СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЦУНАМИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ЭПИЦЕНТРА Российский патент 2007 года по МПК G01V1/38 

Предлагаемый способ относится к сейсмической и акустической разведке районов, покрытых водой, а именно к способам предупреждения о волнах цунами, возникающих вследствие подъема или опускания значительных водных масс океана.

Известен способ определения возникновения волн цунами, используемый в системе, которая представляет собой систему датчиков гидростатического давления, установленных на глубине 113 м в прибрежной зоне и подключенных с помощью глубоководного кабеля к наземной станции (Дыхан Б.Д. и др. Первая регистрация цунами в океане (цунами 23.02.80 у Южных Курильских островов). Доклады АН, т.257, №5, 1981, с.1088-1092). Вариации давления (уровня океана) преобразуются в частотно-модулированные сигналы и регистрируются в аналоговом виде в нескольких диапазонах береговой станцией. При этом о появлении цунами судят по возникновению первого максимума, амплитуда которого существенно превышает фон.

Недостатком указанного гидроакустического способа является неоднозначность предупреждения о возникновении волн цунами.

Известен способ определения колебаний водной поверхности путем регистрации колебаний атмосферного давления, основанный на том, что при прохождении упругой волны водная поверхность начинает колебаться, создавая избыточное давление воздуха (патент США №4126203, Кл. 181/109, 1978).

Известны также способы определения возникновения волн цунами (авт. свид. СССР №№568922, 769455, 1070497, 1584585, 1676651, 1721563; патенты РФ №№2030789, 2034312, 2041476, 2068185, 2093861, 2097792, 2168747, 2201599, 2240570; патенты США №№3943514, 5124651, 5696514; Бреховских Л.М. О цунами и наблюдениях над сверхдальним распространением звука в океане. - Бюлл. Совета по сейсмологии АН СССР, 1956, №2, с.8-11 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ определения колебаний водной поверхности" (Авт. свид; СССР №1070497, G01V 1/38, 1982), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный способ позволяет повысить достоверность прогноза распространения волн цунами за счет получения информации о начальном смещении поверхности океана.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности определения колебаний водной поверхности путем определения эпицентра цунами и использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией для передачи тревожного сообщения на пункт контроля.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу определения колебаний водной поверхности путем регистрации группой приемников колебаний атмосферного давления, которую проводят на расстоянии от очага цунами не менее 5 длин волн цунами в области частот 0,001-0,5 Гц, осреднения зарегистрированных колебаний атмосферного давления по группе приемников, определения момента прихода первого экстремума выделенного сигнала и прогнозирования возможности цунами по сопоставлению зарегистрированного и эталонного сигналов, зарегистрированные двумя соседними приемниками, разнесенными на фиксированное расстояние d, сигналы перемножают между собой, выделяют напряжение нижних частот, формируя тем самым взаимно корреляционную функцию R(τ₁), изменяют время запаздывания одного из сигналов до появления максимального значения взаимно корреляционной функции R(τ₁), поддерживают максимальное значение взаимно корреляционной функции, определяют значение первого азимута α₁ эпицентра цунами по формуле:

;

где: с - скорость звука в атмосфере;

τ₁=t₁-t₂,

t₁, t₂ - время прохождения сигналом расстояний от эпицентра цунами до первого и второго приемников,

определяют второй парой приемников значение второго азимута α₂ эпицентра цунами по формуле:

;

где: τ₂=t₃-t₄,

t₃, t₄ - время прохождения сигналом расстояния от эпицентра цунами до третьего и четвертого приемников,

определяют по значению двух азимутов эпицентр цунами, преобразуют значения первого и второго азимутов в цифровые коды, формируют из них цифровое сообщение, генерируют высокочастотное колебание, манипулируют его по фазе цифровым сообщением, формируя сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, принимают на пункте контроля, преобразуют по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, перемножают его с опорным напряжением, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное цифровому сообщению, перемножают его со сложным сигналом с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют гармоническое напряжение, которое используют в качестве опорного, регистрируют и анализируют низкочастотное напряжение.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Временные диаграммы, поясняющие работу устройства, изображены на фиг.2.

Устройство содержит приемники 1.1, 1.2, 1.i, 2.1, 2.2 колебаний атмосферного давления (микробарографы), расположенные в виде разветвленной системы вдоль береговой линии, схему 4 сравнения и блок 3 памяти.

