美國核爆炸地震監(jiān)測研究與發(fā)展路線圖*

薛濤 李學(xué)政

(西北核技術(shù)研究所，西安710024)

美國核爆炸地震監(jiān)測研究與發(fā)展路線圖*

薛濤 李學(xué)政

(西北核技術(shù)研究所，西安710024)

盡管在過去的10年中，核爆炸監(jiān)測的探測、定位及識別的研究與發(fā)展取得了重要進(jìn)展，但大量的改進(jìn)仍然是必要的。當(dāng)今，對目前以及計(jì)劃中的核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展技術(shù)，特別是與該技術(shù)緊密相關(guān)的全面禁止核試驗(yàn)條約的興趣日益增長的同時，陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展路線圖就顯得特別重要，因?yàn)樵撀肪€圖依據(jù)數(shù)十年的核爆炸監(jiān)測成就(https://na22.nnsa.doe.gov/mrr)來繪制未來研究與發(fā)展的主題。的確，陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展使命是美國國家核安全局核爆炸探測辦公室的一個基礎(chǔ)項(xiàng)目，通過對運(yùn)行監(jiān)測機(jī)構(gòu)先進(jìn)技術(shù)和系統(tǒng)的發(fā)展、展示和傳遞來履行美國監(jiān)測對核爆炸探測、定位和識別的需求和策略。該項(xiàng)工作由陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展計(jì)劃資助，其合作者是世界級的，由國家實(shí)驗(yàn)室、大學(xué)以及與國際研究者擁有合作關(guān)系的民營企業(yè)的科學(xué)家和工程師來實(shí)施。波形的技術(shù)路線圖由4個項(xiàng)目組成，包括震源物理、信號傳播、傳感器和信號分析。選擇這些項(xiàng)目來獲取在環(huán)境中觀察到的全波物理信號。研究與發(fā)展主題的每一個項(xiàng)目以及計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)都對未來發(fā)展方向起說明作用。路線圖展示了項(xiàng)目將達(dá)到的目標(biāo)，即創(chuàng)新科學(xué)研究，給監(jiān)測機(jī)構(gòu)提供能力增強(qiáng)型技術(shù)以及激發(fā)、培養(yǎng)人力資源來迎接未來監(jiān)測的挑戰(zhàn)。

核爆炸地震監(jiān)測;震源物理;信號傳播;傳感器;信號分析

1 目標(biāo)

本文的目標(biāo)是表達(dá)陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展技術(shù)路線圖的中心主題。應(yīng)用高水平的路線圖來獲取陸基項(xiàng)目感興趣的波形信號。利用基于科學(xué)和可操作的項(xiàng)目以及相關(guān)的技術(shù)，這個路線圖在過去連續(xù)的深思熟慮的活動的基礎(chǔ)上，通過幾十年一步一步的努力取得了科學(xué)和技術(shù)的成就，并著眼于未來。為降低探測閾值，減小定位不確定性和提高事件識別能力，數(shù)十年來核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展計(jì)劃通過協(xié)調(diào)、同行審查使得技術(shù)更加先進(jìn)。事實(shí)上，與10年前相比，在關(guān)鍵的操作功能上(探測、定位和識別)取得了重大進(jìn)展。這里所描述的路線圖很有可能在未來10年取得類似的成就。這些路線圖描繪了未來一條確保成功的道路。事實(shí)上，選擇項(xiàng)目和主題的一個決定性因素就是看它是否有能力使未來的道路令人信服，摸索出一條有效的道路并獲得最終的產(chǎn)品，為未來的建議請求、研究者的導(dǎo)向、與相似執(zhí)行機(jī)構(gòu)合作的可能、條約政策制定者提供潛在的主題。

2 完成的研究

核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展主題的進(jìn)展，從簡單的經(jīng)驗(yàn)方法到目前的準(zhǔn)實(shí)時數(shù)字方法，未來的技術(shù)計(jì)劃是建立在這些路線圖基礎(chǔ)之上的。構(gòu)建這些路線圖的基礎(chǔ)以及這些路線圖精心設(shè)計(jì)的理念主要來源于第26屆地震研究會議中的一篇名為“核爆炸監(jiān)測趨勢”的論文。該論文重點(diǎn)探討了監(jiān)測協(xié)議、科學(xué)、技術(shù)以及測量儀器的發(fā)展趨勢。

