СПОСОБ ОПЕРАТИВНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ, ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ И ОКЕАНА Российский патент 2011 года по МПК G01W1/08 G01W1/00 

Способ оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана

Изобретение относится к мониторингу окружающей среды и может быть использовано при исследовании и контроле параметров атмосферы, земной поверхности, океана, при поиске месторождений.

Известны способы оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана [1-6], которые включают транспортировку к области исследования диагностического модуля с комплектом спускаемых капсул, снабженных регистрирующей аппаратурой, включающей радиозонды, датчики измерения температуры, давления, морского течения, солености, акустических сигналов, при этом количество спускаемых капсул удовлетворяет условию заполнения всей исследуемой области, разведение капсул по площади исследуемой области, регистрацию сигналов геофизических полей, передачу измеренных сигналов на пункт приема для последующей их обработки, анализа и выработки корректирующих действий по предотвращению нежелательных последствий, способных нарушить эксплуатационную безопасность объектов хозяйственной деятельности на море.

В известном способе [3] каждом i-м радиозонде измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана преобразуют в цифровые коды, формируют цифровое сообщение, содержащее i-й номер радиозонда и измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана в цифровой форме, генерируют высокочастотное колебание на частоте wi, манипулируют его по фазе цифровым сообщением и сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности и излучают в эфир, а на каждом пункте приема осуществляют последовательный поиск и преобразование сигналов по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, осуществляют его частотное детектирование, в результате которого выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного изменения фазы сложного сигнала с фазовой манипуляцией, формируют с их помощью разнополярное напряжение в прямом и обратном коде, пропорциональное цифровому сообщению, регистрируют и анализируют его, в результате чего определяют i-й номер радиозонда и значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана. Использование сложных сигналов с фазовой манипуляцией для передачи дискретной информации от радиозондов на пункт приема способствует повышению достоверности оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана.

Однако данный известный способ, основанный в основном на радиометрических измерениях, позволяет фиксировать только изменение параметров естественных полей, и его технический результат заключается только в усовершенствовании линии передачи дискретной информации от радиозондов на пункт приема. При этом структурные параметры исследуемых областей не восстанавливаются, что позволяет использовать указанный способ только для исследовательских целей, а также для организации каналов надежной связи.

Использование в качестве основного средства измерения сигналов от радиозонда позволяет регистрировать сигналы, распространяющиеся только в атмосфере и на границах атмосфера - водная поверхность и атмосфера - земля, что существенно снижает информативность известного способа.

Кроме того, в последние годы с развитием добывающей промышленности, увеличилось количество морских платформ и терминалов, а соответственно, увеличились судовые потоки в этих регионах, что вносит дополнительные искажения в результаты исследований.

Размещение морских платформ и терминалов на континентальной шельфе, особенно в Северном Ледовитом океане, требуют решения нескольких проблем, связанных с отсутствием фактических батиметрических данных по рельефу дна Северного Ледовитого океана, которые необходимы для определения координат подножия континентального склона и изобаты 2500 м, с отсутствием однозначного геолого-геофизического обоснования естественного продолжения континентальной окраины в зоне сопряжения с хребтом Ломоносова и поднятием Менделеева, что не позволяет определить положение континентальной окраины на хребте и поднятии по простиранию этих структур, а также с отсутствием достоверной картографической информации батиметрических и сейсмических профилей.

Наиболее трудоемкими задачами являются задачи определения параметров границ континентального шельфа и сейсмического мониторинга. В частности, регистрация удаленных морских землетрясений наземными сейсмометрами производится с большими погрешностями в определении глубин гипоцентров, плановых координат и магнитуды, а слабые землетрясения при этом практически не регистрируются. Как известно большинство землетрясений (до 80%) происходит под дном морей и океанов. Донная сейсмическая активность, как известно, концентрируется в прибрежных зонах континентальных окраин, островных дуг и срединных океанических хребтов. Это представляет существенную опасность для морских терминалов и береговых сооружений, образующих инфраструктуру добычных комплексов газонефтяных месторождений. Донные землетрясения зачастую вызывают разрушительные волны цунами, приводят к моретрясениям, опасным для судов (особенно для судов по транспортировке углеводородов), провоцируют сход подводных лавин и оползней и другие явления, которые нарушают геоэкологию акваторий. В связи с активным освоением шельфа для нефтедобычи и газодобычи, прокладкой подводных трубопроводов и кабелей связи, донные землетрясения и провоцируемые ими явления становятся чрезвычайно опасными как для самих морских сооружений, так и для экологии региона в целом. Также не следует исключать возможность появления наведенной сейсмичности при извлечении больших объемов нефти и газа из земных недр, что влечет за собой необходимость сейсмологического обеспечения морских добычных комплексов и других крупных подводных сооружений. Кроме того, сейсмические волны, распространяющиеся в земной поверхности, несут информацию о структуре недр.

Известный способ определения опасности цунами [6] включает размещение в прибрежной зоне на глубине более 100 м, на расстоянии, обеспечивающем необходимое время на защиту охраняемого района, определяемом на основании формульной зависимости, групп устройств регистрации, соединение их трактом связи с наземными станциями приема, размещение на расстоянии 2-4 тысяч километров от берега еще одной группы устройств регистрации, установление факта возникновения цунами по сигналам дальних устройств и определение степень опасности волны цунами для охраняемого района по сигналам ближних устройств регистрации.

Поэтапное определение опасности цунами обеспечивает надежный прогноз цунами, однако размещение регистрирующих устройств на глубинах более 100 м огранивает информативность получения первичных сигналов и, как следствие, снижает достоверность прогноза, так как известно, что наибольшая информативность первичных сигналов наблюдается на глубинах 6-10 м от уровня прилива, вблизи берега и вдоль континентальных шельфов.

Кроме того, непосредственное использование зарегистрированных сигналов в качестве прямых предвестников цунами осложнено наличием помех, создаваемых шумами морской среды различного происхождения (динамические, обусловленные приливно-отливными движениями водной толщи, ветровыми волнами, турбулентными потоками в воде и атмосфере, дождями, прибойными движениями и т.п.; шумы от морских судов и прибрежных технических сооружений; сейсмические, к которым помимо сигналов, вызванных тектоническими сдвигами (землетрясениями), относятся также сигналы, обусловленные вулканической деятельностью и распространением цунами; подледные, обусловленные процессами образования и динамикой ледяного покрова, а также взаимодействием ветра и подводных течений с неровностями ледяного покрова; биологические; тепловые), что требует обеспечения высокого отношения сигнал/помеха при приеме сигналов.

Для повышения информативности в способе сейсмического микрорайонирования [7], включающем размещение исследуемых и опорных пунктов наблюдений на участках с различными инженерно-геологическими условиями, регистрацию в них сейсмических колебаний от землетрясений из потенциально опасных и других очаговых зон, определение динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений относительно опорных в заданном частотном диапазоне исследований, дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной, ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей с расстоянием между пунктами наблюдений, не превышающим 1/3-1/4 длины волны наиболее высокочастотных сейсмических колебаний, образующих информативные вариации амплитуд, а расстояние между профилями составляет 1/3-1/4 минимального пространственного периода информативных амплитудных вариаций высокочастотного диапазона сейсмических колебаний. Однако ввиду того, что в общем случае величина амплитуд давления сейсмических сигналов зависит от величины вызвавшего сигнал вертикального смещения дна (определяемого произведением скорости смещения на длительность импульса), волнового сопротивления вод (определяемого произведением плотности воды на скорость звука), угла преломления акустической волны, вышедшей из дна в воду, а также от удаления горизонта наблюдений от дна, достоверные сигналы могут регистрироваться на высоких частотах (50…80 Гц и выше), область применения известного способа ограничена участками с однородными инженерно-геологическими условиями, что существенно снижает его информативность.

Повышение информативности достигается в способе [8], заключающемся в задании региональных кусочно-непрерывных профилей, ориентировании их в крест простирания изучаемых тектонических элементов, задании поперечных профилей и проведении по ним наблюдений, в котором региональные профили задают в виде пар квазипараллельных кусочно-непрерывных профилей, а поперечные - в виде пересекающихся друг с другом кусочно-непрерывных профилей, ориентируют поперечные профили по простиранию изучаемых тектонических элементов, создают вокруг этих элементов замкнутый полигон, при этом положение каждой последующей пары профилей уточняют после получения данных в предыдущей паре профилей, а расстояние между региональными профилями определяют по размерам изучаемых тектонических элементов, что повышает информативность за счет возможности изучения сложно построенных сред.

