Geo-Sinyal İşleme Temel Bilgiler. Tayfun AKGÜL & Süleyman BAYKUT İstanbul Teknik Üniversitesi

Transkript

1 Geo-Sinyal İşleme Temel Bilgiler Tayfun AKGÜL & Süleyman BAYKUT İstanbul Teknik Üniversitesi

2 ÖZET BÖLÜM-1 Geo-Sinyaller Sismik Veriler Meteorolojik Veriler Rüzgar hızı Sıcaklık Yağış, vs. Geo-kimyasal Veriler Toprak Radon Gazı Çıkış Verileri Ilıca, Kaynarca kimyasal analiz verileri Uydu görüntüleri GPS Verileri Sualtı Ortam Gürültüsü BÖLÜM-2 1/f Süreçler ve Özbenzeşiklik Dalgacık tabanlı parametre kestirimi Görgül Kip Ayrışımı GPS Arkaplan Gürültü Analizi Toprak Radon gazı çıkış verilerinin atmosferik etkilerden arındırılması Sismik verilerde gürültü giderme

3 SİSMİK VERİLER

4 Sismik Veriler Sismik veriler yer hareketlerini algılayan sismometreler ile kaydedilirler. Sismometre ve kayıtçıdan oluşan sisteme SİSMOGRAM adı verilir. Örnek: GURALP 40-T genişband sismometre. 50 Hz e kadar doğrusal olarak ölçüm. Fs = 100 Hz. Doğu-Batı, kuzey-güney ve düşey bileşenlerde kayıt yapmaktadır.

5 Gerçek deprem verisi

6 Depremler Türkiye deki depremlerin dış merkezleri (Epicentral) dağılımı BU-KOERI (2000) DEPREM FOTOĞRAFLARI

7 Geophone Signals Sismik Görüntüleme Sismik veriler farklı bölgelerdeki sismik aktiviteleri (örn. deprem) gözlemlemek için kullanılır. Bu veriler sismik aktivitelerin dışında pek çok gürültü kaynağından da etkilenmektedir. Gürültü karakteristiğinin belirlenmesi sismik olayların doğru şekilde gözlenmesine olanak sağlar.

8 Sismik Gürültü Kaynakları Kültürel Gürültü: İnsanların eylemleri sonucu ortaya çıkan gürültüdür. Sismik gürültüde 6-15 Hz arasında 10 db lik artışa yol açar. Hava ve Çevre Koşullarının Neden Olduğu Gürültüler Rüzgarlar, yağışlar, akarsular, ısıl düzensizlikler vb. sismik gürültüye katkıda bulunur. Rüzgarlar sismik gürültüde Hz arasında 5-10 db lik artışa neden olabilmektedir [3]. Yağışa ve kar erimelerine bağlı olarak sismik gürültüde Hz arasında 15 db lik artış gözlemlenmiştir. Mikrosismik Titreşimler Okyanus veya deniz dalgaları nedeniyle oluşurlar. Genlikleri fırtınaların yoğun olduğu mevsimde artar Hz arasında sismik gürültüyü etkiler.

9 Sismik Arkaplan Gürültülerinin Mevsimsel Değişimi Hz arasında DB ve KG bileşenlerinde gürültü seviyesinin kış mevsiminde arttığı gözlemlenmektedir. Bu bant mikrosismik titreşimlerin etkisinin görüldüğü banttır. En gürültüsüz zaman dilimi 00:30-01:00 arasının. dalgacık katsayılarının değişintisi elde edilmiştir. Her ölçek için kış ve yaz mevsimi ortalamaları alınmıştır. Kış-yaz arasındaki farkın maksimum olduğu frekans aralığı; düşey bileşen için Hz, DB ve KG için Hz arasıdır.

10 Sismik Arkaplan Gürültülerinin Günlük ve Haftalık Değişimi Dalgacık katsayılarının değişinti değerleri haftalık dilimlere ayrılmıştır. Her haftada 2016 (7 gün x 24 sa x 12 değer/sa) değişinti değeri bulunmaktadır. Mevcut 61 haftanın ortalaması alınmıştır Hz arasında üç bileşende de gürültü seviyesinin gündüz saatlerinde arttığı ve bu artışın hafta sonu daha az olduğu gözlemlenmektedir.

11 Gürültüdeki Gece-Gündüz Farkı Gece için 00:00-01:00 gündüz için ise 12:00-13:00 arasındaki verinin dalgacık katsayılarının değişintisi elde edilmiştir. Değişinti değerlerinin hafta içi (310 gün) ve hafta sonu (124 gün) günleri için ortalamaları alınmıştır. Gürültü seviyesindeki Hz arası görülen gündüz-gece farkları: Düşey Doğu-Batı Kuzey-Güney Hafta içi 7-10 db 5-9 db 5-10 db Hafta sonu 4-6 db 2-5 db 2-6 db Gündüz saatlerinde Hz aralığında gürültü seviyesi artmaktadır. Aynı bantta hafta içi-hafta sonu farkı da gözlemlenmektedir. Bu kültürel gürültünün etkisini göstermektedir. Düşey bileşende belirgin bir mevsimsel değişim gözlemlenmezken, maksimum gece-gündüz farkı bu bileşende ortaya çıkmaktadır.

