КАБЕЛЬНАЯ ДОННАЯ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ

Техническое решение относится к конструктивному выполнению средств морских сейсмических исследований и может быть использовано для долговременных сейсмологических исследований.
Камчатка, Сахалин и Курильские острова традиционно являются областями высокой сейсмической опасности. Тяжелые последствия катастрофических землетрясений в октябре 1994 г. и в мае 1995 г. на севере Сахалина заставляют искать эффективные методы их прогнозирования.
В настоящее время научной общественностью обсуждаются различные геофизические предвестники сильных землетрясений. Некоторые из предвестников могут быть охарактеризованы следующими событиями.
1. За несколько месяцев до землетрясения образуются сейсмоскоростные аномалии, заключающиеся в том, что отношение скоростей распространения продольных и поперечных сейсмических волн Vp/Vs в очаговой зоне уменьшается, претерпевает минимум и восстанавливается непосредственно перед главным сейсмическим толчком.
2. Количество форшоков (сейсмических толчков, предваряющих главное сейсмическое событие) заметно уменьшается («затишье») за несколько месяцев перед главным сейсмическим событием и восстанавливается перед главным толчком.
3. В последние сутки перед сильным землетрясением количество слабых форшоков возрастает, а периодичность их повторения приобретает характер близкий к регулярному. В период сейсмической активизации пространственное местоположение слабых форшоков может выстраиваться вдоль активизирующихся или вновь образующихся сейсмических разломов.
Названные здесь признаки предвестников катастрофических землетрясений выбраны по принципу возможности их телеметрической регистрации с вынесенных в море гидроакустических и сейсмических измерительных приборов, работающих как в эпицентре землетрясения, так и на больших удалениях от него.
Современные сейсмоакустические приборы позволяют уверенно регистрировать как традиционные сейсмические волны (продольные, поперечные), так и третью - гидроакустическую компоненту землетрясения - Т-волну.
Т-волна, распространяющая в подводном звуком канале, практически без энергетических потерь, достигается до сейсмоакустических станций, находящихся на большом удалении от эпицентра землетрясений.
Сейсмоакустические станции имеют хорошую перспективу регистрации слабых форшоков землетрясений при проведении сейсмологического мониторинга.
Все это ставит на повестку вопрос проведения в Охотском и Японском морях долговременных сейсмологических наблюдений за форшоками землетрясений. Для выполнения такого мониторинга необходимы подводные технические средства. К таким техническим средствам можно отнести предлагаемую модель кабельной сейсмоакустической станции (КДСАС).
В качестве прототипа, рассмотрим автономную донную сейсмическую станцию [Перунов В.В., Малашенко А.Е., Филимонов В.И., Рожков B.C. Автономная донная сейсмическая станция. Патент ПМ №49286, МПК G01V 1/38, 10.11.2005].
Автономная донная сейсмическая станция представляет собой глубоководный носитель аппаратуры (НА), состоящий из двух полусфер стянутых болтами на фланцах, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительных резиновых кольца. Внутри НА установлены: на верхней полусфере блок системы ориентации, бортовой вычислительный узел (БВУ), устанавливаемый с помощью приборного кольца; на нижней полусфере источник питания, датчик герметичности, трехкомпонентный сейсмодатчик, прибор срочности (ПС) и размыкатель (исполнительная часть вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы). Снаружи на верхней полусфере, на площадке установлены низкочастотный гидрофон, ресивер высокочастотный (приемопередающий гидроакустический датчик), предназначенный для гидроакустической связи, датчик давления (ДД), определяющий текущую глубину погружения станции, антенна радиолокационного отражателя и радиопередатчика, проблесковый маяк (ПМ), антенна спутниковой радионавигационной системы (СРНС). За нижнюю полусферу крепится тренога, изготовленная из металлических труб, жестко стянутая с помощью исполнительной части размыкателя, который затягивается гайкой, на подошву треноги крепятся башмаки балласты. При этом часть треноги возвращается со станцией, а с башмаками балластами остаются на дне. Блок системы ориентации состоит из компасного устройства и датчика наклона. Показания с датчика наклона и с компасного устройства заносятся на локальную память и по команде могут быть переданы на блок гидроакустической связи в бортовом вычислительном узле.
