СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ДЛИННОМЕРНОГО ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF LONG-DIMENSIONAL OBJECT STATE MONITORING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для контроля состояния длинномерных объектов, а именно протяженных приповерхностных слоев литосферы в виде участков земли толщиной несколько километров и площадью сотни квадратных километров, расположенных в сейсмоопасных зонах на поверхности земли и морском дне, с целью предсказания землетрясений, цунами, техногенных катастроф, а также поиска и разведки полезных ископаемых.
Физико-механические характеристики таких протяженных объектов, прежде всего геометрия поверхности и смещения внутренних слоев земной коры, а также параметры действующих сейсмических волн, здесь определяются путем измерений распределений дифференциальных кривизн ∂K/∂S, полей вибраций и температуры с помощью градиентной сейсмической оптоволоконной кабельной антенны в трехмерном пространстве. Полученные результаты измерений вдоль оси S каждого луча антенны, после фотопреобразования их в электрические сигналы, синхронно детектируют, усиливают и преобразуют эти электрические сигналы в цифровую форму, представляющие собой регистрограммы. По этим данным определяют основные характеристики инфразвуковых и высокочастотных пространственных сейсмических волн и рассчитывают гипоцентр очага землетрясения.
Согласно заявленному способу и устройству, реализующему указанный способ, выбирают измерительный полигон. Из отрезков информационно-измерительного оптоволоконного кабеля путем их зонтичного соединения изготавливают градиентную сейсмическую оптоволоконную кабельную антенну, четыре луча которой устанавливают крестообразно на поверхности полигона и один луч закрепляют в вертикальной скважине. Возбуждают одновременно все лучи антенны от одного когерентного источника оптического излучения и на выходах всех лучей получают характеристики основных предвестников землетрясения. Причем все входы кабельных лучей этой антенны через оптические разъемы подключены к выходам дополнительно установленного оптического разветвителя, соединенного с выходом оптического усилителя сигнала импульсного когерентного лазера, а выходы соединены с оконечными устройствами, расположенными в конце каждого кабельного луча. В свою очередь каждое оконечное устройство кроме собственного входного оптического разъема содержит оптическую линию задержки, соединяющую между собой первую и вторую, дополнительно установленную в кабельном луче, аналогичную по конструкции первой, пятиканальную оптоволоконную измерительную линию (ИВЛ), проложенную в прямом и обратном направлениях по всей длине каждого кабельного луча, размещенную как и первая ИВЛ в общей светоотражающей оболочке, заполненной тиксотропным гелем с иммерсионными свойствами. Выход второй ИВЛ размещен во входном разъеме каждого кабельного луча. Далее выходы вторых ИВЛ всех пяти кабельных лучей через указанные разъемы соединены со входами блока фотоприемников, который через демодулятор, один выход которого соединен с последовательно соединенными блоком АЦП, процессором БПФ, вычислительным устройством и видеотерминалом, а второй выход блока АЦП непосредственно подключен ко второму входу вычислительного устройства, третий вход которого соединен с выходом буферной памяти, в свою очередь второй выход вычислительного устройства через дополнительно размещенный блок подготовки и передачи сигналов, подключен на вход также дополнительно установленной спутниковой антенны.
Технический результат - повышение точности и селективности контроля за счет расширения диапазона данных при контроле состояния приповерхностного слоя литосферы.
В настоящий момент известно счетное множество литосферных признаков землетрясений (Яновская Т.Б. Основы сейсмологии. С.-П.: 2008, с. 179-181), таких как сдвиговые деформации земной поверхности, изменение соотношения скоростей распространения продольных и поперечных сейсмических волн, изменение наклона земной поверхности, изменения температурного режима приповерхностных слоев, изменение составляющих геомагнитного поля, удельного электрического сопротивления земной коры и др.
Перечисленные признаки-предвестники имеют долговременный интервал существования, но не позволяют точно предсказать момент наступления самого события. Существует линейная зависимость (формула Гутенберга-Рихтера) между логарифмом времени предвестника (Т) и магнитудой (М): Т=0,79М - 1,88 (см., например, Т. Рикитаке, "Предсказание землетрясений", перевод с англ., Мир, М., 1979 г, стр. 242, стр. 314, табл. 15.13). Но эта формула дает весьма приближенные результаты в связи с низкой точностью исходных данных, обусловленной несовершенством применяемых средств измерений характеристик предвестников землетрясений.
Одним из наиболее достоверных признаков - предвестников землетрясений является изменение спектрального образа очага землетрясения непосредственно перед событием, в виде изменения амплитудных соотношений между спектральными составляющими волнового процесса, генерируемого очагом.
Например, установлено (см., В.А. Липеровский, Л.С. Шалимов, О.А. Похотелов "Ионосферные признаки землетрясений", Наука, М, 1992, стр. 163) появление за несколько минут до события особо низких гармоник с периодом 10…20 секунд. Для регистрации длиннопериодных сейсмических колебаний применяют сейсмографы и другие устройства в виде распределенных сейсмических антенн с набором различных датчиков, объединенных общей кабельной линией связи.
Наиболее распространенная схема системы контроля и регистрации основных физико-механических параметров предвестников землетрясений, размещенная в «сверхкустовой» обсерватории США, показана на рис. 4.8 в книге Т. Рикитаке «Предсказание землетрясений». Изд. «Мир», М.: 1979, с. 70. В представленной схеме, в зоне тектонического разлома на площадке (полигоне) с размерами 10×20 км установлены 2 глубинных скважинных группы приборов, каждая из 5 сейсмографов, расположенных в 150 м друг от друга, наклономера и трех стрейн-сейсмографов. Недалеко от скважины на небольшом заглублении от поверхности (несколько метров) по обеим сторонам от линии разлома размещены 2 станции, каждая из которых содержит 2 наклономера, сейсмограф и 3 стрейн-сейсмографа. В данном случае под стрейн-сейсмографом понимается прибор для записи низкочастотных сейсмических движений, включая статические смещения грунта. Лазерный деформограф кон тролирует высоту 4-х точек прямоугольной поверхности площадки с размерами 1×1 км. Дополнительный лазерный дальномер с двумя отражательными зеркалами контролирует расстояние (порядка 20 км) между каждыми двумя из трех точек полигона. Все приборы на полигоне связаны с пультом оператора в центре обработки информации кабельной линией. Таким образом, здесь реализуются следующие операции способа контроля состояния приповерхностного участка литосферы для прогнозирования землетрясений:
- выбор пространственного приповерхностного участка литосферы (измерительного полигона) с площадью поверхности не менее 200 кв. км и толщиной не менее 1 км в наиболее сейсмоактивной зоне районирования, например, в зоне тектонического разлома;
- бурение в геометрическом центре поверхности выбранного полигона вертикальной геофизической скважины глубиной не менее 1 км;
- выбор и размещение на поверхности полигона и в скважине инерциальных и/или инклинометрических чувствительных элементов, связанных между собой и центром обработки данных, информационно-измерительным кабелем;
- измерения деформаций земной коры по трем декартовым координатам на поверхности измерительного полигона и в скважине;
- контроль изменения сейсмического режима за счет измерения амплитудно-фазочастотных характеристик высокочастотных (форшоковых и афтершоковых), а также инфразвуковых волн;
- контроль изменения линейных скоростей сейсмических волн с разделением их на продольные, поперечные и глубинные;
- контроль изменения наклона земной поверхности.
Недостатками этого способа-аналога и системы его реализующей являются:
- низкие точность и селективность контроля из-за дискретного измерения геометрии поверхности и смещений внутренних слоев участка литосферы;
- непригодность способа для восстановления особо низкочастотных сейсмоволн, например, длиной более 50 км;
- возможность пропуска слабых высокочастотных сейсмических сигналов при регистрации их во времени;
функциональная ограниченность способа по составу контролируемых параметров (только линейные и угловые перемещения выбранных участков земной коры);
- высокие энергозатраты на проведение измерений, сбор и передачу информации;
- низкая надежность контроля из-за большого количества соединений электронных и электромеханических элементов, размещенных в зоне ударных воздействий и вибраций.
Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в обеспечении возможности получения пространственного изображения признака-предвестника в виде непрерывных распределений его характеристик и производных от них вдоль заданных дуговых и линейных координат в контролируемом объеме участка земной коры и достоверного предсказания события путем сопоставления как параметров самих сигналов - предвестников так и ассоциативных признаков.
За последние 40 лет, прошедшие с момента подготовки и издания этой известной монографии, список применяемых технических средств для контроля параметров предвестников землетрясений существенно расширился.
Проведем анализ наиболее значимых патентов в этой области, прежде всего обращая внимание на форму и состав сейсмодатчиков, используемых в распределенных приемных сейсмических антеннах.
x
y
x
y
В патенте РФ №2130195 авторов Давыдова В.Ф., Щербакова А.С., Комарова Е.Г. и др. «Способ предсказания землетрясений», опубликованном 10 мая 1999 г., описан способ включающий преобразование сейсмических волн в электрический сигнал, взятие отсчетов измеряемой величины в нескольких точках пространства, отличающийся тем, что дополнительно создают на выбранном профиле наблюдения измерительный полигон в виде прямоугольной решетки из N безынерционных измерителей, размещенных в узлах решетки и отстоящих друг от друга на расстоянии λ/4 при геометрических размерах сторон решетки, кратных длине волны λ сигнала предвестника, измеряют амплитуду А сигнала в каждом узле решетки со скважностью менее 1 с, формируют матрицу цифровых отсчетов сигнала предвестника размерностью m×m элементов в функции пространственных координат А(х,у), вычисляют параметры электрического сигнала матрицы: энергетический спектр сигналов S(F), S(F), пространственный период , направление прихода волны θ=arctg F/F, автокорреляционную функцию B(R) и по их значениям и времени существования судят о магнитуде и времени ожидаемого землетрясения. Функциональная схема устройства, реализующего этот способ, содержит гелиевый лазер, обеспечивающий через адресный электрооптический дефлектор запитку волоконно-оптических линий пространственной решетки, в узлах которой размещены измерительные модули. Формирование матрицы дискретных отсчетов осуществляется программным методом посредством программируемой схемы выборки, осуществляющей адресное управление дефлектором и канальным коммутатором. Считывание дискретных отсчетов от измерительных модулей осуществляется по шинам считывания, последовательно, по столбцам. Результаты измерений накапливаются в буфере-формирователе. Сформированная измерительная матрица задаваемого размера m х m элементов считывается в оперативное запоминающее устройство ПЭВМ, содержащей процессор-вычислитель, винчестер, клавиатуру, дисплей и принтер. Измерительный модуль содержит волоконно-оптический ответвитель, интерферометр Маха-Цендера в режиме акселерометра, аналого-цифровой преобразователь и адресный сервер.
