美国核爆炸地震监测研究与发展路线图*

薛涛 李学政

(西北核技术研究所，西安710024)

美国核爆炸地震监测研究与发展路线图*

薛涛 李学政

(西北核技术研究所，西安710024)

尽管在过去的10年中，核爆炸监测的探测、定位及识别的研究与发展取得了重要进展，但大量的改进仍然是必要的。当今，对目前以及计划中的核爆炸监测研究与发展技术，特别是与该技术紧密相关的全面禁止核试验条约的兴趣日益增长的同时，陆基核爆炸监测研究与发展路线图就显得特别重要，因为该路线图依据数十年的核爆炸监测成就(https://na22.nnsa.doe.gov/mrr)来绘制未来研究与发展的主题。的确，陆基核爆炸监测研究与发展使命是美国国家核安全局核爆炸探测办公室的一个基础项目，通过对运行监测机构先进技术和系统的发展、展示和传递来履行美国监测对核爆炸探测、定位和识别的需求和策略。该项工作由陆基核爆炸监测研究与发展计划资助，其合作者是世界级的，由国家实验室、大学以及与国际研究者拥有合作关系的民营企业的科学家和工程师来实施。波形的技术路线图由4个项目组成，包括震源物理、信号传播、传感器和信号分析。选择这些项目来获取在环境中观察到的全波物理信号。研究与发展主题的每一个项目以及计量标准都对未来发展方向起说明作用。路线图展示了项目将达到的目标，即创新科学研究，给监测机构提供能力增强型技术以及激发、培养人力资源来迎接未来监测的挑战。

核爆炸地震监测;震源物理;信号传播;传感器;信号分析

1 目标

本文的目标是表达陆基核爆炸监测研究与发展技术路线图的中心主题。应用高水平的路线图来获取陆基项目感兴趣的波形信号。利用基于科学和可操作的项目以及相关的技术，这个路线图在过去连续的深思熟虑的活动的基础上，通过几十年一步一步的努力取得了科学和技术的成就，并着眼于未来。为降低探测阈值，减小定位不确定性和提高事件识别能力，数十年来核爆炸监测研究与发展计划通过协调、同行审查使得技术更加先进。事实上，与10年前相比，在关键的操作功能上(探测、定位和识别)取得了重大进展。这里所描述的路线图很有可能在未来10年取得类似的成就。这些路线图描绘了未来一条确保成功的道路。事实上，选择项目和主题的一个决定性因素就是看它是否有能力使未来的道路令人信服，摸索出一条有效的道路并获得最终的产品，为未来的建议请求、研究者的导向、与相似执行机构合作的可能、条约政策制定者提供潜在的主题。

2 完成的研究

核爆炸监测研究与发展主题的进展，从简单的经验方法到目前的准实时数字方法，未来的技术计划是建立在这些路线图基础之上的。构建这些路线图的基础以及这些路线图精心设计的理念主要来源于第26届地震研究会议中的一篇名为“核爆炸监测趋势”的论文。该论文重点探讨了监测协议、科学、技术以及测量仪器的发展趋势。

核爆炸监测研究与发展波形技术主题主要由4个项目构成，即震源物理、信号传播、传感器和信号分析。这些项目构成了路线图的基础。主题和计量标准不仅对研究者具有指导作用，而且也为评估新方法提供了准则。

陆基核爆炸监测研究与发展计划的目标是完成科学研究的创新，为监测机构提供能力增强型技术，激发、培养人力资源以迎接未来监测的挑战。路线图主要关注激励创新、增强产品提供能力以及吸引顶尖科学家。

2.1 研究与发展主题、目标、计量标准

为监测运行系统提供国家级产品以改进核爆炸监测技术水平是陆基核爆炸监测研究与发展项目的主要目标。这个改进来自于对地震信号发生、传播、识别、描述的更好的科学理解。为了构建、计划和传达未来研究发展，建立了由操作和观测因素组成的简单的4项目图表，图1是4项目操作和科学属性示意图。

