СИСТЕМА ДЛЯ КРАТКОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА ОПАСНЫХ ГИДРО- И ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Полезная модель относится к системам автоматизированной регистрации геодинамических процессов с использованием геофизических и гидрометеорологических устройств и может быть использована для изучения природы вариаций микродеформаций земной коры, микроколебаний атмосферного и гидросферного давлений на границе раздели геосфер в широком частотном и динамическом диапазонах, закономерностей возникновения, развития и трансформации колебаний и волн инфразвукового и звукового диапазонов, а также для непрерывного мониторинга состояния земной коры и прогнозирования опасных гидро- и геодинамических процессов, например, землетрясения, цунами, оползни.
Известна система наблюдения, включающая несколько измерителей, расположенных в пространственно-разнесенных точках протяженного измерительного полигона. Измерение скалярного поля напряжений сейсмических волн в разнесенных точках пространства осуществляют измерителями на основе интерферометров Маха-Цандера, образующими крестообразную группу, путем адресной посылки световых импульсов от гелиевого лазера. Оцифровка аналогового сигнала с выхода датчиков и его обработка осуществляются непосредственно в центре. Коррекцию оцифрованных дискретных отсчетов измерений на потери в делителях светового пучка и затухание в волоконно-оптических линиях осуществляют по калибровочным характеристикам трактов. Коррекция измерительных матриц по заранее известному закону представляется стандартной математической операцией, входящей в комплект специализированного программного обеспечения (п. РФ 2152628, опубл. 2000.07.10).
Известно сейсмоизмерительное устройство, содержащее несколько сейсмодатчиков, связанных с блоком обработки данных. Сейсмодатчики выполнены в виде волоконных интерферометров. В качестве линии передачи измерительных сигналов использованы участки световода, свободные от сейсмодатчиков. Один конец световода связан с источником когерентного излучения, предпочтительно полупроводниковым лазером. Другой конец световода через юстировочное устройство связан с обрабатывающим блоком. Рабочий диапазон частот 2-800 Гц. (п. РФ №2066467, опубл. 10.09.1996).
Известна система определения предвестника цунами на основе регистрации и анализа гидроакустических сигналов. Система включает группу устройств регистрации
гидроакустических сигналов, размещенных на глубинных горизонтах наблюдений в прибрежной зоне и на удалении от нее. Устройства регистрации соединены трактом связи с внешними станциями приема и обработки гидроакустических сигналов (п. РФ 2292569, опубл. 27.01.2007).
Известна система для определения возникновения волн цунами, включающая группу датчиков гидростатического давления, установленных на глубине более 100 м в прибрежной зоне и соединенных с помощью глубоководного кабеля с наземной станцией обработки результатов измерения Вариации давления (уровня моря) преобразуются в частотно-модулированные сигналы и регистрируются в аналоговом виде в нескольких диапазонах береговой станцией. О появлении цунами судят по возникновению первого максимума, амплитуда которого существенно превышает фон (Б.Д.Дыхан и др. Первая регистрация цунами в океане. Доклады АН СССР, т.257, №5, 1981).
Известна полевая аппаратура для сейсмического мониторинга, содержащая последовательно соединенные сейсмический датчик, блок усиления и фильтрации и аналого-цифровой преобразователь, а также последовательно соединенные блок памяти и блок передачи цифровых данных, кроме того, устройство содержит контроллер управления, управляющие выходы которого соединены с соответствующими входами блока усиления и фильтрации, аналого-цифрового преобразователя, блока памяти и блока передачи цифровых данных, а также блок вычисления энергии, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход подключен ко входу блока памяти, при этом управляющий вход блока вычисления энергии соединен с соответствующим выходом контроллера управления (п.РФ №2265867, опубл. 10.06.2005).
Однако, для всех вышеперечисленных аналогов характерно использование для анализа данных, полученных либо в гео- либо в гидросфере, а также узкий рабочий диапазон частот, что снижает ценность, полноту получаемой информации и достоверность прогнозов.
Известна система для прогнозирования землетрясений на основе измерения максимально возможной совокупности предвестников землетрясений и комплексной обработкой полученных данных, выбранная нами в качестве прототипа (п. №35445, опубл. 01.10.2004). Система включает многоканальный измеритель, состоящий из множества датчиков предвестников землетрясений (ПЗ) с подключенными к ним аналого-цифровыми преобразователями и последовательно соединенный с блоком памяти данных и программируемым вычислителем синхронной обработки данных и
прогнозирования землетрясений. Система включает базу данных долговременных глобальных и региональных наблюдений сдвигов земной коры, деформаций горных пород в районах разломов и аэрофотосъемки рельефа. Основными модулями измерения ПЗ в составе модуля измерения сейсмических ПЗ являются модуль измерения геофизических ПЗ, модуль измерения геодезических ПЗ и модуль измерения геохимических ПЗ, причем каждый из модулей измерений ПЗ включает датчик и/или анализатор значений величины ПЗ, подключенный к аналого-цифровому преобразователю (АЦП). Станция прогнозирования (ЦСП) землетрясений включает последовательно соединенные блок накопления и памяти данных, блок обработки данных и выявления аномалий, блок формирования решения по расчету местоположения, времени и магнитуды предполагаемого землетрясения и блок воспроизведения информации. Модули размещают в регионе в заданных контрольных пунктах на суше и на дне акваторий.
