Бул изилдөө айлана-чөйрөдөгү сейсмикалык ызы-чууну колдонуп, эки сенсор же көп сенсордук жуптар аркылуу Rayleigh беттик толкундарынын фаза жана топтук ылдамдык дисперсиясынын ийри сызыктарын чыгарууга арналган SWAPS аттуу MATLAB негизиндеги программаны карайт. Ыкма жыштык мейкиндигинде SPAC негизиндеги фаза ылдамдыгын баалоону убакыт мейкиндигинде FTAN негизиндеги топтук ылдамдыкты баалоо менен бирге колдонот; муну менен эки-станциялуу ыкмалардын негизги көйгөйү болгон фаза белгисиздигин кошумча эталондук моделге же алдын ала маалыматка сөзсүз муктаж болбостон азайтууну көздөйт. Макаладагы мисалдарда болжол менен 1 сааттык жазуулар, 4.5 Hz табигый жыштыктагы тик геофондор жана 256 үлгү/секунда үлгүлөө ылдамдыгы колдонулган; 20 m, 40 m жана 80 m станция аралыкта алынган ийри сызыктар MASW менен, көп жуптардан алынган автоматтык тандоолор болсо ESAC менен шайкеш чыккан. Эң маанилүү чечмелөө чеги — иштин программалык камсыздоого багытталган preprint болушу жана натыйжалуулуктун үлгүлүү талаа колдонмолору аркылуу көрсөтүлүшү; ошондуктан жыйынтыктар ыкманын колдонууга жарамдуулугун күчтүү колдосо да, бардык геологиялык шарттар үчүн чексиз жалпылоонун далили болуп эсептелбейт.

MATLAB жагынан бул иш маанилүү; анткени SWAPS алгоритмдин түшүндүрмөсүн гана бербестен, колдонуучуга графикалык интерфейс аркылуу маалыматтарды импорттоо, сенсор тандоо, терезелерге бөлүү, фаза жана топтук ылдамдык спектрлерин эсептөө, кол менен же автоматтык picking жүргүзүү жана жыйынтыктарды экспорттоо сыяктуу толук анализ иш агымын берет. Булакта бул инфраструктура MATLAB R2023b+ жана төрт өзүнчө toolbox менен иштей турганы көрсөтүлгөн.

Изилдөөнүн негизги көйгөйү эмнеде?

Жер бетине жакын геофизикада беттик толкундардын дисперсиялык жүрүм-туруму жер астындагы чөйрөнүн, өзгөчө тик багыттагы жылышуу толкунунун ылдамдык түзүлүшү жөнүндө маалымат берет. Ошондуктан фаза жана топтук ылдамдыкка негизделген дисперсия ийри сызыктары сейсмикалык талааны мүнөздөөнүн маанилүү кириш маалыматтарынын бири болуп саналат. Салттуу түрдө бул ийри сызыктар активдүү булактардан же көп сандагы сенсорлордон турган тыгыз массивдерден алынат. Бирок эки-станциялуу ыкма азыраак жабдуу талап кылганы менен, бир эле маалыматтан бир нече мүмкүн болгон фаза ийри сызыгы чыгышы мүмкүн болгондуктан чечмелөө жагынан татаалыраак. Иштин борбордук көйгөйү дал ушунда: эки гана сенсор менен ишенимдүү фаза дисперсия ийри сызыгы кантип тандалат?

SWAPSтин салымы жаңы негизги физикалык мыйзам сунуштоо эмес; буга чейин белгилүү болгон эки өзүнчө маалымат каналын — фаза ылдамдыгы менен топтук ылдамдыкты — бир программалык иш агымында бирге колдонуп, эки-станциялуу ыкманын табигый фаза белгисиздигин практикалык жол менен башкаруу.

SWAPS MATLAB контекстинде эмнеси менен көңүл бурат?

