精确控制的常规发射信号源(ACROSS)的基础

精确控制的常规发射信号源(ACROSS)的基础
山冈耕春;罗岚
【摘要】@@ 最近几年,以名古屋大学和动燃、地震开拓小组为核心多次进行标题中含有ACROSS和ACROSS方法这一术语的报告.最初多是讲些原理,可能并未涉及过多的技术内容.但是据说许多人对ACROSS抱有很大的兴趣.因此,我想归纳迄今的进展并对ACROSS的全貌作一通俗解说.
【期刊名称】《国际地震动态》
【年(卷),期】2000(000)006
【总页数】3页(P26-28)
【关键词】常规发射信号源;地震观测仪器;弹性波
【作者】山冈耕春;罗岚
【作者单位】不详;不详
【正文语种】中文
【中图分类】P3
最近几年,以名古屋大学和动燃、地震开拓小组为核心多次进行标题中含有ACROSS和ACROSS方法这一术语的报告。

最初多是讲些原理,可能并未涉及过多的技术内容。

但是据说许多人对ACROSS抱有很大的兴趣。

因此,我想归纳迄今的进展并对ACROSS的全貌作一通俗解说。

ACROSS方法
ACROSS是精确控制的常规发射信号源(Accurately Controlled Routine-Operated Signal Source)的简称,使用1个或几个正弦波作信号源。

