СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ НАСТУПЛЕНИЯ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК G01V11/00 

Изобретение относится к геофизике, а более конкретно к способам обнаружения возможности наступления катастрофических явлений преимущественно на море и может быть использовано при решении следующих фундаментальных задач:

изучение строения земной коры в акваториях мирового океана, исследование совокупности проявления геофизических полей в зонах тектонических разломов непосредственно на дне океана, исследование состояния морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, геофизический мониторинг сложных гидротехнических сооружений, оперативная оценка сейсмического и гидродинамического состояния районов и прогноза возможных сейсмических и экологических последствий, а также при заблаговременном оповещении о землетрясениях и цунами.

Известен способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений [1], включающий измерение параметра геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, в котором измерения проводят 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.

Недостатком способа является то, что он имеет низкую достоверность прогноза, так как измеряют только один параметр геофизического поля.

Кроме того, синусоидальные колебания измеряемого параметра при наложении на них акустических и гидродинамических шумов техногенного характера могут быть как периодическими, так и апериодическими, что требует получения многочисленных массивов измеряемого параметра для выявления амплитуды, статистически достоверно отличающейся от фоновой для достижения положительного технического результата.

Известен способ сейсмического микрорайонирования [2], включающий 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, в котором с целью повышения достоверности за счет учета влияния латеральной неоднородности скального основания и более глубоких горизонтов геологического разреза, дополнительно проводят трехкомпонентную регистрацию сейсмических колебаний по ортогональной ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей, при этом расстояние между пунктами наблюдений не превышает 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.

Выполнение трехкомпонентной регистрации сейсмических колебаний по ортогональной ориентированной на потенциально опасные очаговые зоны сети профилей действительно повышает достоверность классификации возможного землетрясения. Однако, ввиду того, что в известном способе определение динамических параметров осуществляется путем анализа только наиболее высокочастотных сейсмических колебаний, то достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности прогноза, возможно только при стабильных во времени колебательных процессов и при отсутствии помех, обусловленных акустическими и гидродинамическими шумами природного и техногенного характера. И если в наземных условиях с некоторыми допущениями данный способ имеет положительный технический эффект, то в морских условиях он практически не применим.

Кроме того, существенную роль в повышении точности измерения сигналов, по которым устанавливают предвестники катастрофических явлений, является база измерений и ориентация средств измерения относительно источника. Так, например, разнос измерителей в высоких и экваториальных широтах на более чем на 10 километров при измерении электрических и магнитных компонент приводит к большим (до 50%) погрешностям измерений импеданса.

Аналогичные недостатки имеют также известные способы и устройства, предназначенные для регистрации сигналов сейсмического происхождения в морских условиях [3-19]. В известных способах существенное значение погрешности обусловлено тем, что при обработке зарегистрированных сигналов используют среднее поле распространения сигналов. В то время как максимальные отклонения реального поля от среднего отличаются именно на горизонтах максимальных градиентов. При этом реальное поле резко отличается от идеальной модели. При влиянии внешних факторов с использованием акустических средств регистрации сигналов образуется зона тени, расположенная в полосе от 5 до 16 километров от источника. Причем ее протяженность в разных направлениях неодинакова и может отличаться в 5 раз и более, а с увеличением дистанции между приемником и источником сигналов погрешности возрастают. Для морских условий до 15 километров они находятся в пределах 2 дБ, далее в промежутке от 15 до 30 километров наблюдается их резкий рост до 6 дБ. В дальнейшем в промежутке от 30 до 60 километров величина погрешности монотонно увеличивается до 7,5 дБ. Известные способы позволяют достичь технического результата, заключающегося в повышении достоверности, только в условиях изотропного поля, так как характер убывания интенсивности звукового сигнала по мере удаления от источника в горизонтально неоднородном поле (особенно в океане) резко отличается от той же зависимости в условиях изотропного поля. Мезомасштабные неоднородности океана (фронты, ринги) резко перестраивают звуковое поле, вызывая колебания интенсивности сигнала до 5 дБ при прогнозе дальности их действия (Д) до 10 км. Поэтому для эффективного прогноза гидрологоакустических условий в аномальных районах необходимо четкое установление центров и границ, а также определение параметров возмущающих образований. Неопределенность в расчете звукового поля по климатическим данным или опорному полю выражается в стандартных отклонениях реального уровня от опорного в 4-9 дБ, при Д=90 км, что соответствует погрешности в прогнозе ожидаемой дальности действия гидроакустических систем на 60-90%. Использование единственной кривой вертикального распределения скорости звука для акустических расчетов допустимо лишь на малых дистанциях (до 10 км), что крайне редко встречается в реальных условиях. По величине и направлению (знаку) горизонтального градиента вдоль трассы распространения сигнала можно судить о степени изменчивости интенсивности звукового поля на горизонте приема относительно фиксированного источника. Для расчетов акустического поля параметром является профиль скорости звука, точно