核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展波形技術(shù)主題主要由4個項(xiàng)目構(gòu)成，即震源物理、信號傳播、傳感器和信號分析。這些項(xiàng)目構(gòu)成了路線圖的基礎(chǔ)。主題和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)不僅對研究者具有指導(dǎo)作用，而且也為評估新方法提供了準(zhǔn)則。

陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展計(jì)劃的目標(biāo)是完成科學(xué)研究的創(chuàng)新，為監(jiān)測機(jī)構(gòu)提供能力增強(qiáng)型技術(shù)，激發(fā)、培養(yǎng)人力資源以迎接未來監(jiān)測的挑戰(zhàn)。路線圖主要關(guān)注激勵創(chuàng)新、增強(qiáng)產(chǎn)品提供能力以及吸引頂尖科學(xué)家。

2.1 研究與發(fā)展主題、目標(biāo)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

為監(jiān)測運(yùn)行系統(tǒng)提供國家級產(chǎn)品以改進(jìn)核爆炸監(jiān)測技術(shù)水平是陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展項(xiàng)目的主要目標(biāo)。這個改進(jìn)來自于對地震信號發(fā)生、傳播、識別、描述的更好的科學(xué)理解。為了構(gòu)建、計(jì)劃和傳達(dá)未來研究發(fā)展，建立了由操作和觀測因素組成的簡單的4項(xiàng)目圖表，圖1是4項(xiàng)目操作和科學(xué)屬性示意圖。

圖1 陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展項(xiàng)目的數(shù)據(jù)和處理流程

第1個項(xiàng)目是震源物理，目標(biāo)是更好地理解所有核爆炸監(jiān)測震源的本質(zhì)和機(jī)制，特別關(guān)注本地震源介質(zhì)(地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、大地構(gòu)造和定位條件)復(fù)雜的相互作用。這些相互作用對信號通過大氣層或地面?zhèn)鞑サ絺鞲衅髦熬哂泻艽蟮挠绊憽Ｓ捎谛盘杹碜杂谙蛲獠總鞑サ恼鹪?，因而?個項(xiàng)目，信號傳播包含了所有以任何方式修正震源和傳感器之間的信號的計(jì)時、振幅、頻率的關(guān)鍵性因素。

接著，這些信號被仔細(xì)安裝在全球的靈敏儀器記錄為數(shù)據(jù)。這部分過程是由傳感器獲取的。傳感器收集連續(xù)的數(shù)據(jù)(信號)用于處理監(jiān)測到的感興趣事件的探測、定位和識別。傳感器項(xiàng)目描述了在傳感器尺寸、重量、壽命、降噪、定位條件和系統(tǒng)性能最優(yōu)化方面的連續(xù)改進(jìn)。最后，震源產(chǎn)生的信號，通過地面、海洋或者大氣層傳播，由傳感器記錄并處理成假定的可能核事件。我們將這個最后的處理步驟命名為信號分析。

這4個項(xiàng)目提供了一個能夠獲取全部陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展任務(wù)的框架，它可以被認(rèn)為是核爆炸監(jiān)測物理環(huán)境與運(yùn)行系統(tǒng)的高水平的融合。

事實(shí)上，幾乎沒有計(jì)劃可以完整地融入一個項(xiàng)目，也沒有從研究與發(fā)展到操作應(yīng)用的捷徑。大多數(shù)產(chǎn)品從開發(fā)理念到操作系統(tǒng)花費(fèi)數(shù)年。為了成功提供最終產(chǎn)品，執(zhí)行領(lǐng)導(dǎo)者與團(tuán)隊(duì)及研究者的互動是頻繁的、重要的。項(xiàng)目框架提供了一個有用的途徑來查看和了解我們的項(xiàng)目，這樣可以一起計(jì)劃震源物理、信號傳播、傳感器、信號分析這4個項(xiàng)目，以提高核監(jiān)測能力。這4個項(xiàng)目的合成可以反映過去以及將來在事件探測、定位和識別上的改進(jìn)，如圖2、圖3和圖4的描述。

綜上所述，根據(jù)目前BIM技術(shù)在建筑工程全過程精細(xì)化項(xiàng)目管理中的應(yīng)用可知，BIM技術(shù)在建筑工程全過程精細(xì)化項(xiàng)目管理中體現(xiàn)的優(yōu)勢之處十分多，不僅可以有效改善傳統(tǒng)工程項(xiàng)目管理的各種資金投入大、人員管理不協(xié)調(diào)、重返施工現(xiàn)象嚴(yán)重與施工質(zhì)量不合格等問題，也能切實(shí)于強(qiáng)化工程項(xiàng)目的水平，且同時對于提升建筑工程建設(shè)質(zhì)量也具有較多的有利之處。因此在將BIM技術(shù)有效運(yùn)用于建筑工程全過程精細(xì)化項(xiàng)目管理時，需要根據(jù)建筑工程全過程管理的特點(diǎn)與環(huán)節(jié)要求，合理進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的運(yùn)用，以使得BIM技術(shù)能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)建筑工程的有序化、規(guī)范化及協(xié)調(diào)化管理，提供相應(yīng)的技術(shù)支持與功能服務(wù)。