Однако данный способ имеет ограничения по применению, так как создание замкнутого полигона отягощено выполнением требований по обеспечению высокоточного координирования, возможным только в сухопутных условиях.

В известном способе сейсмического микрорайонирования [9], заключающемся в возбуждении сейсмических колебаний невзрывным импульсным источником, регистрации их сейсмоприемниками, расположенными на участках с различными инженерно-геологическими условиями, определении значения скоростей поперечных волн, частотных характеристик зарегистрированных колебаний и оценке на основе этих характеристик приращения балльности, дополнительно возбуждают повышенные сейсмические колебания, по сравнению с первоначальными колебаниями, а в качестве величины, характеризующей частотную характеристику колебаний, используют величину, обратную средневзвешенному периоду в полосе частот 0,3-30 Гц, определяют приращение балльности для дополнительного возбуждения и вводят величину разности балльностей в качестве поправки за нелинейные эффекты в полученные ранее данные наблюдений, использовавшие маломощный, сейсмический источник, что повышает надежность и точность за счет более полного учета нелинейных свойств грунта.

Существенным недостатком данного способа является необходимость создания развивающегося напряжения в грунте не менее 0,1 и 5 кг/кв.см, что в условиях морского дна является сложной технической задачей.

В известном способе сейсмической разведки [10], который включает возбуждение и регистрацию интерференционной системой сейсмических сигналов по системе многократного профилирования и обработку полученных данных, построение по сейсмограммам, полученным в результате предварительных работ на участке профиля исследований, скоростно-угловых спектров из соотношения временной задержки для годографа от двойного времени пробега волны по нормали к отражающей границе, удаления взрыв-прибора, эффективной скорости до границы и угла наклона границы, по построенным спектрам выделяют основные сейсмические волны и проводят последующие сейсмические работы на профиле для выбранных параметров сейсмических волн интерференционной регистрирующей системой с оптимальной характеристикой направленности, параметры которой определяют из соотношения в зависимости от текущего угла, кратности интерференционной системы, опорной частоты сигнала и запаздывания между двумя годографами для углов наклона и текущих углов, что повышает эффективность сейсмической разведки в сложно построенных средах. Однако технический эффект данного способа может быть получен только в сухопутных условиях при отсутствии воздействия окружающей среды.

В известном способе сейсмической разведки [11], включающем разделение геологического объекта на глубинные этажи, определение наибольшей частоты сейсмических сигналов, приходящих с каждого этажа, расчет для каждого глубинного этаже шага квантования по времени, меньшего чем 1/4 наибольшей частоты сейсмического сигнала для i-го глубинного этажа, а по пространству, меньшему или равному отношению длины волны наибольшей частоты сейсмического сигнала для i-го этажа к углу наклона фронта приходящей волны, возбуждение, прием группами сейсмоприемников сигналов, их цифровую регистрацию и обработку, дополнительно для каждого глубинного этажа определяют длину базы группирования сейсмоприемников по выражению, согласно которому длина базы равна или меньше отношения длины волны наибольшей частоты сейсмического сигнала для i-го этажа к четырем синусам угла наклона фронта приходящей волны, что позволяет повысить отношение сигнал/помеха на этапе приема и повысить точность исследований.

Однако технический результат, на достижение которого направлено решение [11], заключающийся в повышении точности результатов исследований, может быть получен только при жесткой привязке сейсмических приемников, что может быть обеспечено только в сухопутных условиях. В известном способе обнаружения возможности наступления катастрофических явлений [12], включающем измерение параметра геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, измерения производят непрерывно, выявляют колебания измеряемого параметра и при обнаружении синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, и период от 100 до 1000000 с, судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений. Однако непосредственное использование этих сигналов в качестве прямых предвестников цунами осложнено наличием помех, создаваемых шумами морской среды различного происхождения, в связи с чем возникает задача выделения подводных сейсмических сигналов на фоне шумов морской среды.

Наиболее широкий спектр сигналов можно получить при использовании способа сейсмической разведки [13], включающего возбуждение упругих колебаний, их регистрацию сейсмоприемниками, каждый из которых содержит три датчика, расположенных под углом 45 градусов к горизонтальной плоскости, и обработку полученных записей с выделением полезного сигнала, в котором одновременно возбуждают упругие волны Р- и S-типов, регистрацию проводят сейсмоприемниками, каждый из которых дополнительно содержит четвертый датчик, при этом все датчики равномерно распределены по азимуту, при обработке полученных записей рассчитывают прямоугольные декартовые координаты полного вектора волнового поля в каждой точке приема путем сравнения модулей декартовых проекций, рассчитанных в каждой точке приема, с модулем полного вектора в данной точке приема, выделяют три монотипные линейно-поляризованные волны РР-, SV-, SH- типов и нелинейно поляризованную волну, которые используют в качестве полезного сигнала.

В известном способе определения предвестников цунами [14], включающем размещение в прибрежной зоне и на удалении от нее групп устройств регистрации сигналов на глубинных горизонтах наблюдений, равномерно распределенных по азимуту, соединение их трактом связи с внешними станциями приема и обработки сигналов, регистрацию и обработку сигналов, заключающуюся в поэтапном определении опасности возникновения цунами, с определением динамических параметров сейсмических колебаний и их вариаций в каждом исследуемом пункте наблюдений в заданном частотном диапазоне, с обработкой регистрируемых сигналов в высокочастотном и низкочастотном диапазонах сейсмических колебаний, с выделением фаз сигналов, характеризующих приход волн, связанный с распространением в земной коре волн сжатия и поперечных волн, помимо фаз типа РР, S гидроакустических сигналов также выделяют T-фазу; при этом устройства регистрации размещают на горизонтах наблюдений, кратных 25 м при максимальном горизонте наблюдений, равном 100 м, определяют приход акустической волны сейсмического происхождения по величине сдвига частоты рассеянного излучения, причем посредством средств регистрации, размещенных в ближней зоне от очага землетрясения, выполняют анализ низкочастотных составляющих рассеянного сигнала, а в качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов используют шумы судоходства; посредством средств регистрации, размещенных в прибрежной зоне, момент появления и направление прихода сейсмоакустических волн определяют путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа волн на комбинационных частотах.

Совокупность отличительных признаков способа [14] позволяет получать достоверные сведения о наступающем цунами, что обусловлено регистрацией более широкого спектра сигналов.

В то же время, возбуждение волн цунами землетрясениями в сжимаемой жидкости сопровождается генерацией гидроакустических полей в более широком частотном диапазоне, а их энергия может превышать энергию волн цунами. При этом низкочастотные поля (F<1 Гц), так же как и волны цунами, возбуждаются в основном за счет вертикальных подвижек дна в эпицентре землетрясения. Возбуждение высокочастотных гидроакустических полей (фаза Т) происходит на значительно большей площади и существенно зависит от рельефа дна. Поэтому высокочастотные гидроакустические поля содержат относительно меньше информации собственно о формах движения дна в эпицентре землетрясения. Наличие интенсивных низкочастотных акустических полей в очаге цунами наблюдается в диапазоне 0,05-0,4 Гц, при этом основная энергия упругих колебаний превышает энергию волны цунами примерно в 300 раз [15]. На очень низких частотах (ниже 0,01 Гц), вследствие пренебрежимо малой толщины слоя океана по сравнению с длиной волны, происходит непосредственное возбуждение анемобарических волн за счет перепадов атмосферного давления [16]. Часть энергии микросейсм, распространяющихся под малыми углами к вертикали, рассеиваются в толще Земли в виде объемных волн в соответствии с законом 1/R. Другая часть микросейсм вследствие рефракции или отражения от нижележащих слоев возвращается к верхней границе и претерпевает повторные отражения и преобразования продольных волн в поперечные и наоборот. При этом могут образовываться поверхностные волны разных типов, которые могут распространяться на большие расстояния с малым затуханием (энергетический коэффициент затухания пропорционален 1/R). При этом образуются волны Релея, Стоунли и Лява. Скорость волн Релея всегда больше скорости звука в воде. Поэтому на достаточно высоких частотах, когда длина волны в водном слое соизмерима с глубиной океана, часть энергии волн Релея переходит в воду. Амплитуда волн при этом уменьшается. Оценки показывают, что влияние слоя воды при глубине океана 4 км начинает сказываться на частотах около 0,01 Гц. На частоте около 0,1 Гц волна, отраженная от поверхности жидкости, проходит на дно в противофазе, т.е. происходит максимальное подавление релеевской волны. Наибольшее затухание при этом претерпевает основная мода, так как ее пучность расположена на границе вода - грунт. Высшие моды затухают меньше, поскольку имеется ряд пучностей этих мод в нижележащих слоях. За счет обмена акустической энергией между жидкостью и упругим основанием при достаточной глубине океана может возникнуть и распространяться вдоль дна поверхностная волна Стоунли. При этом вдоль вертикали по обе стороны границы располагаются неоднородные затухающие волны. При глубине океана 4 км образование волн Стоунли возможно на частотах, начиная примерно с 1 Гц, а на частотах выше 10 Гц ограничивающим влиянием глубины океана можно пренебречь. Скорость волны Стоунли меньше скорости волн в воде и грунте, поэтому отсутствуют потери энергии за счет "вытекающих" волн. Отсюда следует, что распространение волн Стоунли вдоль морского дна на большие расстояния на высоких частотах возможно, в отличие от волн Релея. Поверхностные волны Лява представляют собой поперечные колебания с горизонтальной поляризацией. Поэтому они не могут непосредственно возбуждаться волнами, падающими на границу из водной среды или за счет перепадов анемобарического давления. Их появление в составе микросейсм связано с преобразованием волн Релея на неоднородностях земной коры, а также с сейсмической эмиссией из коры и верхней мантии.