Установка разветвленной системы микробарографов позволяет исключить влияние ветровых помех за счет их усреднения. Кроме того, необходимо иметь запись сигнала от достоверного цунами, чтобы сравнить с ним полученный сигнал и по максимуму автокорреляционной функции судить об истинности возникшего цунами.

К выходу первого 1.1 (2.2) микробарографа последовательно подключены перемножитель 5.1 (5.2), второй вход которого через блок 8.1 (8.2) регулируемой задержки соединен с выходом второго 1.2 (2.2) микробарографа, фильтр 6.1 (6.2) нижних частот, экстремальный регулятор 7.1 (7.2), блок 8.1 (8.2) регулируемой задержки, преобразователь 9.1 (9.2) аналог-код, ключ 10.1 (10.2), второй вход которого соединен с выходом схемы 4 сравнения, формирователь 11 цифрового сообщения, фазовой манипулятор 13, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 12, усилитель 14 мощности и передающая антенна 15.

Пункт контроля содержит последовательно включенные приемную антенну 16, усилитель 17 высокой частоты, смеситель 19, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 18, усилитель 20 промежуточной частоты, первый перемножитель 21, второй вход которого соединен с выходом фильтра 24 нижних частот, узкополосный фильтр 23, второй перемножитель 22, второй вход которого соединен с выходом усилителя 20 промежуточной частоты, фильтр 24 нижних частот, блок 25 регистрации и анализа.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Период волн цунами заключен в интервале от 2 до 200 мин, длина волны составляет от нескольких десятков до 300-400 км при высоте волны 1-2 м. Начальное возвышение поверхности океана в очаге зарождения волн и цунами не превышает нескольких метров и зарегистрировать их распространение в открытом море практически невозможно.

Однако в момент зарождения цунами область акватории радиуса R поднимается на высоту h над поверхностью океана с частотами 0,001-0,5 Гц, что вызывает изменение атмосферного давления, которое можно зарегистрировать на расстоянии от очага цунами не менее 5 длин волн цунами, что определяется отношением последнего сигнала к шуму.

Получаемые на выходе корреляторов взаимно корреляционные функции R(τ₁) и R(τ₂) имеют максимум при значении введенного регулируемого запаздывания:

τ₁=t₁-t₂, τ₂=t₃-t₄;

где: t₁ и t₂ - время прохождения звуковым сигналом расстояний от эпицентра цунами ЭЦ до первого 1.1 и второго 1.2 микробарографов;

t₃ и t₄ - время прохождения звуковым сигналом от эпицентра цунами ЭЦ до третьего 2.1 и четвертого 2.2 микробарографов.

Максимальные значения R(τ₁) и R(τ₂) поддерживаются с помощью экстремальных регуляторов 7.1 и 7.2, воздействующих на блоки 8.1 и 8.2 регулируемой задержки соответственно. Шкалы блоков 8.1 и 8.2 регулируемой задержки градуируются непосредственно в значениях угловых координат эпицентра цунами ЭЦ:

где: τ₁ и τ₂ - введенные в соответствующие каналы задержки звуковых сигналов, соответствующие максимуму корреляционных функций.

Выходные сигналы корреляторов максимальны, когда плоскости, в которых лежат микробарографы 1.1 и 1.2, 2.1 и 2.2, расположены перпендикулярно направлениям на эпицентр цунами ЭЦ (фиг.1). Измеренные значения α₁ и α₂ в преобразователях 9.1 и 9.2 преобразуются в цифровые коды.

Осредненные зарегистрированные колебания атмосферного давления по группе приемников (микробарографов) определяют момент прихода первого экстремума выделенного сигнала, сравниваются в схеме 4 сравнения с эталонным сигналом, поступающим из блока 3 памяти. По результатам сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющие входы ключи 10.1 и 10.2, открывая их. В исходном состоянии ключи 10.1 и 10.2 всегда закрыты.

Значения азимутов α₁ и α₂ в цифровой форме с выходов преобразователя 9.1 и 9.2 аналог-код через открытые ключи 10.1 и 10.2 соответственно.

На больших, по сравнению с радиусом R, расстояниях эта система эквивалентна движению помещенной в жесткий экран мембраны, приводящему на расстоянии l≫R к изменению атмосферного давления:

;

где: V₀ - скорость подъема водной массы;

α - угол между вектором точки наблюдения и вертикалью (азимут);

ρ - удельное давление;

с - скорость звука в атмосфере;

t - текущее время;

l - расстояние от микробарографов до эпицентра цунами;

λ и К - соответственно длина волны и вектор излученной волны;

I₁ - функция Бесселя первого порядка.