圖2 20世紀(jì)70年代至2020年陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展探測計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展。探測改進(jìn)是多因素的，主要是在你要監(jiān)視的區(qū)域增加更多臺站，改進(jìn)測量儀器、算法和分析方法

圖3 定位的過去、現(xiàn)在和未來進(jìn)展圖。這些結(jié)果僅適用于廣闊構(gòu)造區(qū)域的小型試驗(yàn)(震級≤4.5)的識別

圖4 識別的過去、現(xiàn)在和未來進(jìn)展圖。這些結(jié)果僅適用于廣闊構(gòu)造區(qū)域的小型試驗(yàn)(震級≤4.5)的識別

每一個項(xiàng)目由幾個研究與發(fā)展主題組成，大多數(shù)主題都與其他主題結(jié)果相關(guān)或依賴于其他主題結(jié)果。主題可以跨越幾十年，一些當(dāng)今的主題已經(jīng)活躍了12年以上。而另一些主題在未來幾年中將開始啟動，這依賴于其他主題的結(jié)果。主題是動態(tài)的并且可以修改、添加和刪除。每一個主題我們都有研究與發(fā)展計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來合理地指導(dǎo)研究者的工作。主題研究與發(fā)展方向每年都結(jié)合預(yù)算進(jìn)行評估。其結(jié)果在項(xiàng)目管理者、執(zhí)行領(lǐng)導(dǎo)、團(tuán)隊(duì)、國家實(shí)驗(yàn)室的研究者、合作者、國家與國際核爆炸監(jiān)測專家之間進(jìn)行充分探討。

2.2 震源物理研究與發(fā)展主題和波形技術(shù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

震源物理研究與發(fā)展主題以提供預(yù)測在不同地質(zhì)、大地構(gòu)造及人造設(shè)施中的全部震源類型(如地震、爆炸、礦井爆炸等)所發(fā)出的地震信號的物理基礎(chǔ)為最終技術(shù)目標(biāo)。對于爆炸，由于震源的復(fù)雜性，需要更周密的模型，特別需要產(chǎn)生S波的模型，這決定了未來研究與發(fā)展的方向是:模型合成、實(shí)際材料的數(shù)字模擬、用以支持全面發(fā)展的理論工作的野外試驗(yàn)。

模型合成強(qiáng)調(diào)分析建立在過去模型基礎(chǔ)上的震源模型，并且將其他研究與發(fā)展納入到新的信息中。改進(jìn)的震源識別、當(dāng)量評估、震源到接收器的低當(dāng)量寬范圍波形模擬能力是最終合成產(chǎn)品的監(jiān)測目標(biāo)。合成的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是有能力預(yù)測和匹配所有距離范圍和跨越整個地震頻帶所觀測到的地震信號的。

數(shù)字模擬和野外試驗(yàn)及驗(yàn)證震源參數(shù)比例規(guī)律、約束近震源現(xiàn)象的地震測量，填補(bǔ)了知識空白，并且試驗(yàn)和驗(yàn)證了模型的全面工作情況。這些努力和理論工作為解釋信號的震源背景、信號的定位、周邊震源介質(zhì)，包括材料損壞、預(yù)應(yīng)力釋放、材料各向異性、通過不規(guī)則界面不同介質(zhì)波的傳播的產(chǎn)生過程提供了基礎(chǔ)。當(dāng)量換算以及與地震波產(chǎn)生相關(guān)的從微觀到宏觀的材料性能換算是理論工作的重要方面。

研究與發(fā)展主題以及相關(guān)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)是識別不同類型地震震源和關(guān)注波形震源物理的基礎(chǔ)理論的應(yīng)用。

波形震源物理1新的和更有效的識別震源波形信號的方法(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):改進(jìn)震源識別)。

波形震源物理2預(yù)測核爆炸近源區(qū)的地震S波振幅(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):使爆炸模型與觀測更好地匹配)。