Регистрация в известном способе [14] T-фазы с использованием волн накачки может привести к существенным трудностям при выделении предвестника цунами на комбинационных частотах в прибрежной зоне из-за возможных проявлений влияния местных микросейсм в широком частотном диапазоне, служащих естественным фоном, который определяет порог чувствительности сейсмографов.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности исследований и расширение функциональных возможностей способа оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана за счет повышения информативности. Поставленная цель достигается тем, что в способе оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана, включающем транспортировку к области исследования диагностического модуля, последовательное с временными заданными интервалами отделение от него нескольких комплектов спускаемых капсул, снабженных измерительной аппаратурой, включая радиозонд, количество которых удовлетворяет условию заполнения исследуемой области, измерение с помощью радиозондов во время их спуска и после приземления или приводнения параметров атмосферы, земной поверхности и океана, передачу информации от радиозондов на пункты приема, при этом на каждом i-м радиозонде измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана преобразуют в цифровые коды, формируют цифровое сообщение, содержащее i-й номер радиозонда и измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана, в цифровой форме, генерируют высокочастотное колебание на частоте wi, манипулируют его по фазе цифровьм сообщением и сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности и излучают в эфир, а на каждом пункте приема осуществляют последовательный поиск и преобразование сигналов по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, осуществляют его частотное детектирование, в результате которого выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного изменения фазы сложного сигнала с фазовой манипуляцией, формируют с их помощью разнополярное напряжение в прямом и обратном коде, пропорциональное цифровому сообщению, регистрируют и анализируют его, в результате чего определяют i-й номер радиозонда и значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана, в состав комплектов спускаемых капсул дополнительно включают дрейфующие и подводные измерительные станции, перед размещением капсул с измерительной аппаратурой выполняют мониторинг исследуемой области по фондовой и/или архивной информации, с формированием базы данных на пункте приема, включающей информацию о рельефе дна, стационарных гидродинамических процессах, результаты дистанционных аэрокосмических зондирований, характеристики состояний природной среды и техногенных объектов хозяйственной деятельности, характеристики геофизических полей, с формированием электронных карт; дрейфующие измерительные станции, снабженные спутниковых каналом радиосвязи и гидроакустическим каналом связи, размещают на водной поверхности; подводные измерительные станции, снабженные гидроакустическим каналом связи, размещают на нескольких горизонтах по глубине и на дне морской акватории; измерительные станции на дне морской акватории размещают вдоль береговой линии, на континентальных окраинах и на поверхности континентального шельфа в точках с явно выраженным рельефом поверхности (впадины, поднятия, подводные хребты, равнинные участки) в радиальном и аксиальном направлениях от установленных заранее базовых точек с известными геодезическими и географическими координатами; посредством измерительных дрейфующих и подводных измерительных станций выполняют ионизирующие, электромагнитное, акустическое и спин-протонное зондирования водной и земной среды, с последующим восстановлением и картированием рельефа среды, при этом излучение и прием сигналов выполняют по методике многократных перекрытий или одинаковых зондирований, выделяют флуктуации аномальных сигналов на фоновых уровнях естественной среды, выполняют сравнительный анализ стационарного и динамического процессов, выявляют аномальные области, строят прогноз развития ситуации путем построения параметрических моделей парных сравнений; при появлении в процессе регистрации сигналов новых аномальных точек корректируют прогноз на основе адаптивных методов оценок прогнозирования; на основании прогноза развития аномальных процессов в области исследований определяют степень рисков, влияющих на объекты хозяйственной деятельности, расположенные в области исследования, методом экспертных оценок, выраженных ранжировками, при этом выполняется проверка согласованности ранжировок посредством коэффициентов ранговой корреляции Кендалла и Спирмена, коэффициента ранговой конкордации Кендалла и Бэбингтона Смита и параметрической модели парных сравнений Терстоуна, Бредли-Терри-Льюса, и непараметрических моделей теории люсианов; посредством подводных измерительных станций регистрируют сигналы сейсмического происхождения, выполняют съемку геомагнитного и гравитационного полей, определяют прочностные характеристики грунта дна путем измерения коэффициентов сопротивления и трения; при акустическом зондировании морского дна регистрируют характеристики искажений формы отраженного сигнала, по которому судят о материале и размерах подводного объекта; спектральный анализ сейсмических волн выполняют как для объемных волн фаз РР и S, так и для поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли; при картировании рельефа местности выполняют сопряжение топографических и навигационных растровых карт.

Совокупность новых отличительных признаков, а именно: в состав комплектов спускаемых капсул включают дрейфующие и подводные измерительные станции, перед размещением капсул с измерительной аппаратурой выполняют мониторинг исследуемой области по фондовой и/или архивной информации, с формированием базы данных на пункте приема, включающей информацию о рельефе дна, стационарных гидродинамических процессах, результаты дистанционных аэрокосмических зондирований, характеристики состояний природной среды и техногенных объектов хозяйственной деятельности, характеристики геофизических полей, с формированием электронных карт; дрейфующие измерительные станции, снабженные спутниковым каналом радиосвязи и гидроакустическим каналом связи, размещают на водной поверхности; подводные измерительные станции, снабженные гидроакустическим каналом связи, размещают на нескольких горизонтах по глубине и на дне морской акватории; измерительные станции на дне морской акватории размещают вдоль береговой линии, на континентальных окраинах и на поверхности континентального шельфа в точках с явно выраженным рельефом поверхности (впадины, поднятия, подводные хребты, равнинные участки) в радиальном и аксиальном направлениях от установленных заранее базовых точек с известными геодезическими и географическими координатами; посредством измерительных дрейфующих и подводных измерительных станций выполняют ионизирующие, электромагнитное, акустическое и спин-протонное зондирования водной и земной среды, с последующим восстановлением и картированием рельефа среды, при этом излучение и прием сигналов выполняют по методике многократных перекрытий или одинаковых зондирований, выделяют флуктуации аномальных сигналов на фоновых уровнях естественной среды, выполняют сравнительный анализ стационарного и динамического процессов, выявляют аномальные области, строят прогноз развития ситуации путем построения параметрических моделей парных сравнений; при появлении в процессе регистрации сигналов новых аномальных точек корректируют прогноз на основе адаптивных методов оценок прогнозирования; на основании прогноза развития аномальных процессов в области исследований определяют степень рисков, влияющих на объекты хозяйственной деятельности, расположенные в области исследования, методом экспертных оценок, выраженных ранжировками, при этом выполняется проверка согласованности ранжировок посредством коэффициентов ранговой корреляции Кендалла и Спирмена, коэффициента ранговой конкордации Кендалла и Бэбингтона Смита и параметрической модели парных сравнений Терстоуна, Бредли-Терри-Льюса, и непараметрических моделей теории люсианов; посредством подводных измерительных станций регистрируют сигналы сейсмического происхождения, выполняют съемку геомагнитного и гравитационного полей, определяют прочностные характеристики грунта дна путем измерения коэффициентов сопротивления и трения; при акустическом зондировании морского дна регистрируют характеристики искажений формы отраженного сигнала, по которому судят о материале и размерах подводного объекта; спектральный анализ сейсмических волн выполняют как для объемных волн фаз РР и S, так и для поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли; при картировании рельефа местности выполняют сопряжение топографических и навигационных растровых карт, позволяет повысить достоверность исследований и расширить функциональные возможности способа за счет избыточности измерений и использования измерительной аппаратуры, основанной на разных принципах действия, а также за счет восстановления рельефа исследуемых природных средств, использования фондовой (архивной) информации о характеристиках исследуемой области с учетом характеристик субъектов хозяйственной деятельности (добычные платформы и морские терминалы и т.д.).

