О предварительных результатах, полученных на инфразвуковой станции «Торы»

Известно , что инфразвуковые волны распростра няются на огромные расстояния , перенося в себе ин формацию как об источнике , так и о среде распростра нения . До сих пор режим работы некоторых источни ков атмосферного инфразвука изучен недостаточно для надежного выделения сигнальных признаков . Не обходимо еще знать характер атмосферного акустиче ского фона в районе расположения инфразвуковой станции . В то же время акустические процессы играют важную роль в физике атмосферы при исследовании вариаций энергии во времени и в пространстве .

Поэтому акустические средства являются важ ным элементом систем комплексного мониторинга атмосферы , а также основой дистанционного кон троля промышленной и военной деятельности . Важ ным элементом таких систем является модель аку стического воздействия на верхнюю атмосферу , по зволяющая давать его оценки . В России и США ин терес к изучению акустико - гравитационных волн ( АГВ ) ( в основном это касается инфразвука ) возник в 70- х гг . прошлого столетия , спустя некоторое вре мя появились научные обзоры , характеризующие проблему [ Голицин , Чунчузов , 1975; Хайнс , 1975; Ерущенков , Пономарев , 1977; Ерущенков и др ., 1993]. Например , в обзоре [ Ерущенков и др ., 1993] освещаются результаты двадцатилетних исследова ний группой Е . А . Пономарева АВГ в авроральной зоне Восточной Сибири , связанных с геомагнитной активностью . Еще в 1964 г . Ватанабе и Маеда , осно вываясь на аналогии между взрывоподобным развити ем суббури и тепловым взрывом , предположили , что пульсирующие сияния должны излучать инфразвуко вые волны [Maeda,Watanabe, 1964]. Изучение таких волн и процессов в верхней атмосфере высоких ши рот вызывает большой интерес и сейчас .

Этой проблемой занимаются многие научные группы в США, Франции, Голландии, Швеции, Индии (например, . Создана разветвленная сеть инфразвуковых станций мониторинга импульсных событий как естественного, так и антропогенного происхождения. Она содержит около 60 инфразвуковых станций Международной системы мониторинга несанкционированных ядерных взрывов, что подтверждает ее значимость и позволяет решать не только специальные, но и чисто научные задачи.

Общее устройство инфразвуковой станции « Торы »

Инфразвуковая станция , восстановленная после пожара , находится в 150 км от Иркутска в Тункин - ском районе Бурятии на территории Геофизической обсерватории ИСЗФ СО РАН . Ровный рельеф доли ны весьма благоприятен для приема инфразвуковых волн , поскольку отсутствуют отраженные и интерфе ренционные сигналы разного рода . С другой сторо ны , открытая местность способствует развитию вет ровой турбулентности , особенно заметной в полу денное время . Выносные павильоны оснащены ин фразвуковой аппаратурой , включающей блок инфра звукового микробарографа , разработанного в ИСЗФ СО РАН [ Ерущенков и др ., 1974], устройство калиб ровки и пространственный инфраакустический фильтр ( ПИАФ ) в виде двухдюймовой трубной ли нии длиной 60 м с двадцатью входными капиллярами диаметром 1 мм . Информация передается по кабель ной линии . Основные характеристики инфразвуково го микробарографа с усилителем даны в таблице в сравнении с параметрами одного из лучших на сего дняшний день европейских приборов . Основным не достатком нашего датчика является значительный вес , что ограничивает применение прибора в мобиль ных условиях .

Методика регистрации

Для цифровой регистрации инфразвуковой ин формации ( после усиления и пассивной фильтрации ) используется плата ЛА -1.5 PCI. Характеристики АЦП : разрядность 12 бит , входное напряжение 10, 5.0, 2.5, 1.0, 0.5, 0.25, 0.1 и 0.05 В . Для регистрации использу ется программное обеспечение « Руднев – Шиляев » [ Ру ководство , 2002]: программный самописец низкочас тотных процессов АЦП , утилита для просмотра би нарных файлов , преобразователь бинарных файлов в текстовые . Для регистрации инфразвуковых сигналов выбрано входное напряжение 5 В , согласующееся с выходным напряжением инфразвукового микробаро графа . Частота дискретизации при регистрации состав -

