Jeofon dizinleri vasıtasıyla sismik yön tespiti
Seismic direction estimation via geophone arrays
- Tez No: 863510
- Danışmanlar: PROF. DR. TAYFUN AKGÜL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Bu çalışma, sismik sensör dizini kullanarak, kazazede tespitine yardımcı olabilecek donanımsal ve yazılımsal bir sistem tanıtmaktadır. Kazazede tarafından oluştu- rulabilecek bir darbe ile meydana gelen sismik sinyali hedef alarak, bu sismik sinyalin yön kestirimi yapılmaya çalışılır. Sismik yön tahmini için varış zaman farkı (VZF, Time Delay of Arrival-TDOA) yöntemi üzerine odaklanılmıştır. Bu yöntem, sismik sensör olarak kullanılan jeofonlara ulaşan sismik sinyallerin arasındaki zaman gecikmesinden yararlanarak yön tahmini gerçekleştirmeyi önermektedir. Çapraz ilinti (Cross Correlation) algoritması kullanılarak zaman gecikmesi bilgisine ulaşılır. Bu bilginin ışığında, kaynaktan gelen sismik sinyal ve jeofonların oluşturduğu geometri düzeni ile sinyalin geliş açısı bulunur. Jeofonlar üzerinden, yüksek çözünürlükteki harici analog sayısal çeviriciler (ASÇ, Analog Digital Converter-ADC) ile birlikte mikroişlemci kontrolünde veriler parelel bir şekilde toplanır. Zaman gecikmesine dayalı bir yöntem kullanıldığı için verinin parelel bir şekilde jeofonlar üzerinden toplanabilmesi kritiktir. Toplanılan bu işlenmemiş veriler, direk sistem üzerinde kullanabileceğini gibi sonrasında incelemeye olanak sağlayacak şekilde kayıt altına alınabilmektedir. Mikroişlemci üzerinde bir kuyruk mekanizmasında tutulan veriler, kablolu veya kablosuz ağlar aracılığıyla, verilerin işlendiği ve görselleştirildiği operasyon bilgisayarına aktarılır. Buraya aktarılan veriler, öncelikle çeşitli süzgeçleme işlemlerden geçirilerek çevresel gürültülerden arındırılır. Bu şekilde sinyal gürültü oranı artırılarak, daha uzak mesafelerdeki sismik kaynağın varlığının tespitine imkan sağlanır. Operasyon bilgisayarına ulaşan veri yığını, bu şekilde sürekli olarak gözetlenilerek hedef sismik sinyalin varlığı incelenir. Eğer ki bir anomali tespit edilirse, o andaki veri yığını sinyal işleme algoritmasına sokularak yön kestirimi yapılır ve arayüz üzerinde bulunan açı değeri yansıtılır. Buradaki yönü dolayısıyla sinyalin varış açısını hesaplamak için, örnekleme frekansı, sismik sinyalin ilgili zemin üzerindeki hızı ve jeofonlar arasındaki mesafe bilgisi gereklidir. Bulunan zemindeki sismik sinyal hızını hesaplamak için jeofonlar ile bir kalibrasyon işlemi gerçekleştirilir. İki jeofon hizasında bir darbe oluşturularak, darbe ile oluşan sismik sinyalin jeofonlara ulaşmasındaki zaman gecikmesi bulunur. Jeofonlar arasındaki mesafe bilindiği için sismik sinyal hızı elde edilir. Farklı zeminlerde farklı sismik sinyal hızları ile karşılaşmaktayız. Dolayısıyla öncelikle sistemin bulunduğu zemindeki sismik hızı tespit etmek gerekmektedir. Sistem içerisindeki zaman gecikmesi çözünürlüğünü artırabilmek için sismik hıza göre jeofonlar arası mesafe ayarlanmalıdır. Yapılan deneylerde kum içerikli fayans gibi zeminlerde, jeofonlar arası mesafenin iki ve dört metre olduğu durumlarda belli hata payı ile hedef sinyalin açısı bulunmuştur. Ancak beton gibi sismik sinyalin görece daha hızlı olduğu zeminlerde jeofonlar arası mesafenin daha fazla artırılması gerektiği sonucuna varılmıştır.
