Способ прогнозирования сейсмического события и наблюдательная система для сейсмических исследований
METHOD FOR PREDICTING SEISMIC EVENT AND OBSERVING SYSTEM FOR SEISMIC RESEARCHES

Изобретение относится к области геофизики, в частности, к способам проведения сейсморазведки и может быть использовано для поиска подводных полезных ископаемых, а также прогнозирования места, силы и времени сейсмического события, например, землетрясения, извержения подводных вулканов.
Проблема прогнозирования места, силы и времени предстоящего сейсмического события, например, землетрясения, является наиболее актуальной для современной геофизики, так как многие сейсмоопасные зоны расположены в густонаселенных районах Земли и в этих районах находятся многочисленные промышленные объекты, полное или частичное разрушение которых может привести к непредсказуемым последствиям или к экологической катастрофе.
Сложность прогнозирования предстоящего сейсмического события связана с тем, что невозможно получить прямые данные о состоянии земной коры на глубине нескольких километров и приходится использовать косвенные оценки состояния земной коры в очаге предполагаемого сейсмического события, по измерениям контрольных параметров с использованием ограниченного количества измерительных приборов, причем измерительные приборы не обязательно находятся над очагом или вблизи очага предполагаемого сейсмического события.
Известны многочисленные решения по прогнозированию землетрясения, основанные на отслеживании изменения определенных контрольных параметров, так или иначе связанных с процессами, протекающими в земной коре в сейсмоопасных районах.
При прогнозе используются как отдельные параметры, такие как: микросейсмические колебания в земной коре, изменение напряженности магнитного поля Земли, изменение напряженности электромагнитного поля Земли, колебания уровня подземных вод, колебания давления подземных вод, концентрацию одного или нескольких растворенных в подземных водах газов, например, углекислого газа, метана, водорода, радона, или положение Земли относительно Солнца, Луны и других планет солнечной системы. В известных решениях текущие изменения контрольных параметров связываются с их критическими значениями, и на основе такого сравнения определяются местоположение, время предстоящего землетрясения и сила землетрясения.
x
y
Известен способ прогнозирования землетрясения, включающий формирование в сейсмоопасном районе измерительного полигона в виде прямоугольной решетки из N безынерционных измерителей, размещенных в узлах решетки и отстоящих друг от друга на расстоянии на определенных расстояниях при геометрических размерах сторон решетки, кратных длине волны сигнала предвестника, измерении амплитуды А сигнала в каждом узле решетки со скважностью менее 1 с, формирование матрицы цифровых отсчетов сигнала предвестника размерностью m⋅m элементов в функции пространственных координат А(х,у). Затем вычисляют параметры электрического сигнала матрицы: энергетический спектр сигналов S(F), S(F), пространственный период направление прихода волны, автокорреляционную функцию B(R) и по их значениям и времени существования судят о магнитуде и времени ожидаемого землетрясения (патент RU № 2130195, 10.05.1999 [1]).
Известен также способ прогноза местоположения и интенсивности землетрясения, включающий прием и обработку информационных сигналов, поступающих из зон механических деформаций под землей, при этом в качестве информационных сигналов используют электромагнитную волну, порождаемую деформационными процессами в очаге землетрясения, предпочтительно низкочастотную, которую принимают в низкопроводящем слое земной коры, предпочтительно, сложенном базальтами, для чего используют приемные антенны радиоволн, которые размещают в скважинах, пробуренных с поверхности до низкопроводящего слоя земной коры, и монтируют изолированно от земного массива, расположенного выше низкопроводящего слоя земной коры, при этом информационные сигналы отбирают одновременно по меньшей мере в трех точках (патент RU № 2147757, 20.04.2004 [2]).
Известен также способ прогноза землетрясений, включающий бурение наблюдательных скважин, глубина которых менее глубины уровня грунтовых вод и непрерывной регистрации в каждой из этих скважин выделения радона из массива горных пород и суммарного количества сейсмической энергии, поступившей в каждую наблюдательную скважину. По серии наблюдений во времени выделяют зоны с последовательным уменьшением или увеличением выделения радона с учетом поступившей сейсмической энергии, указанные зоны наносят на карту исследуемого района и по площади зоны динамического уменьшения выделения радона судят о положении эпицентра и магнитуде ожидаемого землетрясения, а по динамике уменьшения и/или увеличения выделения радона в наблюдательных скважинах судят о времени ожидаемого сейсмического события (патент RU №2106663710.03.1998 [3]).