Характеристики микробарографов
МБ ИСЗФ ( Рос сия )		MB-2000 ( Франция )
Частотный диапазон , Гц	0.001–1	0.001–10
Динамический диапазон , дБ	80	100
Собственный шум , Па	10–3	10–3
Чувствительность , В / Па	0.5	0.02
Вес , кг	40	8
Передача информации	Интернет	Спутниковый канал связи

ляет 21 Гц . Этот выбор продиктован необходимо стью получения достаточного временного разреше ния для частот сигнала порядка 1 Гц и максимально го охвата высокочастотного диапазона естественных и искусственных инфразвуковых сигналов . Кроме того , требовалось оптимально сократить объем па мяти . На рис . 1 показана блок - схема сбора и переда чи информации . ПИАФ 1– ПИАФ 3 – пространствен ные инфраакустические фильтры , ослабляющие ветровой шум в несколько раз при ветре до 5 м /c. Калибратор инфразвуковых датчиков ( микробаро графов ) представляет собой пистонфон , соединен ный с герметичной калибрующей емкостью . Давле ние в калибрующей емкости изменяется благодаря перемещению поршня пистонфона в цилиндриче ском канале диаметром около 5 мм . Изменение ам плитуды хода и частот движения поршня пистонфо на позволяет калибровать инфразвукометрическую аппаратуру в широком диапазоне .

О некоторых результатах тестирования

Тестовая регистрация атмосферного шума в инфразвуковом диапазоне необходима для опреде ления порогового уровня помех и возможности выделения слабых инфразвуковых сигналов при заданном расположении инфразвуковой станции . Регистрация атмосферного шума проводилась в круглосуточном режиме с декабря 2011 по март 2013 г . Следует отметить , что дневные условия регистрации существенно отличаются от ночных , поскольку днем развивается сильная ветровая турбулентность [ Винниченко и др ., 1976]. Это слабее выражено в зимнее время и сильнее – в весенний и летний периоды . В качестве примера на рис . 2 показана регистрограмма атмосферного шума 3 июня 2012 г ., а на рис . 3–28 декабря 2012 г .

Рис . 1. Блок - схема сбора и передачи информации инфразвуковой станции « Торы ».

LT

Рис . 2. Атмосферный шум 03.07.2012 г .

12:51 14:42 16:34 18:25 20:17 22:09 0:00 1:52 3:43 5:35 7:26 9:18 11:10

LT

Рис . 3. Атмосферный шум 28.12.2012 г .

Видно , что в летний период минимальный приемлемый для регистрации слабых инфразвуковых сигналов атмосферный шум наблюдается только в ночное время . Зимой условия наблюдения слабых инфразвуковых сигналов с амплитудой около 1 микробара сохраняются на протяжении суток и более , что позволяет регистрировать характерные атмосферные инфразвуковые волны с малой ампли тудой ( микробаромы ), связанные с активизацией в зимний период штормовых образований на акваториях морей и океанов .

О предварительной обработке данных

На рис . 4 в качестве примера обработки данных представлена запись инфразвука 24 января 2013 г . Видно , что период этих волн составляет около 6 с . Они являются типичными микробаромами , которые распространяются на значительные расстояния и хорошо известны в литературе [ Голицин , Чунчузов , 1975; Ерущенков , Пономарев , 1977]. В Иркутске микробаромы наблюдаются с азимутом 320º от ис точника , расположенного , предположительно , в Се верной Атлантике . [ Ерущенков и др ., 1993]. Азимут прихода можно оценить из анализа временных сдви гов двух реализаций ( восточный канал – инфразвук , записанный с восточного датчика , западный канал – с западного датчика . Датчики ориентированы по сторонам света , расстояние между датчиками со ставляет 500 м ). Для более детального изучения необходимы подготовка данных и их предвари тельная обработка . Подготовка включает передачу суточных данных в ИСЗФ через Интернет и их конвертацию из специального бинарного формата в

Рис . 4. Характерный атмосферный инфразвуковой фон океанского штормового происхождения ( предположи тельно Северная Атлантика ) – микробаромы 24.01.2013 г . в морозную безветренную погоду .

Рис . 5. Кросскорреляционная функция данных запад ного и восточного каналов . Вертикальная линия указывает на номер сдвига , соответствующего максимальному ко эффициенту корреляции ( сплошная линия – сдвиги КФ в прямом направлении , штриховая – в обратном ).