波形震源物理3根據(jù)大地構(gòu)造調(diào)整地震振幅模型(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):改進(jìn)地震模型以便更好地與觀測相匹配)。

波形震源物理4預(yù)測本地及區(qū)域工業(yè)爆炸的地震振幅(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):使新礦井爆炸模型更好地與觀測相匹配)。

波形震源物理5由地下空腔倒塌預(yù)測本地及區(qū)域地震信號(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):使新倒塌模型更好地與觀測相匹配)。

波形震源物理6計(jì)算近地面-水-空氣界面的能量分配(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):改進(jìn)模型以便更好地與觀測相匹配)。

2.3 信號傳播研究與發(fā)展主題和波形技術(shù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

許多因素制約著傳播中波形信號的計(jì)時、振幅和頻率。其中最重要的因素是地球中地殼速度以及衰減的各向異性。在實(shí)際應(yīng)用中，其他因素隨時會出現(xiàn)而且必須考慮，例如處理器和算法的最優(yōu)化。對于地震波形，還包括要更進(jìn)一步了解地表下層密度、波速和與之相關(guān)的衰減。信號傳播的主要目標(biāo)是改進(jìn)影響事件探測、定位識別、震級當(dāng)量估算的波形信號預(yù)測。波形信號傳播研究與發(fā)展主題以及相關(guān)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)如下:

波形信號傳播1改進(jìn)走時預(yù)測(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):改進(jìn)走時及偏差預(yù)測)。

波形信號傳播2改進(jìn)振幅模型(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):改進(jìn)振幅預(yù)測)。

波形信號傳播3從這些模型中預(yù)測走時、振幅以及全波形信號(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):改進(jìn)合成波形以便更好地與觀測相匹配)。

2.4 傳感器研究與發(fā)展主題及波形技術(shù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

需要靈敏測量儀器來探測極小的信號(小于納米級的位移)，傳感器項(xiàng)目關(guān)注改進(jìn)靈敏度、信噪比、頻帶寬度以及這些傳感器的操作執(zhí)行問題。已經(jīng)存在的已安裝好的傳感器系統(tǒng)，特別是地震檢波器，具有突出的響應(yīng)特性，因而不是項(xiàng)目所關(guān)注的(圖2和圖5)。傳感器研究與發(fā)展計(jì)劃目前正在為本地監(jiān)測環(huán)境發(fā)展微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)。微電子機(jī)械系統(tǒng)由專家工作組研發(fā)并且持續(xù)推動創(chuàng)新(表1)。微電子機(jī)械系統(tǒng)與其他小型地震檢波器一樣，其主要的經(jīng)費(fèi)來源是陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展計(jì)劃支持的小商業(yè)創(chuàng)新津貼(SBIR)。一個非常棘手的問題是克服對于任何小的參照物的1/f噪聲約束。部署本地網(wǎng)絡(luò)有一些麻煩問題:最優(yōu)空間分布、內(nèi)部傳感器與臺站通訊、隨機(jī)處理、連續(xù)電源供給、重量與大小的限制。因此，波形傳感器研究與發(fā)展主題以及相關(guān)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)包括發(fā)展、臺網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析和試驗(yàn)設(shè)施維護(hù)，詳情如下:

圖5 地球噪聲控制和約束了地震檢波器的研究與發(fā)展。圖中顯示了美國地質(zhì)調(diào)查局高噪聲和低噪聲模型目前的能力和未來發(fā)展的目標(biāo)

表1 微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)微弱運(yùn)動加速計(jì)所需的必要參數(shù)條件

波形傳感器主題1建造新的短周期微型地震檢波器[計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):設(shè)計(jì)和建造低功率(＜100mW)微型地震檢波器，其內(nèi)部噪聲水平大約在0.2～40 Hz，高動態(tài)范圍(＞110 dB)低于參考低噪聲模型(美國地質(zhì)調(diào)查局做的地震模型)]。

波形傳感器主題2原型本地監(jiān)測傳感器系統(tǒng)(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):演示本地監(jiān)測系統(tǒng)工作性能)。

波形傳感器主題3研發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)部署軟件(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):在部署之前，演示精確模擬本地網(wǎng)絡(luò)工作性能的能力)。

波形傳感器主題4維護(hù)傳感器試驗(yàn)和評估設(shè)施(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):提供用于波形技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的試驗(yàn)和評估)。

2.5 信號分析研究與發(fā)展主題和波形技術(shù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