Известен также способ прогнозирования землетрясения, включающий отслеживание образования и развития солнечных пятен и вспышек на Солнце с последующим расчетом времени и зоны возмущений магнитного поля Земли, связанных со вспышками на Солнце, и оценкой возможности землетрясения в соответствующей сейсмоопасной зоне (патент US №7706982, 27.04.2010 [4]).
Несмотря на множество предложенных решений по прогнозу местоположения и времени предстоящего землетрясения, до настоящего времени не предложено ни одного способа прогнозирования землетрясения или иного сейсмического события, который позволил бы с достаточной точностью определить местоположение, время и силу предстоящего землетрясения. Типичным примером, показывающим отсутствие достоверных способов прогнозирования землетрясения, является землетрясение в Японии, которое не было предсказано, несмотря на наличие на Японских островах большого количества датчиков, измеряющих параметры, характеризующие процессы в земной коре, например микросейсмические колебания земной коры.
Известно также техническое решение, задачей которого является разработка способа прогнозирования сейсмического события, например, землетрясения или извержения вулкана, который даст возможность на основе измерений контролируемых параметров, характеризующих процессы, происходящие в земной коре в сейсмоопасной зоне, определить область, в которой может произойти землетрясение, определить с достаточной точностью временной диапазон в течение которого может произойти землетрясение, и определить силу предстоящего землетрясения, а дополнительной задачей изобретения является разработка способа прогнозирования землетрясения, который даст возможность использовать для прогнозирования землетрясения как данные измеряемые в режиме реального времен, так и данные, полученные ранее (патент RU № 2579159 С1, 10.04.2016 [5]).
Известный способ прогнозирования сейсмического события [5] содержит выбор, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, из числа параметров, характеризующих процессы в земной коре, для мониторинга ситуации, по меньшей мере, в одной зоне ожидаемого сейсмического события, принадлежащей исследуемому сейсмоактивному региону; формирование в исследуемом сейсмоактивном регионе, к которому принадлежит, по меньшей мере, эта одна зона ожидаемого сейсмического события, наблюдательной сети из n пунктов измерения, по меньшей мере, этого одного контролируемого параметра, при этом в исследуемом сейсмоактивном регионе пункты измерения контролируемого параметра разнесены относительно друг друга, получение в режиме реального времени от указанных n измерителей данных о результатах измерения, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, при этом измерения контролируемого параметра выполняют непрерывно и одновременно на всех n пунктах измерения наблюдательной сети с постоянным и одинаковым для всех станций шагом дискретизации по времени Δt и регистрируют их в виде электрического сигнала; формирование для исследуемого сейсмоактивного региона регулярной сети из N×M узлов, где N - количество узлов в направлении изменения долготы и М - количество узлов в направлении изменения широты, покрывающей исследуемый сейсмоактивный регион, причем каждому из этих узлов соответствует прилегающая к нему одна зона исследуемого сейсмоопасного региона; обработку данных, полученных от указанных n пунктов измерения, для определения риска появления предстоящего сейсмического события, его местоположения, времени и силы, включающую выбор временного окна, состоящего из заданного числа L последовательных временных отсчетов с шагом дискретизации; определение для каждого узла, регулярной сетки из N×M узлов меры согласованности S изменений контролируемых параметров, путем совместного анализа измерений в некотором числе ближайших к узлу пунктов измерения среди общего числа n пунктов измерения, покрывающих исследуемый сейсмоактивный регион, далее, используя значения меры согласованности S в каждом узле, для каждого временного окна на текущий момент времени; формируют для исследуемого сейсмоопасного региона пространственно-временную схему распределения меры согласованности S, далее называемую картой синхронизации, при этом совокупность зон, прилегающих к узлам регулярной сети, для которых мера согласованности S превышает пороговое значение, определяет подобласть исследуемого региона, оцениваемую как область с повышенной сейсмоопасностью в пределах текущего скользящего временного окна, причем пороговое значение определяют на основе статистического анализа значения S для предыдущих сейсмических событий в этом сейсмоактивном регионе. При этом под мерой согласованности S изменения контролируемых параметров понимается множественный коэффициент корреляции либо множественный спектр когерентности.