Способ реализуется следующим образом. Предварительно выполняют целевой мониторинг объекта исследований (точечного, группового, площадного или протяженного) и оперативной акватории, на которой возможно проявление нежелательных явлений природного или техногенного характера, оказывающих отрицательное воздействие на объект хозяйственной деятельности (акватория месторождения углеводородов, трассы морских трубопроводов и зоны их берегового примыкания, морские транспортные коммуникации, районы рыболовства, портовые акватории, морские платформы и терминалы в районах газоконденсатных месторождений), и определяют варианты по его защите. В результате целевого мониторинга объединяют в единое виртуальное пространство набор информационных блоков и локальных баз данных.

Предварительный целевой мониторинг объекта исследований включает:

- анализ гидрометеорологических и навигационно-гидрографических данных,

- сбор и анализ материала об объекте хозяйственной деятельности (ОХД) и районе его размещения,

- составление перечня мероприятий для обеспечения эксплуатационной безопасности ОХД,

- составление покомпонентных, моноэлементных и интегральных картосхем,

- выявление приоритетных зон мониторинга,

- установление сети мониторинга и контролируемых параметров. Информационные блоки и локальные базы данных содержат характеристики рельефа дна, гидрофизические и гидродинамические характеристики акватории, сведения о инженерно-геологических условиях района ОХД, характеристику навигационно-гидрографического обеспечения района, характеристику интенсивности судоходства и информацию об оценке особых природных явлений, влияющих на эффективность эксплуатации ОХД.

База данных ОХД и прилегающих акваторий включает следующие блоки: инженерно-технический, гидрометеорологический, гидрографический и навигационный.

Инженерно-технический блок содержит базу данных о расположении сооружений и систем обеспечения деятельности ОХД; перечень физических параметров ОХД, носящих излучающие свойства (акустическое, электромагнитное поле и др.); сведения о возможных аварийных ситуациях на ОХД, функционировании систем и средств обеспечения жизнедеятельности ОХД и персонала; сведения о способах прокладки трубопроводов, технические характеристики основного оборудования; сведения об опасных природно-техногенных процессах, развитие которых может повлечь за собой разрушение инженерных сооружений. Эти сведения содержатся в виде многослойных схем и карт ГИС-формата на пункте приема.

На схемах развития опасных (для инженерных сооружений) процессов и явлений выделяются опасные литодинамические, геокриологические, геодинамические, физико-химические и другие процессы и явления.

Гидрометеорологический блок включает фондовые (архивные) и оперативные материалы об изменениях уровня моря, экстремальных ветрах и волнениях, скорости и направлении течений, определяемые посредством дрейфующих станций, размещенных на морской акватории;

сведения о сроках появления и исчезновения различных генераций дрейфующего льда и припая, границах их распространения, морфологии, характеристиках сплоченности ледовых полей, динамике дрейфующего льда (в том числе айсбергов) и припая при нахождении ОХД в бассейне морей арктического региона. В данном блоке рассчитываются возможные варианты снижения эффективности ОХД под влиянием гидрометеорологических факторов, с выполнением численных экспериментов на моделях; определяются зоны стамухообразования, зоны навалов льда на берег; оценивается экзарация морского льда и абразия (термоабразия) берегов.

Инженерно-гидрологический блок содержит результаты промеров глубин, гидролокационной съемки, магнитометрии, подводных фотографирования и телеметрии, необходимые для выявления особенностей подводного рельефа; инженерно-гидрографические схемы участков с указанием размеров форм и углов наклона поверхностей; выделенные зоны возможного развития гравитационных процессов, виды ландшафтов в зоне воздействия проектируемых сооружений. Также в указанном блоке осуществляется прогноз возможного изменения ландшафтов, обусловленный перепланировкой поверхности морского дна и созданием новых форм микрорельефа.

Навигационный блок содержит сведения о действующих в районе расположения ОХД характеристиках радионавигационного поля, системах движения судов, рекомендованных путях движения судов на акватории и подходах к морским терминалам.

Ввиду того, что активные литодинамические процессы широко распространены практически на любых акваториях, доминируя в прибрежной зоне, на мелководьях и в зонах развития выраженного подводного рельефа, то реальную сложность для безопасной эксплуатации ОХД может представлять как интенсивное осадконакопление, способное нарушить функционирование систем механизмов и сооружений, так и искусственный интенсивный размыв, обусловленный вибрацией от функционирования агрегатов и механизмов, результатом которого может стать подмыв опор подводных инженерных сооружений с вероятностью их обрушения. Особенностью данного вида опасных процессов и явлений является возможность резкого трудно предсказуемого опасного изменения литодинамического режима именно вследствие создания на дне подводных инженерных сооружений, которые представляют собой препятствия для подводных течений и потоков наносов.

При этом на схеме опасных литодинамических процессов и явлений выделяются зоны интенсивного развития и аккумуляции донных отложений, зоны интенсивного размыва, показываются направления господствующих придонных течений, оцениваются объемы и направления потоков наносов.

Для данной схемы выделяется отдельный ГИС-слой. Структурно информация, сформированная в базе данных на пункте приема, подразделяется на:

- территориально-обобщенную информацию,

- объектно-идентифицирующую информацию,

- информацию о состоянии природной среды,

- дополнительную информацию.

Блок территориально-обобщенной информации содержит пространственную (картографическую) и атрибутивную (описательную) информацию о местонахождении и основных характеристиках ОХД на континентальном шельфе РФ, а также об основных транспортных маршрутах. Базой этого блока является цифровая карта М:2500000.

Блок объектно-идентифицирующей информации содержит данные, характеризующие исследуемый объект и участок ОХД. Базой этого блока является цифровая карта М 1:10000.

Информация данного блока включает:

- вид объекта и его основные характеристики,

- сведения об операторе проекта,

- вид минерального ресурса, добываемого на данном участке,

- данные о технологической установке,

- степень опасности объекта,

- пути и средства транспортировки.

Блок информации о состоянии природной среды содержит данные о характеристиках окружающей среды в районе и явлениях. В состав данных о природной среде входят:

а). графическая информация:

- рельеф дна,

- гидродинамическая картина,

- состав осадочного слоя,

- карты дистанционного зондирования.

б). атрибутивная информация:

- текущие характеристики природной среды в контрольных областях и базовых точках,

- данные о наличии и развитии опасных явлений в геологической среде,

- данные планово-высотного контроля.

Блок дополнительной информации содержит информацию о:

- смежных видах хозяйственной деятельности (помимо недропользования, например, о зонах рыболовства, путях судоходства, трубопроводных системах и т.п.);

- особо охраняемых территориях (заповедных зонах, путях миграции морских животных и т.п.).

Формирование информационной базы приемного пункта для участков континентального шельфа, на которых расположены ОХД, проводится на основе существующей информации (архивной).

Оценки эксплуатационной безопасности ОХД и возможности принятия конкретных корректирующих действий выполняются путем анализа временной динамики процессов и явлений в масштабах изучаемого региона, используя данные, полученные от диагностических модулей, оснащенных капсулами с измерительной аппаратурой, которые размещаются на водной и земной поверхностях на разных горизонтах глубин, на морском дне и в атмосфере на разных горизонтах высот, с заданным распределением в пространстве.

Посредством измерительной аппаратуры (радиозонд, гидроакустический зонд, датчики измерения температуры воздуха, морской воды, земной поверхности, атмосферного и гидростатического давления, деформации земной поверхности, технические средства формирования, излучения и приема зондирующих сигналов (ионизирующих, электромагнитных, акустических, протонных), размещенной на измерительных станциях, определяют параметры геофизических полей природного и искусственного происхождения. При этом диагностические модули содержат комплекты капсул, представляющие собой радиозонды, размещаемые в атмосфере с использованием парашютных систем, на водной (дрифтеры) и земной поверхностях, на нескольких горизонтах глубины (ныряющие буи), на дне (автономные донные станции и подводные обсерватории). Капсулы, размещенные на водной поверхности, в атмосфере и на земной поверхности снабжены спутниковыми каналами связи с приемным пунктом. Помимо этого капсулы, находящиеся в водной среде, снабжены гидроакустическими каналами связи, что позволяет зарегистрированную информацию (сигналы) оперативно транслировать на приемный пункт посредством капсулы, находящийся на водной поверхности и снабженной, помимо гидроакустического канала связи, также и спутниковым каналом связи.