совпадающий с фактическим профилем в месте расположения источника. Однако при использовании режимной информации среднеквадратический профиль, как правило, не совпадает с фактическим, что приводит к дополнительным случайным погрешностям в конечном результате.

Кроме того, в известных способах обработка сигналов осуществляется с использованием детермированного метода интерполяции, для которого достаточно иметь только результаты измерений с некоррелированными погрешностями. При этом путем интерполяции измеренных значений определяют среднее значение параметра на середину отрезка, соединяющего точки измерения. В этом случае для двух измеренных значений будет одно и то же значение интерполяционного коэффициента α=½. При использовании линейной интерполяции интерполяционный коэффициент при оптимальной интерполяции определяется исходя из условия минимума средней квадратической погрешности интерполяции

, где К(r) - значения корреляционной функции аномалии параметра при аргументе r принимают значения 0, 0,5L, L, m - средняя квадратическая погрешность измерения параметра, L - расстояния, между которыми выполнено измерение параметра.

В общем случае суммарная относительная погрешность измерения вариаций δ_b известными способами определяется как

, где

М_и - инструментальная погрешность измерителя, δ_l - погрешность, обусловленная колебаниями базы измерений, δ_h - погрешность, обусловленная градиентами вариаций, δ_k - погрешность за счет определения коэффициента корреляции, δ_и - погрешность интегратора, А - средняя амплитуда измеряемых вариаций, n - число циклов суммирования.

Из анализа выражения видно, что при суммировании данных происходит накапливание ошибок, т.е. возможности способов ограничены числом циклов n, при котором δ_b не выйдет за пределы заданного значения δ_з.

Выявленных недостатков лишен способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, включающий измерение параметров геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений путем непрерывных измерений с выявлением колебаний измеряемого параметра с обнаружением синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, по которым судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений, в котором дополнительно измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, сейсмические шумы на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов с получением временной зависимости для каждого поля, по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии, путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений, при этом база измерений не превышает 50-100 километров в средних широтах и 8-10 километров в высоких и экваториальных широтах соответственно, а средства измерения ориентированы по восьми румбам [20].

Технический результат данного способа, заключающийся в измерении вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитной индукции электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрической составляющей электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустических шумов на частотах 5-50000 Гц, сейсмических шумов на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамического шума моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов, по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии, путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений при базе измерений, не превышающей 50-100 километров в средних широтах и 8-10 километров в высоких и экваториальных широтах соответственно, с ориентацией средств измерения по восьми румбам позволяют оценить изменение строения земной коры в акваториях мирового океана, состояние морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, выполнить геофизический мониторинг путем обобщенного моделирования сейсмического и экологического состояния исследуемого района, получить оперативную оценку сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов с более достоверным прогнозом возможных сейсмических и экологических последствий, а также осуществить более раннее оповещение о приближающихся землетрясениях и цунами.

Однако практически во всех известных способах в используемых моделях генерации цунами вода рассматривается как несжимаемая жидкость, в которой, в принципе, не могут возникать и распространяться акустические поля или с сжимаемой жидкостью, но при этом дно принимается абсолютно жестким (Левченко Д.Г. Регистрация широкополосных сейсмических сигналов и возможных предвестников сильных землетрясений на морском дне. М.: Научный мир, 2005, 240 с.). Во втором случае низкочастотные гидроакустические поля локализованы в глубоководной части океана и не могут распространяться на большие расстояния по океаническим волноводам, так как в волноводе с жестким дном может существовать только дискретное акустическое поле в водной среде на частотах выше критической. При уменьшении глубины акватории вблизи континентов критическая частота уменьшается и низкочастотное гидроакустическое поле должно затухать.

