核爆探測次聲信號研究概況

摘要核爆次聲波探測是遠區核爆探測的重要手段，基于歷史上核爆次聲信號數據記錄較少，本文對國外相關次聲信號記錄及研究進行了探討，并對IMS次聲圖書館概況進行了研究。

關鍵詞核爆探測 次聲波

中圖分類號:TJ9文獻標識碼:A

過去幾年，IMS國際次聲站及美俄等國的試驗場次聲陣列，對少量核爆炸歷史數據，和礦井爆炸、冰山碎裂、地震事件等產生的大量次聲信號進行了記錄，并不斷采用新的傳播模型和陣列探測技術進行數據分析和處理，以對次聲信號特征進行深入了解，并對大氣模型及次聲站處理技術性能進行了評測和估計。目前除了對大氣核爆炸次聲源的研究外，對地震及地下核爆炸事件的次聲特征也進行了初步研究。并對歷史上收集的次聲數據建立了次聲圖書館。下面針對地下事件和地表事件的次聲信號研究以及次聲圖書館的建立進行了探討。

1 地下與地表次聲事件

IMS核爆次聲站對地震事件等產生的次聲波信號進行了探測分析，并且利用地震臺與次聲波站協作的方式對核爆炸的協同識別方法初步進行了研究和評估，尤其是對地下核爆炸，提出了一種新的探測可能。目前，對地下或地表源產生的次聲信號仍在信號源特征分析的初步階段。

1983年至2003年間，LANL的探測陣觀察到31個大型地震的次聲信號。①Douglas O. ReVelle對信號特征進行了分析，認為可以由信號的振幅和持續時間確定震級。同時與探測到的礦井爆炸進行比較，認為小礦井爆炸較容易被探測。部分原因是由于地震只有在對地球表面產生劇烈運動時，才能產生次聲信號，地震的大部分能量會沉積在地底深處，且地震至少有三種地震斷層模式，而只有其中的up-down模式可以輻射出次聲波。針對被探測得到的信號數據，使用了4種判別式，提出對地震識別的幾種可能方法:(1)加入距離和大氣風的影響對次聲振幅進行修正，但是不包括熱層傳播的情況;(2)快速傅立葉能量譜分析差異;(3)通過地震波的相位進行識別，即基于源深度的判別;(4)將到達次聲波反射信號類型作為源類型的函數，對信號進行分離。

另外，對2002年9月28日在Nevada試驗場進行的Watusi化學爆炸試驗產生的次聲波信號也進行了記錄。②該化學實驗當量為19t，裝在一個半埋在土中的圓柱體容器中進行引爆，事件發生后，產生的次聲信號被NTS的次聲站以及IMS的次聲站共七個站探測到，最遠的IMS次聲站距源點2165km。每個次聲陣列對信號到達時間、持續時間、峰值與峰值之間的振幅進行了估計。采用前向模型實驗檢驗大氣傳播模型的能力，以預測傳播時間和振幅。結果認為使用聲線跟蹤方法及實際的大氣模型G2SRT得到的傳播時間要比使用氣象學模型略好。基于對很多次聲相位的傳播時間的預測，發現大部分信號來自大氣波導。

根據2006年在美國西部發生的， Los Alamos次聲站DLIAR接收到的地震次聲信號，Douglas O. ReVelle根據接收信號的振幅和距離對源深度進行預測，并通過與已知地震深度的比較設計了一種垂直深度范圍因子。該因子由預測的地震深度使用最小二乘曲線擬合法得到，當接收到地下事件或地表事件引起的次聲信號時，可以作為站臺進行源識別的先驗深度判據。

2 次聲圖書館③

次聲圖書館(ISL:Infrasound Signals Laboratory)是由2002年美國國防部ROA01項目支持，在SNL實驗室和LANL實驗室共同努力下完成的，主要用于IMS(國際核爆探測系統)次聲站。最初的次聲數據圖書館是由LANL(Los Alamos National Lab)實驗室、SNL(Sandia National Lab)實驗室以及IMS次聲站提供的珍貴次聲數據資料構成的，這些數據資料包括不同當量、高度和空氣條件下各類地表和大氣層核爆炸實驗產生的次聲數據記錄，以及火流星、冰山遷移、礦井爆炸等事件中探測到次聲信號數據組成，其它還包括SNL和LANL實驗室的微氣壓計記錄的的地下核爆炸相關記錄。這些記錄包括信號、接收站及大氣條件信息經過數字化，轉換成為標準CSS格式。次聲圖書館主要包括數據庫表格和二進制波形文件兩種格式的數據資料。

次聲圖書館中包括的核爆炸數據主要來自SNL和LANL。美國于1951-1962年間在NTS進行了超過100次的大氣核爆炸，當量從1~74kt，源高度從近地面到11 kt不等。SNL使用次聲傳感器記錄了美國西南部核試驗的氣壓波動，例如在一次NTS核爆炸中，從NTS附近至加利福尼亞州的帕薩德那(Pasadena)的很多次聲探測站均對其進行了記錄，記錄圖中涉及的信號頻率范圍從0.05~30Hz，而所有數據紙帶都儲存在SNL。而近幾年LANL在新墨西哥州和猶他州建立的次聲站，對白沙導彈基地 (WSMR:White Sand Missile Range)和附近地區的火流星等事件進行了大量的探測。LANL的數據記錄在9道磁帶中。

另外，除了次聲圖書館外，研究發展支持部 (RDSS:The Research and Development Support Services)和空間任務防衛司令部 (SMDC:the Space Mission Defense Command)提供了大量的核爆探測信息，包括水聲、次聲和地震數據，從RDSS官方網頁界面http://www.rdss.info/可以下載。

核爆次聲探測是核爆探測的重要途徑，尤其是遠區探測發展的重要任務。鑒于核爆次聲信號記錄稀(下轉第192頁)(上接第165頁)少，非常珍貴，因此各類地下和地表次聲信號的收集是發展核爆次聲探測的基礎。我國可以借鑒國外建立次聲圖書館的經驗，并充分參考國外公開數據資源，以改進我國核爆次聲探測技術相關算法、模型。

注釋

① Douglas O. ReVelle. Discrimination of Earthquakes and Mining Blasts Using Infrasound[C]. Los Alamos National Laboratory， Contract No. W-7405-ENG-36， 26th Seismic Research Symposium， pp670~679， 2004.

② Joydeep Bhattacharyya. Description and Analysis of Infrasound and Seismic Signals Recorded from the Watusi Explosive Experiment， September 2002[C]. Science Applications International Corporation Los Alamos National Laboratory， Contract No. DASG60-03-00091，2，3 and W-7405-ENG-364， 25th Seismic Research Symposium， pp587~596， 2003.

③ Eric P. Chael1. Whitaker. Infrasound Signal Library[C]. Sandia National Laboratories and Los Alamos National Laboratory， Contract No. DE-AC04-94AL850001 and W-7405-ENG-362， 24th Seismic Research Symposium， pp733~734， 2002.