1、CTBT 水声监测技术在核事故应急监测中的应用研究 王燕 唐伟 王晓明 刘哲函 李靓 王媛 禁核试北京国家数据中心和北京放射性核素实验室 摘 要： 介绍了全面禁止核试验条约 (Comprehensive Nuclear-Test ban Treaty, CTBT) 国际监测系统 (International Monitoring System, IMS) 水声监测网络的组成, 该网络对水下爆炸具有很强监测能力。通过开展信号检测、信号识别等技术研究, 建立了一套利用 IMS 水声数据对水下核爆炸定性、定位和当量估算技术, 该技术可应用于舰艇爆炸事故监测;讨论了利用水声监测技术进行海啸预警, 进而
2、为岸边核设施及时采取预防措施、防止事故发生, 提供安全保障的可行性。关键词： 禁核试核查; 水声监测; 核事故监测; 作者简介：王燕 (1981) , 女, 汉族, 河南尉氏人, 助理研究员, 信号与信息处理专业, 目前从事禁核试核查工作收稿日期：2017-05-15Received： 2017-05-151979 年美国三哩岛核电站事故和 1986 年苏联切尔诺贝利核电站事故对世界震动很大, 在此背景下, 国际原子能机构 (International Atomic Energy Agency, IAEA) 提出了“核安全文化”, 在核电站安全措施方面耗费了大量资金和精力, 核电站系统的可靠性
3、、安全性得到了很大提高。然而, 核事故仍然时有发生。例如 2011 年 3 月 11 日, 日本东北海域发生了 9 级地震并引发海啸, 导致福岛第一核电站 4 台机组发生严重事故, 造成全球范围内的放射性污染。由于核事故影响范围大、持续时间长、后续处理复杂、易造成公众恐慌等, 核安全越来越受到各国政府的重视, 开展核事故应急监测技术研究, 制定科学合理而且行之有效的应急监测方案, 是核事故应急的主要任务。目前我国核电建设进入快速发展阶段, 在核事故应急方面起步较晚。现有阶段, 我国开展的核事故应急监测技术主要包括放射性核素技术、核应急评价与决策支持技术等, 能够实现工况评价、源项计算、风场计算
4、、扩散分析、辐射剂量计算、防护对策分析等功能。目前, 存在功能模块较为独立、集成度不高、系统整体执行效率较低、数据管理不统一、结构不规范的现象1, 并且这些均是基于核事故发生后开展的工作。由于海底声发声道的存在, 声波信号可以在海洋中远距离传播。水声台站可以容易地监测到爆炸产生的瞬时脉冲信号, 还能可靠地区分爆炸与天然事件。如果若干水声台站监测到了同一事件产生的信号, 则还可确定事件发生位置。因此, 水声监测技术成为禁核试核查领域监测水下核爆最直接、最有效的技术手段, 对于小岛、低空核爆也具有一定的监测能力, 同时水声也能有效监测潜艇、舰船的航行, 如若核动力舰艇发生爆炸事故, 水声监测可对事
5、故地点进行定位, 以便采取应急措施。另一方面, 核电站多数建在沿海, 水声技术还可用于海啸预警, 以便核电站有针对性地采取预防措施。2 CTBT 水声监测网络全面禁止核试验条约 (Comprehensive Nuclear-Test ban Treaty, CTBT) 国际监测系统 (International Monitoring System, IMS) 水声监测网络由 11 个水声台站组成, 包括 6 个位于水下的 H-相 (水听器) 台站和 5 个位于海岸或岛屿的 T-相 (地震) 台站。图 1 是 IMS 水声台站分布及运行状态图 (图中 H 表示水听器台站, T 表示 T 相台站)