Иш MATLABды сандык эсептөө куралы катары гана эмес, ошол эле учурда интерактивдүү илимий программалык камсыздоо иштеп чыгуу чөйрөсү катары колдонот. Программа графикалык колдонуучу интерфейси (GUI) менен иштейт жана SWAPS_main.m файлын иштетүү аркылуу башталат. MATLAB бул жерде үч багытта колдонулат:

• Маалыматтарды иштетүү: ASCII текст файлдарынан сейсмикалык трассаларды жана кабылдагыч координаттарын окуу, терезелерге бөлүү жана корреляция операциялары.
• Сандык анализ: жыштык мейкиндигинде SPAC негизиндеги ыкма, убакыт мейкиндигинде FTAN негизиндеги ыкма жана экөөнү биргелешип чечмелөө.
• Колдонуучу менен өз ара аракеттенүү: эки сенсорлуу режимде параметрлерди өзгөртүп, натыйжаны дароо көрүү; көп жуптарда болсо бир эле параметр топтому менен автоматтык сериялык иштетүү.

Ошондуктан макала MATLAB үйрөнгүсү келген окурман үчүн “бир функция эмне кылат?” деген деңгээл менен гана чектелбестен, MATLAB менен чыныгы талаа колдонмо программасы кантип курулат? деген суроого да мисал берет.

Программалык архитектура жана иш агымы

Булак иш SWAPS архитектурасын төрт негизги модуль аркылуу түшүндүрөт: маалыматтарды импорттоо жана сенсор тандоо, дисперсия анализи, picking жана чыгыштарды сактоо. Мындан тышкары эки кошумча курал бар: ESAC массив анализи жана project viewer. Төмөндөгү Verianla Live процесси бул агымды булак ишке берилген бойдон кыскача көрсөтөт.

Эки негизги иш режими: интерактивдүү жуп-сенсор анализи жана автоматтык batch анализи

SWAPSтин практикалык баалуулугун жогорулаткан жагы — бир эле программанын ичинде эки башка колдонуу ыкмасын сунушташы. Так эки сенсор тандалганда анализ интерактивдүү болот; параметрлер өзгөртүлүп, алардын таасири дароо байкалат. Үч же андан көп сенсор тандалганда программа тандалган бардык мүмкүн болгон жуптар же импорттолгон жуптар тизмеси боюнча автоматтык жана удаалаш анализ жүргүзөт.

Бул айырма MATLAB окутуу жагынан да маанилүү; анткени бул жерде колдонуучу бир эле өзөктүк анализ GUI деңгээлинде эки башка колдонуучу тажрыйбасына айланганын көрөт. Башкача айтканда, иш MATLAB менен эсептөө гана эмес, иш агымын долбоорлоо да жүргүзүлөрүн ачык көрсөтөт.

Кириш жана чыгыш түзүлүшү

SWAPSте кириш маалыматтары жөнөкөй сакталган: булакта сейсмикалык убакыт катарлары жана сенсор координаттары ASCII .txt файлдары катары импорттоло турганы айтылат. Бул изилдөө программасында маалыматтын көчмөлүүлүгүн жогорулаткан тандоо. Чыгыш тарабында тандалган фаза жана топтук ийри сызыктар эки өзүнчө файлга сакталат; ылдамдык маанилери 0.5 Hz аралыктар менен сызыктуу интерполяция аркылуу тартипке келтирилет. Кааласа анализ параметрлери да өзүнчө файлда сакталат. Бул ыкма кайра өндүрүмдүүлүк жагынан күчтүү; анткени ошол эле жөндөөлөр менен натыйжаны кайра текшерүүгө мүмкүнчүлүк берет.

Түркия контексти

Иш Түркияда жүргүзүлгөн эмес; демек, макаладагы талаа мисалдарынан түздөн-түз Түркияга тиешелүү сандык натыйжа чыгарууга болбойт. Ошентсе да ыкма жер титирөө инженериясы жана талааны мүнөздөө маанилүү болгон Түркия сыяктуу өлкөлөр үчүн концептуалдык жактан маанилүү. Айрыкча жеткиликтүүлүгү чектелген шаар аймактары, тыгыз массив орнотуу кыйын болгон тар тилкелер же көп сандагы чекиттерге алдын ала баа берүү керек болгон микрозондоштуруу иштеринде аз жабдуу талап кылган эки-сенсор ыкмасы практикалык мааниге ээ болушу мүмкүн. Бирок жергиликтүү топурак шарттары, сенсорлордун жайгашуусу, ызы-чуу талаасынын мүнөзү жана талаа логистикасы ар башка болгондуктан, ыкма Түркия шартында өзүнчө талаа текшерүүсүн талап кылат.