Предпочтительно в качестве контролируемых параметров используют, по крайней мере, один или несколько из следующих параметров: микросейсмические колебания, изменение напряженности магнитного поля Земли, изменение напряженности электромагнитного поля Земли, колебания уровня подземных вод, колебания давления подземных вод, концентрацию одного или нескольких растворенных в подземных водах газов, например, углекислого газа, метана, водорода, радона, при этом при обработке данных, полученных от указанных n пунктов измерения, используют измерения одного из указанных контрольных параметров, либо при обработке данных, полученных от указанных n пунктов измерения используют измерения разных указанных контрольных параметров.
Кроме того, дополнительно обращаются к базам данных о предшествующих измерениях параметров в сейсмоактивных регионах, характеризующих процессы в земной коре, описывающих изменение этих параметров в период, предшествующий известному сейсмическому событию, в период самого сейсмического события и в период после сейсмического события, и используют эти данные для расчета критических значений сингулярности и меры согласованности S измерений контрольных параметров, при этом при обработке предшествующих измерений используют только те данные, периоды измерений которых перекрывают друг друга.
Данный способ дает возможность с достаточной для практического применения точностью предсказать зону предстоящего землетрясения, силу предстоящего землетрясения и время, когда оно произойдет в условиях суши и не учитывает специфику сейсмических исследований в морских условиях. Кроме того, данный способ имеет ретроспективный характер, что в большинстве сейсмоопасных регионов не позволяет сделать однозначный вывод о месте возможных разрушений.
Для реализации предложенного способа прогнозирования сейсмического события можно использовать существующие пункты измерения контрольных параметров, развернутые в сейсмоопасных регионах, и данные, поступающие из этих пунктов измерения контрольных параметров. При необходимости могут быть развернуты новые пункты измерения контрольных параметров, чтобы более полно охватить сейсмоопасный регион и повысить точность обработки данных.
Однако выбор только одного контролируемого параметра для мониторинга ситуации, особенно в морских условиях не может быть отнесен к объективным способам мониторинга сейсмической ситуации.
Известен также способ размещения приемников сейсмических сигналов для системы наблюдений в сейсморазведке (патент RU №2581119 С2, 10.04.2016 [6]), в котором выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую источники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности возмущения, и приемники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности наблюдения, и задают кратность сейсмической съемки. Выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы и разбивают отражающую границу на бины, имеющие выбранный размер. Методом компьютерного моделирования выполняют трассировку лучей из каждого источника в каждый бин на отражающей границе и осуществляют продолжение отраженного луча от отражающей границы до поверхности наблюдения. С помощью компьютерной программы рассчитывают плотность расположения приемников на поверхности наблюдения и с учетом рассчитанной плотности расположения приемников осуществляют размещение приемников на поверхности наблюдения для выбранной системы наблюдений, обеспечивающее заданную кратность съемки. Технический результат - повышение точности и достоверности восстановления геологических объектов.
При этом сейсморазведка основана на применении искусственно возбуждаемых упругих волн и позволяет выделять границы пластов горных пород с различными упругими свойствами. Сейсморазведка используется при поиске месторождений нефти и природного газа, различных глубинных исследованиях. Наиболее распространенным методом сейсморазведки является метод отраженных волн, применяемый в настоящее время при поисках и разведке месторождений нефти, газа и ряда других полезных ископаемых. В методе отраженных волн возбужденная взрывом или механическим воздействием сейсмическая волна, распространяясь от источника возбуждения сейсмических сигналов, последовательно достигает нескольких отражающих границ в земной коре - поверхностей раздела пород. На каждой из них возникает отраженная волна, которая приходит к месту расположения приемников. Расположение источников исторически принято называть поверхностью возбуждения, а положение приемников - поверхностью наблюдения. Можно также использовать термины области возбуждения и приема, при этом понимать, что возбуждение и измерение колебаний может осуществляться вблизи поверхности Земли или моря. А в скважинной сейсморазведке область возбуждения или приема представляют собой линии возбуждения или приема.