При неоспоримых достоинствах прототип имеет существенный недостаток, заключающийся в ограничении налагаемой источником питания автономной системы на длительность непрерывной работы. Это касается в особенности систем, предназначенных для долговременной регистрации информации.
Для систем, предназначенных для долговременной непрерывной регистрации информации в прибрежных шельфовых районах на границе свала глубин, данный недостаток можно устранить с помощью кабельных донных станций. С помощью проложенных по дну кабелей
осуществляется съем информации из станции, передача команд и электропитания на донную станцию.
Предлагаемая полезная модель кабельная донной сейсмоакустической станции (КДСАС) предназначена для выполнения долговременных сейсмологических исследований.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в создании КДСАС, позволяющей в течение длительного времени (нескольких лет) проводить в шельфовой зоне (глубина 200-300 м) на границе свала глубин непрерывную регистрацию сейсмоакустических сигналов с трехкомпонентного сейсмодатчика и акустических сигналов с низкочастотного гидрофона и с гирлянды гидрофонов при долговременных сейсмологических исследованиях.
При этом кабельная донная станция должна иметь возможность возвращения на поверхность моря для выполнения текущих ремонтно-профилактических работ или для проведения модернизации станции. Применяются бронированный магистральный и легкий сигнальный кабели. На приемный пункт стационара подается непрерывный поток сейсмической информации, а на накопитель информации (НИ) в КДСАС по определенному алгоритму регистрируются только импульсные сигналы (сигналы землетрясения).
КДСАС представляет собой (фиг.1) носитель аппаратуры (НА) 1, состоящий из двух полусфер, стянутых болтами 18 на флянцах 17, для обеспечения герметичности на специальных канавках, прорезанных по кругу, проложены два уплотнительных резиновых кольца 16. Внутри НА 1 установлены: на верхней полусфере блок системы ориентации 5, бортовой вычислительный узел (БВУ) 2, устанавливаемый с помощью приборного кольца 19; на нижней полусфере источник питания 3, датчик герметичности 20, трехкомпонентный сейсмодатчик 4 и размыкатель 6 (исполнительная часть вынесена наружу на специальную площадку нижней полусферы). Снаружи на верхней полусфере, на площадке установлены кабельный ввод 9, с помощью которого осуществляется ввод во внутрь станции комбинированный волоконно-оптический и двух проводной кабель 9-1, низкочастотный гидрофон 10, ресивер 11 высокочастотный (приемопередающий гидроакустический датчик), предназначенный для гидроакустической связи, гирлянды гидрофонов 12-1, поплавок 12-2, гермоввод 12, проблесковый маяк (ПМ) 13, датчик давления (ДД) 14, определяющий глубину погружения кабельной станции, антенна 15 спутниковой радионавигационной системы (СРНС). За нижнюю полусферу крепится тренога 7, изготовленная из металлических труб, жестко стянутая с помощью исполнительной части размыкателя 6-1, который затягивается гайкой 6-2, на подошву треноги крепятся башмаки балласты 8. При этом часть треноги 7-1 возвращается со станцией, а 7-2 с башмаками балластами 8 остаются на дне. Блок системы ориентации 5 состоит из компасного устройства и датчика наклона (на фиг.1 они не показаны). Показания с датчика наклона и с компасного устройства заносятся на локальную память и по команде могут быть переданы на блок управления (контроллер) (поз.29 на фиг.5) в бортовом вычислительном узле 2 для
передачи на стационар по кабелю и на борт обеспечивающего судна по гидроакустическому каналу связи.
Блок питания (вторичные источники тока) 3 собран из аккумуляторных батарей, который непрерывно подзаряжается от стационара по электрическому кабелю и выдает необходимый ряд напряжений питаний для различных блоков и узлов кабельной станции. Блок питания установлен таким образом, чтобы центр тяжести собранной станции располагался на нижней полусфере для обеспечения устойчивости кабельной станции на поверхности моря.