采用正弦波的优点在于:可通过傅里叶变换(一种相关计算)就能接收到的信号信息。

如果发射正弦波非常精确,而且发射和接收准确同步,就有可能剔除噪声引起的误差而获得所有的情报。

这相当于能取得传播路径影响(应答)的所有信息。

虽然起初方案的ACROSS 是取的弹性波源(控制震源),但从原理上讲弹性波和电磁波都可作为信号源。

这种用常规正弦波获取数据的方法称之为ACROSS方法。

ACROSS的特点在于以频率域获取数据。

着眼于这种情况的接收点,就可以得到对应一个频率的1组振幅与相位(复振幅的实部和虚部都可以)。

如果从低频到高频都能获取这种数据,从原理上讲它与时间域获取的数据是一样的。

实际上,获取从低频到高频这种宽频带的数据是不现实的(从效率等角度来看)。

因为它相当于在局域中经过了带通滤波器,时间分辨率很低。

弹性波ACROSS
其次介绍实际装置。

由于还可将ACROSS法定义为采用精密正弦波的方法,所以信号类别既可以是弹性波,也可以是电磁波。

此外,地下水、热、应变等的扩散也可在频域表现出来，因此可用ACROSS方法。

下面介绍目前似乎取得一定进展的使用弹性波的ACROSS方法的目的和装置原理。

我们决定试制弹性波ACROSS的目的是得到常时监测地下构造时间变化的方法。

可以认为地下构造的时间变化包括在火山岩浆监测方面,地震断层深部监测方面,以及地热贮槽监测方面等的应用。

所有这些监测都是向地下发射弹性波,捕捉弹性波传播方式(传播函数)的变化。

为此,必须长期发射以不改造成震源周围地基为上限那种程度的强信号。

为满足要求的信噪比接收信号,必须进行长期的记录。

信号源(震源装置)采用使偏心重锤旋转,利用离心力产生力的方式。

这是因为目前的技术水平已经能非常精确地控制旋转。

在实际投入试验的装置中,使用了控制位置
的交流伺服马达。

将装有偏心重锤的立体固定在地基上,通过重锤的旋转将离心力传送到地基。

交流伺服马达受外部供给的脉冲数控制。

目前的装置为每提供2 000个脉冲就转1圈。

因此,以20 Hz旋转就需要每秒提供40 000个脉冲。

接收方面是在地震仪上连入称为时间分段叠加装置(TS-Stacker)的记录装置。

为提高接收的信噪比最好作长时间的记录。

通过将这种记录作傅里叶变换,便会看到相应于震源的频率峰值。

但是要实现这种长时间的记录必须配备庞大的存储容量。

为节约存储容量,每隔一定时间TS-Stacker就把信号做一次叠加。

比如,每100秒叠加一次记录的话,那么1/100 Hz整数信以外频率的增益便会顺序下降。

如果事先将震源装置的频率控制为1/100 Hz的整数信,就可以在不降低信号增益的条件下实现节约存储容量。

这种状况的发射方和接收方必须同时准确。

这是因为接收方的记录时间越长,增益越不下降,频率的带通域宽度就变窄。

因此,必须准确地使带通域与信号方的频率一致。

为做到这种程度的同期,使用了GPS时钟。

只要能接收到卫星信号,无论世界任何地方,GPS钟的误差都在0.1微秒左右。

GPS接收机发出的时间信号由于转换接收卫星的对时有时会产生1毫秒的误差,最近,因钟采用了很好的屏蔽已不再产生误差了。

发射装置是通过GPS时钟输出的每秒10兆脉冲信号同期授与的脉冲控制的。

由于收信方接收的是GPS卫星常时信号,所以精度可确保持1微秒。

通常用于地震观测的数据记录等的GPS时钟其精度是1毫秒,因此为节约电力,每1小时接收1次卫星信号。

调频(FM)控制
在目前开发的弹性波ACROSS技术中,旋转的调频控制是最重要的。

由于目前的震源装置是通过旋转产生力,固定的旋转控制只能产生单一频率的转动。

这时想获取多种频率的数据,就不得不不断改变频率,既操作麻烦,又不能捕捉其间的地下构造的时间变化。

因此推出了调频控制技术。

调频控制是以准确的间隔反反复复地使震源装置的旋转实现加速或减速。

这样就能产生离散的频率信号了。

例如,如果每隔10秒准确地重复一次完全相同的调制,就能产生1/10 Hz间隔的离散频率峰值。

这就是10秒周期的信号能用1/10 Hz整数信的频率,做线性组合表示的傅里叶级数性质。

ACROSS方法的应用
除监测地下构造以外,ACROSS方法还有其他一些极有意义的应用。

在土木建筑领域,可用于构筑物损伤检测。

对构筑物施以微弱(太强会使市民有感觉)的正弦波,由各部位振幅和相位的变化推断损伤部位和损伤情况。

事先收取正常时期的数据,大地震后用同样的方法再收取数据,并与震前作比较。

如果有损伤,频率响应肯定会发生变化,检查起来比较简单。

由于是用微弱的信号(需要时间)检测,所以还具有装置小型化的优点。

实验室中弹性波速度的测定也可用ACROSS方法。

通常的测定多是向样品输入脉冲振动，然后测量直至接收的传播时间获取弹性波速度。

而ACROSS则是用正弦波测定发射方与接收方之间的振幅比和相位差。

这种测定用多个频率,故为频率轴上的数据。

如果将它们返回到时域就可以得到发射至接收这一时间的走时。

由于输入的信号是稳定的正弦波,所以可避免采用脉冲时容易出现的瞬变影响,因此可做到更精确的测定。

另外,ACROSS方法的最大优点是能更精密地计算衰减。

由于可做精密测定,从而所得到的振幅频率关系和时域中的脉冲幅都比过去的更精确。

根据这些测定,计算Q值也成为可能。

今后的问题
发展似乎很顺利的ACROSS方法也存在着障碍。

ACROSS是通过傅里叶变换与时间域建立关系的,因此计测系统的线性就是问题。

如果照过去那样只计测走时,极端地讲,装置的精度只决定了时间精度,因此即使大振幅下信号饱和了也可以测量出初动。

而ACROSS方法是精确取得所有记录后才形成记录。

破坏线性的原因俯首即
拾,如:发射(震源)装置、发射装置与介质(地基)的耦合、接收机(地震计)、模拟放大器,以及AD转换器等。

常识上电信号与机械信号的转换部分的非线性是很大的。

例如,不具备伺服功能的电磁式地震计,振子摆一偏工作点就会改变灵敏度,这就是非线性原因。

发射装置与介质的耦合也是一个问题。

因此,ACROSS方法要求所有的装置都具备前所未有的高精度。

有了好的方法,再开发出与之配套的高精度装置,才能开辟一个更广阔的世界。