12 TOPRAK RADON GAZI

13 Toprak Radon Gazı Verisi Toprak radon gazı aktivitesi ve sismik hareketler arasındaki olası bağlantıların ortaya çıkarılması amacı ile toprak radon gazı ölçümleri TÜBİTAK tarafından 2002 yılından bu yana yaklaşık km 2 lik bir alanda yapılmaktadır. Gaz seviyesindeki ani değişimlerin sismik aktiviteler ile ilişkili olduğu gözlemlenmektedir. Uzun dönemli veri analizleri sonucunda toprak radon gazı çıkışının sismik aktivitelerin yanı sıra atmosferik etmenlerden de (sıcaklış, yağış, basınç, vb.) de etkilendiği ortaya çıkmıştır.

14 Radon Gazı Hakkında Genel Bilgiler Radon doğal radyoaktif bir gaz olup uranyumun bozunması sürecinde ortaya çıkmaktadır. Dünya yüzeyinde hemen her noktada radon gazı çıkışına rastlanmaktadır. Bazı çalışmalar radon gazı çıkışında deprem öncesi veya volkanik aktivite öncesi bazı anomalilerin ortaya çıktığını belirtmektedir. Radyoaktif Bozunma Doğal olarak gelişir Atom kimliği değişir Radyasyon yayar Bağıl Nüfuz Gücü

15 Sürekli Toprak Radon Gazı Gözlem İstasyon Kurulumu Gaz salınımı α-parçacığı sayan silikon algılayıcılar ile yapılmaktadır (α-meter). Salınan α-parçacıkları 15 dk lık aralıklarda sayılarak kaydedilmektedir. Sensörler yaklaşık 1m derinde gömülü bulunmaktadır.

16 Radon seviyesini etkileyen faktörler 1- Atmosferik faktörler Sıcaklık Basınç Rüzgar hızı 2- Jeolojik faktörler Litoloji (Taşbilim) Porosite (Gözeneklilik) Permeabilite (Geçirgenlik) 3- Hidrolojik faktörler Yeraltısuyu hareketi

17 Radon Data Toprak Radon Gazı Gözlem İstasyonları

18 Radon Data Radon Verisi & Deprem

19 Radon Data Radon Verisi & Deprem

20 Armutlu Toprak Radon Gazı Gözlemi 2002

21 Deprem Öncesi Radon Gazı Hareketi - Armutlu İstasyonu 29 Eylül 2004 Adalar Güneyi M=4.0

22 Toprak ve toprak altı gevşek zeminde Radon gazı hareketi Radon gazının toprak içerisinde düzensiz patikalardan rasgele şekilde hareket ettiği (rasgele yürüyüş?) ve parçacık saldığı öngörülmektedir. Gürültü karakteristiklerinin belirlenmesi önemlidir. 2-Boyutlu Rasgele Yürüyüş z( t) x 2 ( t) y 2 ( t)

23 Kaynak Sularındaki Ölçümler Saatlik Ölçümler Sıcaklık İletkenlik ph Günlük Ölçümler Su Sertliği İz Elementler (Pb, Cu, Cd, etc.) by Polarography Anyonlar by HPLC

24 GPS ZAMAN SERİLERİ

25 GPS Konum Verileri GPS (Ground Positioning System - Küresel Konumlama Sistemi) Verileri GPS Uyduları yardımıyla hesaplanan ve konum değişimini zamanın fonksiyonu biçiminde gösteren günlük verilerdir. Yer kabuğu kayma hareketlerinin incelenmesi ve kayma hızının kestirilmesi amacıyla kullanılır. 3 Bileşen mevcut: Kuzey Güney Bileşeni Doğu Batı Bileşeni Düşey Bileşen

26 Ground Positioning System GPS İstasyonları

27 GPS Veri Modeli n : Gün cinsinden zaman artımları (n = 1, 2,..., N) T 0 : Temel periyot (T 0 = 365) v : Yerin kayma hızı Y o : Başlangıç konumu a i : Yıllık/Yarıyıllık periyodik değişimlerin genlikleri b k : Yapay/doğal etkenlerden kaynaklanan sapma genlikleri c : Deprem sonrası logaritmik değişimin genliği τ : Zaman sabitidir

28 Ground Positioning System GPS Veri Modeli Gerekirci bileşen (model, Ax) ve istatistiksel bileşen (gürültü, r): y = Ax + r Gerekirci bileşen GPS anteninin belirli bir dayanak noktasına göre hareketini modeller. İstatistiksel bileşen, atmosferik etkiler, anten etkileri, vb. gibi birçok etmenden kaynaklanır. Parametrelerin doğru kestirimi gürültü karakteristiğinin doğru belirlenmesine bağlıdır.