Выявленных недостатков лишен способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений (заявка RU 2009116095 от 29.04.2009 [21]), в котором техническим результатом является расширение функциональных возможностей по сравнению с известными способами, с одновременным повышением достоверности прогноза.

При этом заявленный технический результат достигается за счет того, что в способе обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, включающем измерение параметров геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений путем непрерывных измерений с выявлением колебаний измеряемого параметра с обнаружением синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, по которым судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений, дополнительно измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, сейсмические шумы на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов с получением временной зависимости для каждого поля, по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизическою фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии, путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений, при этом база измерений не превышает 50-100 километров в средних широтах и 8-10 километров в высоких и экваториальных широтах соответственно, а средства измерения ориентированы по восьми румбам, в которых дополнительно регистрируют давление волн цунами на дно на частотах 0,003-0,01 Гц, при этом одновременно регистрируют на суше в прибрежной зоне поверхностную волну Релея.

Регистрация давления волн цунами на дно на частотах 0,003-0,01 Гц, с одновременной регистрацией на суше в прибрежной зоне поверхностной волны Релея в сочетании с измерением вариации магнитной индукции электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрической составляющей электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустических шумов на частотах 5-50000 Гц, сейсмических шумов на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамического шума моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов, а по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии, путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений при базе измерений, не превышающей 50-100 километров в средних широтах и 8-10 километров в высоких и экваториальных широтах соответственно, с ориентацией средств измерения по восьми румбам позволяют оценить изменение строения земной коры в акваториях мирового океана, состояние морской среды в придонной зоне и ее взаимодействие с тектоническими процессами, выполнить геофизический мониторинг путем обобщенного моделирования сейсмического и экологического состояния исследуемого района, получить оперативную оценку сейсмического и гидродинамического состояния исследуемых районов с более достоверным прогнозом возможных сейсмических и экологических последствий, а также осуществить более раннее оповещение о приближающихся землетрясениях и цунами.

Однако использование для составления прогноза поверхностной волны Релея, ввиду того, что скорость волн Релея определяется соотношением V_R<bc_t, где b=0,75-0,96, c_t - скорость поперечной волны, не позволяет существенно повысить степень прогноза. Это объясняется тем, что поскольку c_t примерно в два раза больше скорости звука в воде c=1,5 км/с, то скорости волн Релея V_R всегда больше с.

Поэтому на достаточно высоких частотах, когда длина волны в водном слое соизмерима с глубиной океана, часть энергии волн Релея переходит в воду (Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: АН СССР, 1957, 500 с.). Амплитуда волн при этом уменьшается. Оценки показывают, что влияние слоя воды при глубине океана 4 км начинает сказываться на частотах около 0,1 Гц. На частоте около 1 Гц волна, отраженная от поверхности жидкости, приходит на дно в противофазе, т.е. происходит максимальное подавление волны Релея. Наибольшее затухание претерпевает основная мода, т.к. ее пучность расположена на границе вода-грунт. Высшие моды затухают меньше, поскольку имеется ряд пучностей этих мод в нижележащих слоях. Все это ограничивает применение известного способа [21], что обусловлено сравнительно небольшими расстояниями распространения волн Релея, а также глубинами океана.

Задачей заявляемого технического решения является расширение функциональных возможностей известных способов с повышением достоверности прогноза.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, включающем измерение параметров геофизического поля в контролируемом районе и суждение но полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений путем непрерывных измерений с выявлением колебаний измеряемого параметра с обнаружением синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, по которым судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений, дополнительно измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, сейсмические шумы на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов с получением временной зависимости для каждого поля, по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии, путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений, при этом база измерений не превышает 50-100 километров в средних широтах и 8-10 километров в высоких и экваториальных широтах соответственно, а средства измерения ориентированы по восьми румбам, дополнительно регистрируют давление волн цунами на дно на частотах 0,003-0,01 Гц, при этом одновременно регистрируют на суше в прибрежной зоне поверхностную волну Релея, в котором в отличие от прототипа [21], дополнительно на суше в прибрежной зоне регистрируют поверхностную волну Стоунли, при анализе волн Релея выделяют высокочастотные (0,1-3,5 Гц) спектры микросейсм, а суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофического явления выполняют по спектрам мощности ускорений для вертикальной составляющей микросейсм, выделенных из поверхностных волн Релея и Стоунли, путем сравнения периодов «спокойного» состояния и микросейсмического «шторма».