图1 陆基核爆炸监测研究与发展项目的数据和处理流程

第1个项目是震源物理，目标是更好地理解所有核爆炸监测震源的本质和机制，特别关注本地震源介质(地质、结构、大地构造和定位条件)复杂的相互作用。这些相互作用对信号通过大气层或地面传播到传感器之前具有很大的影响。由于信号来自于向外部传播的震源，因而第2个项目，信号传播包含了所有以任何方式修正震源和传感器之间的信号的计时、振幅、频率的关键性因素。

接着，这些信号被仔细安装在全球的灵敏仪器记录为数据。这部分过程是由传感器获取的。传感器收集连续的数据(信号)用于处理监测到的感兴趣事件的探测、定位和识别。传感器项目描述了在传感器尺寸、重量、寿命、降噪、定位条件和系统性能最优化方面的连续改进。最后，震源产生的信号，通过地面、海洋或者大气层传播，由传感器记录并处理成假定的可能核事件。我们将这个最后的处理步骤命名为信号分析。

这4个项目提供了一个能够获取全部陆基核爆炸监测研究与发展任务的框架，它可以被认为是核爆炸监测物理环境与运行系统的高水平的融合。

事实上，几乎没有计划可以完整地融入一个项目，也没有从研究与发展到操作应用的捷径。大多数产品从开发理念到操作系统花费数年。为了成功提供最终产品，执行领导者与团队及研究者的互动是频繁的、重要的。项目框架提供了一个有用的途径来查看和了解我们的项目，这样可以一起计划震源物理、信号传播、传感器、信号分析这4个项目，以提高核监测能力。这4个项目的合成可以反映过去以及将来在事件探测、定位和识别上的改进，如图2、图3和图4的描述。

综上所述，根据目前BIM技术在建筑工程全过程精细化项目管理中的应用可知，BIM技术在建筑工程全过程精细化项目管理中体现的优势之处十分多，不仅可以有效改善传统工程项目管理的各种资金投入大、人员管理不协调、重返施工现象严重与施工质量不合格等问题，也能切实于强化工程项目的水平，且同时对于提升建筑工程建设质量也具有较多的有利之处。因此在将BIM技术有效运用于建筑工程全过程精细化项目管理时，需要根据建筑工程全过程管理的特点与环节要求，合理进行相关技术的运用，以使得BIM技术能够为实现建筑工程的有序化、规范化及协调化管理，提供相应的技术支持与功能服务。

图2 20世纪70年代至2020年陆基核爆炸监测研究与发展探测计量标准的进展。探测改进是多因素的，主要是在你要监视的区域增加更多台站，改进测量仪器、算法和分析方法

图3 定位的过去、现在和未来进展图。这些结果仅适用于广阔构造区域的小型试验(震级≤4.5)的识别

图4 识别的过去、现在和未来进展图。这些结果仅适用于广阔构造区域的小型试验(震级≤4.5)的识别

每一个项目由几个研究与发展主题组成，大多数主题都与其他主题结果相关或依赖于其他主题结果。主题可以跨越几十年，一些当今的主题已经活跃了12年以上。而另一些主题在未来几年中将开始启动，这依赖于其他主题的结果。主题是动态的并且可以修改、添加和删除。每一个主题我们都有研究与发展计量标准来合理地指导研究者的工作。主题研究与发展方向每年都结合预算进行评估。其结果在项目管理者、执行领导、团队、国家实验室的研究者、合作者、国家与国际核爆炸监测专家之间进行充分探讨。

2.2 震源物理研究与发展主题和波形技术计量标准

震源物理研究与发展主题以提供预测在不同地质、大地构造及人造设施中的全部震源类型(如地震、爆炸、矿井爆炸等)所发出的地震信号的物理基础为最终技术目标。对于爆炸，由于震源的复杂性，需要更周密的模型，特别需要产生S波的模型，这决定了未来研究与发展的方向是:模型合成、实际材料的数字模拟、用以支持全面发展的理论工作的野外试验。