Основными недостатками данных способа и устройства являются также низкая точность определения значений измеряемого параметра - амплитуды сигнала-предвестника, связанная с дискретностью его измерения в ограниченном числе точек расположения измерительных модулей в узлах прямоугольной решетчатой антенны, а также узкий диапазон контролируемых сейсмических параметров, являющихся предвестниками землетрясений.
Известна также попытка синтеза апертуры сейсмической антенны в патенте РФ №2227311 авторов Давыдова В.Ф., Никитина А.Н., Новоселова О.Н. и др. «Способ краткосрочного предсказания землетрясений», опубликованном 20 апреля 2004 года, включающем преобразование измеряемой величины в электрический сигнал, взятие дискретных отсчетов амплитуды сигнала в разнесенных точках пространства, формирование регистрограмм измерений зависимости дискретных отсчетов амплитуд от пространственных координат, обработку регистрограмм, отличающийся тем, что образуют из датчиков-измерителей, разнесенных с постоянным шагом по координатам x, у, линейные крестообразные группы, расставляют их в контролируемом регионе ориентированно по сторонам света на расстоянии, соизмеряемом с размерами очага, регистрируют датчиками-измерителями амплитуду вертикального электростатического поля у поверхности земли Е, осуществляя их последовательный циклический опрос, формируют регистрограммы измерений каждой из групп раздельно по координатам E(x, t) и Е (у, t), рассчитывают гипоцентр очага как точку пересечения векторов, направляющие косинусов которых вычисляют через производные от регистограмм крестообразной группы
o
определяют период T сигнала регистрограмм, прогнозируют магнитуду и время удара по регрессионным зависимостям ; .
Функциональная схема устройства, реализующая вышеописанный способ, содержит единичные датчики-измерители в составе последовательно включенных электростатического датчика, политронного усилителя и интегратора. Единичные датчики-измерители собраны в линейные крестообразные группы, разнесенные на базу В. Посредством измерительных шин каждый из единичных датчиков-измерителей подключен к канальному коммутатору, осуществляющему их циклический опрос за интервал времени, задаваемый программой программируемой схемы выборки измерений. Одновременно эта схема осуществляет программную синхронизацию работы аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и буфера - формирователя, подключенных последовательно к канальному коммутатору. Программируемая схема выборки измерений управляется компьютером (ПЭВМ), в стандартном наборе элементов: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), винчестера, дисплея, принтера и клавиатуры. Выход буфера - формирователя подключен к ОЗУ ПЭВМ.
Основными недостатками данных способа и устройства являются также низкая точность определения значений главного измеряемого параметра - амплитуды вертикального электростатического ноля, связанная с дискретностью его измерения в ограниченном числе точек расположения датчиков-измерителей каждой крестообразной антенны, а также узкий диапазон контролируемых сейсмических параметров, являющихся предвестниками землетрясений.
Более близким к заявленному здесь является изобретение, описанное в патенте SU 1742615 «Способ контроля состояния длинномерного объекта и устройство для его осуществления» авторов Михеева С.М., Земерова В.Н. и Елшанского П.В., опубликованном 23 июня 1992 г., в котором впервые осуществлено непрерывное измерение распределенных физико-механических характеристик длинномерного объекта с помощью измерительной волноводной линии, размещенной в зоне контроля этого объекта.
В указанном патенте представлен способ контроля состояния длинномерного объекта, заключающийся в том, что в зоне контроля размещают протяженный канал передачи волновой энергии в оптическом диапазоне, в котором установлены линии задержки одной или нескольких мод, измеряют параметры последней и по ним определяют физико-механические данные о состоянии объекта и их распределение в зоне контроля, отличающийся тем что, с целью повышения точности контроля и расширения диапазона данных, канал передачи волновой энергии выполняют в виде волновода, фиксируют моды колебаний указанной энергии, формируют по крайней мере одну из них в качестве опорно-информативной, с ее учетом выделяют из указанных мод наиболее информативные по указанным физико-механическим данным и измеряют параметры каждой из них. За параметры мод принимают амплитудно-фазочастотные характеристики их передачи по волноводу и реакцию этих характеристик на изменение формы, структуры объекта и окружающих давления и температуры.
Устройство для контроля состояния длинномерного объекта, содержащее источник модулированной волновой энергии, канал передачи волновой энергии и демодулятор, отличающееся тем, что с целью повышения точности контроля оно снабжено двумя пространственными фильтрами, один из которых включен между выходом источника модулированной волновой энергии и входом канала передачи волновой энергии, а второй пространственный фильтр - между входом демодулятора и выходом канала передачи волновой энергии, который выполнен в виде многомодового протяженного волновода прямоугольного или круглого сечения или их сочетаний, а демодулятор выполнен в виде подключенных к выходам второго пространственного фильтра двух синхронных детекторов, интегратора, подключенного к выходу одного из них, и связанного с выходами интегратора, второго синхронного детектора и операционного усилителя. Дополнительно устройство, описанное выше, снабжено гетеродинным преобразователем частот сигналов, включенным между выходами второго пространственного фильтра и входами синхронных детекторов.
Основными недостатками указанного изобретения являются узкие функциональные возможности способа и устройства для его осуществления из-за низкой точности и селективности контроля вследствие малого количества одновременно контролируемых параметров - только распределений кривизны длинномерного объекта в одной плоскости, а также полей давления и температуры. Для современного контроля сейсмического состояния такого сложного динамического длинномерного объекта, как участок земли толщиной несколько километров и площадью сотни квадратных километров необходима протяженная разветвленная волноводная антенна, размещенная в трехмерной прямоугольной системе координат.
По вышеуказанным причинам наиболее близким к представленному здесь техническому решению (прототипом) является изобретение, описанное в патенте РФ №2661674, опубликованном 18 июля 2018 года «Способ контроля состояния длинномерного объекта и устройство для его осуществления» автора Земерова В.Н., формула изобретения которого состоит в следующем.
Способ контроля состояния длинномерного объекта, заключающийся в том, что в зоне контроля размещают протяженный канал передачи волновой энергии, измеряют параметры последней и по ним определяют физико-механические данные о состоянии объекта и их распределение в зоне контроля, для этого канал передачи волновой энергии выполняют в виде волновода, фиксируют моды колебаний указанной энергии, формируют по крайней мере одну из них в качестве опорно-информативной, с ее учетом выделяют из указанных мод наиболее информативные по указанным физико-механическим данным и измеряют параметры каждой из них, при этом за параметры мод принимают амплитудно-фазочастотные характеристики их передачи по волноводу и реакцию этих характеристик на изменение формы, структуры объекта и окружающей температуры, отличающийся тем, что с целью повышения точности и селективности контроля за счет расширения диапазона данных при контроле состояния магистрального нефтегазопровода, содержащего последовательно соединенные трубопроводом главную и промежуточные насосные или компрессорные станции и накопительные емкости,
1
2
1
2
1
1
1
с помощью волновода, выполненного в виде информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, размещенного вдоль магистрального нефтегазопровода, для измерения распределений кривизны трубопровода, а также поверхностей накопительных емкостей в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в указанном кабеле по всей его длине L помещают по крайней мере две, ортогонально расположенные оптоволоконные пары, каждая из которых содержит два параллельно протянутых и контактирующих между собой по общей образующей цилиндрических кварцевых стекловолокна, одно из указанных волокон является опорно-информационным каналом n, а второе - измерительным каналом n с разными показателями преломления n>n, помещенных в общую светоотражающую оболочку, при этом сам информационно-измерительный оптоволоконный кабель последовательно закрепляют на поверхности всех устройств, входящих в состав магистрального нефтегазопровода, генерируют последовательность когерентных оптических импульсов длительностью Т=L/V, где V - скорость света в стекловолокне опорно-информационного канала n с шириной спектра порядка 1/Т и временным интервалом T между импульсами, подают указанные импульсы на вход каждого стекловолокна опорно-информационного канала n информационно-измерительного оптоволоконного кабеля длиной L, большей длины указанного нефтегазопровода, усиливают оптические сигналы во всех каналах информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, получают оптические сигналы на выходах всех каналов указанного кабеля и осуществляют их фотопреобразование в электрические сигналы, затем синхронно детектируют, интегрируют, усиливают и преобразуют эти электрические сигналы в цифровую форму, далее по измеренным распределениям кривизны производят ее масштабное преобразование в пространственно-временные распределения изгибающих сил, действующих на трубопровод и накопительные емкости в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и, сравнивая полученные физико-механические характеристики текущего состояния магистрального нефтегазопровода с эталонными физико-механическими характеристиками, принимают решение о состоянии трубопровода и накопительных емкостей контролируемого магистрального нефтегазопровода.