Отличительные признаки, заключающиеся в том, что дополнительно, на суше в прибрежной зоне регистрируют поверхностную волну Стоунли, при анализе волн Релея выделяют высокочастотные (0,1-3,5 Гц) спектры микросейсм, а суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофического явления выполняют по спектрам мощности ускорений для вертикальной составляющей микросейсм, выделенных из поверхностных волн Релея и Стоунли, путем сравнения периодов «спокойного» состояния и микросейсмического «шторма» позволяют повысить степень прогноза, что подтверждается следующими фактами.

За счет обмена акустической энергией между жидкостью и упругим основанием при достаточной глубине океана может возникнуть и распространяться вдоль дна поверхностная волна Стоунли (Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: АН СССР, 1957, 500 с.). При этом вдоль вертикали по обе стороны границы располагаются неоднородные затухающие волны. Для распространения волны Стоунли без потерь (диссипацией можно пренебречь) необходимо, чтобы толщина водного слоя была много больше, чем длина волны в этом слое. Затухание неоднородной волны в вертикальном направлении в воде и грунте происходит соответственно выражениям (Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: АН СССР, 1957, 500 с.):

и где - f - частота; с, c_t и c_l - скорость соответствующих волн в жидкости и грунте; ρ и ρ_l - плотность воды и грунта соответственно. Из анализа этих выражений следует, что для волны Стоунли затухание по глубине в грунте значительно больше, чем в воде. Для принятых выше параметров воды и грунта существенное затухание волны Стоунли в грунте происходит на расстоянии длины волны в воде λ_в, а в воде на расстоянии около 15 λ_в. 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, как известно, меньше скорости волн в воде и грунте (Линьков Е.М. Сейсмические явления. Л.: ЛГУ, 1987, 247 с.), поэтому отсутствуют потери энергии за счет «вытекающих» волн, присущие для волн Релея. Отсюда следует возможность распространения волн Стоунли вдоль морского дна на большие расстояния на высоких частотах в отличие от волн Релея. Следует, однако, отметить, что на частотах выше 1 Гц необходимо учитывать наличие обводненного слоя осадков, что приводит к более быстрому затуханию неоднородных волн.

Сущность способа заключается в следующем.

Как и в прототипе [21], посредством измерительной аппаратуры, установленной, например, на подводной обсерватории, которая в свою очередь установлена на морском дне в зонах тектонических разломов, измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитной индукции электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрической составляющей электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустических шумов на частотах 5-50000 Гц, сейсмических шумов на частотах 0,01-20 Гц гидродинамического шума моря на частотах 0,01-100 Гц. При этом измерение градиентов полей производится датчиками, работающими на разных физических принципах, по сигналам, вызванным различными источниками, и является соответственно некоррелированным, что позволяет выделить составляющие полезных сигналов на фоне помех и, как следствие, сигналы поступают на средства обработки очищенными от помех.

Дополнительно посредством кварцевых измерителей давления регистрируют давление волн цунами на дно на частотах 0,003-0,01 Гц, а на суше в прибрежной зоне регистрируют поверхностную волну Релея. В качестве модели генерации цунами используется модель волновода с упругим дном. В таком волноводе наряду с дискретным гидроакустическим полем (прототип) в водной среде существует непрерывное сейсмическое поле в донном массиве (нулевая мода). Моды дискретного поля связаны между собой через упругое дно. По сути в волноводе распространяется единое сейсмогидроакустическое поле. При изменении глубины происходит адиабатическая трансформация мод в соответствии с новой критической частотой. При достаточно плавном изменении крутизны континентального склона порядок мод понижается, наконец первая мода переходит в нулевую, которая далее распространяется на суше в виде поверхностной волны Релея. Для измерения толщины водного слоя в зоне измерений используется донный эхолот.