為核爆炸監(jiān)測設(shè)置的信號分析項(xiàng)目，包括所有信號處理技術(shù)，應(yīng)用于數(shù)據(jù)探測和刻畫感興趣事件的特征。在運(yùn)行的臺網(wǎng)中，首先每個傳感器采用人機(jī)交互、分別辨別感興趣的信號。然后將這些信號與假設(shè)的事件相關(guān)聯(lián)，最后，要測算事件震級，評估可能的震源類型(例如，地震或爆炸)。這些工作要盡可能地接近實(shí)時。因此，在某些方面，信號分析包含很廣的范圍，我們可以把它分成兩類:信號處理和結(jié)果。信號處理包括熟練處理數(shù)據(jù)以提高和發(fā)現(xiàn)感興趣的信號;結(jié)果部分包括推斷震源(定位、大小和事件類型)的高水平處理。對于這些類型的處理，精確測量與使用地球模型計(jì)算的合成信號值進(jìn)行比較，并且評估震源參數(shù)的不確定性。

這是一種多功能技術(shù)，包括信號增強(qiáng)(過濾、聚束、旋轉(zhuǎn)、主成份分析、波形相關(guān)等)、信號探測、參數(shù)測量、信號關(guān)聯(lián)、事件定位、震級/當(dāng)量測定、事件識別。期望生產(chǎn)出一個高質(zhì)量的、能夠全面描述可能核事件狀況的列表。由于直接的證據(jù)很少可用，進(jìn)一步的挑戰(zhàn)就是對每一個事件參數(shù)提供嚴(yán)格的不確定性評估。同時，由于地震要比爆炸更普遍，因此，在任意給定的一天，地震都是主要信號，大部分信號分析工作集中在從地震中識別和篩選信號。波形信號分析研究與發(fā)展主題及其相關(guān)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)包括:

波形信號分析1改進(jìn)參數(shù)評估的穩(wěn)定性和精確性(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):演示改進(jìn)的參數(shù)和不確定性評估)。

波形信號分析2研發(fā)新的波形參數(shù)(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):演示關(guān)于新波形參數(shù)的改進(jìn)監(jiān)測能力)。

波形信號分析3改進(jìn)基于參數(shù)的監(jiān)測方法(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):改進(jìn)探測、定位和識別)。

波形信號分析4改進(jìn)基于波形的監(jiān)測方法(計(jì)量標(biāo)準(zhǔn):改進(jìn)探測、定位和識別)。

陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展主題的目標(biāo)是全面改進(jìn)監(jiān)測，圖2、圖3和圖4說明了50多年來的進(jìn)展?？偟膩碚f，震源物理對降低探測閾值、改進(jìn)定位精度和當(dāng)量評估的爆炸機(jī)制的內(nèi)在過程提供了深入的了解。信號傳播主題的成功將會降低定位誤差、改進(jìn)衰減模型，從而改進(jìn)識別、探測和當(dāng)量評估。改進(jìn)的精密傳感器將降低探測閾值并且改善信噪比，得到更好的計(jì)時和定位。最終，信號分析主題的進(jìn)展將對信號進(jìn)行全面深入的處理，以便從這些復(fù)雜數(shù)據(jù)中提取更多的信息。

3 結(jié)論和建議

本文已描述了陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展路線圖的中心科學(xué)和技術(shù)主題，陸基核爆炸監(jiān)測研究與發(fā)展的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)用于幫助指導(dǎo)研究進(jìn)展。4個基于科學(xué)和操作與技術(shù)主題關(guān)聯(lián)的項(xiàng)目(震源物理、信號傳播、傳感器和信號分析)建立了一系列科學(xué)、技術(shù)成就，即降低探測閾值、降低定位不確定性和改進(jìn)事件識別。項(xiàng)目在工作效率上將會取得更大的進(jìn)步，這與20世紀(jì)90年代事件定位的改進(jìn)類似。這個路線圖描述了實(shí)現(xiàn)這一步的道路，并提供科學(xué)基金和必要的資金來確保成功。配合預(yù)算，這些路線圖每年都需要重新考慮。

致謝

本文在編寫過程中參考了以下文獻(xiàn):(1)Leslie A.Casey，W.Randy Bell.Nuclear explosion monitoring research and development roadmaps.Proceedings of monitoring research review 2010.2010:3-13;(2)Dale N.Anderson，Raymond J.Willemann.Trends in nuclear explosion monitoring.Proceedings of 26thseismic research review 2004.2004:3-13。在此表示感謝。

(作者電子信箱，薛濤:xuetao0910@126.com)

P315.6;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.03.003

2011-04-25;

2011-11-03。