Иш колдогон жана колдобогон жыйынтыктар

Иш колдогон жыйынтыктар: SWAPS фаза жана топтук ылдамдыкты бирге колдонуп, эки-станциялуу анализде фаза белгисиздигин азайтууну көздөгөн колдонууга жарамдуу MATLAB программасы; үлгүлүү талаа колдонмолорунда MASW жана ESAC менен шайкеш ийри сызыктарды өндүргөн; көп жуптарда автоматтык тандоо жалпысынан туруктуу иштеген; аз жабдуу менен жер бетине жакын сейсмикалык мүнөздөө үчүн практикалык вариант сунуштайт.

Иш колдобогон же далилдебеген жыйынтыктар: Программа бардык геологиялык шарттарда дайыма эң жакшы чечим берет, классикалык тыгыз массив ыкмаларын бардык жагдайда толугу менен алмаштырат, кошумча текшерүүсүз бардык татаал талааларда кемчиликсиз натыйжа берет же коммерциялык масштабда толук жетилген деген тыянак бул иштен чыгарылбайт. Иш ыкма ар бир автоматтык тандоодо жаңылбайт деп да айтпайт; мисалдардын биринде ийгиликсиз тандоо өзгөчө учур катары ачык белгиленген.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Маалыматтарды чогултуу жана алдын ала иштетүү

Булакта үлгүлүү колдонмолордо пайдаланылган маалымат чогултуу түзүлүшү так берилген. Бардык SWAPS мисалдарында маалыматтар 4.5 Hz табигый жыштыктагы тик геофондор менен жана 256 үлгү/секунда үлгүлөө ылдамдыгында жазылган. Программа тандалган сенсорлордун убакыт катарларын толугу менен колдонбойт; аларды удаалаш убакыт терезелерине бөлөт. Колдонуучу төмөнкү параметрлерди жөндөй алат:

• анализге алынуучу башталыш жана аяктоо убактысы,
• терезенин туурасы,
• кабатташуу үлүшү,
• жогорку амплитудалуу өткөөл окуяларды алып салуу үчүн амплитуда чеги.

Бул кадам маанилүү; анткени айлана-чөйрө ызы-чуусунун бардык маалыматтары бирдей сапатта эмес. Жакын ызы-чуу булактары үстөм болгон терезелерди алып салуу көбүрөөк өкүлчүлүктүү ызы-чуу реализацияларын алууга жардам берет.

Фаза жана топтук ылдамдык спектрлерин алуу

Ар бир тандалган сенсор жубу үчүн программа синхрондуу терезе жуптарынын ортосунда кайчылаш корреляция жүргүзүп, натыйжаларды бүт убакыт катары боюнча топтойт. Мындан эки негизги аралык чыгыш алынат:

• Жыштык мейкиндигиндеги SPAC функциясы
• Убакыт мейкиндигиндеги Green функциясы

Фаза ылдамдыгын баалоо SPAC функциясын теориялык нөлүнчү тартиптеги Bessel функциясы менен шайкеш келтирүү аркылуу алынат. Топтук ылдамдыкты баалоо болсо FTAN (Frequency-Time Analysis) аркылуу Green функциясынын ар башка жыштык компоненттеринин убакыт мейкиндигиндеги жүрүм-турумунан чыгарылат. Иштин логикасы ушул жерде өзгөчө маанилүү: фаза спектринде бир жыштыкта бир нече мүмкүн болгон максимум көрүнүшү мүмкүн; топтук ийри сызык болсо ишенимдүүрөөк багыттоочу байкоо катары колдонулуп, кайсы фаза бутагы физикалык жактан маанилүүрөөк экени аныкталат.