Для различных условий проведения сейсмических исследований положение источников и приемников может различаться. Например, при сейсморазведочных работах на суше, как правило возбуждение сейсмических сигналов производится из неглубоких скважин 5-10 метров ниже поверхности Земли, а сейсмоприемники располагаются непосредственно на поверхности Земли, которая и является в этом случае поверхностью наблюдения. При морских наблюдениях источники погружены на 5-10м под поверхностью моря, причем приемники также погружены под поверхность моря и часто на большие глубины, чем источники. В этом случае поверхность наблюдения расположена на некоторой глубине под поверхностью моря. Для сейсмических работ в скважинах, как правило, источники находятся на поверхности Земли или в неглубоких взрывных скважинах, а приемники располагаются в глубоких скважинах, специально используемых для того, что бы наблюдать поля во внутренних точках Земли (не на поверхности). Место расположения приемников в скважине и будет являться поверхностью наблюдения в этом случае. Иногда источники сейсмических волн могут быть помещены в скважину, а приемники при этом могут располагаться как на поверхности Земли, так и в скважинах.
Регистрация сейсмических сигналов от одного источника, расположенного в пункте взрыва (ПВ), производится обычно несколькими приемниками или группой приемников, находящимися на разных расстояниях от ПВ. Использование большого количества приемников при регистрации сейсмических данных обусловливается технологией сбора информации и экономической целесообразностью, так как требуется зарегистрировать большое количество расположений за минимально возможное время и с минимальными затратами. Взаимное расположение приемников и источников сейсмических сигналов (или ПВ) называют системой наблюдения.
При планировании расположения приемников сейсмических волн и положения сейсмических источников на изучаемой площади обычно принимают во внимание несколько различных аспектов, таких как геологическая задача и требуемое качество сейсмической съемки (т.е. сейсморазведки), наличие оборудования и возможности его размещения на поверхности наблюдения и в скважинах, экономический фактор и фактор времени. При оптимизации системы наблюдений с точки зрения решения геологической задачи требуется расположить источники и приемники таким образом, чтобы исследуемые отражающие границы были отображены (освещены) и их пространственное положение было определено с наименьшей ошибкой.
Для того, чтобы уменьшить неоднозначность восстановления геологических объектов используют системы наблюдения с заведомо избыточным количеством приемников и источников сейсмических сигналов, расположенных с большой плотностью на изучаемой площади (Урупов А.К. Основы трехмерной сейсморазведки: Учебное пособие для вузов. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» 2004, стр. 27-70).
Оценка качества планируемой системы предполагает определение размеров отражающего элемента исследуемого объекта, называемого бином. Бин - это элементарный фрагмент планируемой системы наблюдения. Одному бину соответствует одна трасса, получаемого в результате обработки данных сейсмического изображения. Для профильных систем наблюдения бин - это линейный отрезок, расположенный вдоль профиля наблюдений. Обычно размер бина выбирается равным 10, 20, 25 или 30 м в зависимости от требований к качеству съемки. Для площадных систем наблюдения бин - это, как правило, прямоугольник. Обычно размеры бина выбираются 20 на 20 м, 25 на 20 м или другими в зависимости от схемы наблюдений. Системы наблюдения могут быть нерегулярными, размеры и форма бина могут быть различными, но с точки зрения горизонтальной разрешенности сейсмической съемки размер бина определяет минимальные размеры объектов, различимых с помощью сейсморазведки с выбранной системой наблюдения и размером бина.
Вторым главным параметром сейсмической системы наблюдения является кратность съемки. Кратность съемки определяется как количество различных лучей, отраженных от фрагмента границы, имеющего размер одного бина. В существующих методах оптимизации систем наблюдения решаются две задачи: повышение кратности съемки и соблюдение равномерного пространственного распределения удалений в бинах. При планировании скважинных систем наблюдения, увеличение кратности системы наблюдения обычно достигается за счет увеличения количества пунктов взрыва и оптимального их расположения на поверхности Земли. Поэтому подходы к планированию сейсмических работ ориентированы в основном на выбор оптимального шага расположения ПВ, то есть источников сейсмических сигналов (Урупов А.К. Основы трехмерной сейсморазведки: Учебное пособие для вузов. - М.: ФГУП Изд-во «Нефть и газ» 2004, стр. 46-52).
