[论文解读] Uncertainty in the Predictive Capability of Detectors that Process Waveforms from Explosions

Joshua Carmichael, R. J. Nemzek|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2019

Seismic Waves and Analysis参考文献 15被引用 6

一句话总结

本文通过将缩放后的波形注入真实噪声中，比较预测检测率与实际检测率，量化了针对小型地面上方爆炸事件的无线电、声学和地震波形探测器的预测准确性。文中引入了幅度差异度量（$\Delta m$）以界定不确定性，结果显示无线电探测器的不确定性≤7%，地震探测器≤18%，声学探测器≤56%；在数据有限的情境下，实际观测到的性能曲线通常优于理论曲线。

ABSTRACT

Explosions near ground generate multiple geophysical waveforms in the radiation-dominated range of their signature fields. Multi-phenomological explosion monitoring (MultiPEM) at these ranges requires the predictive capability to forecast trigger rates of digital detectors that process such waveform data, and thereby accurately anticipate the probability that hypothetical explosions can be identified in operations. To confront this challenge, we derive and compare the predicted and observed performance of three digital detectors that process radio, acoustic and seismic waveform data that record a small, aboveground explosion. We measure this comparison with the peak range in magnitude (magnitude discrepancy) over which different performance curves report the same probability of detection, within an interval of moderate detection probability, and thereby quantify solutions to three topical monitoring questions. In particular, our solutions (1) demonstrate how empirically parameterized detectors that operate in a variable noisy environments provide fair-to-very good forecasting capability to detect small explosions, (2) show that the observed performance of a particular waveform detector can better forecast performance curves constructed from different observations, when compared to theoretical performance curves, and (3) provide an upper bound on detection uncertainty, in terms of a physical source attribute (magnitude)

研究动机与目标

• 量化处理小型地面上方爆炸事件的无线电、声学和地震信号的波形探测器的预测能力。
• 评估理论检测曲线在真实噪声条件下预测实际探测器性能的能力。
• 通过与源震级相关的物理可解释度量——幅度差异（$\Delta m$）——界定检测预测的不确定性。
• 评估基于有限数据获得的观测性能曲线是否比理论模型更准确地预测未来探测器行为。

提出的方法

• 将来自约10公斤爆炸事件的缩放模板波形注入12天的真实噪声记录中，覆盖无线电、声学和地震通道。
• 使用标准探测器处理数据：无线电采用信噪比（SNR）方法，声学采用STA/LTA方法，地震采用互相关方法。
• 在多个信号振幅下计算检测率，以生成观测到的性能曲线。
• 将观测曲线与时间平均预测曲线以及基于噪声统计推导的理论曲线进行比较。
• 使用中等检测概率范围（0.8 ≤ PrD ≤ 0.98）内的峰值幅度差异（$\Delta m$）定义预测准确性。
• 引入相对幅度差异（$\Delta m_{\text{Ref}}$）以对精度进行归一化，实现不同探测器之间的可比性。

实验结果

研究问题

• RQ1 理论模型在真实噪声环境中预测波形探测器检测性能的准确性如何？
• RQ2 基于单日有限数据生成的观测性能曲线，是否能与基于同一日噪声推导的理论曲线一样准确地预测探测器行为？
• RQ3 检测不确定性的上限是多少，以源震级差异（$\Delta m$）表示？
• RQ4 在幅度差异方面，无线电、声学和地震探测器的预测性能如何比较？
• RQ5 与每日对比相比，时间平均预测性能是否能提高预测准确性？

主要发现

• 无线电辐射探测器表现出最高的预测性能，最大幅度差异≤7%，表明预测精度高。
• 地震互相关探测器表现中等，最大幅度差异≤18%，反映出尚可至良好的预测能力。
• 声学STA/LTA探测器不确定性最高，最大幅度差异≤56%，表明预测精度有限。
• 基于单日数据获得的观测性能曲线，通常比基于同日噪声推导的理论曲线更准确地预测未来探测器行为。
• 时间平均后的预测与观测性能曲线之间的一致性优于每日曲线对，表明平均处理可提高预测可靠性。
• 在中等检测概率范围（0.8 ≤ PrD ≤ 0.98）内，理论曲线未表现出明显偏差，表明在此区间内性能估计具有一致性。