Picking алгоритминин логикасы

SWAPSтин өзөгү — эксперименттик топтук ийри сызык менен тандалган фаза ийри сызыгынан алынган синтетикалык топтук ийри сызыкты салыштырган тандоо логикасы. Эки сенсорлуу режимде колдонуучу параметрлерди өзгөртүп, фаза жана топтук спектрлерге тийгизген таасирин дароо көрөт жана кол менен picking жүргүзөт. Batch режиминде башында бир нече фаза ийри сызыгынын бутактары “мүмкүн” деп кабыл алынат; алгоритм алардын ичинен эксперименттик топтук ийри сызыкка эң шайкеш келгенин калтырат. Булакта кааласа эталондук фаза ийри сызыгын колдонууга болору жана аны ESAC куралынан алууга болору да айтылат.

Мисал колдонмо 1: MASW менен салыштырылган эки-станциялуу анализ

Биринчи мисал колдонмодо мурда 16 геофондуу MASW изилдөөсү менен мүнөздөлгөн талаа колдонулган. SWAPS аркылуу болжол менен 1 сааттык жазуулар боюнча үч өзүнчө анализ жүргүзүлүп, сенсор жуптары тиешелүүлүгүнө жараша 20 m, 40 m жана 80 m аралыкта тандалган. Иште бул үч SWAPS фаза ийри сызыгы көз карандысыз MASW ийри сызыгы менен салыштырылган; оң панелдерде ар бир ийри сызык үчүн белгисиздик тилкелери да берилген.

Негизги табылга — үч аралык конфигурациясынын баарында SWAPS тандаган фаза ийри сызыктары MASW ийри сызыгына шайкеш келген. Бул жыйынтык эки-станциялуу конфигурация — 80 m сыяктуу чоңураак станция аралыкта да — чөйрөнүн дисперсиялык жүрүм-турумун кармай аларын көрсөтөт. Бирок бул табылга тиешелүү талаа шарттары жана тандалган параметрлер контекстинде чечмелениши керек; иш аны бардык талааларга автоматтык түрдө жалпылабайт.

Мисал колдонмо 2: Автоматтык batch анализинин кайталануучулугу

Экинчи мисалда SWAPS мурда 24 геофондуу ESAC изилдөөсү менен болжолдуу түрдө каптал боюнча бир тектүү экени ырасталган талаада batch режиминде колдонулган. Программа ар кандай сенсор жуптары үчүн фаза дисперсия ийри сызыктарын автоматтык түрдө тандаган. Сүрөттүн түшүндүрмөсүнөн 16 сенсор жубу үчүн чыгарылган ийри сызыктар көрсөтүлгөнү түшүнүлөт.

Ишке ылайык бул ийри сызыктар ар кандай станция аралык жана багыттарына карабастан өз ара кыйла туруктуу жана көз карандысыз ESAC ийри сызыгы менен да жалпы шайкеш келет. Бир гана ийгиликсиз тандоо өзгөчө учур катары белгиленген. Бул деталь маанилүү; анткени программалык камсыздоонун күчтүү иштешин көрсөтүү менен бирге автоматташтыруу кемчиликсиз деген таасир калтырбайт. Авторлор туура тандалган ийри сызыктардын таралышы белгилүү жыштык аралыгында эмпирикалык белгисиздик баасын бере аларын да белгилешет.

Кошумча куралдар жана кайра өндүрүмдүүлүк

SWAPS негизги фаза-топ тандоосу менен гана чектелбейт. Программанын эки кошумча куралы бар:

• ESAC куралы: массив анализин жүргүзүп, эталондук фаза ийри сызыгын бере алат.
• Project Viewer: долбоордун же массивдин ичинде алынган ийри сызыктарды визуалдаштырууну жана салыштырууну колдойт.

Натыйжаларды дискке сактоо, анализ параметрлерин каалоого жараша сактоо жана фаза/топтук ийри сызыктарды тартиптүү үлгүлөө менен экспорттоо SWAPSти жөн гана “көрсөтмө программадан” практикалык изилдөө куралына айландырат.

Таасири жана колдонуу баалуулугу

Иштин таасир бөлүмүндө SWAPSтин негизги артыкчылыгы — тыгыз сейсмикалык массивдерди орнотуу кыйын же керексиз болгон шарттарда жеңилирээк жабдуу менен ишенимдүү дисперсия ийри сызыктарын өндүрө алышы. Жөнөкөй жана болжол менен 1B талааларда сенсорлордун санын олуттуу кыскартууга болору; бир тектүү эмес чөйрөлөрдө болсо бир массивдеги көп сенсор жуптарын өз алдынча талдоо аркылуу каптал өзгөрмөлүүлүктү жакшыраак үлгүлөөгө болору айтылат.