Датчик герметичности 20 представляет два контакта, которые при взаимодействии с морской водой замыкают цепь. Датчик герметичности располагается на нижней точке нижней полусферы, обеспечивая, таким образом, контроль за герметичностью станции (при обнаружении течи станции замыкает цепь, давая тем самым команду на блок управления исполнительным механизмом размыкателя (поз.35 на фиг.5)).
Исполнительный механизм размыкателя электромагнитного типа 6 при подаче импульса тока на обмотку электромагнита втягивает сердечник в стакан, при этом сердечник освобождает хвостовик крюка 6-3 и последний под действием силы растяжения проворачивается вокруг своей оси, освобождая серьгу 6-4. Винт 6-5 и гайка 6-2 предназначены для выборки люфта между всплывающей частью треноги 7-1 и частью 7-2, остающейся на дне, что способствует лучшей передаче сейсмических колебаний из грунта на сейсмодатчики.
Легкий комбинированный кабель 9-1 (фиг.2) крепится за возвращаемую раму 7-1 с помощью специальной скобы 9-2. С помощью этой скобы крепится также страховочный фал 9-5. Легкий комбинированный кабель 9-1 имеет длину соответствующей 1.5-2 кратной глубине места, где производится постановка станции. Один конец кабеля 9-1 заведен в КДСС с помощью кабельного ввода 9, а другой конец кабеля 9-1 заведен в муфту-соединитель 9-3, куда с другой стороны заведен бронированный комбинированный кабель 9-4, проведенный со стороны берегового стационара. Муфта-соединитель 9-3 жестко связана с якорем-балластом 8-1. Конец страховочного фала 9-5 закрепляется к балласту 8-1 с помощью кольца 9-6. Такая схема выбрана с целью упрощения и удешевления ремонтно-профилактических работ. Для выполнения этих работ достаточно по команде со стационара или с борта обеспечивающего судна подать команду на отдачу балласта 8. После выполнения команды КДСС отдает балласт 8 и всплывает на поверхность моря. В случае аварийного всплытия, КДСС удерживается в районе постановки якорем-балластом 8-1. Бронированный кабель выбран по причине того, что обычный кабель в прибрежной зоне быстро перетирается вследствие взаимодействия прибойной морской волны и песка, что приводит к выходу кабеля из строя. Такая конструкция заметно облегчает проведение ремонтно-профилактических работ.
Гирлянда из 4 эквидистантных низкочастотных гидрофонов (ЭНГ) 12-1 заводится в станцию с помощью кабельного ввода 12. Так как в Охотском море ось подводного звукового канала располагается на
глубинах менее 150 м, поэтому ЭНГ 12-1 предполагают устанавливать на шельфе на границе свала с глубинами менее 300 м. Общий вид КДСАС с «гирляндой» ЭНГ приведена на фиг.3. Гирлянда вытягивается в линейку при помощи поплавка 12-2.
Бортовой вычислительный узел (БВУ) 2 включает в себя (фиг.4): восьмиканальный блок фильтрации и усиления (ФУ) 21, обеспечивающий фильтрацию сигналов с выходов трехкомпонентных сейсмодатчиков 4, низкочастотного гидрофона 10 и четырехэлементной гирлянды гидрофонов 12-1 в полосе 1-60 Гц и усиления сигналов для их передачи на вход блока восьмиканального аналого-цифрового преобразователя (ЧАЦП) 22; каналы формирователей (КФ) 23, (КФ1) 28; запускающие импульсы ЧАЦП формируются в таймере 25; накопитель информации (НИ) 24, представляющий собой твердотельную (флэш) память с емкостью порядка 2 Гбайт; запуск НИ осуществляется с помощью порогового устройства (ПУ) 26.
