Dottorato di Ricerca in Rischio Sismico - XXIII ciclo
Studio e Analisi e di Segnali Sismici
registrati in mare da Sistemi Idrofonici
Tutor:
Giovanni Iannaccone
INGV – Osservatorio Vesuviano
Dottoranda:
Ramona Guida
1
Sommario
 Collocazione
 Eventi Sismici in ambiente marino e onde acustiche
 Il fondo marino: un proiettore acustico
 CUMAS: Cabled Underwater Multisensor Array data
 Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
 Prospettive future: la rete di idrofoni
 La Ricerca in atto: segnali sismici e metodologie FEM
2
Collocazione
Propagazione e
Analisi
di segnali sismici
in ambiente marino
Detezione di
Segnali Sismici provenienti
dal sub-bottom marino
con Idrofoni
Influenza della massa
d’acqua
sulla propagazione
di Segnali Sismici
3
Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche
Il moto cui è interessato il fondo marino quando un evento sismico
si verifica nel sub-bottom dà origine in mare a perturbazioni della massa d’acqua.
Le oscillazioni attorno alla posizione di riposo delle particelle che si trovano
sull’interfaccia fra il fondo marino e la colonna d’acqua sovrastante determinano
regioni spazialmente alternate di compressione e rarefazione del mezzo note
come onde di pressione o onde acustiche.
Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche
Nell’assunzione che il fluido in cui si propaga l’onda sia elastico, isotropo,
stazionario, lineare, continuo, omogeneo e perfetto, allora il valore del campo di
pressione immesso in acqua da un evento sismico, all’istante t e in un punto
dello spazio (x,y,z) è fornito dall’equazione di D’Alembert
 2 p  2 p  2 p 1  2 p
 2  2  2 2
2
x
y
z
c t
La perturbazione legata all’onda si propaga nel mezzo in modo tale che la
propria ampiezza in ogni punto dello spazio è funzione del tempo, mentre in
ogni istante in ciascun punto dipende dalle coordinate geometriche del punto
stesso
5
Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche
Nell’assunzione che le variabili dell’onda siano funzione di una sola coordinata
spaziale, allora l’onda di pressione è un’onda piana e l’equazione d’onda è
2 p 1 2 p
 2 2
2
x
c t
p( x, t )  Ae j (t  kx )  Be j (t  kx )
6
Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche
Supponendo che la fonte di generazione del campo di pressione in mare sia
un piano vibrante, allora nella derivazione dell’espressione del campo di
pressione si assume che l’intera superficie si muova con velocità v
alternativamente lungo la perpendicolare al piano. Se dS costituisce il singolo
elemento infinitesimo appartenente al piano e animato con velocità v, allora
il campo di pressione totale agente sull’elemento di superficie dA in un punto
generico p(x,y,z) sarà
P( x, y, z )dA   v 0 cdS
S
Eventi Sismici in ambiente marino e Onde Acustiche
Supponendo che la fonte di generazione del campo di pressione in mare sia
un piano vibrante, allora nella derivazione dell’espressione del campo di
pressione si assume che l’intera superficie si muova con velocità v
alternativamente lungo la perpendicolare al piano. Se dS costituisce il singolo
elemento infinitesimo appartenente al piano e animato con velocità v, allora
il campo di pressione totale agente sull’elemento di superficie dA in un punto
generico
sarà del mare e c la velocità di propagazione dell’onda
Dove 0p(x,y,z)
è la densità
acustica in mare (1500m/sec).
P( x, y, z )dA   v 0 cdS
S
0
c
v
Il fondo marino: un proiettore acustico
Metodologia: ipotizzare il fondo marino come radiatore piano
e utilizzare sistemi di detezione e tecniche di analisi
tipicamente utilizzati nella sonaristica tradizionale per
l’acquisizione e il trattamento di Segnali Sismici provenienti
dal sub-bottom
Gli Idrofoni nella detezione
di Segnali Sismici
provenienti dal
Sub-bottom marino
9
Il CUMAS: Cabled Underwater Module for Acquisition of Seismological data
Concepito per applicazioni
specifiche di monitoraggio
di fondali marini in aree
vulcaniche, mira a integrare la
rete di monitoraggio sismico dei
Campi Flegrei presente a terra
estendendo quest’ultima al settore
marino della caldera che ne copre
circa la terza parte.
Equipaggiato fra gli altri sensori
di un idrofono, CUMAS ha
consentito di acquisire segnali
sismici come segnali acustici
10
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
Il set di dati a disposizione oggetto di analisi e registrato dal modulo CUMAS
è relativo a un evento sismico verificatosi in Grecia nel giugno 2008;
l’evento è stato registrato tanto dal sismometro di fondo quanto dall’idrofono
posizionato a un metro da esso.