Следует отметить, что хотя построение данной системы опирается на учет и одновременный анализ множества показателей предвестников землетрясений, она является схематичной и не дает конкретных технических решений получения требуемых данных с необходимой точностью для принятия решений относительно краткосрочного прогноза опасных гидро- и геодинамических процессов в береговой зоне.
Задача предлагаемой полезной модели состоит в расширении арсенала средств для автоматической регистрации гидро- и геодинамических процессов в береговой зоне за счет обеспечения возможности фиксирования характеристик упругих колебаний и волн исследуемого региона в трех геосферах одновременно с высокой степенью точности для принятия обоснованных решений относительно краткосрочного прогноза опасных явлений.
Поставленная задача решается системой автоматической регистрации гидро- и геодинамических процессов, состоящей из датчиков измерения геофизических и геодезических показателей, подключенных к аналого-цифровому преобразователю последовательно соединенному с блоками накопления и хранения информации, обработки и выявления аномалий, при этом в качестве датчика геофизической информации установлен лазерный гидрофон с точностью измерения вариаций давления не ниже 1 мПа и лазерный нанобарограф с точностью измерения не менее 0,5 мПа, а в качестве датчика геодезической информации установлены три лазерных деформографа с точностью измерения микродеформаций земной коры не менее 0,3 нм, при этом два из них горизонтальные с ориентацией север-юг и запад-восток и один вертикальный.
Система может дополнительно содержать метеостанцию для мониторинга температуры окружающей среды, направления и скорости ветра, GPS - приемник для более точной интерпретации локальных деформационных процессов и выявления их связи с глобальными процессами планетарного типа. Система может включать дополнительно пост принятия решения и оповещения.
На фиг. представлена схема заявляемой системы. Система включает лазерный гидрофон (1), горизонтальные лазерный деформограф (2) ориентацией север-юг и лазерный деформограф (3) ориентацией запад-восток, вертикальный лазерный деформограф (4), лазерный нанобарограф (5), аналого-цифровой преобразователь (6), блок накопления и хранения информации (7), блок обработки и выявления аномалий, выполненные на основе ЭВМ (8).
Работа заявляемой системы основана на лазерно-интерференционном методе исследования, позволяющем с высокой степенью точности фиксировать колебания и волны во всех трех геосферах одновременно, что позволяет сделать прогноз об опасных гидро- и геодинамических процессах данного региона с высокой точностью. Использование трех координатной системы установки лазерных деформографов вертикального и горизонтального типов, лазерного нанобарографа и лазерного гидрофона позволяет регистрировать упругие колебания и волны в широком диапазоне частот, изучать физические процессы, приводящие к их возникновению, то есть получить полную картину о типе колебаний и волн, распространяющихся в литосфере, атмосфере и гидросфере, соответственно.
Система работает следующим образом. В месте наблюдения на суше располагают лазерные деформографы и нанобарограф, а лазерный гидрофон устанавливают в воде на глубине до 500 м.
Сигналы с лазерного гидрофона (1), трех лазерных деформографов (2-4), лазерного нанобарографа (5) поступает на АЦП (6) и затем передаются на блок (8) обработки и выявления аномалий. На первом этапе работы формируют банк данных для определения природных особенностей места установки, экстремумов вариаций микродеформаций земной коры, атмосферного и гидросферного давления в данной точки наблюдения. После формирования банка данных система работает следующим образом: сигнал с лазерного гидрофона (1), трех лазерных деформографов (2-4), лазерного нанобарографа (5) через АЦП (6) попадает на блок (8) обработки и выявления аномалий, где с использованием программы экспертной оценки на основе банка данных определяют уровень сигнала и его основные характеристики. При резком изменении
полученных показателей программа подает сигнал оператору, который определяет степень опасности предстоящего события.
Для достижения заявленного технического результата необходимым условием является использование и расположение в системе широкополосных, высокоточных датчиков, созданных на основе лазерно-интерференционных методов, позволяющих проводить измерения основных параметров геосфер на уровне фоновых колебаний: точность измерения вариаций микродеформаций земной коры не менее 0,3 нм, вариаций атмосферного давления не менее 0,5 мПа, вариаций гидросферного давления не выше 1 мПа; рабочий диапазон частот условно от 0 до 1000 Гц; динамический диапазон для естественных процессов практически неограничен, что дает возможность регистрировать инфразвуковые колебания и волны во всех геосферах одновременно. В качестве таких датчиков могут быть использованы, например, лазерные гидрофон, деформограф и нанобарограф, оптическая схема которых работает на основе равноплечего интерферометра Майкельсона, что позволяет достичь требуемой точности измерений для последующего принятия решений.