Способствует достижению технического результата в способе-прототипе также то, что:
1
2
- механический светопроводящий контакт в каждой оптоволоконной паре между цилиндрическими кварцевыми стекловолокнами n и n обеспечивают прижатием волокон друг к другу за счет действия упругих сил сжатия их, например, акриловой светоотражающей оболочкой, или с помощью сварки указанных волокон, или созданием между ними светопрозрачной перегородки, расположенной параллельно продольной оси информационно-измерительного оптоволоконного кабеля;
- для снижения погрешности измерения кривизны трубопровода информационно-измерительный оптоволоконный кабель закрепляют вдоль верхней образующей цилиндрической поверхности линейных и нелинейных участков трубопровода таким образом, чтобы плоскости максимальной чувствительности измерений кривизны трубопровода находились в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
- с целью контроля распределения кривизны поверхностей накопительных емкостей магистрального нефтегазопровода, информационно-измерительный оптоволоконный кабель закрепляют на этих поверхностях вдоль ломаной линии, образующейся от пересечения каждой поверхности накопительной емкости вертикальной диаметральной плоскостью;
1
2
2
- для повышения точности оценки напряженно-деформированного состояния и усталостной прочности трубопровода, а также и накопительных емкостей магистрального нефтегазопровода осуществляют контроль распределения поля температуры их поверхностей за счет размещения в информационно-измерительном оптоволоконном кабеле дополнительной пары параллельно расположенных и контактирующих между собой по общей образующей цилиндрических кварцевых стекловолокна с одинаковыми показателями преломления n=n, при этом цилиндрическое кварцевое стекловолокно измерительного канала n выбирают с линейной зависимостью диэлектрической проницаемости стекловолокна, помещенного в светоотражающую оболочку, ε от температуры, например, иттербиево активное кварцевое волокно со степенью легирования редкоземельными ионами, выраженной мольной концентрацией, менее 1 ppm;
1
2
1
2
- для предотвращения аварий любого устройства, входящего в состав магистрального нефтегазопровода, и несанкционированного доступа к этим устройствам в информационно-измерительном оптоволоконном кабеле устанавливают вторую дополнительную пару параллельно расположенных и контактирующих между собой по общей образующей цилиндрических кварцевых стекловолокон с разными показателями преломления n и n, причем n>n, с помощью которой осуществляют контроль распределений полей вибраций указанных устройств и других источников шумов вблизи магистрального нефтегазопровода;
- с целью получения спектров вибраций главной и промежуточных насосных или компрессорных станций магистрального нефтегазопровода, информационно-измерительный оптоволоконный кабель закрепляют на поверхностях насосных или компрессорных агрегатов указанных станций от места подключения к ним трубопровода до места его выхода из упомянутых агрегатов;
- с целью повышения точности и скорости обработки гармонических электрических сигналов, характеризующих распределение полей вибраций вдоль магистрального нефтегазопровода, до передачи в вычислительное устройство к этим сигналам применяют процедуру быстрого преобразования Фурье;
1
2
1
- для снижения затрат энергии и помех, а также синхронизации процессов измерений необходимых физико-механических данных о состоянии нефтегазопровода в информационно-измерительном оптоволоконном кабеле создают один опорно-информационный канал в виде цилиндрического кварцевого стекловолокна n и четырех измерительных также цилиндрических кварцевых стекловолокон n, изолированных между собой и контактирующих с опорно-информационным каналом n по общим образующим их цилиндрических поверхностей, при этом все пять указанных каналов помещают в одну общую светоотражающую оболочку;
1
2
- для снижения затухания сигналов и увеличения длины контролируемого нефтегазопровода в информационно-измерительном оптоволоконном кабеле используют многомодовые кварцевые стекловолокна n, n с диапазоном пропускаемых длин волн (850-1550) нм;
- с целью повышения достоверности и прогнозируемости состояния магистрального нефтегазопровода получают и хранят дополнительную информацию о статических характеристиках напряженно-деформированного состояния пустого и наполненного трубопровода, а также накопительных емкостей за счет измерения, фиксации распределений кривизны, а также полей вибраций и температуры трубопровода, а также накопительных емкостей, до и после подачи нефти или газа в магистральный нефтегазопровод, а также скоростей изменения указанных параметров по времени в процессе эксплуатации и геодезических данных о распределении кривизны трубопровода, полученных при его строительстве;
- для предотвращения разрывов информационно-измерительного оптоволоконного кабеля при температурных изменениях размеров контролируемого магистрального нефтегазопровода в конструкцию указанного кабеля между светоотражающей и последней защитной оболочками вводят твердый диэлектрик, например, полиэтилен, армированный кевларовыми нитями или стеклонитями, а также боковыми стержнями, например, из стеклопластика;
- для защиты от ударов и снижения сил раздавливающего воздействия, а также повышения точности закрепления на контролируемых поверхностях устройств магистрального нефтегазопровода за счет правильной ориентации информационно-измерительного оптоволоконного кабеля в пространстве последний изготавливают с прямоугольным профилем поперечного сечения последней защитной оболочки;
- для защиты информационно-измерительного оптоволоконного кабеля от пожара, последнюю защитную оболочку указанного кабеля с прямоугольным профилем поперечного сечения изготавливают из огнестойкого, малодымного, безгалогенного компаунда.
Устройство-прототип для контроля состояния длинномерного объекта, содержащее источник модулированной волновой энергии, канал передачи волновой энергии и демодулятор, оно снабжено двумя пространственными фильтрами, один из которых включен между выходом источника модулированной волновой энергии и входом канала передачи волновой энергии, а второй пространственный фильтр - между входом демодулятора и выходом канала передачи волновой энергии, который выполнен в виде многомодового протяженного волновода прямоугольного или круглого сечения или их сочетаний, а демодулятор выполнен в виде подключенных к выходам второго пространственного фильтра двух синхронных детекторов, интегратора, подключенного к выходу одного из них, и связанного с выходами интегратора, второго синхронного детектора и операционного усилителя, а также устройство снабжено гетеродинным преобразователем частот сигналов, включенным между выходами второго пространственного фильтра и входами синхронных детекторов,
отличающееся тем, что с целью повышения точности и селективности контроля за счет расширения диапазона данных при контроле состояния магистрального нефтегазопровода, содержащего последовательно соединенные трубопроводом главную и промежуточные насосные или компрессорные станции и накопительные емкости,
1
2
1
2
источник модулированной волновой энергии, выполнен в виде импульсного когерентного лазера, подключенного через оптический усилитель и оптический разъем на вход канала передачи волновой энергии, созданного в виде информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, содержащего один опорно-информационный канал в виде цилиндрического кварцевого стекловолокна n, вход которого и является входом канала передачи волновой энергии, и четыре измерительных канала, также в виде цилиндрических кварцевых стекловолокон n, изолированных между собой и контактирующих с опорно-информационным каналом по общим образующим их цилиндрических поверхностей, при этом все пять указанных каналов помещены в одну общую светоотражающую оболочку, которая отделена твердым диэлектриком с армирующими элементами от главной защитной оболочки информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, с прямоугольным профилем поперечного сечения, последовательно закрепленного на поверхностях всех устройств, входящих в состав магистрального нефтегазопровода, а выход канала передачи волновой энергии, в данном случае - выходы всех пяти указанных стекловолокон n и n также через оптический разъем и второй пространственный фильтр, реализованный в виде блока фотоприемников, подключены к входу демодулятора, выход которого соединен с дополнительно установленными, последовательно соединенными блоком АЦП, процессором БПФ, вычислительным устройством и видеотерминалом, причем второй выход блока АЦП непосредственно подключен ко второму входу вычислительного устройства, третий вход которого соединен с выходом дополнительно установленной буферной памяти.
Способствует достижению технического результата в устройстве-прототипе также то, что:
- информационно-измерительный оптоволоконный кабель закреплен на поверхностях всех устройств, входящих в состав магистрального нефтегазопровода, например, с помощью защитной полиэтиленовой пленки;
- в состав демодулятора входят четыре однотипные, независимые электронные схемы синхронного детектирования с гетеродинным преобразователем частот электрических сигналов, поступающих от блока фотоприемников, соединенного через оптический разъем с выходом информационно-измерительного оптоволоконного кабеля;
1
1
1
- с целью снижения погрешности измерений из-за снижения качества опорного и измерительных сигналов для увеличения отношения сигнал/шум в информационно-измерительном оптоволоконном кабеле большой протяженности в разрез кабеля устанавливают промежуточные оптические усилители на расстоянии L=L/N, где N - число промежуточных насосных или компрессорных станций в магистральном нефтегазопроводе;
- оптический усилитель в источнике модулированной волновой энергии как и промежуточные оптические усилители выполнены полупроводниковыми или волоконными, например, на основе легированных эрбием или иттербием оптических волокон;
-1
- импульсный когерентный лазер имеет стабильность частоты не хуже (0,001-0,01)Т;
- блок фотоприемников выполнен на основе p-i-n или лавинных фотодиодов с трансимпедансными усилителями;
- буферная память выполнена в виде оптического накопителя, изготовленного по технологии «Blu-ray».
Главными недостатками изобретения-прототипа как и изобретений-аналогов являются узкие функциональные возможности способа и устройства для его осуществления из-за низкой точности и селективности контроля при измерении распределенных физико-механических параметров объемного протяженного объекта, в данном случае участка приповерхностного слоя литосферы, в связи с использованием одномерной дуговой системы координат, задаваемой осью одного информационно-измерительного оптоволоконного кабеля.
Цель настоящего изобретения (группы технических решений, связанных между собой единым изобретательским замыслом) является разработка такого способа контроля состояния длинномерного объекта и такого устройства для его осуществления, которые позволили бы повысить точность и селективность контроля за счет расширения диапазона данных при контроле сейсмического состояния приповерхностного участка литосферы, путем одновременного измерения распределений дифференциальных кривизн, а также полей вибраций и температуры в заданной трехмерной системе координат для определения характеристик главных предвестников землетрясения, а также местоположения его гипоцентра и магнитуды ударной волны.
1
Технический результат в отношении заявленного изобретения - способа достигается тем, что в соответствии с предложенным способом контроля состояния длинномерного объекта из набора одинаковых по конструкции отрезков информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, используемых в качестве кабельных лучей, длиной, определяемой линейными размерами измерительного сейсмического полигона, создают градиентную волоконно-кабельную сейсмическую антенну в виде зонтичного соединения кабельных лучей, для этого используют не менее пяти лучей, четыре из которых размещают, например, крестообразно на земной поверхности, а пятый - из центра креста вертикально в скважине, образуя из этих кабельных лучей одну или более трехмерных прямоугольных систем координат x, у, z с центром 0 на поверхности измерительного полигона в устье скважины, причем все входы кабельных лучей этой антенны возбуждают одновременно от одного когерентного источника оптического излучения, а полученные на выходах кабельных лучей оптические сигналы, содержащие информацию об изменении дифференциальной кривизны ∂K/∂S, полей вибраций и температуры вдоль оси каждого луча антенны, после фотопреобразования в электрические сигналы, синхронно детектируют, усиливают и преобразуют эти электрические сигналы в цифровую форму, представляющие собой регистрограммы измеренных через одинаковые интервалы времени T распределений дифференциальной кривизны ∂K/∂S, полей вибраций и температуры вдоль осей всех кабельных лучей антенны, по этим данным определяют основные характеристики инфразвуковых и высокочастотных пространственных сейсмических волн и рассчитывают гипоцентр очага землетрясения как точку пересечения векторов, направляющие косинусов которых вычисляют через зарегистрированные распределения дифференциальных кривизн ∂K/∂S кабельных лучей антенны, вдоль каждой из осей трехмерной прямоугольной систем координат x, у, z по формулам:
x
y
z
p
s
где: (∂K/∂S); (∂K/∂S); (∂K/∂S) - измеренные распределения дифференциальных кривизн кабельных лучей антенны по осям x, у, z и на основании полученных данных по известным соотношениям определяют время наступления землетрясения и магнитуду основной ударной волны, кроме этого одновременно для контроля изменений характеристик других предвестников землетрясения, например, амплитуды и частоты основных гармоник высокочастотных форшоковых волновых колебаний, проводят спектральный анализ измеренных распределений полей вибраций вдоль оси каждого луча антенны с помощью быстрого преобразования Фурье, а также определяют изменения амплитуд, частот и линейных скоростей продольных, поперечных и глубинных волн, а также отношение скоростей продольных и поперечных волн V/V, формируют прямую и обратную регистрограммы распределений каждого из названных параметров и температуры раздельно по координатам x, у, z, дополнительно рассчитывают гипоцентр очага как точку пересечения векторов, направляющие косинусов которых вычисляют через частные производные от обратных регистограмм по дуговой координате S каждой трехмерной группы измерений параметров указанных предвестников землетрясения, а полученные данные используют для корректировки прогноза основных характеристик землетрясения, полученные с помощью контроля антенной распределений дифференциальных кривизн ∂K/∂S каждого ее луча.
