[论文解读] Low coherency of wind induced seismic noise: Implications for gravitational wave detection

H. Satari, C. D. Blair+6 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2022

Seismic Waves and Analysis参考文献 35被引用 5

一句话总结

本研究量化了澳大利亚西部某引力波探测器站点在0.06–20 Hz频段内由风引起的地震噪声的低相干性，表明风使关键频段内的相干长度从数百米降至仅2–40米。通过在建筑物、树木和灌木丛附近部署密集地震阵列，作者表明这种非相干性严重降低了基于阵列的振动隔离与牛顿噪声抵消性能，尤其在2 Hz频段，维纳滤波的有效性下降五倍，凸显了下一代探测器设计中的关键挑战。

ABSTRACT

Seismic noise poses challenges for gravitational wave detection. Effective vibration isolation and methods to subtract unsheildable Newtonian Noise are examples. Seismic arrays offer one way to deal with these issues assuming seismic coherency. In this paper we find that wind induced seismic noise is incoherent and will dramatically reduce the projected low frequency sensitivity of future gravitational wave detectors. To quantify this, we measure the coherence length of wind induced seismic noise from 0.06--20~Hz in three distinct locations: close to a building, among tall trees and in shrubs. We show that wind induced seismic noise is ubiquitous and reduces the coherence lengths form several hundred meters to 2--40~m for 0.06--0.1~Hz, from $>$60~m to 3--16~m for 1.5--2.5~Hz and from $>$35~m to 1--16~m around 16.6 Hz frequency bands in the study area. This leads to significant loss of velocity and angular resolution of the array for primary microseism, 5 times worse Newtonian Noise cancellation by wiener filtering at 2~Hz, while it does not pose additional challenge for Newtonian Noise cancellation between 10--20~Hz.

研究动机与目标

• 量化在引力波探测器站点0.06–20 Hz频段内风引起的地震噪声的相干长度。
• 评估风引起的非相干性对用于振动隔离与牛顿噪声抵消的地震阵列性能的影响。
• 评估局部地表特征（建筑物、树木和灌木丛）对风引起地震噪声相干性的影响。
• 确定现有基于阵列的抑制技术（如维纳滤波）在强风条件下是否仍有效。

提出的方法

• 在不同位置部署密集地震阵列，包含3个子阵列：靠近建筑物、位于高大树木之间、位于灌木丛中。
• 利用共谱密度和同调函数测量同位置地震计之间的地震相干长度。
• 在三个频段（0.06–0.1 Hz、1.5–2.5 Hz 和 16.55–16.66 Hz）内比较有风与无风条件下的相干长度。
• 利用试点研究中的波束成形与谱分析，识别与风相关的地震噪声，并指导阵列配置。
• 应用维纳滤波，模拟在不同相干性条件下牛顿噪声抵消的性能。
• 分析风速与地面运动的相关性，评估风速作为噪声减除代理的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 风引起的地震噪声如何影响关键引力波探测频段（0.06–20 Hz）内地面运动的相干长度？
• RQ2 局部地表特征（建筑物、树木和灌木丛）对风引起地震噪声的相干性有何影响？
• RQ3 风引起的非相干性在多大程度上降低了基于阵列的牛顿噪声抵消性能（通过维纳滤波实现）？
• RQ4 与高频段（10–20 Hz）相比，风引起的非相干性在低频段（低于10 Hz）是否构成更大挑战？
• RQ5 风速测量能否作为基于阵列系统中减除风引起地震噪声的可行代理？

主要发现

• 在0.06–0.1 Hz频段，风使相干长度从数百米降至2–40米，严重限制了阵列分辨率。
• 在1.5–2.5 Hz频段，相干长度从>60米降至3–16米，导致2 Hz处维纳滤波有效性下降五倍。
• 在16.6 Hz处，相干长度从>35米降至1–16米，但建筑物的衰减作用和短波长特性部分缓解了影响。
• 风引起的噪声非相干性在植被区（树木和灌木丛）最为显著，其降低相干性的程度超过建筑物。
• 由于波长较短且建筑物屏蔽有效，风引起的噪声对10–20 Hz频段牛顿噪声抵消性能影响不大。
• 本研究证实，风引起的地震噪声具有高度局域性，相干长度强烈依赖于地表物体的接近程度和风况。