模型合成强调分析建立在过去模型基础上的震源模型，并且将其他研究与发展纳入到新的信息中。改进的震源识别、当量评估、震源到接收器的低当量宽范围波形模拟能力是最终合成产品的监测目标。合成的计量标准是有能力预测和匹配所有距离范围和跨越整个地震频带所观测到的地震信号的。

数字模拟和野外试验及验证震源参数比例规律、约束近震源现象的地震测量，填补了知识空白，并且试验和验证了模型的全面工作情况。这些努力和理论工作为解释信号的震源背景、信号的定位、周边震源介质，包括材料损坏、预应力释放、材料各向异性、通过不规则界面不同介质波的传播的产生过程提供了基础。当量换算以及与地震波产生相关的从微观到宏观的材料性能换算是理论工作的重要方面。

研究与发展主题以及相关的计量标准是识别不同类型地震震源和关注波形震源物理的基础理论的应用。

波形震源物理1新的和更有效的识别震源波形信号的方法(计量标准:改进震源识别)。

波形震源物理2预测核爆炸近源区的地震S波振幅(计量标准:使爆炸模型与观测更好地匹配)。

波形震源物理3根据大地构造调整地震振幅模型(计量标准:改进地震模型以便更好地与观测相匹配)。

波形震源物理4预测本地及区域工业爆炸的地震振幅(计量标准:使新矿井爆炸模型更好地与观测相匹配)。

波形震源物理5由地下空腔倒塌预测本地及区域地震信号(计量标准:使新倒塌模型更好地与观测相匹配)。

波形震源物理6计算近地面-水-空气界面的能量分配(计量标准:改进模型以便更好地与观测相匹配)。

2.3 信号传播研究与发展主题和波形技术计量标准

许多因素制约着传播中波形信号的计时、振幅和频率。其中最重要的因素是地球中地壳速度以及衰减的各向异性。在实际应用中，其他因素随时会出现而且必须考虑，例如处理器和算法的最优化。对于地震波形，还包括要更进一步了解地表下层密度、波速和与之相关的衰减。信号传播的主要目标是改进影响事件探测、定位识别、震级当量估算的波形信号预测。波形信号传播研究与发展主题以及相关计量标准如下:

波形信号传播1改进走时预测(计量标准:改进走时及偏差预测)。

波形信号传播2改进振幅模型(计量标准:改进振幅预测)。

波形信号传播3从这些模型中预测走时、振幅以及全波形信号(计量标准:改进合成波形以便更好地与观测相匹配)。

2.4 传感器研究与发展主题及波形技术计量标准

需要灵敏测量仪器来探测极小的信号(小于纳米级的位移)，传感器项目关注改进灵敏度、信噪比、频带宽度以及这些传感器的操作执行问题。已经存在的已安装好的传感器系统，特别是地震检波器，具有突出的响应特性，因而不是项目所关注的(图2和图5)。传感器研究与发展计划目前正在为本地监测环境发展微电子机械系统(MEMS)技术。微电子机械系统由专家工作组研发并且持续推动创新(表1)。微电子机械系统与其他小型地震检波器一样，其主要的经费来源是陆基核爆炸监测研究与发展计划支持的小商业创新津贴(SBIR)。一个非常棘手的问题是克服对于任何小的参照物的1/f噪声约束。部署本地网络有一些麻烦问题:最优空间分布、内部传感器与台站通讯、随机处理、连续电源供给、重量与大小的限制。因此，波形传感器研究与发展主题以及相关的计量标准包括发展、台网结构分析和试验设施维护，详情如下:

图5 地球噪声控制和约束了地震检波器的研究与发展。图中显示了美国地质调查局高噪声和低噪声模型目前的能力和未来发展的目标

表1 微电子机械系统(MEMS)微弱运动加速计所需的必要参数条件

波形传感器主题1建造新的短周期微型地震检波器[计量标准:设计和建造低功率(＜100mW)微型地震检波器，其内部噪声水平大约在0.2～40 Hz，高动态范围(＞110 dB)低于参考低噪声模型(美国地质调查局做的地震模型)]。

波形传感器主题2原型本地监测传感器系统(计量标准:演示本地监测系统工作性能)。

波形传感器主题3研发传感器网络部署软件(计量标准:在部署之前，演示精确模拟本地网络工作性能的能力)。

波形传感器主题4维护传感器试验和评估设施(计量标准:提供用于波形技术的数据采集系统的试验和评估)。

2.5 信号分析研究与发展主题和波形技术计量标准

为核爆炸监测设置的信号分析项目，包括所有信号处理技术，应用于数据探测和刻画感兴趣事件的特征。在运行的台网中，首先每个传感器采用人机交互、分别辨别感兴趣的信号。然后将这些信号与假设的事件相关联，最后，要测算事件震级，评估可能的震源类型(例如，地震或爆炸)。这些工作要尽可能地接近实时。因此，在某些方面，信号分析包含很广的范围，我们可以把它分成两类:信号处理和结果。信号处理包括熟练处理数据以提高和发现感兴趣的信号;结果部分包括推断震源(定位、大小和事件类型)的高水平处理。对于这些类型的处理，精确测量与使用地球模型计算的合成信号值进行比较，并且评估震源参数的不确定性。

这是一种多功能技术，包括信号增强(过滤、聚束、旋转、主成份分析、波形相关等)、信号探测、参数测量、信号关联、事件定位、震级/当量测定、事件识别。期望生产出一个高质量的、能够全面描述可能核事件状况的列表。由于直接的证据很少可用，进一步的挑战就是对每一个事件参数提供严格的不确定性评估。同时，由于地震要比爆炸更普遍，因此，在任意给定的一天，地震都是主要信号，大部分信号分析工作集中在从地震中识别和筛选信号。波形信号分析研究与发展主题及其相关的计量标准包括:

波形信号分析1改进参数评估的稳定性和精确性(计量标准:演示改进的参数和不确定性评估)。

波形信号分析2研发新的波形参数(计量标准:演示关于新波形参数的改进监测能力)。

波形信号分析3改进基于参数的监测方法(计量标准:改进探测、定位和识别)。

波形信号分析4改进基于波形的监测方法(计量标准:改进探测、定位和识别)。

陆基核爆炸监测研究与发展主题的目标是全面改进监测，图2、图3和图4说明了50多年来的进展。总的来说，震源物理对降低探测阈值、改进定位精度和当量评估的爆炸机制的内在过程提供了深入的了解。信号传播主题的成功将会降低定位误差、改进衰减模型，从而改进识别、探测和当量评估。改进的精密传感器将降低探测阈值并且改善信噪比，得到更好的计时和定位。最终，信号分析主题的进展将对信号进行全面深入的处理，以便从这些复杂数据中提取更多的信息。

3 结论和建议

本文已描述了陆基核爆炸监测研究与发展路线图的中心科学和技术主题，陆基核爆炸监测研究与发展的计量标准用于帮助指导研究进展。4个基于科学和操作与技术主题关联的项目(震源物理、信号传播、传感器和信号分析)建立了一系列科学、技术成就，即降低探测阈值、降低定位不确定性和改进事件识别。项目在工作效率上将会取得更大的进步，这与20世纪90年代事件定位的改进类似。这个路线图描述了实现这一步的道路，并提供科学基金和必要的资金来确保成功。配合预算，这些路线图每年都需要重新考虑。

致谢

本文在编写过程中参考了以下文献:(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。在此表示感谢。

(作者电子信箱，薛涛:xuetao0910@126.com)

P315.6;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.03.003

2011-04-25;

2011-11-03。