Способствует достижению технического результата в заявленном способе то, что:
- для повышения чувствительности антенны и сохранения ориентации ее в пространстве два кабельных луча антенны, составляющих прямую линию, располагают на поверхности земли параллельно линии тектонического разлома, а все четыре горизонтальных луча антенны закапывают в землю на глубину не менее 1 м, для чего фрезеруют по крайней мере две крестообразно расположенные укладочные канавки в горизонтальной плоскости земной поверхности, а в вертикальной скважине пятый кабельный луч закрепляют на внутренних стенках обсадной колонны по всей глубине скважины, образуя из каждых трех лучей антенны трехмерную прямоугольную систему координат с началом в верхней точке вертикальной скважины;
- для контроля состояния объемного участка морского дна градиентную волоконно-кабельную сейсмическую антенну устанавливают на поверхности дна, полученные на выходах кабельных лучей оптические сигналы, содержащие информацию об изменении дифференциальной кривизны ∂K/∂S, полей вибраций и температуры вдоль оси каждого луча антенны, передают с помощью дополнительного оптоволоконного кабель-троса в размещенный на морской поверхности радиопередающий буй, где производят их фотопреобразование в электрические сигналы, а затем преобразование в радиосигналы и их передачу по спутниковому каналу связи в информационный центр для последующей обработки и хранения информации;
- для повышения достоверности контроля, с помощью спутниковой навигации производят определение местоположения центра градиентной сейсмической антенны, а полученные с помощью антенны данные измерений регистрограмм через спутниковый канал связи передают в информационный центр для накопления и хранения информации, например, по технологии «блокчейн», а также сравнения с имеющимися данными наземного, воздушного и подводного картирования поверхности контролируемого объемного участка приповерхностного слоя литосферы;
- для повышения разрешающей способности сейсмической антенны по углу и дальности за счет повышения ее эффективной площади увеличивают длину устанавливаемых кабельных лучей антенны, а также их количество как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях, например, за счет кустового бурения группы наклонных скважин и размещения в них дополнительных кабельных лучей, либо присоединения с помощью оптических разъемов дополнительных отрезков кабельных лучей к уже установленным;
1
2
1
2
1
2
2
1
2
з
з
1
- для удобства развертывания антенны на измерительном полигоне, сбора в одном месте и передачи информации от всех кабельных лучей антенны через спутниковый канал связи, каждый луч антенны выполняют в виде информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, по всей длине L которого протягивают в прямом и обратном направлениях измерительную волноводную линию (ИВЛ), содержащую по крайней мере пять взаимодействующих между собой по всей длине стекловолокон цилиндрической формы, одно из указанных волокон является опорно-информационным каналом с показателем преломления n, а остальные четыре - измерительными каналами с одинаковыми показателями преломления n<n, распложенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях по обеим сторонам стекловолокна опорного канала, все стекловолокна каждой ИВЛ помещают в свою светоотражающую оболочку, в оконечной точке каждого кабельного луча вводят одинаковую для горизонтальных лучей, а для вертикального луча большую в L/H раз, где L - длина горизонтального луча антенны; Н - глубина скважины, временную задержку между прямой и обратной ИВЛ при этом сам информационно-измерительный оптоволоконный кабель, содержащий по крайней мере две ИВЛ, закрепляют на поверхности контролируемого земельного участка таким образом, чтобы горизонтальная плоскость, проходящая через продольные оси трех стекловолокон n, n, n каждой ИВЛ была перпендикулярна вертикальной плоскости, в которой располагаются продольные оси других трех стекловолокон n, n, n второй ИВЛ, а вертикальный луч антенны жестко закрепляют внутри обсадной колонны буровой скважины так, чтобы при изменении геометрии колонны синхронно изменялась геометрия луча, затем генерируют последовательность когерентных оптических импульсов длительностью T=2L/V+T, где: Т - временная задержка; V - скорость света в стекловолокне, с шириной спектра порядка 1/Т и временным интервалом T между импульсами, усиливают и одновременно подают указанные импульсы на вход оптоволокна опорно-информационного канала каждого кабельного луча антенны;
3
1
- для защиты стекловолокон всех каналов каждого отрезка информационно-измерительного оптоволоконного кабеля от ударных воздействий и одновременного повышения коэффициента оптической связи между стекловолокнами их помещают в общую светоотражающую оболочку, заполненную тиксотропным гелем с иммерсионными свойствами и показателем преломления n не ниже показателя преломления стекловолокна опорно-информационного канала n, а также рабочим диапазоном температур (- 60+60)°С;
- для получения высокого углового разрешения контроля за счет осуществления апертурного синтеза антенн путем нескольких когерентных измерений параметров сейсмических волн на одном и том же участке приповерхностного слоя литосферы, дополнительно размещают еще одну или более одной аналогичную градиентную волоконно-кабельную сейсмическую антенну на расстоянии от 50 км до 300 км между центрами антенн, причем все лучи одной антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях должны быть развернуты и закреплены параллельно соответствующим лучам другой антенны, а все входы кабельных лучей этих антенн возбуждают одновременно по командному сигналу спутниковой системы связи с антеннами, затем производят обработку полученных всеми антеннами регистрограмм с использованием известных интерферометрических алгоритмов;
- с целью калибровки градиентной волоконно-кабельной сейсмической антенны и применения ее для поиска и разведки полезных ископаемых, в зоне измерительного сейсмического полигона на поверхности или в дополнительно пробуренной скважине производят один или серию направленных взрывов линейно наростающей мощности, а затем с помощью известных методов расшифровки полученных сейсмограмм оценивают границы и запасы месторождений полезных ископаемых, а также основные характеристики антенны.
Технический результат в отношении заявленного изобретения - устройства достигается тем, что в соответствии с предложенным устройством контроля состояния длинномерного объекта оно содержит канал передачи волновой энергии, выполненный из соединенных между собой набора одинаковых по конструкции отрезков информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, используемых в качестве кабельных лучей, длиной L, определяемой линейными размерами измерительного сейсмического полигона и глубиной пробуренной скважины Н, в виде градиентной волоконно-кабельной сейсмической антенны путем зонтичного соединения кабельных лучей, для этого использованы пять лучей, четыре из которых размещены в горизонтальной плоскости, например, крестообразно на земной поверхности, а пятый - из центра креста подвешен вертикально в скважине, причем все входы кабельных лучей этой антенны через оптические разъемы подключены к выходам дополнительно установленного оптического разветвителя, соединенного с выходом оптического усилителя сигнала импульсного когерентного лазера, а выходы соединены с оконечными устройствами, расположенными в конце каждого кабельного луча, в свою очередь каждое оконечное устройство кроме собственного входного оптического разъема содержит оптическую линию задержки, соединяющую между собой первую и вторую, дополнительно установленную в кабельном луче, аналогичную по конструкции первой, пятиканальную оптоволоконную измерительную линию (ИВЛ), проложенную в прямом и обратном направлениях по всей длине каждого кабельного луча, размещенную как и первая ИВЛ в общей светоотражающей оболочке, заполненной тиксотропным гелем с иммерсионными свойствами, а выход второй ИВЛ размещен во входном разъеме каждого кабельного луча, далее выходы вторых ИВЛ всех пяти кабельных лучей через указанные разъемы соединены со входами блока фотоприемников, который через демодулятор, один выход которого соединен с последовательно соединенными блоком АЦП, процессором БПФ, вычислительным устройством и видеотерминалом, а второй выход блока АЦП непосредственно подключен ко второму входу вычислительного устройства, третий вход которого соединен с выходом буферной памяти, в свою очередь второй выход вычислительного устройства через дополнительно размещенный блок подготовки и передачи сигналов, подключен на вход также дополнительно установленной спутниковой антенны.
Способствует достижению технического результата в заявленном устройстве то, что:
- для сокращения времени развертывания и установки сейсмической антенны на измерительном полигоне все основные блоки, а именно - импульсный когерентный лазер, оптический усилитель, оптический разветвитель, блок фотоприемников, демодулятор, блок АЦП, процессор БПФ, блок приема-передачи спутниковой антенны вместе с источником автономного питания размещены в одном корпусе блока обработки полученной информации, снаружи на поверхности которого закреплены оптические разъемы для подключения кабельных лучей антенны и электрические разъемы для подключения видеотерминала и спутниковой антенны;
- для снижения дисперсии и затухания оптических сигналов в кабельных лучах антенны используют многомодовые кварцевые стекловолокна с диапазоном пропускаемых длин волн (1310-1550) нм;
- оптический усилитель выполнен оптоволоконным, например, на основе легированных эрбием или иттербием оптических волокон;
- оптическая линии задержки выполнена в виде набора плоскопараллельных пластин из кварцевого стекла, например, по принципу эшелонов Майкельсона;
- блок фотоприемников выполнен на основе p-i-n или лавинных фотодиодов с трансимпедансными усилителями и полосовыми фильтрами;
- для расширения возможности обработки полученной информации спутниковая антенна подключена к каналу накопления и хранения данных типа «блокчейн».
В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
- фиг. 1 изображает плоский изгиб длинномерной конструкции с знакопеременным распределением кривизны;
- фиг. 2 - расчетные графики погрешностей инклинометрического и волноводного способов контроля геометрии длинномерной конструкции;
- фиг. 3 - расчетный спектр колебаний очаговой зоны землетрясения;
- фиг. 4 - зарегистрированные амплитудно-частотные характеристики сейсмического фона очаговой зоны инфразвукового диапазона;
- фиг. 5 - графики изменения во времени параметров основных предвестников землетрясений;
- фиг. 6 - взаимное расположение двух градиентных сейсмических антенн и гипоцентра очага землетрясения;
- фиг. 7а, b - поперечное и продольное сечения луча градиентной сейсмической антенны;
- фиг. 8 - схема размещения наземной градиентной сейсмической антенны;
- фиг. 9 - схема размещения подводной градиентной сейсмической антенны;
- фиг. 10 - схема устройства сейсмического контроля состояния пространственного участка литосферы;
- фиг. 11а, b - зависимости напряжения на входе блока АЦП при изменении кривизны ИИОК и профиля металлической пластины для различных нагрузок, полученные с помощью экспериментальной установки;
- фиг. 12а, b, с, d - фотографии основных частей экспериментальной установки контроля кривизны образующей стальной пластины.