4
410
3.14610
4
210
4
1.5210
4
4
310
4
110
4
210
v2
v
0
4
110
1.37510
4
 110
3
 1.610
0
0
0
3
110
500
tempo
Vz al sismometro
1.510
1.20110
3
3
4
4
 210
0
0
110
500
P all’idrofono
tempo
3
1.510
3
3
1.20110
11
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
Il set di dati a disposizione oggetto di analisi e registrato dal modulo CUMAS
è relativo a un evento sismico verificatosi in Grecia nel giugno 2008;
l’evento è stato registrato tanto dal sismometro di fondo quanto dall’idrofono
posizionato a un metro da esso.
P( x, y, z )dA   vz 0cdS
S
4
4
210
410
3.14610
4
1.5210
4
4
4
110
310
Il confronto è lecito se si ipotizza, come già stabilito, il fondo marino come
radiatore piano animato da velocità Vz e pertanto il campo di pressione immesso
in acqua da esso
è pari al prodotto della Vz registrata alP sismometro
Vz al sismometro
all’idrofono per la c
del suono in acqua (supposto 0=1)
4
210
v2
v
0
4
 110
4
110
1.37510
 1.610
3
4
4
 210
0
0
0
3
110
500
tempo
1.510
1.20110
3
3
0
0
110
500
tempo
3
1.510
3
3
1.20110
12
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
Ciascun set di dati comprende un totale di 120100 campioni distanziati con
un tc=0.01sec.
La differenza fra i segnali ai due strumenti è netta: mentre quello al sismometro
risulta essere completamente immerso nel rumore ambientale, quello all’idrofono
è distinguibile in modo netto, di natura fortemente impulsiva presenta valori
dell’ampiezza ben oltre il rumore ambientale.
Ciò è da imputare al fatto che l’idrofono percepisce la sola componente
longitudinale del moto e sono quindi assenti gli effetti di disturbo delle
onde di taglio presenti invece al sismomertro
4
410
3.14610
4
210
4
1.5210
4
4
310
4
110
4
210
v2
v
0
4
110
1.37510
4
 110
3
 1.610
0
0
0
3
110
500
tempo
Sismometro
1.510
1.20110
3
3
4
4
 210
0
0
110
500
tempo
3
1.510
3
1.20110
Idrofono
13
3
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
4
810
6.5210
4
4
610
v2fma 4104
4
210
0
0
0
10
20
0
30
40
freq
50
50
Sismometro
4
310
4
2.12210
4
210
vfma
4
110
0
0
0
0
10
20
30
freq
40
50
50
L’analisi spettrale dei segnali
registrati dai due strumenti ha
messo in evidenza la caratteristica
fortemente impulsiva del segnale
all’idrofono. Quest’ultimo infatti
è interessato da uno spettro a
larga banda che ne rende difficile
la caratterizzazione e separazione
dal rumore ambientale che in mare
occupa le medesime frequenze
occupate dal segnale sismico percepito
dall’idrofono.
Idrofono
14
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
L’analisi nel dominio del tempo ha fornito al contrario risultati incoraggianti
per quanto attiene all’idrofono. Per ciascun set di dati, sul quale è stato operato
il valore assoluto e poi il quadrato per derivare l’energia associata a ciascun
segnale, è stata calcolata una media temporale con finestra mobile di 1000
campioni con un overlap di 999
4
410
3.14610
4
4
310
Sismometro
4
210
v2
4
110
1.37510
3
0
0
3
110
500
0
temp o
1.510
1.20110
3
3
4
210
1.5210
4
4
110
v
Idrofono
0
4
 110
 1.610
4
4
 210
0
0
110
500
temp o
3
1.510
3
3
1.20110
15
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
610
3
510
3
410
3
310
3
210
3
110
3
3
Sismometro
5.45310
aa
3
1.12910
0
510
3
410
3
310
3
210
3
110
3
110
500
0
3
bb
3
1.510
1.19110
3
3
Idrofono
4.45110
aa
241.8
0
0
0
110
500
bb
3
3
1.510
1.19110
3
L’inviluppo dei valori medi
calcolati in ciascuna finestra
mobile ha consentito di tracciare
l’andamento temporale
dell’energia associata ai segnali
rilevati dai sue strumenti.