29 Model Parametrelerinin Kestirimi Enküçük kareler yöntemi ˆ T -1-1 T -1 x = (A C A) A C y C: Kalıntı sinyalinin kovaryans matrisi. (Kalıntı sinyalinin bağımsız ve beyaz gürültü varsayılması durumunda, C = σ 2 I şeklindedir.) İlk aşamada kalıntı sinyalinin (modelleme hatasının) beyaz gürültü olduğu varsayılmıştır.

30 Yer degisimi [mm] Yer degisimi [mm] GPS Verisi Modelleme (a) (b) TUBI mevkiinde kaydedilen GPS zaman serisinin kuzey-güney bileşeni ve kestirilen model, Kalıntı sinyali. Kestirilen model parametreleri: Y 0 = 21.95, v = -0.42, a 1 = 0.70, a 2 = -1.24, a 3 = 0.07, a 4 = 0.48, c = GPS Verisi Model a) GPS Verisi ve Model Zaman [yil] b) Kalinti Sinyali (Gürültü) ˆr = y - Ax ˆ Zaman [yil]

31 KANT İstasyonu TUBİ İstasyonu GPS Zaman Serileri Modeller ve Artık Sinyaller GPS Data & Model - EW GPS Data & Model - NS GPS Data & Model - UD TUBI Station Noise - EW Noise - NS Noise - UD GPS Data & Model - EW GPS Data & Model - NS GPS Data & Model - UD KANT Station Noise - EW Noise - NS Noise - UD

32 Problem: Model Seçimi ve Gürültü Modeldeki gürültü bileşeninin beyaz ve renkli gürültünün karışımı olduğu bilinmektedir. Bu bileşenlerin türleri ve karışım oranlarının kestirilmesi gerekmektedir. Çözüm: Dalgacık dönüşümü tabanlı yöntem Otomatik model kestirimi ve gürültüden arındırma mümkün olabilir. Çözüm: Görgül Kip Ayrışımı

33 SUALTI ORTAM GÜRÜLTÜSÜ

34 Sualtı Ortam Gürültüsü Ortam gürültüsü, yönsüz bir alıcı tarafından alınan, alıcının kendisinin veya monte edildiği platformun (şamandıra, tekne, vb.) gürültüsü harici gürültülerdir. Birçok alan ile doğrudan ilgilidir: Sonar sistemleri Sualtı haberleşme sistemleri Deniz canlıları Sismolojik çalışmalar

35 SOG Kaynakları Yağmur, rüzgâr, dalgalar ve türbülanstan kaynaklanan hidrodinamik gürültü Değişik deniz canlılarından kaynaklanan biyolojik gürültü Denizde veya karada insanlar tarafından meydana getirilen teknik gürültü Tektonik ve volkanik hareketlerin sonucu oluşan sismik gürültü Su moleküllerinin düzensiz hareketlerinden meydana gelen ısısal (termal) gürültü

36 Sualtı Ortam Gürültüsü Doğal Isıl Deniz Dalgası Rüzgar Yağış Sismik Hareketler Sualtı Canlıları Dalga ve Kabarcıklar İnsan Kaynaklı Deniz Taşıtları Endüstri Sonar

37 Underwater Ambient Noise İstanbul Boğazı SOG Ölçüm Sistemi İstanbul Boğazı nın Sualtı Ortam Gürültüsünün İncelenmesi, Modellenmesi ve Arşivlenmesi Amaç: Sığ su geniş bantlı akustik dinleme sistemi oluşturmak, İstanbul Boğazı SOG verileri analizi İstanbul Boğazı SOG modellemesi ve diğer denizler ile karşılaştırması Askeri/Sivil tüm gemilerden yayılan akustik verilerin analizi ve arşivlenmesi

38 İstanbul Boğazı Su yüzünde Karadeniz'den Marmara'ya, su altında Marmara'dan Karadeniz'e akıntılar vardır. Uzunluğu: 30 km k.u. (~100 km) Genişliği: m Derinliği: m Aşırı Yoğun Gemi Trafiği (150 gemi/gün) Endüstriyel Gürültüler Kara Trafiği Dar ve Sığ Yapısı Yansıtıcı Yüzeyler

39 SOG Ölçüm Sistemi Farklı derinliklerde SOG ölçebilecek, Tüm yönlü (omni) Hidrofon dizisi.

40 Örnek SOG Verisi

41 Sualtı Ortam Gürültüsü Ölçümleri 8 sn'lik Veri 0.3 Motor Duruyor Motor Çalisti Motor calismaya devam ediyor Kisa Zamanli Enerji, pencere boyu = 50 ms x

42 Şehirhatları

43 Sessiz Durum ve Şehirhatları Vapurunun Gürültü Ölçümü Sessiz 0.2 Sessiz Sehir hatlari x Sehir hatlari x x x 10 5

44 SeaRacer

45 No sea vehicle in sight Preliminary Results During shipping Wenz Diyagramı Kırmızı Çizgi: Boğaz SOG Seviyesi (10 Hz 2.5 khz Bandında db daha fazla )

46 Underwater Ambient Noise Balıkların Duyma Eşikleri

47 TEŞEKKÜRLER