Для доказательства повышения точности при использовании волноводного способа по сравнению с дискретным инклинометрическим способом (см., рис. 4.8 в книге Т. Рикитаке «Предсказание землетрясений». Изд. «Мир», М.: 1979, с. 70) далее рассматривается случай плоского изгиба длинномерной конструкции 1, например, обсадной колонны геофизической скважины (фиг. 1), характеризующегося, знакопеременным: распределением: кривизны K(S)=1/R(S), где S - дуговая координата вдоль оси длинномерной конструкции 1 и ее радиус кривизны R (S). Длинномерную конструкцию 1 удобно изобразить в виде плоской кривой в комплексной плоскости z(x, jy), начало координат 0, в которой совмещено с конечной точкой этой кривой. Радиус-вектор S(z) соединяет начало координат 0 (х=0, jy=0) с текущей дуговой координатой S и описывается выражением (Земеров В.Н., Михеев С.М., Осенев А.Л. Анализ погрешностей алгоритмов обработки информации при измерении донной координаты: Сб. науч. трудов. №126. М.: Моск. энерг. ин-т, 1987, с. 31-36)
где
В известном инклинометрическом способе датчики измеряют угол ψ отклонения оси длинномерной конструкции 1 от вертикали. Измеряемым этими датчиками параметром является среднее значение угла ψ(S) на отрезке ΔS, который представляет собой интервал между датчиками вдоль конструкции 1.
Тогда
i
i+1
где ψ и ψ - показания датчиков соответственно с координатой iΔS; (i+1)ΔS.
При использовании протяженной измерительной волноводной линии (ИВЛ) контроля кривизны, размещенной и зафиксированной на поверхности длинномерной конструкции 1 в плоскости изгиба вдоль образующей этой конструкции после начальной обработки измерительного и опорного сигналов, в результате которой определяется измеряемая кривизна K(S), путем интегральной свертки контролируемого параметра и аппаратной функции протяженной линии передачи волновой энергии (Седлецкий P.M. и др. «Вопросы синтеза радиолокационных сигналов», - М.: Советское радио, 1970, с. 20) можно получить измеренную протяженной линией передачи волновой энергии величину угла отклонения продольной оси длинномерной конструкции 1 от вертикали:
где ƒ(S-х) - аппаратная функция этой протяженной линии; x - переменная интегрирования.
В случае идеального датчика - протяженной линии передачи волновой энергии ƒ(S-x) представляет собой прямоугольник о бесконечно крутым фронтом в точках S=x и х=0, при этом
В реальной протяженной линии передачи волновой энергии аппаратная функция f(S-x) имеет конечную крутизну фронта протяженностью ΔS. Например, для аппаратной функции гауссовой формы ψ(S) имеет вид
где
u
b
Выражения для радиус-векторов S(z) и S(z), определяемых соответственно с помощью инклинометрических датчиков и протяженной линии передачи волновой энергии, запишутся в следующем виде:
где N - число инклинометрических датчиков, установленных вдоль длинномерной конструкции с интервалом ΔS; L - длина протяженной линии передачи волновой энергии.
Тогда с учетом выражении (1), (5) и (6) абсолютные погрешности определения координаты конечной точки оси длинномерной конструкции 1 соответственно инклинометрическим и волноводным способами определяется по следующим: выражениям:
где
Выражения (7) и (8) использовались для расчетов методических погрешностей инклинометрического и волноводного способов, результаты которых в виде графиков 2 и 3 приведены на фиг. 2.
Кривая 2 выражает зависимость погрешности
b
от числа инклинометрических датчиков N, закрепленных на расстоянии ΔS=L/N друг от друга вдоль длинномерной конструкции. В свою очередь, кривая 3 показывает зависимость погрешности Δb%=[Δ(Z)/S(Z)]⋅100% от числа отсчетов N=L/ΔS, где ΔS - разрешающая способность протяженной линии передачи волновой энергии. При сравнении зависимостей 2 и 3 очевидно следуют преимущества волноводного способа для определения координаты выбранной точки продольной оси длинномерной конструкции 1 (фиг. 1) по сравнении с инклинометрическим способом:, так как при одном и том же числе N (фиг.2) методическая погрешность снижается почти на 2 порядка для длинномерной конструкции 1, в данном случае, например, обсадной колонны геофизической скважины глубиной несколько километров.
Повышение селективности контроля сейсмического состояния объемного участка приповерхностного слоя литосферы в представленном способе достигается за счет выбора в качестве главного контролируемого векторного параметра - распределений дифференциальной кривизны ∂K/∂S вдоль всех осей трехмерной прямоугольной системы координат, характеризующих смещения пород, главного по достоверности предвестника землетрясений, а также полей вибраций и температуры.
Зонтичная конструкция сейсмической антенны обеспечивает ее высокую селективность, так как объединяет известные свойства «креста Миллса» в горизонтальной плоскости и «полукрестов» в двух ортогональных вертикальных плоскостях (см., например, Апертурный синтез, http://www.astronet.ru/db/msg/1172521?text_comp=gloss_graph.msn).
Приведем доказательство градиентных свойств ИВЛ при измерении K(S). ИВЛ, закрепленная на поверхности длинномерной конструкции 1 (фиг. 1) претерпевает регулярный изгиб с радиусом R(S) на элементе ΔS заданной координаты S. Эта конструкция 1 не имеет изломов, а ее диаметр значительно превосходит поперечный размер α ИВЛ, следовательно, сама ИВЛ претерпевает малые деформаций на элементе ΔS. В качестве ИВЛ выберем простейший двухмодовый регулярный волновод со взаимодействующими при изгибе модами, то есть протяженную линию передачи волновой энергии (см., например, фиг. 1, патент РФ №2661674 автора Земерова В.Н.), обеспечивающую распространение в ней оптических сигналов в виде мод с известной пространственно-временной структурой.
В такой пинии могут распространяться моды: электромагнитных оптических полей в соответствующих диапазонах, волн.
Согласно теории волн, связанных при малых деформациях регулярных волноводов (Ваганов Р.В. и др. Многомодовые волноводы со случайными нерегулярностями. - М.: Советское радио, 1972, с. 70), связь между модами ИВЛ имеет направленный характер, а коэффициент связи г прямо пропорционален кривизне волновода K=1/R на элементе ΔS:
где r - коэффициент связи мод на единицу длины ΔS, амплитуды которых нормированы по мощности возбуждения ИВЛ; k волновое число; j - мнимая единица; g - безразмерный коэффициент, определяемый структурой полей мод внутри ИВЛ.
Одну из мод ИВЛ выберем в качестве опорного канала, а вторую в качестве измерительного канала с известными замедлениями фазовых скоростей мод в каждом из этих каналов. Тогда с учетом выражения для волнового числа k=ω/c постоянные распространения мод соответственно опорного и измерительного каналов имеют вид
1,2
1,2
γ=kβ,
1,2
где β - величины фазовых скоростей мод соответственно опорного и измерительного канатов, ω - круговая частота, с - скорость света в вакууме.
Направленное взаимодействие вдоль протяженной пинии передачи волновой энергии полей мод по крайней мере одного опорного и по крайней мере одного измерительного каналов обеспечивают в зависимости от изменения контролируемого параметра, характеризующего состояние длинномерного объекта. Опорный сигнал формируют в виде модулированного по времени колебания физических полей и преобразуют эти колебания в сигнал с заданной пространственной структурой полей мод, затем преобразуют поля мод на выходах по крайней мере одного опорного и по крайней мере одного измерительного канала протяженной линии передачи волновой энергии в электрические сигналы, зависящие только от времени.
1
S
Таким: образом: ИВЛ представляет собой линейный измерительный прибор с аппаратной функцией ƒ(t-t-t).
1
S
Чем меньше интервал во времени занимает аппаратная функция, тем выше разрешающая способность прибора. Если ƒ(t) является дельта-функцией Дирака δ(t-t-t), то напряжение на выходе измерительного канала
Восстановление пространственного распределения K(S) осуществляется интегрированием измерительного сигнала V(t) и масштабным пересчетом по временной функции
g1
g2
g1
g2
S(t)=t(VV)/(V-V).
Использование в ИВЛ двух взаимодействующих между собой каналов с разными фазовыми скоростями мод позволяет создать эффект пространственной памяти сигнала в измерительном канале в зависимости от изменения контролируемого параметра, в данном случае кривизны К (S),
Рассмотренные выкладки являются предварительной иллюстрацией физической сущности способа контроля состояния длинномерного объекта с позиции анализа общих свойств сигналов пространственно-временной структуры, распространяющихся в двухмодовой ИВЛ с взаимодействующими каналами, при воздействии на ИВЛ контролируемого параметра, в данном случае изменения ее кривизны.
Более полное теоретическое обоснование способа контроля с анализом требований к параметрам, двухканальной ИВЛ, и модулированного по времени опорного сигнала с использованием теории связанных волноводных линий передачи и спектрального анализа сигналов приводится в материалах патента РФ №2661674 автора Земерова В.Н. Но даже приведенное здесь краткое обоснование измерения двухканальной ИВЛ распределения дифференциальной кривизны вдоль ее оси  наглядно подтверждает правомерность введенного автором названия «градиентная сейсмическая волоконно-оптическая кабельная антенна» и термина «дифференциальная кривизна».
Сущность предложенного способа контроля состояния длинномерного объекта в виде объемного участка приповерхностного слоя литосферы заключается в следующем. В качестве наиболее известной модели изменений характеристик основных предвестников землетрясения примем зависимости, представленные на фиг. 3-5. Здесь на фиг. 3 показан расчетный спектр (кривая 4) колебаний очаговой зоны землетрясения, а на фиг. 4 зарегистрированные амплитудно-частотные характеристики (кривая 5) сейсмического фона очаговой зоны инфразвукового диапазона. Эти характеристики приведены в патенте РФ №2337382 «Способ краткосрочного предсказания землетрясений» авторов Давыдова В.Ф., Королькова А.В., Сорокина И.В. и др., опубликованном 27 октября 2008 г.
p
s
1
1
p
s
2
3
2
3
0
0
На фиг. 5 представлены графики изменения во времени параметров основных предвестников землетрясений, опубликованные в статье Вильшанского А. Локальная система прогнозирования землетрясений (Кипящая земля). Депонир. рукоп., Библ. Конгресса США, с. 10-13. (http://www.ecoimper.net/stat/1014b_vilshansky.pdf). Здесь на интервале времени «Форшоки 6» приведены кривые иаростающего и падающего отношений скоростей продольной и поперечной волн V/V, а также температуры: поверхности земли Т. Из фиг. 5 следует, что все графики изменения этих предвестников землетрясения имеют выраженный скачкообразный характер. Это подтверждает наличие частных производных по выбранным дуговым координатам вдоль лучей градиентной антенны. Аналогичный характер изменения (по мнениям Рикитаке и других известных ученых) во время наступления землетрясения имеется угол наклона грунта в скважине, измеряемый наклономером. Затем на фиг. 5 показан «Главный толчок 7» землетрясения в момент времени t с магнитудой А. После него на интервале времени «Афтершоки 10» показано дальнейшее изменение отношения скоростей волн V/V и температуры Т, а также второй 8 и третий 9 толчки землетрясения с магнитудами А и А в моменты времени t и t.