Блок ЧАЦП 22 состоит из восьми 12-разрядных АЦП и имеет восемь выходов; выходы ЧАЦП 22 по отдельности подаются на входные каналы формирователя (КФ) 23, (КФ1) 28, где из сигналов с датчиков и гидрофона формируется массив отдельной выборки с длиной в шестнадцатиразрядное слово (информация занимает двенадцать младших разрядов, старшие 14, 15 и 16 разряды формируют номера соответствующих информационных каналов, причем 0 соответствует каналу Р, 1-сейсмическому каналу X, 2-каналу У, 3-каналу Z, 4, 5, 6, 7 - Р каналам гидрофонов гирлянды), на 13 разряд записывается 0. Для каждого информационного канала формируется файл длиной 250 Кбайт (из расчета, что частота квантования равна 200 Гц и при длине реализации 10 мин., объем реализации составляет 480 Кбайт, на остальные 10 Кбайт записывается наименование файла, свободные ячейки забиваются нулями, причем эти 10 Кбайт формируют начало каждого файла). Для устранения потери информации на каждый канал предусмотрен 16-разрядный (старшие 14, 15 и 16 разряды характеризуют номер соответствующего канала, на 13 разряд записывается 0) регистр памяти 27 с объемом памяти 1024 (1К) ячеек, с выхода которого затем подается на соответствующий канал входа блока КФ1 28.
С выхода КФ 23 информация подается с помощью передатчика 30 через специальные соединители на легкий кабель 9-1 и далее по магистральному кабелю 9-4 на береговой стационар.
Ввод информации в НИ 24 осуществляется по команде с адаптивного порогового устройства 26. На вход порогового устройства 26 подается информация с четвертого канала ЧАЦП 22 соответствующего вертикальной компоненте Z трехкомпонентного сейсмодатчика 4. При превышении на определенную величину (10 дБ) текущего значения сигнала относительно усредненного в течение соответствующей 1К отсчету времени предшествующей текущему времени сигнала, вырабатывается команда на одновременное включение КФ1 28 и НИ 24. Одновременно с выхода порогового устройства 26 подается команда таймеру 25 на формирование кода
времени, содержащего год, месяц, часы, минуты, секунды, доли секунды с точностью 0,005 сек, который подается на четыре канала блока ФУ 21 для формирования наименования файла. Длина вводимой реализации 10 минут, выбрана с целью регистрации акустической компоненты (Т-фазы) подводного землетрясения, приходящие в точку регистрации заметно позже сейсмических продольных (Р) и поперечных (S) волн. Если в период ввода информации произошло очередное событие, то с этого момента счетчик вводимых отсчетов обнуляется, и счетчик запускается заново, при этом наименование файла не меняется, т.е. происходит непрерывная регистрация очередного события. Таким образом, в НИ 24 регистрируются все сейсмические события удовлетворяющие выше рассмотренному алгоритму. Таймер 25 представляет цифровой блок, где в качестве тактового генератора использован кварц типа «Гиацинт», с помощью которого формируются, временной код с точностью 0,005 сек и запускающие импульсы с частотой 200 Гц для ЧАЦП 22.
В БВУ 2 располагаются (фиг.5): кроме выше указанного блок управления (БУ) 29, блок управления исполнительным механизмом размыкателя (УИМ) 35, блок гидроакустической связи (ГАС) 34, блок космической навигации (КН) 36.
Блок управления 29 представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами КДСАС по команде, со стационара полученной по кабельной линии или по команде, полученной по гидроакустическому каналу связи либо по радиоканалу (на поверхности моря). В блоке управления ежедневно в 00 ч 00 м 00 с по Гринвичу производится корректировка времени (обнуление таймера). Обнуление производится со стационара в автоматическом режиме.
По сигналу с датчика давления 14 в надводном положении (при аварийном всплытии) БУ 29 включает проблесковый маяк (ПМ) 13, блок КН 36. В подводном положении по сигналу с датчика давления 14 БУ 29 отключает блок 36 и включает блок ГАС 34.
БУ 29 по команде включает или выключает, блок ГАС 34, исполняет все команды, получаемые, с помощью блока ГАС 34 и при необходимости передает через ГАС 34, с помощью ресивера 11 запрашиваемую информацию. Кроме этого, БУ 29 управляет режимами регистрации НИ 24 по заданной команде.