В отличие от известного способа [21] дополнительно в прибрежной зоне регистрируют волну Стоунли, что позволяет исключить потерю энергии за счет «вытекающих» волн и выполнять измерения на больших расстояниях на высоких частотах, а суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофического явления выполняют по спектрам мощности ускорений для вертикальной составляющей микросейсм, выделенных из поверхностных воли Релея и Стоунли, путем сравнения периодов «спокойного» состояния и микросейсмического «шторма»

В качестве измерительных датчиков могут быть использованы акустические сейсмические датчики для регистрации акустических сигналов или широкополосные электрохимические преобразователи, протонные или квантовые вариометры и магнитометры для измерения электрической и магнитной компоненты естественного электромагнитного поля земли с выделением магнитотеллурической составляющей на фоне помех с разносом электрических и магнитных датчиков на величину Δr≤(0,013…0,025)r, (где r - расстояние между приемником и источником). При этом выделение магнитотеллурической составляющей на фоне помех существенно упрощается, так как помехи по электрическому и магнитному каналам вызваны различными источниками (являются некоррелированными) ввиду разноса датчиков на величину Δr. При этом магнитные составляющие естественного магнитного поля меньше, чем электрические, зависят от характера геоэлектрического разреза вдали от горизонтальных неоднородностей.

В качестве датчика магнитного поля, предназначенного для измерения абсолютного значения магнитной индукции поля земли в морских акваториях до глубин 6000 метров, применен датчик с диапазоном измеряемой величины магнитной индукции 20000-100000 нТ.

В качестве сейсмических датчиков для реализации заявляемого способа применены акустический сейсмодатчик, представляющий собой трехкомпонентный сейсмоакустический датчик, который предназначен для преобразования третьей производной колебания грунта в электрический сигнал в частотном диапазоне 20-1000 Гц, динамический диапазон которого в полосе 1/3 октавы и центральной частотой 30 Гц составлял не менее 60 дБ, а также сейсмоприемник типа СМ-5 (велосиметр), включающий три сейсмических датчика с частотным диапазоном регистрации сейсмических сигналов 0,03-40 Гц, полный динамический диапазон не менее 120 дБ и широкополосный многоканальный электрохимический преобразователь типа ЭХП-20.

Для определения состава морской воды применен спектроанализатор, в котором по измеренным спектрам комбинационного рассеивания оптического излучения в спектральном диапазоне 0,52-0,78 мкм с полосой пропускания 0,54 нм на 0,783 мкм, с числом спектральных каналов, равным 4096.

Для измерения скорости и направления течения, температуры воды, гидродинамического давления, электропроводности и солености морской воды применен гидрофизический модуль, включающий соответствующие датчики.

Для регистрации гидрофизических полей использован модуль регистрации гидрофизических полей, включающий датчики хемилюминесцентного, хроматографического, ионселективного и радиометрического анализа, аналогом которого является устройство, приведенное в описании к патенту РФ №2030747 С1.

Динамический шум моря определяется в диапазоне частот от 5 до 10 Гц посредством измерительного модуля, включающего последовательно соединенные гидрофон, предварительный усилитель, линию связи, широкополосный усилитель, анализатор спектра. Полученные сигналы о динамическом шуме моря подвергаются дискретизации и квантованию, а потом проходят спектральную обработку по алгоритму модифицированных периодограмм в следующей последовательности. Из последовательности сигналов X₂(m) длиной L отсчетов вычисляют для каждой последовательности

X₂(m) коэффициенты быстрого преобразования Фурье

, где W(m) - соответствующее окно. Далее вычисляют периодограмму , где f_k(k/L) - частота дискретного преобразования Фурье, - энергия окна.

Оценка энергетического спектра выполняется как

Динамический шум моря совпадает с частотой примерно на 5 дБ.

Для решения такого рода задач необходимо непрерывную область акватории дискретизировать с помощью узлов регулярной сетки. Затем определяется граф путем задавания связи (ребра графа) на этой сетке. Возможные связи определяются путем специального индексирования узлов регулярной сетки с помощью дерева Фарея-Коши. При этом коэффициенты аппроксимации по флуктуационным полям выражаются аналитически через интегралы по фрагментам опорного поля в отдельных ячейках сетки.

Зарегистрированные сигналы, характеризующие вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, сейсмические шумы на частотах 0,01-20 Гц и 0,003-0,001 Гц с одновременной регистрацией на суше в прибрежной зоне поверхностной волны Релея, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов, подвергаются обработке для каждого конкретного момента времени для получения временной зависимости в границах, характеризующих уровни состояния естественного геофизического поля и геофизического поля в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии, как геофизического поля, подверженного в данный период наибольшим максимальным возмущениям по всем составляющим геофизических и гидрофизических полей.