Характеристики предвестников, показанные на фиг. 3-5, использованы в предложенном способе контроля в качестве обоснования состава выбранных контролируемых параметров и определения пределов их динамического диапазона изменений. В качестве главного измеряемого параметра, характеризующего смещения земной коры, в данном способе выбрано распределение дифференциальной кривизны, а в дополнение - распределения полей вибраций и температуры вдоль заданных осей трехмерной прямоугольной системы координат, созданной с помощью градиентной волоконно-кабельной антенны.
На фиг. 6 в аксонометрии представлен контролируемый объемный участок приповерхностного слоя литосферы с двумя расположенными на его поверхности градиентными сейсмическими антеннами 11 и линией тектонического разлома 12, а также гипоцентром 13 и эпицентром 14 землетрясения. В гипоцентре 13 размещена трехмерная прямоугольная система координат x, у, z с радиус-вектором Ra1, определяющим местоположение гипоцентра 13 относительно первой антенны 11 и радиус-вектором Ra2 относительно второй антенны 11, которые определяют как точку пересечения векторов, направляющие косинусов которых вычисляют через зарегистрированные распределения дифференциальных кривизн ∂K/∂S кабельных лучей 30 двух антенн 11.
Далее в соответствии с формулой изобретения способа из набора одинаковых по конструкции отрезков информационно-измерительного оптоволоконного кабеля (ИИОК), используемых в качестве кабельных лучей, длиной, определяемой линейными размерами измерительного сейсмического полигона, создают градиентную волоконно-кабельную сейсмическую антенну в виде зонтичного соединения кабельных лучей.
1
2
1
3
1
Технология изготовления и конструкция каждого кабельного луча наглядно иллюстрируются фиг. 7а и b, на которой представлены чертежи его поперечного и продольного сечений. На фиг. 7а) показаны протянутые в прямом и обратном направлениях две измерительные волноводные линии (ИВЛ) в кабельном луче, каждая из которых содержит по крайней мере пять взаимодействующих между собой по всей длине стекловолокон 15, 16, 17 и 18 цилиндрической формы, одно из указанных волокон 15 является опорно-информационным каналом с показателем преломления n, а остальные четыре 16, 17 и 18 - измерительными каналами с одинаковыми показателями преломления n<n, распложенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях по обеим сторонам стекловолокна опорного канала 15, служат для измерения распределений дифференциальной кривизны ∂K/∂S, а также полей вибраций и температуры вдоль осей кабельных лучей. Все стекловолокна 15, 16, 17 и 18 каждой ИВЛ помещены в свою светоотражающую оболочку 19, заполненную тиксотропным гелем 20 с иммерсионными свойствами и показателем преломления n не ниже показателя преломления стекловолокна опорно-информационного канала 15 n, а также рабочим диапазоном температур (- 60+60)°С.
2
1
2
В качестве геля используют, например, силиконовый гель. Такими свойствами обладают, например, двухкомпонентный силиконовый гель «WACKER  SilGel 612 А/В» (https://www.wacker.com/cms/en/products/product/product.jsp?product=10549) и текучий двухкомпонентный каучук «SEMICOSIL 920 LT» (https://www.wacker.com/cms/media/publications/downloads/6982_EN.pdf), причем последний работает не меняя свойств при температуре от -100°С до +200°С. Обе ИВЛ отделены защитным наполнителем 21, например, твердым полиэтиленом от последней защитной оболочки 22 кабельного луча прямоугольного сечения, которая позволяет его зафиксировать на контролируемой горизонтальной поверхности земли 23 с помощью устройства крепления 24. В начале кабельного луча (см. фиг. 7b) установлен оптический разъем (ОР) 25, а в конце луча в оконечным устройстве (ОУ) 26 введена оптическая линия задержки (ОЛЗ) 27. Обе ИВЛ в каждом кабельном луче 30 расположены так, чтобы горизонтальная плоскость, проходящая через продольные оси трех стекловолокон n, n, n каждой ИВЛ была параллельна верхней и нижней стенкам последней защитной оболочки 22 прямоугольного сечения. В пятом кабельном луче 30, длина которого определяется глубиной Н буровой скважины 31 (фиг. 8-9) не менее 1 км, установлены также две ИВЛ в прямом и обратном направлениях, соединенные через ОЛЗ 27. Этот луч 30 закреплен изнутри по всей длине обсадной колонны в буровой скважине 31, например, с помощью хомутов или распорных клиньев, таким образом, чтобы не происходило самопроизвольное кручение кабеля вдоль оси луча 30 и сохранялась параллельность стенок прямоугольной защитной оболочки 22 вертикального луча 30 линиям крестообразного соединения горизонтальных лучей 30.
Как показано на фиг. 8 всего при создании наземной градиентной кабельной антенны 11 используют пять лучей 30, четыре из которых размещают в горизонтальной плоскости, например, крестообразно на земной поверхности 28 в пределах границ измерительного полигона 29, а пятый - из центра креста вертикально в буровой скважине 31, образуя из этих кабельных лучей 30 четыре трехмерных прямоугольных систем координат (x, у, z; -x, у, z; x, -у, z; -x, -у, z) с центром 0 на поверхности измерительного полигона в устье скважины 31. Каждый горизонтальный луч 30 имеет длину а/2, где а - длина стороны полигона 29, например, квадратной формы и заканчивается оконечным устройством 26. Вертикальный луч 30 длиной Н, где Н - глубина буровой скважины 31, которая должна быть не менее 1 км, также заканчивается своим оконечным устройством 26, размещенным на дне скважины 31.
1
Все входы кабельных лучей 30 кабельной антенны 11 возбуждают одновременно от одного когерентного источника оптического излучения, а полученные на выходах кабельных лучей 30 оптические сигналы, содержащие информацию об изменении дифференциальной кривизны ∂K/∂S, полей вибраций и температуры вдоль оси каждого луча антенны 30, после фотопреобразования в электрические сигналы, синхронно детектируют и преобразуют в цифровые коды, представляющие собой регистрограммы, измеренных через одинаковые интервалы времени T распределений дифференциальной кривизны ∂K/∂S, полей вибраций и температуры вдоль осей всех кабельных лучей 30 антенны 11. Затем эти коды обрабатывают с помощью известных интерферометрических алгоритмов (см., например, статью В.Г. Коберниченко, А.В. Сосновский. Интерферометрическая обработка данных космической радиолокационной съемки высокого разрешения, http://www.unigeo.ru/upload/files/b59d94e98b2b2cbc6613aff2d94da7e2.pdf) получают основные характеристики пространственных сейсмических волн и рассчитывают гипоцентр очага землетрясения 13 (см. фиг. 6) как точку пересечения векторов, направляющие косинусов которых вычисляют через зарегистрированные распределения дифференциальных кривизн ∂K/∂S кабельных лучей 30 антенны 11 (фиг. 8), вдоль каждой из осей трехмерной прямоугольной систем координат x, у, z по формулам:
,
,
,
x
y
z
p
s
где: (∂K/∂S); (∂K/∂S); (∂K/∂S) - измеренные распределения дифференциальных кривизн кабельных лучей 30 антенны 11 по осям x, у, z и на основании полученных данных по известным соотношениям определяют время наступления землетрясения и магнитуду основной ударной волны, кроме этого одновременно для контроля изменений характеристик других предвестников землетрясения, например, амплитуды и частоты основных гармоник высокочастотных форшоковых волновых колебаний. Проводят спектральный анализ измеренных распределений полей вибраций вдоль оси каждого луча 30 антенны 11 с помощью быстрого преобразования Фурье. Определяют изменения амплитуд, частот и линейных скоростей продольных, поперечных и глубинных волн, а также отношение скоростей продольных и поперечных волн V/V, формируют прямую и обратную регистрограммы распределений каждого из названных параметров и температуры раздельно по координатам x, у, z. Дополнительно рассчитывают гипоцентр очага как точку пересечения векторов, направляющие косинусов которых вычисляют через частные производные от обратных регистограмм по дуговой координате S каждой трехмерной группы измерений параметров указанных предвестников землетрясения, а полученные данные (см., например, статью «Сейсмические волны и определение параметров очага землетрясения». 15 июня 2016 г. http://spb-sovtrans.ru/prikladnaya-seysmologiya/817-seysmicheskie-volny-i-opredelenie-parametrov-ochaga-zemletryaseniya.html) используют для корректировки прогноза основных характеристик землетрясения, полученные с помощью контроля антенной распределений дифференциальных кривизн ∂K/∂S каждого ее луча.
Использование в представленном способе операций подачи оптических импульсов на вход каждого стекловолокна опорно-информационного канала каждого луча 30 антенны 11 от одного источника модулированной волновой энергии и промежуточного усиления оптических сигналов с одновременной их задержкой по времени в оконечных устройствах 26 указанных лучей 30 производят для повышения селективности контроля за счет создания во всех лучах 30 временных отметок с точно известным расстоянием по длине каждого луча 30 и синхронизации оптических сигналов в процессе их распространения. Кроме того, обратные регистрограммы измеренных распределений от конца каждого луча 30 до его начала позволяют исключить дополнительную обработку сигналов, связанную с необходимостью переноса начала координат, например, при определении направляющих косинусов вектора основной (солитонной) ударной волны землетрясения.
Для повышения чувствительности антенны 11 и сохранения ориентации ее в пространстве два кабельных луча 30 антенны 11, составляющих прямую линию, располагают на поверхности контролируемого участка 28 земли, например, параллельно линии тектонического разлома 12 (фиг. 6), а все четыре горизонтальных луча 30 антенны 11, расположенных крестообразно, закапывают в землю (фиг. 8) на глубину не менее 1 м. Для чего фрезеруют по крайней две крестообразно расположенные укладочные канавки в горизонтальной плоскости земной поверхности полигона 29, а в вертикальной буровой скважине 31 пятый кабельный луч 30 закрепляют на внутренних стенках обсадной колонны по всей глубине буровой скважины 31, образуя из каждых трех лучей антенны трехмерную прямоугольную систему координат с началом в верхней точке скважины 31.
