Projektleiter: Prof. Dr. Dieter Suter und Dr. Jürgen Altmann, Experimentelle Physik III, TU Dortmund
Förderzeitraum: Juli 2011 – Juni 2013
Fördervolumen: 52 Tsd. Euro
Gorschlüter, Felix (2016): Sinusoids with linear frequency shift in time series – precise characterisation and removal to support CTBT on-site inspections. Forschung DSF No. 39. Osnabrück: Deutsche Stiftung Friedensforschung. Zur Publikation.
Die Organisation des Vertrags über das umfassende Verbot von Nuklearversuchen (CTBTO) kann im Falle des Verdachts auf eine unterirdische Kernwaffenexplosion Inspektoren in das Gebiet entsenden, wenn das betroffene Land Mitglied des Vertrags ist. Zur genaueren Bestimmung des Explosionsorts sollen seismische Sensoren an der Erdoberfläche aufgestellt werden, die kleinste Erschütterungen durch Entspannungen im Gestein (sog. Nachbeben) detektieren sollen. Hubschrauber und Fahrzeuge des Inspektorenteams, Unruhe durch vorhandene Infrastruktur des inspizierten Staats, ggf. aber auch beabsichtigte Störversuche, erzeugen aber seismische Signale, die die von Nachbeben verdecken können.
Viele durch den Menschen erzeugte Geräuschquellen (Motoren etc.) sind periodischer Natur, wobei Luftschall in den Boden einkoppeln kann. Periodische Signale ergeben im Frequenzspektrum Linien. Die schwachen Signale der Nachbeben sind jedoch pulsförmig, ihr Spektrum ist breitbandig. Wir untersuchen, ob die störenden Linien vom überlagerten Spektrum subtrahiert werden können, so dass der breitbandige Beitrag des impulsartigen Ereignisses verbleibt. Dazu werden die Linien nacheinander genau charakterisiert (nach Frequenz, Amplitude und Phase), und ihr Beitrag wird vom komplexen Spektrum abgezogen. Das funktioniert gut, wenn die Frequenzen der Linien weit auseinander liegen und sich in der Zeit nicht verändern.
Das Projekt widmet sich drei verbleibenden Problemen:
1. Die kleinen Beiträge entfernt liegender Linien werden bei der sequenziellen Einzellinienbearbeitung nicht vollständig berücksichtigt, was die Genauigkeit verringert. Hier werden wir eine zweite Stufe hinzufügen, die die Parameter aller gefundenen Linien gleichzeitig bestimmt.
2. Wenn die Linien zu eng benachbart liegen, ist der mathematische Ausdruck für eine Einzellinie nicht mehr anwendbar. In diesem Fall werden wir versuchen, zwei oder drei Linien mit leicht verschiedenen Frequenzen an das Spektrum anzupassen.
3. In Fällen, wo sich die Frequenz während der Zeitdauer, die für ein Spektrum benutzt wird, ändert, wird die Linie breiter, und der Ausdruck für konstante Frequenz trifft wiederum nicht zu. Hier werden wir das Spektrum sowohl mathematisch als auch mit synthetischen Signalen experimentell untersuchen und die Möglichkeiten analysieren, die Rate der Frequenzänderung zusammen mit den (Anfangs-) Parametern zu finden.
Das Projekt wird ein Programmwerkzeug erstellen, das periodische Störungen in seismischen Aufzeichnungen deutlich reduzieren und den Nachweis von Nachbeben verbessern wird. Die Verfahren werden so entwickelt und beschrieben werden, dass sie auch in anderen Bereichen der Signalverarbeitung genutzt werden können.