως πραγματικό σεισμικό γεγονός ή ως τυχαία διακύμανση στο πλάτος, λόγω του θορύβου. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος ανίχνευσης σεισμικών γεγονότων ελέγχεται ως προς την αποτελεσματικότητά του με εκτεταμένες πειραματικές μετρήσεις, ενώ με την βοήθεια προγράμματος προσομοίωσης που αναπτύχθηκε για τους σκοπούς της διατριβής υπολογίζεται η απόδοση κατά Bayes της μεθόδου για συγκεκριμένο σενάριο διεγέρσεων του σεισμικού μέσου προκαλούμενων από ανθρώπινο βηματισμό.Ο ακριβής εντοπισμός του TOA γίνεται με την περεταίρω ανάλυση των σεισμικών γεγονότων, χρησιμοποιώντας τις χαρακτηριστικές παραμέτρους που υπολογίστηκαν στο προηγούμενο βήμα. Στο στάδιο αυτό, τα σήματα αναλύονται με τον διακριτό μετασχηματισμό wavelet και με τον μετασχηματισμό wavelet packet, ο οποίος προσφέρει αυξημένη διακριτική ικανότητα στο πεδίο της συχνότητας με αυξημένο ενεργειακό κόστος. Οι δύο μέθοδοι συγκρίνονται ως προς την αποτελεσματικότητά τους με τη χρήση πειραματικών και προσομοιωμένων δεδομένων. Επιπλέον, τα ΤΟΑ που υπολογίζονται σε κάθε περίπτωση εισάγονται σε αλγόριθμο υπερβολικού εντοπισμού της θέσης της πηγής. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν την καταλληλότητα των προτεινόμενων μεθόδων για εφαρμογές εντοπισμού της θέσης επιφανειακών σεισμικών πηγών σε σκεδαστικό περιβάλλον όπου δεν είναι δυνατή η εκ των προτέρων γνώση για τα χαρακτηριστικά των σημάτων, ενώ η σύγκριση με τα αποτελέσματα άλλων τεχνικών επιβεβαιώνει τη χρησιμότητα και τα πλεονεκτήματα των προτεινόμενων μεθόδων.Η διατριβή ολοκληρώνεται με τη μελέτη της επίδρασης που έχουν στα τελικά αποτελέσματα εντοπισμού συγκεκριμένοι παράγοντες που αφορούν τα χαρακτηριστικά της διάταξης αισθητήρων. Με τη βοήθεια κατάλληλα σχεδιασμένων προσομοιώσεων εξάγονται αποτελέσματα για συμμετρικές ή τυχαίες διατάξεις, για διαφορετικό πλήθος και για διαφορετικές αποστάσεις μεταξύ των αισθητήρων. Συνοπτικά, η καινοτομία και η προσφορά της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτυπώνεται στα εξής σημεία:- Ανάπτυξη μεθόδου ανίχνευσης 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 τη χρήση ανεπιτήρητης διάταξης αισθητήρων εδάφους.- Ανάλυση της επίδρασης των χαρακτηριστικών της διάταξης αισθητήρων με τη χρήση ειδικά σχεδιασμένου προγράμματος προσομοίωσης.