Как показано на фиг. 9 для контроля состояния объемного участка морского дна 32 градиентную волоконно-кабельную сейсмическую антенну 11 устанавливают на поверхности дна в пределах выбранного измерительного полигона 29 аналогично наземной антенне 11. Полученные на выходах кабельных лучей 30 оптические сигналы, содержащие информацию об изменении дифференциальной кривизны ∂K/∂S, полей вибраций и температуры вдоль оси каждого луча 30 антенны 11, передают с помощью дополнительного оптоволоконного кабель-троса в размещенный на морской поверхности дрейфующий радиопередающий буй 33, где производят их преобразование в радиосигналы и передачу по спутниковым каналам связи в информационный центр, например, через судно наблюдения 34 на морской поверхности 35 или спутники 36 для последующей обработки и накопления данных.
С целью повышения достоверности контроля в предложенном способе, с помощью спутниковой навигации производят определение местоположения центра соединения лучей 30 градиентной сейсмической антенны 11 (фиг. 8-9), а полученные с помощью антенны 11 данные измерений регистрограмм через спутниковый канал связи (спутники 36) передают в информационный центр для накопления и хранения информации, например, по технологии «блокчейн», а также сравнения с имеющимися данными наземного, воздушного и подводного картирования поверхности контролируемого объемного участка 28 приповерхностного слоя литосферы или морского дна 32. Для этого в информационном центре полученные регистрограммы измеренных распределений дифференциальных кривизн ∂K/∂S кабельных лучей 30 антенны 11 по осям x,y,z численно интегрируют по дуговой координате S для получения распределений кривизн K(S), а затем с помощью известных соотношений интегральной геометрии (см., например, патент РФ №2670570, опубликованный 23 октября 2018 года «Способ контроля состояния длинномерного объекта и устройство для его осуществления» автора Земерова В.Н.) получают профили лучей 30 в двух ортогональных вертикальных плоскостях, описывающих геометрию поверхности контролируемого участка земной коры 28 или морского дна 32. Затем эти профили сравнивают с имеющимися профилями из данных наземного, воздушного или подводного картирования той же поверхности, а затем принимают решение о пригодности для дальнейшего использования регистрограмм, полученных с помощью антенны 11.
Подробно процедура определения местоположения точки (центра антенны 11 на дне) с помощью контроля геометрии кабель-троса в пространстве описана в патенте SU 1791757 А2 авторов Михеева С.М., Земерова В.Н. и Елшанского П.В. «Способ контроля состояния длинномерного объекта и устройство для его осуществления», опубликованного 30 января 1993 г.
Для повышения разрешающей способности сейсмической антенны 11 по углу и дальности за счет повышения ее эффективной площади увеличивают длину устанавливаемых кабельных лучей 30 антенны 11, а также их количество как в горизонтальной, так и вертикальной плоскостях, например, за счет кустового бурения группы наклонных скважин 31 и размещения в них дополнительных кабельных лучей 30, либо присоединения с помощью оптических разъемов дополнительных отрезков кабельных лучей 30 к уже установленным.
1
2
1
2
1
2
2
1
2
з
з
1
Для удобства развертывания антенны на измерительном полигоне, сбора в одном месте и передачи информации от всех кабельных лучей антенны через спутниковый канал связи, каждый луч антенны выполняют в виде информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, по всей длине L которого протягивают в прямом и обратном направлениях измерительную волноводную линию (ИВЛ), содержащую по крайней мере пять взаимодействующих между собой по всей длине стекловолокон цилиндрической формы, одно из указанных волокон является опорно-информационным каналом с показателем преломления n, а остальные четыре - измерительными каналами с одинаковыми показателями преломления n<n, расположенными в вертикальной и горизонтальной плоскостях по обеим сторонам стекловолокна опорного канала, все стекловолокна каждой ИВЛ помещают в свою светоотражающую оболочку, в оконечной точке каждого кабельного луча вводят одинаковую для горизонтальных лучей, а для вертикального луча большую в L/H раз, где L - длина горизонтального луча антенны; Н - глубина скважины, временную задержку между прямой и обратной ИВЛ при этом сам информационно-измерительный оптоволоконный кабель, содержащий по крайней мере две ИВЛ, закрепляют на поверхности контролируемого земельного участка таким образом, чтобы горизонтальная плоскость, проходящая через продольные оси трех стекловолокон n, n, n каждой ИВЛ была перпендикулярна вертикальной плоскости, в которой располагаются продольные оси других трех стекловолокон n, n, n второй ИВЛ, а вертикальный луч антенны жестко закрепляют внутри обсадной колонны буровой скважины так, чтобы при изменении геометрии колонны синхронно изменялась геометрия луча., затем генерируют последовательность когерентных оптических импульсов длительностью T=2L/V+T, где: Т - временная задержка; V - скорость света в стекловолокне, с шириной спектра порядка 1/Т и временным интервалом T между импульсами, усиливают и одновременно подают указанные импульсы на вход оптоволокна опорно-информационного канала каждого кабельного луча антенны.
3
1
Для защиты стекловолокон всех каналов каждого отрезка информационно-измерительного оптоволоконного кабеля от ударных воздействий и одновременного повышения коэффициента оптической связи между стекловолокнами их помещают в общую светоотражающую оболочку, заполненную тиксотропным гелем с иммерсионными свойствами и показателем преломления n не ниже показателя преломления стекловолокна опорно-информациоиного канала n, а также рабочим диапазоном температур (- 60+60)°С.
Для получения высокого углового разрешения контроля за счет осуществления апертурного синтеза антенн путем нескольких когерентных измерений параметров сейсмических волн на одном и том же участке приповерхностного слоя литосферы, дополнительно размещают еще одну или более одной аналогичную градиентную волоконно-кабельную сейсмическую антенну на расстоянии от 50 км до 300 км между центрами антенн, которое определяется длиной основной ударной волны землетрясения (Статья «Сейсмические волны». http://www.mygeos.com/2010/02/11/1840). Все лучи одной антенны в горизонтальной и вертикальной плоскостях должны быть развернуты и закреплены параллельно соответствующим лучам другой антенны, а все входы кабельных лучей этих антенн возбуждают одновременно по командному сигналу спутниковой системы связи с антеннами, затем производят обработку полученных всеми антеннами регистрограмм с использованием известных интерферометрических алгоритмов (см., например, статью В.Г. Коберниченко, А.В. Сосновский. Интерферометрическая обработка данных космической радиолокационной съемки высокого разрешения, http://www.unigeo.ru/upload/files/b59d94e98b2b2cbc6613aff2d94da7e2.pdf).
С целью калибровки градиентной волоконно-кабельной сейсмической антенны и применения ее для поиска и разведки полезных ископаемых, в зоне измерительного сейсмического полигона на поверхности или в дополнительно пробуренной скважине производят один или серию направленных взрывов линейно наростающей мощности, а затем с помощью известных методов расшифровки полученных сейсмограмм (см., например, http://teachpro.ru/EOR/School%5COBJSupplies7/Html/der07091.htm) оценивают границы и запасы месторождений полезных ископаемых, а также основные характеристики антенны.
1
2
Устройство для контроля состояния длинномерного объекта, реализующее предлагаемый способ, показано на фиг. 10. Оно содержит источник модулированной волновой энергии, выполненный в виде импульсного когерентного лазера 37, подключенного через оптический усилитель 38, оптический разветвитель 39 и оптические разъемы (ОР) 25 на вход каждого отрезка информационно-измерительного оптоволоконного кабеля в виде кабельного луча 30 антенны, содержащего две измерительные волноводные линии (ИВЛ), проложенные (см. фиг. 7а, b) в прямом и обратном направлениях и соединенные между собой в оконечном устройстве (ОУ) 26 с помощью оптической линии задержки (ОЛЗ) 27. Как показано на фиг. 7а) каждая ИВЛ содержит один опорно-информационный канал 15 в виде цилиндрического кварцевого стекловолокна n, вход которого и является входом канала передачи волновой энергии, и четыре измерительных канала 16 (два одинаковых канала измерения распределения дифференциальной кривизны в вертикальной и горизонтальной плоскостях), 17 (канал измерения распределения поля вибраций), и 18 (канал измерения распределения поля температур), также в виде цилиндрических кварцевых стекловолокон n, изолированных между собой и контактирующих с опорно-информационным каналом 15 по общим образующим их цилиндрических поверхностей, при этом все пять указанных каналов 15, 16, 17, и 18 помещены в одну общую светоотражающую оболочку 19, заполненную тиксотропным гелем 20 с иммерсионными свойствами, например, «WACKER  SilGel 612 А/В» (https://www.wacker.com/cms/en/products/product/product.jsp?product=10549), которая отделена твердым диэлектриком 21 с армирующими элементами от главной защитной оболочки 22 прямоугольного сечения кабельного луча 30. Эта оболочка 22 крепится к контролируемой поверхности 23, например, с помощью анкерных болтов 24. Продольный разрез кабельного луча 30 с оптическим разъемом 25 и оконечным устройством 26, содержащим оптическую линию задержки 27, представлен на фиг. 7b.
Сам канал передачи волновой энергии в устройстве на фиг. 10 выполнен из соединенных между собой набора одинаковых по конструкции отрезков информационно-измерительного оптоволоконного кабеля, используемых в качестве кабельных лучей 30, длиной, например, равной половине длины (а/2) сейсмического полигона 29 (см. фиг. 8-9) с квадратной формой поверхности, в виде градиентной волоконно-кабельной сейсмической антенны 11 путем зонтичного соединения кабельных лучей 30. Для этого использованы пять лучей 30, четыре из которых размещены в горизонтальной плоскости, например, крестообразно на земной поверхности 28, а пятый - из центра креста подвешен вертикально в скважине 31. Как показано на фиг. 10 все входы кабельных лучей 30 этой антенны через оптические разъемы (ОР) 25 подключены к выходам дополнительно установленного оптического разветвителя 39, соединенного с выходом оптического усилителя 38 сигнала импульсного когерентного лазера 37, а выходы соединены с оконечными устройствами (ОУ) 26, расположенными в конце каждого кабельного луча 30.
Выходы вторых ИВЛ всех пяти кабельных лучей 30 через указанные разъемы 25 соединены со входами блока фотоприемников 40, который через демодулятор 41, один выход которого соединен с последовательно соединенными блоком АЦП 42, вычислительным устройством 43 и видеотерминалом 47, а второй выход с процессором БПФ 44. В свою очередь третий вход вычислительного устройства 43, соединен с выходом буферной памяти 45, а четвертый вход с выходом процессора БПФ 44. Второй выход вычислительного устройства 43 через дополнительно размещенный блок подготовки и передачи сигналов антенне (ППСА) 46, подключен на вход также дополнительно установленной спутниковой антенны 48.