Собственные частоты колебаний системы лежат в пределах 0,001-0,5 Гц. Подставляя в формулу (1) ρ≈1,29·10^-3 г/см³; с≈330 м/с; w≈0,1 Гц; l≈1000 км, α≈π/2; πR²≈500 км², получим для изменения давления р≈10^-3-10^-4 бар. Чувствительность современных микробарографов значительно превосходит указанный интервал давлений, а частотный диапазон их позволяет регистрировать изменение давления с частотами собственных колебаний очага цунами.

Скорость распространения колебаний давления в атмосфере в среднем в два раза превышает скорость волн цунами. Поэтому на расстояниях порядка 1000 км разность времени прихода звукового импульса и гидродинамической волны составляет примерно 30 мин и может быть использована для предупреждения о возникновении дальних цунами.

Колебания атмосферного давления от эпицентра цунами принимаются двумя парами микробарографов 1.1 и 1.2, 2.1 и 2.2. Причем микробарографы разнесены на фиксированное расстояние d (измерительная база). Две пары микробарографов разнесены на расстояние nd, где n - количество микробарографов. Колебания атмосферного давления (звуковые сигналы) с выходов поступают на входы формирователя 11 цифрового сообщения, где формируется модулирующий код M(t) (цифровое сообщение) (фиг.2, а), который поступает на первый вход фазового манипулятора 13, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода задающего генератора 12 (фиг.2, б):

u_с(t)=U_с·cos(w_сt+ϕ_с), 0≤t≤T_с;

где: U_с, w_с, ϕ_с, T_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания.

На выходе фазового манипулятора 13 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн) (фиг.2, в):

u₁(t)=U_с·cos[w_сt+ϕ_к(t)+ϕ_с], 0≤t≤T_с;

где: ϕ_к(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ_к(t)=const при кτ_э<t<(к+1)τ_э и может изменяться скачком при t=кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками;

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_c (Т_c=τ_э·N),

который после усиления в усилителе 14 мощности излучается передающей антенной 15 в эфир, улавливается приемной антенной 16 пункта контроля и через усилитель 17 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 19. На второй вход смесителя 19 подается напряжение гетеродина 18:

u_Г(t)=U_Г·cos(w_Гt+ϕ_Г).

На выходе смесителя 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20 выделяется напряжение промежуточной частоты (фиг.2, г):

u_пр(t)=U_пр·cos[w_прt+ϕ_к(t)+ϕ_пр], 0≤t≤T_c;

где:

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

w_пр=w_с-w_Г - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_с-ϕ_Г,

которое поступает на первые входы перемножителей 21 и 22.

На второй вход перемножителя 22 подается опорное напряжение (фиг.2, д):

u₀(t)=U₀·cos(w_прt+ϕ_пр);

с выхода узкополосного фильтра 23. На выходе перемножителя 22 образуется низкочастотное напряжение (фиг.2, е):

u_н(t)=U_н·cosϕ_к(t);

где:

К₂ - коэффициент передачи перемножителя,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.2, а), которое выделяется фильтром 24 нижних частот и подается на второй вход перемножителя 21. На выходе перемножителя 21 образуется гармоническое колебание:

u₀(t)=U₁·cos(w_прt+ϕ_пр)+U₁·cos[w_прt+2ϕ_к(t)+ϕ_пр]=2U₁·cos(w_прt+ϕ_пр)=U₀·cos(w_прt+ϕ_пр);

где: U₀=2U₁;

которое используется в качестве опорного, выделяется узкополосным фильтром 23 и подается на второй вход перемножителя 22. Низкочастотное напряжение u_н(t) поступает на вход блока 25 регистрации и анализа, где определяется эпицентр цунами.

Перемножители 21 и 22, узкополосный фильтр 23 и фильтр 24 нижних частот образует демодулятор ФМн-сигналов, который свободен от явления «обратной работы», что повышает достоверность выделения цифрового сообщения из принимаемого ФМн-сигнала.

Следует отметить, что известным схемам Пистолькорса А.А., Сидорова В.И., Травина Г.А., Костаса Д.Ф., которые также выделяют опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования ФМн-сигналов, непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала, присуще явление ″обратной работы″, которое ограничивает возможности этих устройств.