6、 , 其中 8 个台站接入运行系统处理, 1 个台站尚在测试平台处理, 1 个台处于半运行状态 (H03S 由于在 2010 年 2 月发生的海啸中岸边台站被破坏) , 另外 1 个台站数据尚不可用 (H04 台还没有经过认证) 。图 1 IMS 水声台站运行状态 下载原图(绿色表示台站数据接入运行系统, 青色表示台站只在测试平台处理, 粉色表示台站数据尚未处理, 橘色表示台站数据处于半运行状态) 图 2 是 H-相台站示意图。台站由漂浮在海底的锚上方的水听器组成, 并用电缆与附近的陆地台站相连以传输数据和电力。水听器置于声发声道轴深度的位置。有 3 个水听器使台站有一定的辨别信号方向的能力,
7、 同时又可作为备用水听器以防止设备出故障, 水听器之间的间距约 2 km。图 3 是 T-相台站。T-相台站是一类特殊的地震台站, 专门用来检测由水声信号耦合产生的地震波。图 2 IMS H-相台站 下载原图图 3 IMS T-相台站 下载原图3 水声数据处理技术IMS 水声信号的自动处理跟地震信号的处理类似, 主要分为信号检测与特征提取 (DFX) 、震相识别 (Stapro) 和水声方位角慢度计算 (HASE) 。在处理过程中, 通常将数据分割成 10 min 数据段, 系统可以利用 DFX、Sta Pro、HASE 软件在短时间内处理完该数据段, 并给出相应结果。DFX 主要完成数据质量
8、的检测、构造检测过程使用的数据通道、检测数据中的信号, 并从数据波形中提取信号特征;Sta Pro 主要利用检测信号的特征确定信号类别, 进行震相识别, 而这些结果将会在台网处理过程中被使用;在完成 4 h 时间段数据的 DFX、Sta Pro 处理后, 调用 HASE 程序, 计算 4 h 时间段内检测信号的方位角和慢度值。上述台站处理结果将会自动生成监测信号的标准清单 (Standard List of Signal Detections, 简称 SLSD) 。我们在研究各个处理算法的基础上, 搭建了水声数据处理平台, 并根据需要, 开发了相应的处理模块, 以应对核查数据的应急分析处理。3
9、.1 水声信号处理算法水声信号处理主要分为信号检测与特征提取、震相识别、水声方位角慢度计算、信号关联 (水声信号间关联、水声信号与地震信号关联) 、事件定位、性质识别、当量估算等关键步骤。(1) 水声信号检测与特征提取水声信号检测包括匹配滤波、能量检测、小波变换等方法, 检测原理通常是基于信号和噪声的能量比值分析。常用的水声信号监测方法是短时平均和长时平均之比 (STA/LTA) 的方法, 该比值可以是信号幅值或能量之比, 短时平均反映了信号特征, 而长时平均反应的是噪声水平, 因此可以在不同频带计算STA/LTA 而获得信噪比, 再设定相应阈值来检测水声信号。水声信号特征计算示于图 4, 检
10、测出的信号初至时间、峰值时间、延续长度等特征值可对水声信号进行识别, 高置信度地区分出爆炸事件和天然事件。图 5 为一次爆炸事件产生的水声信号的倒谱特征, 因为水中爆炸事件可以产生周期性膨胀和压缩的气泡, 在其倒谱上会显示明显的峰值, 因此, 倒谱特征是判断水声信号是否来自于爆炸事件的重要依据;利用倒谱峰值获得的气泡脉动周期, 还可估计该信号大概爆炸深度和当量。图 4 水声信号特征计算示意图2 下载原图图 5 某一爆炸信号的倒谱特征 下载原图(2) 水声信号识别方法水声数据处理中将水声信号分为三种类型:H 震相、T 震相和噪声 N。利用 DFX计算的信号特征值, 可以构造不同的特征参数, 如不
11、同频带的信号能量比、波的延续长度等。利用这些特征参数首先判断检测到的信号是否为 T 震相, 然后判断是否为噪声, 如果既不是 T 震相也不是噪声, 则定义为 H 震相。此外, 还研究了小波包和能量代价函数进行震相识别的方法, 由于融合能量代价函数法能够在整个小波库中构造最能体现分类特征的小波包基, 以函数值最小标准在最佳小波包基上确定的特征空间及特征值为识别基础, 因此该方法能够有效地识别不同震相, 该方法可用于舰船识别上3。(3) 水声方位角慢度计算对于检测到的水声震相, 根据子台间的信号延迟时间, 利用多通道数据处理技术可计算信号的方位角和慢度。通过方位角和慢度计算, 可以大致判断信号的方