В состав демодулятора 41 входят пять одинаковых комплектов по четыре однотипные, электронные схемы синхронного детектирования с гетеродинным преобразователем частот электрических сигналов (на схеме устройства фиг. 10 не показаны поскольку они аналогичны демодулятору устройства - аналога данного изобретения, описанного в патенте SU 1742615). Каждая схема синхронного детектирования выполнена в виде подключенных к выходам блока фотоприемников 40 двух синхронных детекторов, интегратора, подключенного к выходу одного из них, и связанного с выходами интегратора, второго синхронного детектора и операционного усилителя. Дополнительно, описанная выше схема, снабжена гетеродинным преобразователем частот сигналов, включенным между выходами блока фотоприемников 41 и входами синхронных детекторов (см. патент SU 1742615).
Все основные блоки устройства контроля на фиг. 10, а именно - импульсный когерентный лазер 37, оптический усилитель 38, оптический разветвитель 39, блок фотоприемников 40, демодулятор 41, блок АЦП 42, вычислительное устройство 43, процессор БПФ 44, буферная память 45, блок ППСА 46 вместе с блоком автономного питания 49 являются стандартными электронными изделиями и размещены в одном корпусе блока обработки полученной информации (ОПИ) 50. Снаружи на поверхности этого блока ОПИ 50 закреплены оптические разъемы 25 для подключения кабельных лучей 30 антенны 11 и электрические разъемы (на схеме не показаны) для подключения видеотерминала 47 и спутниковой антенны 48.
Для снижения дисперсии и затухания оптических сигналов в кабельных лучах 30 антенны используют многомодовые кварцевые стекловолокна с диапазоном пропускаемых длин волн (1310-1550) нм. Обоснованием выбранного диапазона является то, что затухание в разных окнах прозрачности неодинаково: наименьшая его величина - 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны 1550 нм, поэтому это окно прозрачности используется для организации связи на большие расстояния. Во втором: окне прозрачности (1310 нм) затухание выше, однако для этой длины волны характерна нулевая дисперсия (см. статью «Окно прозрачности оптического волокна». Википедия - Свободная энциклопедия, 14.02.2017 (https://ru.wikipedia.org/wiki)).
Оптический усилитель 38 выполнен оптоволоконным, например, на основе легированных эрбием или иттербием оптических волокон.
Оптическая линии задержки выполнена в виде набора плоскопараллельных пластин из кварцевого стекла, например, по принципу эшелонов Майкельсона.
Блок фотоприемников 40 выполнен на основе p-i-n или лавинных фотодиодов с трансимпедансными усилителями и полосовыми фильтрами.
Буферная память 45 выполнена по технологии «блокчейн» (см., https://tass.ru/wfys2017/articles/4625564) или в виде оптического накопителя, изготовленного по технологии «Blu-ray».
Для расширения возможности хранения полученной устройством контроля информации спутниковая антенна 48 подключена к удаленному каналу накопления данных типа «блокчейн» и содержит позиционный датчик спутниковой навигационной системы (на фиг. 10 эти элементы не показаны).
Реализация предложенного способа при работе устройства контроля состояния длинномерного объекта, показанного на фиг. 10, осуществляется следующим образом.
з
з
1
1
2
2
1
2
Источник модулированной волновой энергии, содержащий соединенные между собой, импульсный когерентный лазер 37 и оптический усилитель 38, через оптический разветвитель 39 и оптический разъем 25 на входе каждого кабельного луча 30 генерирует последовательность оптических импульсов длительностью Т=2L/V+Т, где: Т - временная задержка; V - скорость света в стекловолокне 15 (фиг. 7а) опорно-информационного канала n с шириной спектра порядка 1/Т и временным интервалом T между импульсами. Эти импульсы поступают на вход стекловолокна 15 первой измерительной волноводной линии (ИВЛ), проложенной в прямом направлении каждого кабельного луча 30. Четыре таких луча 30 длиной L=a/2 крестообразно закреплены (см., например, фиг. 8) в горизонтальной плоскости на глубине 1 м от поверхности контролируемого участка земной коры 28 в пределах измерительного полигона 29, а пятый луч 30 - длиной H<L, подвешен вертикально в буровой скважине 31 глубиной Н. В процессе распространения опорного светового импульса в стекловолокне 15 (фиг. 7а) за счет светопроводящего контакта из-за иммерсионного геля 20 с четырьмя измерительными каналами n стекловолокон 16, 17 и 18 в каждый из этих каналов поступает часть световой энергии, образуя на выходе каждого канала n измерительный световой импульс, в амплитудно-фазочастотных характеристиках которого содержится информация о контролируемых с помощью каждого кабельного луча 30 (фиг. 8) распределенных физико-механических параметрах контролируемого участка земной коры 28 (литосферы). В частности, для контроля распределений дифференциальной кривизны каждого луча 30 в вертикальной и горизонтальной плоскостях в каждой ИВЛ по всей его длине L помещены две, ортогонально расположенные пары стекловолокон 15 и 16 с зоной контакта в виде иммерсионного геля 20 по общим образующим их цилиндрических поверхностей (см. фиг. 7а). На выходах этих стекловолокон 16 с запаздыванием, определяемым разностью скоростей распространения световых импульсов в опорном 15 и двух измерительных стекловолокнах 16 из-за разных показателей преломления n>n, появятся измерительные световые импульсы, содержащие информацию о распределениях производной кривизны первой и второй ИВЛ, а тем самым луча 30, в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
1
2
2
В свою очередь, в каждом луче 30 (фиг. 7а) имеется дополнительная пара контактирующих между собой по общей образующей с 15 цилиндрических кварцевых стекловолокна 16 и 17 с одинаковыми показателями преломления n=n. При этом цилиндрическое кварцевое стекловолокно 17 измерительного канала n выбрано с линейной зависимостью диэлектрической проницаемости, в данном случае активного стекловолокна 17 от температуры, что обеспечивает появление разности скоростей световых импульсов в опорном 16 и измерительном 17 стекловолокнах пропорционально изменению окружающей температуры.
1
2
Вторая дополнительная пара контактирующих между собой по общей образующей с 15 цилиндрических кварцевых стекловолокон 16 и 17 с разными показателями преломления n>n, создана в каждом луче 30 (фиг. 7а) для контроля распределений полей вибраций вдоль оси луча 30. По сути здесь в измерительном световом импульсе, образованном в стекловолокне 17, из-за его колебаний под воздействием волн звукового давления фиксируются спектральные, амплитудно-фазочастотные характеристики вибраций, вызванных высокочастотными предвестниками землетрясения.
Поскольку в каждом кабельном луче 30 используется одно общее опорное стекловолокно 16 для всех четырех измерительных стекловолокон 16, 17 и 18, то с выхода каждого луча 30 через оптический разъем 25 на вход блока фотоприемников 40 поступают один опорный и четыре измерительных оптических импульса, содержащие информацию о распределениях дифференциальной кривизны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также полей вибраций и температуры вдоль всех лучей 30. Указанные оптические сигналы с помощью блока фотоприемников 40 преобразуются в электрические сигналы, поступающие на вход демодулятора 41. Здесь производится понижение частоты, выделение информационной огибающей, а также усиление измерительных электрических сигналов, синхронизированных по опорному сигналу.
С выхода демодулятора 41 все электрические сигналы поступают на вход блока АЦП 42, где они преобразуются в цифровые коды и на выходе блока АЦП 42 измерительные сигналы разделяются на цифровые коды, соответствующие распределениям дифференциальной кривизны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также поля температуры вдоль всех осей лучей 30 поступают сразу в вычислительное устройство 43, а цифровые коды гармонических сигналов, соответствующих распределению полей вибраций вдоль лучей 30 только после предварительной обработки в процессоре БПФ 44. Здесь осуществляется предварительная спектральная обработка высокочастотных сигналов предвестников землетрясений-форшоков.
В вычислительном устройстве 43 по известным разностям скоростей распространения световых сигналов в опорном 15 и измерительных световолокнах 16, 17 и 18 кабельных лучей 30 производится масштабное преобразование временных измерительных цифровых сигналов, поступивших с выходов блока АЦП 42 и процессора БПФ 44, в пространственные распределения дифференциальной кривизны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также полей температуры и вибраций вдоль осей кабельных лучей 30 сейсмической антенны 11 (фиг. 8-9). Из этих данных формируются прямые и обратные регистрограммы проведенных измерений, определяются направляющие косинусы и местоположение гипоцентра землетрясения. Рассчитывается его возможная магнитуда и время возникновения. По измеренным распределениям полей вибраций, которые по сути являются распределенными сейсмограммами всех видов высокочастотных сейсмических волн, производят их расшифровку известными методами (см., например, Исследователь. «Сейсмические волны», http://ligis.ru/effects/science/272/index.htm) для определения существующих параметров. Затем, контролируя изменения этих параметров, а также изменения температуры, вновь рассчитывают главные параметры землетрясения.
Кроме вышеперечисленных функций в вычислительном устройстве 43 осуществляется численное интегрирование измеренных распределений дифференциальной кривизны в вертикальной и горизонтальной плоскостях для получения распределений самой кривизны K (S) с целью последующего построения геометрии контролируемой земной поверхности.
Полученные распределения в виде регистрограмм накапливаются в блоке буферной памяти 45 и используются в вычислительном устройстве 43 для определения главных параметров наступающего землетрясения. Далее с помощью блока приема-передачи спутниковой антенны (ППСА) 46 выходная информация с вычислительного устройства 43 преобразуется в радиосигналы для передачи с помощью спутниковой антенны 48 в удаленный информационный центр для оповещения о наступающем землетрясении.
На фиг. 11а, b - показаны зависимости напряжения 51 на входе блока АЦП 42 при изменении кривизны луча 30 и профиля металлической пластины 52 для различных нагрузок, полученные с помощью экспериментальной установки, фотографии основных частей которой представлены на фиг. 12а, b, с, d.
Таким образом, применение предложенной группы технических решений, связанных единым замыслом, позволяет повысить точность и селективность контроля длинномерного объекта за счет расширения диапазона данных при контроле состояния протяженных приповерхностных слоев литосферы в виде участков земли толщиной несколько километров и площадью сотни квадратных километров, расположенных в сейсмоопасных зонах на поверхности земли и морского дна.
Представленные изобретения могут использоваться практически во всех научно-технических областях и сферах промышленного производства, где необходимо осуществлять контроль сейсмического состояния протяженных пространственных объектов. Наиболее целесообразным является их применение в практической сейсмогеофизике для:
- предсказания землетрясений и цунами в прибрежных районах;
- предсказания техногенных катастроф;
- поиска и разведки полезных ископаемых;
- контроля состояния гидро и атомных электростанций, защитных дамб и других различных сложных строительных сооружений.