Эффективность предлагаемого способа можно оценить, сравнив резерв времени между цунамигенным процессом и приходом разрушительной волны к побережью. Так, на расстояниях порядка 1000 км от эпицентра время движения волны цунами порядка 100 мин, сейсмического возмущения ˜ 5 мин, звукового возмущения по подводному каналу ˜ 10 мин и по атмосферному каналу ˜ 50 мин, что достаточно для обеспечения мер по безопасности живой силы и техники.

Предлагаемый способ позволяет также повысить достоверность прогноза за счет получения информации о начальном смещении поверхности океана.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение достоверности определения колебаний водной поверхности. Это достигается за счет определения эпицентра цунами и использования сложных сигналов с фазовой манипуляцией для передачи тревожной информации на пункт контроля.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией открывают новые возможности в технике передачи тревожных дискретных сообщений от микробарографов, расположенных в виде разветвленной системы вдоль береговой линии, на пункт контроля. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сложные ФМн-сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

С точки зрения обнаружения сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Изобретение относится к сейсмической разведке, в частности к акустической разведке районов, покрытых водой, и может найти применение при прогнозировании возможности возникновения цунами и определении его эпицентра. Сущность: регистрируют группой приемников колебания атмосферного давления на расстоянии от очага цунами не менее 5 длин волн цунами в области частот 0,001-0,5 Гц. Сигналы, зарегистрированные двумя соседними приемниками первой пары, разнесенными на фиксированное расстояние, перемножают между собой. Затем выделяют напряжение частот, фиксируя тем самым взаимно корреляционную функцию. Изменяют время запаздывания одного из сигналов до появления максимального значения взаимно корреляционной функции. Поддерживают максимальное значение взаимно корреляционной функции. Определяют значение первого азимута эпицентра цунами. Аналогично с использованием двух соседних приемников второй пары определяют значение второго азимута эпицентра цунами. Преобразуют значения первого и второго азимутов в цифровые коды, формируют из них цифровое сообщение. Генерируют высокочастотное колебание. Манипулируют его по фазе цифровым сообщением, формируя сложный сигнал с фазовой манипуляцией. Усиливают его по мощности. Излучают в эфир. Принимают на пункте контроля. Преобразуют по частоте. Выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте. Перемножают его с опорным напряжением. Выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное цифровому сообщению. Перемножают его со сложным сигналом с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте. Выделяют гармоническое напряжение, которое используют в качестве опорного. Регистрируют низкочастотное напряжение, в результате анализа которого определяют эпицентр цунами. Технический результат: повышение достоверности определения возможности возникновения цунами. 2 ил.

Способ прогнозирования возможности возникновения цунами и определение его эпицентра, включающий регистрацию группой приемников колебаний атмосферного давления на расстоянии от очага цунами не менее 5 длин волн цунами в области частот 0,001-0,5 Гц, осреднение зарегистрированных колебаний атмосферного воздуха по группе приемников, определение момента прихода первого экстремума выделенного сигнала и прогнозирование возможности цунами по сопоставлению зарегистрированного и эталонного сигналов, отличающийся тем, что зарегистрированные двумя соседними приемниками первой пары, разнесенными на фиксированное расстояние d, сигналы перемножают между собой, выделяют напряжение нижних частот, формируя тем самым взаимно корреляционную функцию R(τ₁), изменяют время запаздывания одного из сигналов до появления максимального значения взаимно корреляционной функции R(τ₁), поддерживают максимальное значение взаимно корреляционной функции, определяют значение первого азимута α₁, эпицентра цунами по формуле:

где с - скорость звука в атмосфере,

τ₁=t₁-t₂,

t₁, t₂ - время прохождения сигналом расстояний от эпицентра цунами до первого и второго приемников,

аналогично с использованием двух соседних приемников второй пары определяют значение второго азимута α₂, эпицентра цунами по формуле:

где τ₂=τ₃-τ₄,

τ₃, τ₄ - время прохождения сигналом расстояний от эпицентра цунами до третьего и четвертого приемников,

преобразуют значения первого и второго азимутов в цифровые коды, формируют из них цифровое сообщение, генерируют высокочастотное колебание, манипулируют его по фазе цифровым сообщением, формируя сложный сигнал с фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, принимают на пункте контроля, преобразуют по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, перемножают его с опорным напряжением, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное цифровому сообщению, перемножают его со сложным сигналом с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют гармоническое напряжение, которое используют в качестве опорного, регистрируют низкочастотное напряжение, в результате анализа которого определяют эпицентр цунами.