12、位以及到传感器的距离, 如果多台记录到该信号, 那么就可以对事件进行定位。水声信号时延估计精度是影响水声定位系统精度的决定性因素之一, 因此, 研究了利用互相关算法、广义互相关算法及倒谱法进行延迟时间计算, 取得了较理想的计算结果。图 6 显示了水听器台记录的某次水下爆炸信号及互相关技术计算的信号时延, 图 7 显示了方位角与慢度的时频域结果。(4) 水声信号当量估计水下爆炸会产生气泡, 气泡经历一系列扩张和收缩, 产生一系列时间延迟的脉冲过程而释放出声信号4,5:第一次脉冲来自于爆炸本身, 第二次来自第一次坍塌等。信号中第一次和第二次脉冲之间的时间延迟就是气泡扩张到最大体积而收缩的时间, 被
13、称为气泡周期, 该周期与爆炸深度和当量有关。气泡周期可以通过自相关方法从声信号中提取到, 常被用来限定爆炸深度和当量之间的关系。由于相关方法受限于信号自相关函数的主瓣宽度, 在某些情况下不能很好地估计信号延迟时间6。而倒谱方法具有同态解卷积的特点, 对水下爆炸产生的气泡效应来说, 可以将信号的主波和多个延迟波进行分离。因此利用倒谱计算方法, 来估计水下爆炸信号的第一个和第二个气泡脉动周期, 这两个周期中包含的信息能够确定爆炸的深度和当量的关系, 该方法可直接用于估计爆炸当量和深度的数量级。另外, 利用阈值监测技术不但能够实时评估台站的监测能力, 还能简单、有效的估计爆炸信号的当量。图 6 互相
14、关算法计算的延迟时间 下载原图图 7 水声方位角、慢度计算结果 下载原图3.2 水声信号传播路径模拟声波在海洋中的传播满足最基本的波动方程, 但由于海洋环境条件的复杂多变, 声信号在海洋信道中的传递存在着强烈的畸变和涨落, 海水中的声场分布也非常复杂。为了能够反映出海洋环境因素对声场的制约关系, 建立了声波的传播模型。根据假设和近似的不同, 传播模型主要分为射线模型、简正波模型、多途扩展模型、快速场模型、抛物方程模型以及一些混合算法7。我们开展了基于射线理论的声线传播路径模拟研究。根据声源的不同位置, 计算声源至接收点的本征声线及声线的传播损失, 该研究成果可为水下核事故/事件的传播特性作出合
15、理的解释。图 8 给出了在 Munk 声速剖面模型结构下, 水下 1 000 m 声源处的声线模拟路径。图 8 声源深度为 1 000 m 时的声线仿真轨迹 下载原图3.3 水声台站监测能力评估由于水听器台站的灵敏度很高, 如果传播条件较好, 水听器台站可以监测到几万 km 远的信号, 因此, 水声台网的监测能力相当强。从最基础的声呐参数及声呐方程着手, 联合水下爆炸声学模型中声能参数的转换, 开展了水听器台站的单台监测能力评估技术研究, 图 9 给出了 H08S 水听器台站在不同方位, 不同距离上的监测能力。并且拓展了地震台网监测能力评估技术阈值监测技术 (TM) , 使其能够实时评估水听器
16、台站对某一定点区域的监测能力。将海洋划分细致网格, 联合六个水听器台站对每个网格上的监测能力作出估计, 可以评估整个水声台网对全球海洋的监测能力 (图 10) , 图中显示台站附近阈值可以达到爆炸当量 kg 级, 对远处也可以达到 10 kg 的量级8。图 9 H08S 台理论监测能力 下载原图图 1 0 水声台网的监测能力9 下载原图4 水声监测技术在核事故应急中的应用前景水声技术具有高灵敏监测水下事件的优势, 能跟踪、定位舰船的航行, 具有重大的军事意义。如果舰艇发生爆炸事故, 水声台站监测到爆炸信号, 可对事故进行精确定位, 为后续有针对性地采取应急救援措施提供技术保障。由于声波是目前水