Özet (Çeviri)
The purpose of this research is to present a software and hardware solution that has the potential to aid in the identification of earthquake victims by utilizing a seismic sensor array. An effort is made to determine the direction of a seismic signal by focusing on the impact-generated seismic signal that may be caused by a victim. The process of figuring out the direction from which seismic waves produced by any source arrive at seismic sensors on the ground's surface is known as seismic direction estimate. Because the physical characteristics of the ground directly affect the behavior and speed of seismic waves, it is imperative to take these properties into account. Seismic waves travel at varying speeds depending on the type of ground. The focus is on TDOA method for seismic direction estimation, which involves analyzing the arrival time difference of the seismic signal. The time delay information is acquired by the utilization of the cross correlation technique. Based on the geometric arrangement of the seismic signal from the source and the geophones, the arrival angle of the seismic signal is computed. The aim of the study is to predict the direction of the target signal using at least two geophone arrays arranged in a uniform linear based on time delay of arrival. In this method, the time difference in the arrival of the seismic signal to the geophones is determined as a result of the generated impacts. This time difference depends on the speed of the seismic signal and the distance between the geophones. If the speed of the seismic signal, the distance between the geophones, and the time difference in the arrival of the seismic signal to the receivers are known, the direction of the seismic source can be estimated. The system created to implement the proposed method consists of three main units. A geophone array, a data gathering and transfer device, and a system interface. First unit consists of a vertical geophone array operating at a frequency of 4.5Hz, which is employed for the acquisition of seismic signals. Geophones are non-active sensors and do not expend energy. The geophone contains a suspended mass positioned above a magnet, which is encircled by a wire coil. Seismic waves cause the mass to move, which in turn generates an electromotive force by moving electrons along the wire coil. This process is based on the idea of electromagnetic induction. A microprocessor module and external ADCs make up the second unit. The system is tasked with converting the analog signals from the geophones into digital format using the 24 bit ADS1220 analog-to-digital converter, gathering the data, and transmitting it to the server. The digital data acquired from sampling conducted within a single second is appended to the queue mechanism, and the system then advances to the subsequent sampling sequence. Concurrently, during this continuing operation, the data in the queue is transmitted to the server. To read analog data in parallel from the geophones, a switching method controlled by Serial Peripheral Interface (SPI) is employed. The ADCs are serially connected, except for environmental device selection. This allows all ADCs to be triggered simultaneously, performing the conversion process. After each reading operation, the chip select pin of the ADC to be read is pulled to logic 0, while others are pulled to logic 1. This high-impedance state allows sequential readings from output pins, enabling parallel digitization of data from geophones. The third and last unit enables the handling and presentation of incoming digital data. Every algorithm is implemented within this framework. In the second section, sampling is conducted within a specific time frame. During this procedure, the data from the preceding sequence is subjected to a series of signal processing algorithms. As a consequence, visual outputs are generated. As seismic sensors, geophones are employed, and high-resolution external analog-to-digital converters managed by microprocessors are used to capture data in parallel. It is essential to gather data concurrently using geophones because the method is time-delay based. The raw data gathered can be right away recorded for further examination or directly processed by the system. After being collected and stored in a queue mechanism on the microprocessor, the raw data is sent via wired or wireless networks to an operations computer for processing and visualization. The data transmitted here undergoes preliminary processing to reduce external noise. This enhances the ratio between the desired signal and unwanted noise, enabling the identification of seismic sources at larger distances. The operations computer continuously monitors the incoming data to detect the presence of the desired seismic signal. If an irregularity is identified, the data in this sequence is processed using TDOA-based algorithms. The cross correlation method is primarily utilized to determine the time delay in the arrival of the seismic signal to the geophones. Other methods are also employed for comparative purposes. After acquiring the time delay value, an estimation is made regarding the direction of the seismic signal that reaches the geophones. In order to determine the arrival angle of the signal, it is essential to have the sampling frequency, the velocity of the seismic signal on the specific ground, and the distance between geophones. The geophones undergo a calibration process to ascertain the velocity of seismic signals in the underlying terrain. The time delay in the arrival of the seismic signal to the geophones is determined by generating an impact between two geophones. The speed of the seismic signal can be determined by calculating the distance between the geophones. Various terrains display distinct seismic signal velocities, hence it is imperative to initially ascertain the seismic velocity in the terrain where the system is situated. In order to enhance the time frame precision of the system, the spacing between geophones should be adjusted based on the seismic velocity. Both adaptive techniques and physical approaches that can be incorporated into the algorithm can be used to improve angular resolution. A specific technique that can be used is cubic spline interpolation. In essence, it enhances the sampling rate of the sampled signal by the specified factor. This significantly improves the angular resolution of the system. However, it is important to evaluate the influence of signal properties on this enhancement. During the experiments done on different surfaces, such as sand and tiles, the angular position of the target signal was measured with an acceptable level of uncertainty when the distance between geophones was either two or four meters. Nevertheless, in areas where the seismic signal propagates at a significantly higher velocity, such as concrete, it was determined that the spacing between geophones should be expanded even more.
Benzer Tezler
- Sinyal gürültü analizi
Signal to noise analysis
CAN İSTANBULLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Jeofizik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiJeofizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. VELİ KARA
- Dağıtık pasif sensör dizinleri ile kazazede konum tespiti
Victim location detection with distributed passive sensor arrays
MELİKE GİRGİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKGÜL
- Developing cost-effective data acquisition systems by using mems accelerometers and geophone sensors
İvmeölçer ve jeofon sensörleri ile maliyet-etkin veri toplama sistemlerinin geliştirilmesi
KAMER ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Deprem MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHU MUTLU
- Zemin özelliklerinin saptanmasında P-sv dönüşmüş sismik dalgaların (converted waves) elde edilmesi için yeni bir yöntem
Başlık çevirisi yok
ZÜHEYR KAMACI
- Sismik sinyal işleme tabanlı hedef tespiti ve sınıflandırması
Target detection and classification based on seismic signal processing
MUHAMMET FATİH OKUTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Bilgi ve Belge YönetimiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH BAL