Капсулы от поверхности до дна размещают с образованием веерной зоны. При этом каждая капсула, находящаяся на поверхности, может принимать по гидроакустическому каналу связи сигналы от восьми других капсул, находящихся в толще водной среды.

Принцип работы радиозондов аналогичен принципу работы, описанному в прототипе [3].

Формирование, регистрация и обеспечение гидроакустического канала связи осуществляется посредством соответствующих гидроакустических средств.

Аналогами измерительных датчиков капсул, размещенных в толще водной среды, являются измерительные датчики, описанные в аналоге [1].

Спин-протонное зондирование основано на детектировании механизмов спин-фононных взаимодействий в морской среде методом когерентного импульсного протонного спинового эха, который является одним из современных и перспективных методов квантовой радиофизики и относится к методам неразрушающего контроля [17].

Главное преимущество данного метода заключается в четкой физической концепции квантово-механических представлений о структуре вещества. Вся информация о структуре среды и явлениях, происходящих в ней, отображена в динамике прецессии спинов резонирующих поляризованных атомных ядер и детектируется методом протонного спинового эха, с учетом механизмов спин-фононных взаимодействий. Исследование структуры молекулы воды, динамики ее изменения в результате взаимодействия воды с природными и антропогенными объектами и явлениями дает возможность для изучения физической сути различных природных и антропогенных процессов (микроструктуры морской воды, динамики океанских течений, взаимодействия океана и атмосферы, поиск и обнаружение затонувших объектов, динамических характеристик магистральных трубопроводов и морских терминалов). Проблема исследования структуры воды, как и вообще жидкого состояния вещества, - одна из наиболее сложных в современной физике конденсированного состояния. Морская вода по составу и своей структуре является сложной гетерогенной и многофазной системой. Исследования показали, что многофазовые состояния морской воды обладают различными временами корреляции молекул жидкости и, соответственно, разными временами релаксации, которые зависят от интенсивности межфазового обмена. Благодаря уникальной энергетической чувствительности, почти достигшей в настоящее время квантового предела - постоянной Планка h=4·10^-15 эВ/Гц, данный квантовый радиофизический метод все более широко используется для самых различных измерений, требующих предельных разрешения и чувствительности. Импульсная мультиплексная логика измерений позволяют выделить фазы с разной подвижностью молекул и временами жизни протона в данной фазе, что исключительно важно для решения вышеуказанных задач. А использование эффектов механизма спин-фононных взаимодействий, т.е. поглощение энергии ультразвукового излучения отдельными фазами, составляющими гетерогенную систему, позволяет усилить или подавить остальные составляющие, что существенно повышает селективность и чувствительность метода. Определение номинальных условий распространения различных физических полей в пограничном слое океан - атмосфера, а также в толще морских и океанических вод позволяет реализовать задачу поиска и обнаружения утечек при эксплуатации подводных магистральных трубопроводов и реализовать квантовую измерительную сигнатурную систему анализа и контроля оперативной подводной обстановки в области исследований.

При этом осуществляется измерение геометрических размеров и соотношений, статистических, динамических и других физических характеристик контролируемых и наблюдаемых объектов (стационарных и подвижных), а также производится регистрация сигнатур: характерных полей, создаваемых этими объектами (электромагнитных, радиационных, магнитных), и приравненных к ним (полям) сигналов (акустических, сейсмических и др.), выявление химических и биологических агентов и состава конструкционных материалов объектов и их элементов.

Измерительная аппаратура капсул, размещенных в водной среде и на земной поверхности (в прибрежной зоне), также включает датчик ионизирующего излучения, посредством которого в зоне, представляющей интерес (например, береговые изломы, магистральные трубопроводы и другие подводные сооружения), облучают пучком ионов подводный объект, регистрируют ионы, прошедшие через объект, детектором, на основе сигналов которого получают изображение, которое получают по распределению пробегов ионов [18]. На приемном пункте по информации, полученной от диагностических модулей, с учетом информационных данных предварительного целевого мониторинга выполняют сравнительный анализ стационарного и динамического процессов, выявляют аномальные области, строят прогноз развития ситуации путем построения параметрических моделей парных сравнений; при появлении в процессе регистрации сигналов новых аномальных точек корректируют прогноз на основе адаптивных методов оценок прогнозирования; на основании прогноза развития аномальных процессов в области исследований определяют степень рисков, влияющих на объекты хозяйственной деятельности, расположенные в области исследования, методом экспертных оценок, выраженных ранжировками, при этом выполняется проверка согласованности ранжировок с помощью коэффициентов ранговой корреляции Кендалла и Спирмена, коэффициента ранговой конкордации Кендалла и Бэбингтона Смита, и параметрической модели парных сравнений Терстоуна, Бредли-Терри-Льюса, и непараметрических моделей теории люсианов [19], что позволяет проводить точечное и интервальное оценивание параметров, проверять значимость их отличия от 0 в непараметрической постановке, строить доверительные границы для прогноза. Основными процедурами обработки прогностических экспертных оценок являются проверка согласованности, кластер-анализ полученных результатов исследований.

При этом размещают средства регистрации гидроакустических сигналов, представляющие собой широкополосные донные сейсмографы, непосредственно на границе вода - грунт в прибрежной зоне и на удалении от прибрежной зоны, а также на разных горизонтах по глубине, с использованием для установки автономных донных станций, подводных обсерваторий, заякоренных платформ. Аналогом широкополосных сейсмографов являются широкополосные сейсмографы типа ЭХП-17, ЭХП-20.

На береговых станциях, размещенных вдоль береговой линии континентального шельфа, устанавливают широкополосные сейсмографы типа "G.Streckeisen Messgeratebau" (Швейцария) и "Guralp" (Англия) типа STS-1 и CMG-3. Выполняют регистрацию гидроакустических сигналов с выделением фаз типа РР, S, и Т. При этом регистрируют сейсмические шумы на частотах 0,008-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц, давление волн на дно на частотах 0,01-0,01 Гц.

Сигнал Т фазы, принятый в береговом клине, определяется в диапазоне частот 34…75 Гц при частоте квантования 160 Гц методом псевдодифференциального параболического уравнения, обеспечивающего выделение звуковых полей в двумерном неоднородном океане с переменными рельефом дна и профилем скорости звука с заданной точностью для любого диапазона углов скольжения локальных нормальных волн, с учетом взаимодействия между ними. Так как наблюдаемый сигнал S(t) является суммой сигналов от последовательно возбуждаемых слоев, то, представляя сигнал в виде вектора столбца временных отсчетов и обозначая через S векторы-столбцы сигналов от последовательно возбуждаемых слоев, имеем S(S₁, S₂,…, S_n), (a₁, a₂,…, a_n), a_i - суть амплитуды рассеивателей. В качестве решающей статистики используют сумму квадратов амплитуд, имеющую максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры. Оценку получают методом наименьших квадратов, так как система линейных уравнений является неопределенной.

Выполняя оценку для каждого момента времени, получают ее временную зависимость. Присутствие в ней максимума означает наличие в источнике ожидаемой структуры возбуждения звукового поля. При построении графика решающей статистики абсцисса глобального максимума соответствует времени прихода совокупного рассеянного сигнала. Определяют приход акустической волны сейсмического происхождения по величине сдвига частоты рассеянного излучения, при этом посредством средств регистрации, размещенных в ближней зоне от очага землетрясения, на внешних станциях приема и обработки сигналов, выполняют анализ низкочастотных составляющих рассеянного сигнала, качестве опорных квазигармонических высокочастотных сигналов используя шумы судоходства, а посредством средств регистрации, размещенных в прибрежной зоне, определяют момент появления и направление прихода сейсмоакустических волн путем узкополосной фильтрации и спектрального анализа. Выделение фаз типа РР, S и Т осуществляют путем узкополосной фильтрации посредством рекурсивных фильтров Баттерфорта, при этом входную фильтрацию осуществляют посредством рекурсивных фильтров с целочисленными коэффициентами, а сигналы с частотой дискретизации 100 Гц и ниже подвергают фильтрации с коэффициентами в виде чисел с плавающей запятой. Регистрацию гидроакустических сигналов осуществляют посредством широкополосных донных сейсмографов с не менее чем тремя сейсмическими каналами, при этом сигналы анализируются тремя независимыми детекторами, а сигнал обнаружения вырабатывается при совпадении сигналов тревоги, по крайней мере, в двух каналах из трех. Выполняют спектральный анализ как объемных волн фаз РР и S, так и поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли.