Все сейсмические датчики информационно объединены в подсистему сбора и регистрации сейсмических данных, которая осуществляет сбор, оцифровку и накопление сигналов от всех сейсмических датчиков. Подсистема представляет собой программно-аппаратный комплекс для Intel-совместимого семейства процессоров и снабжена средствами отладки, тестирования и визуализации. Предусмотрены три режима регистрации сигналов: непрерывный, старт-стопный но заданной программе и старт-стопный с управлением по уровню сигнала. Управление параметрами подсистемы производится по результатам экспресс-обработки сигналов на основе анализа уровня энергии и спектрального состава посредством алгоритмов реального времени.

Подсистема сбора и регистрации сейсмических данных работает под управлением программы ROM-DOS (DOS 6.22).

Для регистрации динамического диапазона регистрируемых сигналов под каждую регистрируемую компоненту отводится два канала усиления, чувствительный и грубый, с соотношением коэффициентов усиления К₁/К₂=2ⁿ.

Аппаратная часть подсистемы сбора и регистрации данных состоит из цифрового регистратора, блока хранения точного времени, гидроакустического канала связи, центрального микрокомпьютера с накопителем на жестком диске.

Цифровой регистратор представляет собой микромодульный контроллер на базе Intel -совместимого процессора NECV25 с PCMCIA флэш-накопителем и стандартным выходным средством коммуникации на основе интерфейса RS 232. Микроконтроллер содержит встроенный многоканальный АЦП с последовательным интерфейсом, программируемые таймеры, часы реального времени, порты цифрового ввода-вывода, внешние каналы аппаратного прерывания и канал прямого доступа к памяти. Блок хранения точного времени сконструирован полностью на КМОН-элементах и используется как генератор эталонных минутных (секундных) меток для синхронизации часов микроконтроллера.

Центральный компьютер собран с использованием процессорной платы типа MicroPC фирмы Octagon systems (US).

Для расширения динамического диапазона регистрируемых сигналов под каждую регистрируемую компоненту отводится два канала усиления, чувствительный и грубый, с соотношением коэффициентов К₁/К₂=2ⁿ, где n выбирается из уровня реального сейсмического фона в месте установки измерительных сейсмических датчиков. Таким образом удается довести динамический диапазон в условиях помех до 130дБ с использованием недорогого и надежного 12-разрядного АЦП.

Оцифровка сейсмических сигналов происходит с использованием механизма внешних прерываний сигналами программируемого внутреннего таймера микроконтроллера. Оцифровка и сбор данных осуществляется с элементами предварительной обработки для улучшения метрологических характеристик каналов регистрации. Аналоговые сигналы цифруются на более высокой частоте, затем подвергаются цифровой фильтрации и осреднению «тройками» и «пятерками» с последующей разрядкой до получения требуемой частоты выборок. Все процедуры фильтрации в системе выполняются в реальном времени с помощью быстрых рекурсивных фильтров Баттерворта. В характерных точках программы с высокой скоростью канализации данных, в частности, при входной фильтрации использованы рекурсивные фильтры с целочисленными коэффициентами. В других характерных узлах программы, где цифровой фильтрации подлежат отсчеты с частотой дискретизации 100 Гц и ниже, применены рекурсивные фильтры с «точными» коэффициентами, представленными в виде чисел с плавающей запятой. Рекурсивные фильтры подобного типа использованы, в частности, в алгоритме детектора сейсмических сигналов. Для повышения быстродействия фильтры Баттерворта высокого порядка сформированы путем каскадного соединения звеньев второго порядка. Данные сейсмических каналов анализируются независимыми детекторами.

Программа регистратора содержит телекоммуникационный драйвер, который поддерживает полудуплексный режим связи с центральным компьютером. Связь осуществляется на основе высокопроизводительного бинарного протокола обмена с использованием отдельных сигналов интерфейса RS 3222. Массивы данных сохраняются на жестком диске в файлах, формат которых удовлетворяет принятым сетевым требованиям, и при необходимости с помощью простейшего программного супервизора формата могут быть интегрированы в любой из существующих в мировой практике форматов обмена сейсмологическими данными.

