Сейсмические волны определяют тип самолета

Научные изыскания ученых Университета Аляски Фэрбенкс продемонстрировали, что приборы, обычно используемые для регистрации сейсмической активности, могут быть применены для определения типа самолетов, пролетающих над ними. Причина кроется в том, что звуковые волны, создаваемые летательными аппаратами, вызывают незначительные колебания земной поверхности.

Идентифицировать модель самолета, будь то Cessna 185 Skywagon или другой тип, можно путем анализа сейсмического спектрограмма. Исследователи ищут уникальный частотный отпечаток самолета, оставленный звуковыми волнами, и сопоставляют его с данными из каталога известных частотных характеристик летательных аппаратов.

«Сигналы самолетов имеют гораздо более высокую частоту по сравнению с любыми другими заметными явлениями в спектре, которые регистрируют сейсмометры», — пояснила аспирантка Белла Сеппи, возглавляющая исследование. «Сигналы от землетрясений и другие, которые обычно ищут, имеют более низкую частоту, поэтому сигналы самолетов, как правило, весьма очевидны».

Этот метод, представленный 18 ноября в журнале The Seismic Record, является прорывом в области идентификации воздушных судов. Однако впереди еще много работы, в том числе создание более полного каталога частотных характеристик самолетов, чем тот, что был разработан для данного исследования.

По словам Сеппи, эта методика также может быть использована для прогнозирования потенциального шумового воздействия различных типов самолетов на экологически чувствительные территории.

«Этот новый метод открывает множество возможностей для применения», — добавила она.

Как сейсмометры улавливают звук самолета

Сейсмометры регистрируют движение земной коры, включая вибрации, вызванные звуковыми волнами, также известными как акустические или волновые давления. Они фиксируют колебания грунта, спровоцированные звуком самолета.

При отображении в виде спектрограмма, который создается путем математической обработки сейсмических данных для визуализации изменений частоты во времени, эти волны демонстрируют эффект Доплера. Более высокие частоты указывают на приближение самолета к сейсмометру, а более низкие — на удаление.

Представьте себе приближающуюся машину скорой помощи. Ее звук становится выше по мере приближения и ниже по мере удаления — это и есть эффект Доплера. С самолетами происходит то же самое. Информация, полученная сейсмометром, позволяет создать спектрограмму, показывающую изменение частот самолета во время его полета.

Сбор и анализ сейсмических данных

Данные для работы Сеппи были получены из почти 1200 записей, сделанных за 35 дней с помощью 303 сейсмометров. Датчики, расположенные примерно в километре друг от друга вдоль автомагистрали Паркс, были установлены для регистрации афтершоков Анкориджского землетрясения магнитудой 7,1 в 2018 году и для изучения подповерхностной структуры.

Эти датчики способны улавливать более широкий диапазон частот, чем другие станции на Аляске, благодаря более высокой частоте дискретизации — 500 выборок в секунду. Для определения типа самолета сейсмическим станциям Аляски потребуется модернизация до такой высокой частоты выборки.

Однако создание спектрограммы, отображающей изменение частот пролетающего самолета, само по себе не позволяет определить его тип. Сеппи необходимо было определить истинную, или базовую, частоту самолета, устранив эффект Доплера, а затем построить «частотную гребенку» — базовую частоту объекта и его гармоники, то есть повторяющийся частотный паттерн.

У большинства объектов есть базовая частота и гармоники, поскольку их вибрация или движение редко бывают идеально плавными.

Создание каталога частот самолетов

Но как Сеппи могла узнать частотный паттерн, например, самолета Cessna 185?

Поскольку каталога частотных паттернов типов самолетов не существует, Сеппи пришлось создать его для дальнейшей работы. Она начала со сбора данных с сайта Flightradar24, который предоставляет информацию о типе, местоположении, высоте, скорости, траектории полета, пункте отправления и назначения самолета в полете.

Затем она сопоставила время полетов с этого сайта с соответствующими временными отметками в спектрограмме, полученной из сейсмических записей в зоне исследования, которая охватывала участок автомагистрали Паркс между Неной и Талкитной, Аляска, в феврале и марте 2019 года.

После сопоставления она получила кривые Доплера звуковых волн каждого самолета. Следующим шагом было математическое устранение эффекта Доплера для получения истинного частотного паттерна самолета — его частотной гребенки.

Собрав эти данные, она начала создавать каталог частотных гребенок для самолетов, летавших в исследуемой зоне, группируя их по типам: поршневые, турбовинтовые и реактивные.

«Меня больше всего удивила чрезвычайная согласованность многих частотных сигналов», — отметила она.

Будущие применения и текущие исследования

С помощью техники Сеппи частотная гребенка может быть разработана на основе любой сейсмической записи самолета. В будущем это может быть сопоставлено с каталогом известных частотных гребенок для идентификации типа воздушного судна. Дополнительная информация, такая как направление и скорость, также может быть получена из кривых спектрограмма путем анализа влияния эффекта Доплера на них.

Дополнительные исследования будут сосредоточены на попытке определить, с какого расстояния может быть осуществлено первое обнаружение самолета, и на использовании данных с нескольких сейсмометров для определения дополнительной информации о полете.

Среди соавторов — профессор геофизики Карл Тейп из Геофизического института и Колледжа естественных наук и математики UAF, а также профессор-исследователь Дэвид Фи, также из Геофизического института.