При регистрация сейсмических сигналов на дне одним из важных направлений использования широкополосных донных сейсмографов является исследование микросейсмических шумов, возбуждаемых морскими и океаническими волнами. Микросейсмы проявляются в широком диапазоне частот и служат естественным фоном, который определяет порог чувствительности сейсмографов. Регистрация характерных микросейсм выполняется с периодом около 6 секунд, кроме того, выявляются микросейсмы с периодами 20 и 100 секунд, что позволяет выделить как объемные Р и S волны, так и поверхностные волны Лява (колебания в диапазоне частот 0,0125-0,05 Гц), Релея и Стоунли (1-10 Гц). На береговых станциях волну Релея регистрируют на нулевой моде.

Аналогами подводных станций являются устройства, приведенные в источниках [20-27]. В общем случае подводные станции, кроме корпуса и конструктивных элементов (каркасная ферма, якорь-балласт, радиолокационные отражатели, маячки, автономный блок питания и т.д.), содержат измерительную аппаратуру, включающую спектроанализатор, блок контроля радиоактивного загрязнения, модем кабельной линии связи, блок регистрации и управления, аппаратуру гидроакустического управления, гидрофизический модуль, гидрохимический модуль, донный сейсмометр, блок управления датчиком магнитного поля, катушку прецессии, коммутационную коробку, блок автономного гидроакустического размыкателя, средства хранения информации.

Основные технические характеристики спектроанализатора: спектральный диапазон 0,52-0,78 мкм, полоса пропускания 0,54 нм на 0,783 мкм, точность позиционирования по спектру 0,2 нм, число спектральных каналов 4096.

Блок контроля радиационного загрязнения предназначен для определения in situ содержания в морской воде гамма-излучающих радионуклидов как техногенного, так и естественного происхождения.

Модем кабельной линии связи предназначен для передачи зарегистрированных параметров на диспетчерскую станцию.

Блок регистрации и управления подводным комплексом предназначен для сбора информации от датчиков подводной обсерватории, привязки ее к системе точного времени, сжатия и передачи по кабельной линии связи через модем кабельной линии связи или для записи информации на жесткий магнитный диск в автономном режиме. Аппаратура гидроакустического телеуправления предназначена для управления режимами работы и тестирования подводной обсерватории, а также подачи сигнала на всплытие радиобуев. Аппаратура гидроакустического управления состоит из двух частей. Аппаратура, входящая в состав диспетчерской станции и осуществляющая передачу команд управления на расстоянии до 8 километров, предназначена для управления режимами работы путем передачи гидроакустических команд управления, приема квитанций от подводной обсерватории, подтверждающих выполнение команд, измерения дальности до подводной обсерватории.

Подводная часть аппаратуры гидроакустического управления, размещенная в подводной обсерватории, обеспечивает прием и декодирование гидроакустических команд управления режимами работ подводной обсерватории и передачу квитанций, подтверждающих выполнение команд, а также подачу команд на всплытие радиобуев, сообщающих о превышении тех или иных параметров, измеряемых подводной обсерватории при работе в автономном и кабельном режимах.

Гидрофизический модуль предназначен для выполнения измерений следующих величин:

- температуры,

- давления,

- электропроводимости,

- вектора скорости течения (трехосный акустический измеритель течений),

- ориентации платформы обсерватории (величины крен-дифферент).

Донный сейсмометр предназначен для обеспечения непрерывного сейсмического мониторинга морского дна в широком частотном и динамическом диапазонах. Он включает в себя сейсмические датчики, сейсмоакустический датчик, блок пространственной ориентации.

Трехкомпонентные сейсмические датчики (две горизонтальные и одна вертикальная компоненты) предназначены для преобразования скорости колебаний грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазонах.

Трехкомпонентный сейсмоакустический датчик предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в соответствующем динамическом и частотном диапазонах. Основные технические характеристики датчика: количество сейсмоакустических каналов 3, частотный диапазон 20-1000 Гц, динамический диапазон в полосе 1/3 октавы и центральной частотой 30 Гц не менее 60 дБ, амплитуда выходного сигнала не более ±105, амплитуда контрольного сигнала при токе нагрузки 4 мА не более ±5 В. Датчик пространственной ориентации предназначен для определения точного положения в пространстве всех сейсмодатчиков.

В качестве датчика используется модуль электрического компаса ТСМ-2 фирмы "Precision Navigation", представляющий из себя трехосный феррозондовый магнитометр и электронный блок, выполненные на одной плате. В конкретном исполнении может быть применен магнитометр АКМ-1 с цезиевым датчиком, не требующим пространственной ориентации, а также пленочные магниточувствительные датчики (0,001-0,005 нТл). Блок гидрохимических измерений представляет собой устройство, предназначенное для классификации загрязнений морской воды по спектральным характеристикам и молекулярному составу, аналогами которого являются устройства, приведенные в источниках [28-31]. Средства регистрации и управления диспетчерской станции включают в себя:

- персональный компьютер, совместимый с IBM PC,

- приемник спутниковой навигационной системы GPS,

- блок автономного гидроакустического размыкателя,

- аппаратуру гидроакустического телеуправления.

Минимальная конфигурация персонального компьютера включает:

- процессор - Pentium 166 МГц,

- ОЗУ - 32 Мбайт,

- плату SVGA с памятью 1 Мбайт,

- дополнительную плату с двумя последовательными портами с FIFO памятью (UART16550 - совместимая).

Средства регистрации и управления используются для обработки информации, полученной с подводной обсерватории. Программно-математическое обеспечение указанных средств предназначено для проверки всех измерительных каналов подводной обсерватории и блока регистрации и управления через последовательный порт RS-485, привязки к системе единого времени внутренних часов блока регистрации и управления посредством аппаратуры гидроакустического телеуправления и приемника GPS, осуществления привязки к географическим координатам посредством аппаратуры гидроакустического телеуправления, получения информации по результатах тестовых проверок после установки подводной обсерватории на дно.

Блок автономного гидроакустического размыкателя предназначен для управления работой размыкателя балласта, необходимого для проведения спускоподъемных работ подводной обсерватории.

Алгоритм основного режима работы диспетчерской станции заключается в обеспечении связи между подводным комплексом и диспетчерской станцией, которая осуществляется через оптоволоконный глубоководный кабель по методу доступа с временным разделением абонентов. Каждая подводная обсерватория имеет свой адрес. В этом случае сеть диспетчерских станций работает в симплексном режиме. К одной диспетчерской станции одновременно возможно подключение через глубоководный кабель до 16-ти подводных обсерваторий, работающих в автономном необслуживаемом режиме.

Количество измерительных каналов в каждой подводной обсерватории зависит от решаемой задачи в конкретном месте постановки подводной обсерватории. В принципе, максимальное количество цифровых измерительных каналов может быть до 30, а аналоговых - до 6.

Управляющий компьютер диспетчерской станции и программно-математическое обеспечение реального времени предназначены для управления оборудованием подводной обсерватории, диагностирования ее неисправностей, приема данных, получаемых с подводной обсерватории, и размещения получаемых данных на устройствах накопления информации. Функционирование всего аппаратно-программного комплекса определяется файлом конфигурации, который создается специальной программой и задает наличие подводных обсерваторий, тип используемых геофизических каналов, параметры каналов, а также наличие или отсутствие аппаратуры синхронизации времени (приемник GPS).

При запуске программы регистрации считывается конфигурация всей сети подводной обсерватории и производится привязка времени по Гринвичу с точностью до нескольких десятков микросекунд и расчет поправок к частоте кварца компьютера для поддержания функционирования комплекса в случае кратковременного отказа приемника GPS. Синхронизация времени осуществляется каждую секунду от приемника GPS.

Вслед за синхронизацией происходит опрос, программирование, синхронизация и запуск оборудования отдельных подводных обсерваторий. Запрашивается состояние оборудования каждой подводной обсерватории (ее исправность, наличие каналов, исправность каналов и т.д.). В случае возникших проблем на экран выдается соответствующее сообщение (оно также записывается в файл протокола функционирования). В блок регистрации и управления подводной обсерватории передается программа работы для каждого измерительного канала, частота опроса и коэффициент усиления.