При превышении данных с датчика давления 14 предельной величины, например, 1000 метров, либо при обнаружении течи с помощью датчика герметичности 20, либо по команде, полученной со стационара, либо по команде, полученной по гидроакустическому каналу связи с помощью ресивера 11, либо при превышении угла наклона 30 градусов в блоке системы ориентации 5 блок управления 29 дает команду УИМ 28 на включение исполнительного механизма 6 (т.е. производится сброс балласта).
Блок КН 36 с помощью антенны СРНС 15 позволяет обеспечивающему судну, осуществляющему поиск станции, с помощью спутниковой радионавигационной системы, определять местоположение станции.
Работа КДСАС заключается в следующем. С помощью специального судна-кабелеукладчика прокладывают бронированный магистральный кабель от стационара до места установки КДСАС. Конец бронированного магистрального кабеля 9-4 заводится в муфту-соединитель 9-3. С другой стороны муфты-соединителя 9-3 конец легкого сигнального кабеля 9-1, за кольцо 9-6 крепится страховочный фал 9-5. С помощью фала 9-5 устанавливаем на дно якорь-балласт 8-1.
На борту обеспечивающего судна перед постановкой КДСАС проходит полный цикл подготовки, включающий в себя включение и тестирование различных узлов и блоков. После цикла подготовки КДСАС обеспечивающее судно на малом ходу (до 3 узлов) сначала опускается с борта обеспечивающего судна за борт поплавок гирлянды ЭНГ 12-2, затем сама гирлянда 12-1 и в последнюю очередь НА 1 с помощью выносного крана. Герметичный контейнер 1 (фиг.1), выполненный из алюминиевых сплавов, имеет предельную рабочую глубину 1000 м. КДСАС производит придонение на треногу-балласт (7, 8). Через определенное время по команде из БУ 29 в блоке системы ориентации 5 фиксируются показания компасного устройства и датчика наклона, которые заносятся на локальную память блока системы ориентации.
Прием сейсмоакустических сигналов производится с помощью низкочастотного гидрофона 10 и с трех сейсмоприемников 4, ориентированных по трем ортогональным направлениям Х, У, Z. После преобразования сигналы Р, X, У, Z непрерывным потоком в цифровом виде подаются на стационар через кабели 9-1 и 9-4.
При регистрации сигналов от землетрясений на накопитель (НИ) 24, включается адаптивное пороговое устройство 26, которое обеспечивает с малой вероятностью пропуска регистрацию этих сигналов. По команде с порогового устройства 26 запись сигналов осуществляется на четыре канала НИ 24 с длительностью 10 мин. Каждая реализация имеет файловую структуру, причем наименование файлов соответствует времени вступления сигналов от землетрясения (по каналу Z).
При выполнении ремонтно-профилактических работ с обеспечивающего судна подается команда на всплытие на блок ГАС 34 по гидроакустическому каналу связи, эти команды исполняются БУ 29, программное устройство дает команду УИМ 35 на отдачу балласта. В случае не прохождения команд команда на сброс может быть продублирована со стационара по сигнальному кабелю.
Экстренное всплытие КДСС может быть осуществлено в случае затекания станции по сигналу от датчика герметичности 20, в случае превышения КДСС глубины погружения 1000 м по сигналу от датчика давления 14, в случае превышения величины 30 градусов в датчике наклона блока ориентации 5 и по команде по гидроакустическому каналу связи через блок ГАС 34.
В момент отдачи балласта (аварийное всплытие или при выполнении ремонтно-профилактических работ) начинает разворачиваться и для выборки станции на борт обеспечивающего судна. После всплытия станция включает проблесковый маяк 13 (в ночное время). Включаются
спутниковые системы «Гонец» и «ГЛОНАСС». Обнаружив АДСАС, сначала подтягивают с помощью выборочного поплавка 32, затем выбирают на борт судна поплавок 12-2 гирлянды ЭНГ 12-1, далее последовательно все ЭНГ и в последнюю очередь НА 1 станции. После выборки станции выполняют ремонтно-профилактические работы по устранению дефектов, замене блоков и узлов и модернизации станции на борту обеспечивающего судна. После выполнения ремонтно-профилактических работ проводят постановку станции по выше рассмотренной технологии.