формат , удобный для чтения большинством про грамм обработки .

Поскольку инфразвуковое излучение в каждом кон кретном случае наблюдений связано со своими источ никами , для их идентификации нужно определить азимут источника . Кроме того , интересно опреде лить угол места источника и горизонтальную фазо вую скорость в данный момент . При известной ско рости звука на уровне земли можно вычислить угол места ( угол падения ) инфразвуковой волны как арк синус отношения текущей скорости звука на уровне земли к наблюдаемой кажущейся скорости звука . Для этого прежде всего необходимо вычислить фазовые сдвиги , или задержки между пространственно разне сенными инфразвуковыми датчиками с помощью программ математической обработки данных . Реаль но это может быть программа , совмещающая расче ты кросскорреляционных функций для двух точек регистрации и фурье - преобразования автокорреля ционных функций , т . е . получение спектров мощно сти инфразвуковых сигналов ( см ., например , [ Отнес , Эноксон , 1982]).

На рис . 5 приведены расчеты кросскорреляци - онной функции ( КФ ) данных восточного и запад ного каналов . Временная задержка , согласно рас четам корреляционных сдвигов , показанных на рис . 5, составляет 1.2 с при шаге дискретизации 0.1 с . Это соответствует горизонтальной компо ненте фазовой скорости инфразвуковой волны ( рис . 5) ~417 м / с при расстоянии между инфразву ковыми датчиками 500 м . Для оценки спектров мощ ности инфразвука , показанного на рис . 4, мы подго товили достаточно длинную (366.6 с , 7800 точек ) временную реализацию , при этом использовалась методика , предложенная в [ Бендат , Пирсол , 1989].

• 1.    Исходная реализация разбивается на несколько отрезков с 50%- м перекрытием , содержащих одина ковое количество точек .

• 2.    При высоком уровне шума производится подав ление просачивания энергии через боковые лепестки . Каждый отрезок реализации сглаживается подходя щим фильтром ( например , фильтром Ханна ). При низком уровне шума фильтрация не проводится .

• 3.    Для каждого отрезка вычисляется фурье - преоб разование автокорреляционной функции , т . е . делается оценка плотности спектральной мощности .

• 4.    Проводится усреднение спектральных оценок по всем отрезкам исходной реализации .

Таким образом , исходная реализация была разби та на восемь интервалов с 50%- м перекрытием , для расчета среднего спектра . Использовалось программ -

О 0.15     0.3     0.45     0.6     0.75     0.9     1.05     1.2     1.35     1.5

Частота, Гц

Рис . 6 . Спектр мощности по данным 24.01.2013 г .

ное обеспечение на основе вычисления автоковариа - ционных функций по методике , приведенной в [ Бен - дат , Пирсол , 1989] со скользящим осреднением ис ходных рядов и устранением НЧ - тренда . Поскольку в исходных данных имелся небольшой низкочастот ный шум , был использован фильтр НЧ - колебаний с осреднением по 7 точкам . Сглаживание проводи лось спектральным окном Ханна , ширина которого выбиралась из условия , чтобы его временной мас штаб был несколько больше или равен периоду изу чаемых колебаний . Обычно ширина окна составляет 0.1–0.3 длины исходной реализации . Таким образом , была получена средняя оценка спектра колебаний ( рис . 6). Необходимо заметить , что эти расчеты при ведены для момента наибольшей амплитуды микро - баромов . В дальнейшем предполагается создание базы данных текущих спектров инфразвуковых сиг налов , или динамических спектров .

Далее была сделана оценка статистической значи мости спектрального пика [ Бендат , Пирсол , 1989] на основе известной выборочной дисперсии спектрально го пика и распределения Стьюдента для 90 %- й дове рительной вероятности (34.5–47.4 отн . ед .).

Заключение

В Геофизической обсерватории ИСЗФ начала дей ствовать цифровая инфразвуковая станция . Предвари тельный анализ записей показывает , что на новом мес те расположения регистрируется большинство извест ных сигналов , в том числе сигналов волновых процес сов , вероятно , связанных с удаленными штормовыми областями в Северной Атлантике ( рис . 4). Представ ленная методика обработки инфразвуковых сигналов находится еще в процессе разработки и требует со вершенствования .