Перед запуском каждый блок управления и регистрации синхронизируется по времени компьютера диспетчерской станции (в дальнейшем синхронизация проводится каждые 10 сек). При синхронизации учитывается время прохождения сигнала от компьютера диспетчерской станции до синхронизируемого блока регистрации и управления. После этого блок регистрации и управления запускается и начинает сбор данных с измерительных каналов. Блок регистрации и управления в каждой подводной обсерватории работает независимо и всю информацию сжимает и складывает в буферную память. Управляющий компьютер диспетчерской станции циклически запрашивает у соответствующего блока регистрации и управления данные о зарегистрированных датчиками сигналов и, в случае их наличия, принимает их и записывает в свои буфера в оперативной памяти. После накопления достаточного количества данных для канала они переписываются в файл, соответствующий типу канала. Обычно эти файлы расположены на другом компьютере и доступны по локальной сети, хотя для кратковременных экспериментов система может быть сконфигурирована таким образом, что будет использоваться локальный диск. При кратковременных разрывах связи (до 10 мин) данные не теряются в силу наличия у каждого блока регистрации и управления достаточно большого собственного буфера. В процессе обмена данными оператором может быть проведена калибровка любого измерительного канала, входящего в состав сети диспетчерской станции. При возникновении нештатных ситуаций (разрыв связи с подводной обсерваторией, его поломка, отказ отдельных каналов, либо восстановления вышеперечисленного), а также некоторых штатных ситуаций (возникновение события или запуск калибровки соответствующего измерительного канала) выдается сообщение на экран, включающее время по Гринвичу наступления ситуации, имена подводных обсерваторий и канала и само сообщение. Сообщения также записываются в буфер размером 100 строк и в файл протокола. Буфер может быть просмотрен оператором в любое время.

Измерительные датчики подводной обсерватории после ее постановки на дно функционируют по прямому назначению. Зарегистрированные датчиками сигналы записываются на средства хранения информации, при сеансах связи передаются на диспетчерскую станцию, где выполняется полный анализ оценки сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов, по результатам которого делается прогноз о возможных сейсмических и экологических последствиях природного и техногенного характера.

При реализации заявляемого способа, также используется устройство, основанное на детектировании механизмов спин-фононных взаимодействий в морской среде методом когерентного импульсного протонного спинового эха, который является одним из современных и перспективных методов квантовой радиофизики и относится к методам неразрушающего контроля. Главное преимущество данного метода заключается в четкой физической концепции квантово-механических представлений о структуре вещества. Вся информация о структуре среды и явлениях, происходящих в ней, отображена в динамике прецессии спинов резонирующих поляризованных атомных ядер и детектируется методом протонного спинового эха, с учетом механизмов спин-фононных взаимодействий. Исследование структуры молекулы воды, динамики ее изменения в результате взаимодействия воды с природными и антропогенными объектами и явлениями дает возможность для изучения физической сути различных природных и антропогенных процессов (микроструктуры морской воды, динамики океанских течений, взаимодействия океана и атмосферы, поиск и обнаружение затонувших объектов, динамических характеристик магистральных трубопроводов и морских терминалов). Проблема исследования структуры воды, как и вообще жидкого состояния вещества, одна из наиболее сложных в современной физике конденсированного состояния. Морская вода по составу и своей структуре является сложной гетерогенной и многофазной системой. Исследования показали, что многофазовые состояния морской воды обладают различными временами корреляции молекул жидкости и, соответственно, разными временами релаксации, которые зависят от интенсивности межфазового обмена. Благодаря уникальной энергетической чувствительности, почти достигшей в настоящее время квантового предела - постоянной Планка h=4·10^-15 эВ/Гц, данный квантовый радиофизический метод все более широко используется для самых различных измерений, требующих предельных разрешения и чувствительности. Импульсная мультиплексная логика измерений позволяют выделить фазы с разной подвижностью молекул и временами жизни протона в данной фазе, что исключительно важно для решения технической задачи заявляемого способа.

Использование эффектов механизма спин-фононных взаимодействий, т.е. поглощение энергии ультразвукового излучения отдельными фазами, составляющими гетерогенную систему, позволяет усилить или подавить остальные составляющие, что существенно повышает селективность и чувствительность метода, установить номинальные условия распространения различных физических полей в пограничном слое океан - атмосфера, а также же в толще морских и океанических вод, и, кроме того, позволяет усовершенствовать систему контроля при обнаружении утечек в процессе эксплуатации магистральных трубопроводов и, в конечном итоге, создать квантовую измерительную сигнатурную систему анализа и контроля оперативной обстановки в регионе. Устройство, посредством которого реализуется заявляемый способ, представляет собой зонд протонного спинового эха, снабженный спектрометром протонного спинового эха и блоком обработки спин-релаксационных параметров, аналог которого описан в источнике [17].

При использовании данного устройства также решается задача обеспечения безопасной эксплуатации газонефтяных месторождений, расположенных на акваториях Северного Ледовитого океана, при наличии айсберговой опасности. При этом устройство может быть установлено как непосредственно на поверхности айсберга в телескопическом устройстве, управляемом по радиоимпульсам, так и размещено в морской среде с плавательного средства, или на низколетящем летательном аппарате, например на вертолете или запускаемом с судна беспилотном комплексе ледовой разведки типа «Дозор» [32].

Посредством блока обработки спин-релаксационных параметров выполняют детектирование молекулярных спиновых взаимодействий протонов морской воды в жидкой (омываемой айсберг) и твердой фазах.

Определяют τ - время и l - длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии или импульса. Параметры τ и l, которые характеризуют затухание во времени и пространстве взаимного влияния молекул, т.е. корреляцию, рассчитывают на основании зависимостей:

t_p=L/D², где D - коэффициент диффузии, t_p - температура, t_p=τ(L/l₁)², L - объем, t_p=L/c, с - коэффициент температурной проводимости [33]. Так как время протонной спин-решетчатой релаксации морской воды изменяется в зависимости от температуры [34, 35], то посредством разности температур воздуха, морской воды и ледяного образования определяется объем айсберга и его внешняя конфигурация.

Длину корреляции динамических переменных, описывающих потоки энергии и/или импульса от вершины до подошвы ледяного образования, определяют в радиальном, аксиальном и тангенциальном направлениях путем детектирования механизмов спин-фононных взаимодействий в морской воде.

Томографическое восстановление изображения исследуемого айсберга или торосистого ледового образования выполняют на уровне решетки льда - тридимита, что позволяет выявить трещины и изломы, анализ которых позволит принять наиболее правильное решение по транспортировке или разрушению айсберга при угрозе нарушения безопасной эксплуатации морских нефтегазовых терминалов месторождений.

Для исследований параметров среды используется весь спектр существующих датчиков: радиолокационных, геофизических (акустических, сейсмических, магнитных), радиоактивных излучений, оптоэлектронной и радиолокационной съемки, с перекрытием всего электромагнитного спектра. При этом осуществляется измерение геометрических размеров и соотношений, статистических, динамических и других физических характеристик контролируемых и наблюдаемых объектов (стационарных и подвижных), а также, производится регистрация сигнатур: характерных полей, создаваемых этими объектами (электромагнитных, радиационных, магнитных) и приравненных к ним (полям) сигналов (акустических, сейсмических и др.), выявление химических и биологических агентов и состава конструкционных материалов объектов и их элементов.

В состав измерительной аппаратуры также включены эхолот, предназначенный для поиска продуктов гидросферы и их количественной оценки, а также для профилирования дна, гидролокатор бокового обзора, предназначенный для съемки рельефа дна, поиска и количественной оценки продуктов биосферы, высокоточный профилограф, предназначенный для точного профилирования рельефа дна, и низкочастотный параметрический профилограф, предназначенный для профилирования придонных осадков. Аналогами данных устройств являются устройства, приведенные в источнике [36], обеспечивающие определение скорости звука на нескольких горизонтах диапазона глубин, а также амплитуды отраженного i-м слоем дна акустического импеданса и определение величины относительного (межслойного) коэффициента отражения R: R_i=|Z_iZ_i-1|/(Z_i+Z_i+1), где Z_i и Z_i+1 импедансы i-го слоя и предыдущего.

Посредством гидроакустических средств получают абсолютные коэффициенты отражения слоя, импеданс слоя, коэффициент затухания акустической энергии в слое, коэффициент акустической восприимчивости слоя, коэффициент шероховатости слоя, распределение кажущейся плотности в толще донного грунта. Преимущество предлагаемого способа перед известными техническими решениями аналогичного назначения состоит в обеспечении регистрации сигналов геофизических полей, обусловленных как изменениями характеристик природной среды, так и воздействиями ОХД в исследуемой области. Предлагаемый способ может быть реализован на основе серийно выпускаемых измерительных средств, средств вычислительной техники, стандартных интерфейсах и апробированных алгоритмах обработки информации, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Источники информации

1. RU 2254600 C1, 20.06.2005.

2. RU 2041476 C1, 09.08.1995.

3. RU 2295142 C1, 10.03.2007.

4. RU 2156958 C1, 27.09.2000.

5. DE 2455341 A1, 26.05.1976.

6. RU 2066468 C1, 10.09.1996.

7. RU 1251694 C, 30.07.1994.

8. RU 1787273 A3, 07.01.1993.

9. SU 1787276 A3, 07.01.1993.

10. SU 1787275 A3, 07.01.1993.

11.SU 1787274 A3, 07.01.1993.