При анализе волн Релея выделяют высокочастотные (0,1-3,5 Гц) спектры микросейсм, а суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофического явления выполняют по спектрам мощности ускорений для вертикальной составляющей сейсмических сигналов, включая микросейсмы, выделенные из поверхностных волн Релея и Стоунли, путем сравнения периодов «спокойного» состояния и микросейсмического «шторма».

При обработке сигналов, в качестве решающей статистики используется сумма квадратов амплитуд, имеющая максимальное значение для сигнала ожидаемой структуры. Вычисления выполняются для каждого момента времени для получения временной зависимости для каждого поля. Присутствие в ней максимума означает наличие в источнике ожидаемой структуры возбуждения того или иного поля. Глобальный максимум соответствует времени прихода совокупного принятого сигнала. При достижении величины глобального максимума, равного среднему значению между амплитудами, характеризующими уровни состояния естественного геофизического и гидрофизического полей и геофизического поля и гидрофизического поля в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии, судят о возможности наступления катастрофического явления.

Предлагаемый способ также может быть использован и в условиях суши.

Устройства для реализации способа в широком ассортименте имеются на рынке, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности "промышленная применимость".

Источники информации

1. Патент RU №2030769.

2. Авторское свидетельство SU №1251694.

3. Патент ЕР №0525391.

4. Патент NL №9120014.

5. Патент ЕР №0509062.

6. Патент ЕР №0512756.

7. Патент US №5131489.

8. Патент US №5128907.

9. Патент NO №923269.

10. Патент NO №923364.

11. Патент NO №169985.

12. Патент ЕР №0516662.

13. Патент US №5142501.

14. Патент NO №923269.

15. Патент ЕР №0519810.

16. Патент ЕР №0519031.

17. Патент СА №1310101.

18. Патент NO №911639.

19. Патент NO №171387.

20. Патент RU №2346300.

21. Заявка RU 2009116095.

Изобретение относится к области геофизических исследований и может быть использовано для оценки возможности наступления подводных землетрясений и цунами. Сущность: непрерывно измеряют параметры геофизического поля в контролируемом районе. Выявляют колебания измеряемого параметра с обнаружением синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района. При обнаружении указанных синусоидальных колебаний делают вывод о возможности наступления катастрофического явления. На суше в прибрежной зоне регистрируют поверхностные волны Релея и Стоунли. О наступлении катастрофического явления судят по спектрам мощности ускорений для вертикальной составляющей микросейсм, выделенных из волн Релея и Стоунли, а именно: сравнивают периоды спокойного состояния и периоды микросейсмического шторма. Технический результат: повышение достоверности обнаружения надвигающегося катастрофического явления.

Способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, включающий измерение параметров геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений путем непрерывных измерений с выявлением колебаний измеряемого параметра с обнаружением синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, по которым судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений, дополнительно измеряют вариации магнитного поля на частотах 0,01-1,0 Гц, магнитную индукцию электромагнитного поля на частотах 1-200 Гц, электрическую составляющую электромагнитного поля на частотах 1-500 Гц, акустические шумы на частотах 5-50000 Гц, сейсмические шумы на частотах 0,01-20 Гц, гидродинамический шум моря на частотах 0,01-100 Гц в зонах тектонических разломов с получением временной зависимости для каждого поля, по измеренным параметрам выполняют факторный анализ на уровнях естественного геофизического фона и геофизического фона в период фазы нахождения солнца и луны на одной небесной линии путем построения графика амплитуд градиентов сейсмических, геодеформационных, геохимических, гидрофизических предвестников катастрофических явлений, при этом база измерений не превышает 50-100 км в средних широтах и 8-10 км в высоких и экваториальных широтах соответственно, а средства измерения ориентированы по восьми румбам, дополнительно регистрируют давление волн цунами на дно на частотах 0,003-0,01 Гц, при этом одновременно регистрируют на суше в прибрежной зоне поверхностную волну Релея, отличающийся тем, что дополнительно на суше в прибрежной зоне регистрируют поверхностную волну Стоунли, при анализе волн Релея выделяют высокочастотные (0,1-3,5 Гц) спектры микросейсм, а суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофического явления выполняют по спектрам мощности ускорений для вертикальной составляющей микросейсм, выделенных из поверхностных волн Релея и Стоунли, путем сравнения периодов «спокойного» состояния и микросейсмического «шторма».