17、下唯一有效的远距离传播信息载体, 可以做超远距离的传播, 玻斯-百慕大实验对此是很好的证明:在西澳大利亚声发通道, 进行 120 kg TNT爆炸, 信号传播至百慕大群岛, 传播了近 3.5 h, 传播距离 20 000 km, 水听器接收到了信噪比 10 d B 的信号。水声台网不仅能够记录水中的信号, 还能记录海底地震、沿海地区地震等产生的信号, 这些信号通过海底传播, 部分能量耦合到水中, 从而被水听器台站监测到;同样, 对于布设在小岛峭壁上的水声 T 相台站, 由海底地震, 火山喷发引发的信号通过大陆架传播, 亦能被 T-相台站监测到。海啸预警的物理基础是在于地震波传播速度快于海啸 (
18、地震信号传播速度大约是海啸的 2030 倍) , 从而为海啸预警提供可能 (2010 年 5 月 29 日马来西亚群岛的突发性火山喷发, 造成两次不同级况的海啸, 水声台站记录到大量的 T相和 H 相, 国际上已有研究学者利用地震、水声、次声共同联合对此次事件进行分析10) 。核电站通常建设在水源充足的沿海, 核电站具有非常强的抗震能力, 当地震达到一定烈度时, 反应堆会自动停堆。如 2011 年福岛核电站事故, 在地震发生后, 反应堆已自动停堆, 然而地震造成了电站输电线路损坏, 电站依靠应急柴油机提供交流电源。但地震引发的大规模海啸, 致使柴油机组被海水淹没, 同时备用蓄电池很快耗尽, 导
19、致堆芯应急冷却系统全部失效。反应堆停堆以后, 虽然核燃料的链式反应停止, 但裂变产物的衰变会继续产生大量热量, 这部分热量没能及时导出, 引起反应堆压力容器内温度、压力升高, 压力容器内水不断被蒸发, 水位逐渐下降, 使得燃料裸露, 发生锆水反应产生大量氢气, 致使氢气爆炸, 从而造成了全球范围内的放射性污染。如果能够对海啸进行及时预警, 可为沿海核设施采取应急措施争取宝贵时间。国际上海啸监测主要依靠建于岸边或岛屿的潮位站, 压力式海啸监测浮标, GPS 海啸监测浮标和卫星, 目前我国仅具备潮位站一种监测手段, 这给及时、准确、有效的海啸预警带来很大困难。水声监测技术可为海啸预警提供一种新的技
20、术手段, 为沿海核设施及时采取预防措施、防止事故发生提供安全保障。参考文献1杨亚鹏, 张建岗, 汤荣耀, 等.集成化核电厂和应急指挥与决策支持系统开发J.辐射防护.V35, No5, 09, 2015. 2Frank Graeber, A new version of DFX-libhydro for IDC operations, May 2006. 3杨亚菁、桂现才、彭宏等.“一种水声信号识别算法及仿真”.计算机应用与软件.Vol 22, No 8, Aug 2005. 4P.库尔著, 罗耀杰、韩润泽等译.水下爆炸.国防工业出版社, 1961.11 5张利兴等.禁核试核查技术导论, 第四章
21、-水声监测技术.北京:国防工业出版社, 2005. 6李斯、陈励军.浅海多径信号倒谱分析.声学与电子工程, 2006 (z1) . 7Finn B Jensen, Michael B Porter.Computational Ocean AcousticsM.New York:AIP Press, 1993. 8Mark Prior.Hydro-acoustic Signals and SourcesR.IDC TRAINING COURSE FOR ANALYSTS.2009. 9Mark Prior, Hydro-acoustic Signals and Sources, IDC TRAINING COURSE FOR ANALYSTS, Sep 2009. 10Jacques Talandier, Olivier Hyvernaud, Dominique Reymond.“Detection, Location and Screening of seismic hydro-acoustic, infrasound and tsunami waveforms associated with May 29, 2010 South Sarigan paroxysmic Explosion, Marianas islands.”2011ISC