L’elaborazione ha determinato
una riduzione della potenza del
rumore non correlato, esaltando
la presenza del segnale utile,
interessato da un fronte di salita
molto ripido soprattutto per il
segnale all’idrofono
16
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
610
3
510
3
410
3
310
3
210
3
110
3
3
Sismometro
5.45310
aa
3
1.12910
0
510
3
410
3
310
3
210
3
110
3
110
500
0
3
bb
3
1.510
1.19110
3
3
Idrofono
4.45110
aa
241.8
0
0
0
110
500
bb
3
3
1.510
1.19110
3
L’inviluppo
Il
fatto invece
deiche
valori
il segnale
medi al
sismometro
calcolati
in ciascuna
presenti una
finestra
distribuzione
mobile
ha consentito
dell’energia
di tracciare
distribuita su temporale
l’andamento
un intervallo di
tempo maggiore
dell’energia
associata
fa sì ch’esso
ai segnali
perda ladai
rilevati
caratteristica
sue strumenti.
impulsiva
limitandone di fatto
L’elaborazione
ha determinato
la rilevabilità
una riduzione della potenza del
rumore non correlato, esaltando
la presenza del segnale utile,
interessato da un fronte di salita
molto ripido soprattutto per il
segnale all’idrofono
17
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
Le due forme d’onda, private poi del valor medio, sono state segmentate in
frame di 1024 campioni e analizzate tramite processore FFT
4
410
3.14610
4
4
310
Sismometro
4
210
v2
4
110
1.37510
3
0
0
3
110
500
0
temp o
1.510
1.20110
3
3
4
210
1.5210
4
4
110
v
Idrofono
0
4
 110
 1.610
4
4
 210
0
0
110
500
temp o
3
1.510
3
3
1.20110
18
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
tempo
tempo
Il livello dei campioni spettrali in deciBel, nella gamma 0-50Hz e relativamente
a ciascuno strumento, nel tempo e in frequenza descrive delle superfici
freq
matvS
freq
matv
Sismometro
Idrofono
19
Set di dati a confronto: Sismometro e Idrofono
Nella forma d’onda al sismometro così analizzata si evidenzia quanto i caratteri
del sisma si confondano con quelli del rumore ambientale, mentre all’idrofono
siano evidenti in modo netto.
Sismometro
matvS
Idrofono
matv
20
Prospettive future: la rete di idrofoni
La caratteristica di elevata detectabilità che caratterizza il segnale sismico
all’idrofono fa ipotizzare che l’impiego di una rete di idrofoni nella rivelazione
di eventi sismici che avvengono nel sub-bottom marino può comportare una
maggiore efficacia rispetto a quella offerta dai sistemi preposti a questa funzione.
Si è potuto notare infatti un
maggiore contrasto di energia
quando si confrontano l’evento
sismico e il rumore rivelati da un
idrofono piuttosto che da un
sismometro
matvS
matv
610
3
3
5.45310
510
3
410
3
310
3
210
3
110
3
3
4.45110
510
3
410
3
aa
aa
310
3
210
3
110
3
3
1.12910
0
0
110
500
3
bb
241.8
3
1.510
1.19110
3
0
0
0
Sismometro
110
500
bb
3
3
1.510
1.19110
3
Idrofono
21
Prospettive future: la rete di idrofoni
Utilizzando una rete di idrofoni, gli elementi di differenziazione legati alle
diverse quote di ciascun sensore si prestano anche alla funzione di filtraggio
di perturbazioni acustiche non provenienti dal fondo ma collocate spettralmente
nella gamma del sisma.
Il segnale associato a un evento sismico e rivelato da un idrofono presenta infatti
la caratteristica impulsiva, che non è presente in quella rilevata dal sismometro.
Dottorato di Ricerca in
Rischio Sismico XXIII ciclo
Prospettive future: la rete di idrofoni
Il suo spettro quindi, più disperso in
frequenza, consente di elaborare algoritmi
in grado di ridurre il disturbo di sorgenti
rumorose che si collocano nella gamma delle
bassissime frequenze e di separare inoltre
quelle a caratteristica monocromarica.
matv
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Rischio Sismico XXIII ciclo
Prospettive future: la rete di idrofoni
La rete di idrofoni consentirebbe inoltre di correlare temporalmente i segnali
registrati, ottenendo guadagni di processo superiori collegati al beamforming.
Se ti è il tempo di ritardo relativo all’arrivo di un segnale Si all’idrofono i-simo
rispetto al tempo t0 di un idrofono di riferimento, allora il fascio relativo
alla rete di idrofoni sarà
N
Beam (t ,t 1 ,t 2 ,t 3,. .......,t N )   S i (t  (t  t 0 )
i 0
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La Ricerca in atto: Segnali Sismici e metodologie FEM
L’attività
L’utilizzodidiricerca
algoritmi
in fase
di taliniziale
generediunitamente
sviluppo sia propone
tecniche come
e metodologie
obiettivo di
l’utilizzo
analisi tipicamente
di algoritmi
utilizzate
FEM (Finite
nell’ambito
Element
della
Modeling)
sonaristica
pertradizionale
lo studio di apre
come gli
strati
fondo marino
e piùfuturi
in generale
la massa d’acqua
nuovesuperficiali
prospettivedel
a ricerche
e sviluppi
nella Sismologia
Marinaagiscano
sulla propagazione e trasformazione dei segnali sismici.
25
Grazie per l’attenzione
26