12. RU 2030769 C1, 10.03.1995.

13. RU 2030766 C1, 10.03.1995.

14. RU 2292569 C1, 27.01.2007.

15. Левин Б.В., Носов М.А. Физика цунами и родственных явлений в океане. - М.: Янус - К, 2005. 360 с.

16. Рабинович А.Б. Длинные гравитационные волны в океане: захват, резонанс, излучение. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1993, 325 с.

17. Зверев С.Б. Новый метод исследования динамики вод океана / Труды Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, т.3, Владивосток, 1990, с.160-172.

18. US 3980885 А, 14.09.1976.

19. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. - М.: Радио и связь, 1982, 432 с.

20. RU 2270464 C1, 20.02.2006.

21. RU 2276388 C1, 10.05.2006.

22. RU 2294000 C1, 20.02.2007.

23. EP 0519031 A1, 23.12.1992.

24. EP 0516662 A1, 09.12.1992.

25. NO 911639 A, 26.10.1992.

26. Смирнов Г.В., Еремеев В.Н., Агеев М.Д. и др. Океанология: средства и методы океанологических исследований. - М.: Наука, 2005.

27. Ковчин И.С. Автономные океанографические средства измерений. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

28. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию под ред. Дытнерского Ю.Н. - М.: Химия, 1983.

29. Химико-аналитические комплексы фирмы Agilent Technologies (US), http://www.chem.agilent.com.

30. Химико-аналитические комплексы фирмы SR1 Instruments (US), http://www.perichrom.com.

31. Химико-аналитические комплексы ЗАО "Хроматэк" (RU), http://www.chromatec.ru.

32. Робот исследует льды / Пресс-Регион Плюс, №1, С. - Пб., 2009, с.4.

33. Большая Советская Энциклопедия под ред. Прохорова A.M. 3-е издание, т.21. - М.: Советская Энциклопедия, 1975, с.1854.

34. Попов Н.И., Федоров К.Н., Орлов В.М. Морская вода. - М.: Наука, 1979, с.261.

35. Мельниченко Н.А. Влияние основных компонентов морской воды на ее структурные особенности / Океанология, 1975, том 15, вып.5, с.839-841.

36. Воронин В.А., Тарасов С.П., Тимошенко В.И. Гидроакустические параметрические системы. - Ростов-на-Дону: Ростиздат, 2004, 400 с.

37. Walker D.A. and Bernard E.N. Comparison of T-Phase Spectra and Tsunami. Amplitudes for Tsunamigenic and Other Earthquakes. J. Geophys. Res., 98, № C7, p.12557-12565, 1993.

38. Okal E.A. Seismic parameters controlling far-field tsunami amplitudes: a review. Nat. Hazards, 1, p.69-96, 1988.

Изобретение относится к области экологических исследований и может быть использовано при мониторинге окружающей среды. Сущность: проводят мониторинг исследуемой области по фондовой и/или архивной информации. Формируют базу данных, включающую информацию о рельефе дна, стационарных гидродинамических процессах, состоянии природной среды и техногенных объектах хозяйственной деятельности, геофизических полях, а также информацию, полученную в результате дистанционных аэрокосмических зондирований. Составляют электронные карты исследуемой области. Затем при помощи диагностического модуля к исследуемой области доставляют комплекты капсул с измерительной аппаратурой. Измерительная аппаратура капсул включает дрейфующие и подводные измерительные станции, радиозонд. Выполняют необходимые измерения. Полученные сигналы преобразуют в цифровые коды и передают на пункты приема и обработки. В процессе обработки выделяют флуктуации аномальных сигналов на фоновых уровнях естественной среды. Далее выполняют сравнительный анализ стационарного и динамического процессов, выявляют аномальные области. После этого строят прогноз развития ситуации. При появлении в процессе регистрации сигналов новых аномальных точек корректируют прогноз на основе адаптивных методов оценок прогнозирования. На основании прогноза развития аномальных процессов в области исследований определяют степень рисков, влияющих на объекты хозяйственной деятельности, методом экспертных оценок. Технический результат: повышение достоверности и информативности, расширение функциональных возможностей.

Способ оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана, включающий транспортировку к области исследования диагностического модуля, последовательное, с временными заданными интервалами, отделение от него нескольких комплектов спускаемых капсул, снабженных измерительной аппаратурой, включая радиозонд, количество которых удовлетворяет условию заполнения исследуемой области, измерение с помощью радиозондов во время их спуска и после приземления или приводнения параметров атмосферы, земной поверхности и океана, передачу информации от радиозондов на пункты приема, при этом на каждом i-м радиозонде измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана преобразуют в цифровые коды, формируют цифровое сообщение, содержащее i-й номер радиозонда и измеренные значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана в цифровой форме, генерируют высокочастотное колебание на частоте ωi, манипулируют его по фазе цифровым сообщением, и сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности и излучают в эфир, а на каждом пункте приема осуществляют последовательный поиск и преобразование сигналов по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, осуществляют его частотное детектирование, в результате которого выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного изменения фазы сложного сигнала с фазовой манипуляцией, формируют с их помощью разнополярное напряжение в прямом и обратном коде, пропорциональное цифровому сообщению, регистрируют и анализируют его, в результате чего определяют i-й номер радиозонда и значения j параметров атмосферы, земной поверхности и океана, отличающийся тем, что в состав комплектов спускаемых капсул включают дрейфующие и подводные измерительные станции, перед размещением капсул с измерительной аппаратурой выполняют мониторинг исследуемой области по фондовой и/или архивной информации, с формированием базы данных на пункте приема, включающей информацию о рельефе дна, стационарных гидродинамических процессах, данные дистанционных аэрокосмических зондирований, характеристики состояния природной среды и техногенных объектов хозяйственной деятельности, характеристики геофизических полей, с формированием электронных карт; дрейфующие измерительные станции, снабженные спутниковым каналом радиосвязи и гидроакустическим каналом связи, размещают на водной поверхности; подводные измерительные станции, снабженные гидроакустическим каналом связи, размещают на нескольких горизонтах по глубине и на дне морской акватории; измерительные станции на дне морской акватории размещают вдоль береговой линии, на континентальных окраинах и на поверхности континентального шельфа в точках с явно выраженным рельефом поверхности (впадины, поднятия, подводные хребты, равнинные участки), в радиальном и аксиальном направлениях от установленных заранее базовых точек с известными геодезическими и географическими координатами; посредством измерительных дрейфующих и подводных измерительных станций выполняют ионизирующие, электромагнитное, акустическое и спин-протонное зондирования водной и земной среды, с последующим восстановлением и картированием рельефа среды, при этом излучение и прием сигналов выполняют по методике многократных перекрытий или одинаковых зондирований, выделяют флуктуации аномальных сигналов на фоновых уровнях естественной среды, выполняют сравнительный анализ стационарного и динамического процессов, выявляют аномальные области, строят прогноз развития ситуации путем построения параметрических моделей парных сравнений; при появлении в процессе регистрации сигналов новых аномальных точек корректируют прогноз на основе адаптивных методов оценок прогнозирования; на основании прогноза развития аномальных процессов в области исследований определяют степень рисков, влияющих на объекты хозяйственной деятельности, расположенные в области исследования, методом экспертных оценок, выраженных ранжировками, при этом выполняется проверка согласованности ранжировок посредством коэффициентов ранговой корреляции Кендалла и Спирмена, коэффициента ранговой конкордации Кендалла и Бэбингтона Смита, и параметрической модели парных сравнений Терстоуна, Бредли-Терри-Льюса, и непараметрических моделей теории люсианов; посредством подводных измерительных станций регистрируют сигналы сейсмического происхождения, выполняют съемку геомагнитного и гравитационного полей; определяют прочностные характеристики грунта дна путем измерения коэффициентов сопротивления и трения; при акустическом зондировании морского дна регистрируют характеристики искажений формы отраженного сигнала, по которому судят о материале и размерах подводного объекта; спектральный анализ сейсмических волн выполняют как для объемных волн фаз РР и S, так и для поверхностных волн Лява, Релея и Стоунли, при картировании рельефа местности выполняют сопряжение топографических и навигационных растровых карт.