Авторлор ошондой эле SWAPS Nirano ылай вулкандары системасында колдонулганын жана апертурасы 50 mден кичине массив менен алынган болжол менен 1 сааттык айлана-чөйрө ызы-чуу жазууларынан, негизги каналдардын биринин астында жер бетинен 30–40 m тереңдикке чейин созулган төмөн-ылдамдык аномалиясына шайкеш 3B жер астындагы түзүлүш кайра курулганын билдиришет. Бул жыйынтык программанын теорияда гана эмес, татаал талаа шарттарында да пайдалуу болушу мүмкүн экенин көрсөтөт; бирок иш бул колдонмону кең масштабдуу коммерциялык валидация катары эмес, үлгүлүү изилдөө колдонмосу катары сунуштайт.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Бул макаланын илимий мазмуну жүктөлгөн булак ишке гана негизделген; тышкы булактардан жаңы эксперименттик табылга, жаңы натыйжалуулук жыйынтыгы же булакта жок механизм кошулган эмес. Библиографиялык идентификацияны текшерүү үчүн чектелген тышкы көзөмөл жүргүзүлгөн.

• Толук түпнуска иштин аталышы: SWAPS (Surface Waves dispersion Analysis from Pairs of Sensors): A MATLAB tool for inter-station Rayleigh phase and group dispersion analysis from ambient noise
• Авторлор: Nicolò Carfagna; Dario Albarello
• Авторлордун тартиби: Булакта көрүнгөн тартипте сакталган
• Жооптуу автор: Nicolò Carfagna
• Мекеме: Department of Physics, Earth and Environmental Sciences, University of Siena, Via Laterino 8, 53100 Siena, Italy
• DOI: 10.2139/ssrn.7193118
• Платформа: SSRN
• Расмий шилтеме: https://ssrn.com/abstract=7193118
• Код репозиторийи: https://github.com/ncarfagna/SWAPS
• Программалык лицензия: MIT License
• Программалоо тили: MATLAB
• Талаптар: MATLAB R2023b же андан кийинкиси; Signal Processing Toolbox, Curve Fitting Toolbox, Statistics and Machine Learning Toolbox, Image Processing Toolbox
• Булак түрү: Программалык камсыздоого багытталган изилдөө/preprint макаласы
• Рецензиялоо абалы: Бул иш рецензиядан өтпөгөн preprint; анын жыйынтыктары ушул жарыялоо баскычы эске алынып бааланууга тийиш.
• Журнал/басма абалы: Булак PDFтин көрүнгөн мазмунунда акыркы рецензияланган журналдын библиографиялык маалыматы ачык көрсөтүлгөн эмес; документтин түзүлүшү программалык камсыздоо журналынын долбооруна окшош болгону менен, бул версия SSRNде preprint катары көрүнөт.
• Каржылоо / маалымат жеткиликтүүлүгү / кызыкчылыктардын кагылышы / авторлордун салымдары: Бул версияда ачык билдирүү көрүнбөйт.

Негизги методологиялык чектөөлөр: Иш программалык камсыздоо презентациясы жана үлгүлүү колдонмолордун жыйындысы; мисалдар чыныгы маалыматка негизделгени менен, абдан кең талаа ар түрдүүлүгүндө толук benchmark изилдөөсү эмес. Batch режиминде жок дегенде бир ийгиликсиз автоматтык тандоо белгиленген. Ыкманын негизги жарактуулук чөйрөсү — жер бетине жакын масштабда айлана-чөйрө ызы-чуусу аркылуу Rayleigh беттик толкундарын талдоо жүргүзүлгөн талаалар.

Булак ичиндеги көңүл буруу эскертүүсү: PDF метадайындарынын аталышы менен көрүнгөн макала аталышынын ортосунда айырма бар; макаланын идентификациясында көрүнгөн аталыш негиз катары алынган.