Классические подходы к планированию системы наблюдений в сейсморазведке основываются на жестком выборе параметров съемки, допускающем существенную избыточность системы наблюдения, относительно планируемых параметров: кратности и размерам бина. Считается, что избыточная плотность съемки позволяет избежать ошибок при проведении работ. Параметры, которые обычно варьируют при подборе системы наблюдений - это минимальные и максимальные расстояния между источником и приемниками. Для расчета кратности съемки и других параметров используют модель среды с плоской границей, что является достаточно сильным упрощением и часто приводит к некорректным решениям. В рамках стандартных подходов, использующих многократные модельные расчеты, очень сложно и трудоемко добиться оптимального расположения источников на поверхности наблюдения.
Технический результат, достигаемый при реализации известного изобретения [6], заключается в повышении качества сейсмической съемки с обеспечением заданной кратности за счет обеспечения равномерного освещения изучаемых объектов с одновременной экономией затрат на проведение полевых работ за счет отсутствия повторных наблюдений, что достигается тем, что выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую источники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности возмущения, и приемники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности наблюдения, и задают кратность сейсмической съемки. Выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы и разбивают отражающую границу на бины, имеющие выбранный размер. Методом компьютерного моделирования выполняют трассировку лучей из каждого источника сейсмических сигналов в каждый бин на отражающей границе и осуществляют продолжение отраженного луча от отражающей границы до поверхности наблюдения. С помощью компьютерной программы рассчитывают плотность расположения приемников сейсмических сигналов на поверхности наблюдения и с учетом рассчитанной плотности расположения приемников осуществляют размещение приемников сейсмических сигналов на поверхности наблюдения для выбранной системы наблюдений, обеспечивающее заданную кратность съемки.
Известный способ предполагает выполнение компьютерного моделирования лучевым методом и расчет положения приемников с использованием компьютерной программы на основе априорной информации об исследуемом геологическом объекте (отражающей границе).
Для осуществления известного способа выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую заданное количество источников и приемников сейсмических сигналов, размещенных с некоторым шагом (допустимым для оборудования) в скважине, на поверхности Земли или на поверхности моря.
F
Задают требуемую кратность сейсмической съемки и выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы. Размер бина съемки может находиться в некоторых пределах, зависящих как от частотного диапазона возбуждаемого сейсмического сигнала, так и от положения изучаемого объекта. Размер бина выбирается в соответствии с размером первой зоны Френеля (R), рассчитываемой для заданной модели среды и простейшей конфигурации системы наблюдения по общепринятым формулам (см., например, Завалишин Б.Р. О размерах участка границы, формирующего отраженную волну. Прикладная геофизика. Недра, 1975 г., стр. 77, или Goertz A., Milligan P., Karrenbach М., Paulsson В. Houston: Optimized 3D VSP survey geometry based on Fresnel zone estimates, SEG Annual Meeting, 2005. p. 2641-2645. VSP 2.5).
F
F
Размер бина сейсмической съемки отражается в шаге пространственной дискретизации результатов обработки наблюденных данных. При этом «степень похожести» или корреляция двух соседних трасс на сейсмических данных главным образом зависят от выбранных размеров бина. Два сейсмических сигнала, отраженных от соседних бинов, будут совпадать, если размер бина меньше чем (R/7), и поэтому данная величина определяет нижнюю границу размера бина. Размер бина больше чем (R/2) не обоснован, так как различие в сигналах на соседних трассах может быть более 25% от общей энергии. Поэтому оптимальный размер бина (В) при планировании сейсмических работ находится в некотором заданном диапазоне.
Критерий выбора размера бина в заданном диапазоне значений не определен, это могут быть экономические ограничения или ограничения, связанные с длительностью выполнения наблюдений.
Недостатком известного способа является то, что для его осуществления используют априорную информацию, а скоростная модель и отражающая граница задаются приближенно. При этом известный способ отягощен многочисленными расчетами системы наблюдения, а процедура трассировки сейсмических лучей в среде становится более затратной с точки зрения времени расчета и требуемых мощностей компьютера.
И если для сейсморазведки в условиях суши, построенное семейство сейсмических лучей может быть использовано для дальнейшего расчета оптимального расположения приемников на поверхности наблюдения, обеспечивающее требуемую заданную кратность сейсмической съемки, то в морских условиях с учетом неоднородности морской воды, грунта морского дна, а также тектонической структуры по глубине исследований, реализация данной задачи весьма проблематична.
Также известный аналогичный способ размещения источников сейсмических сигналов для системы наблюдений в сейсморазведке (патент RU 2580206 С1, 10.04.2016 [7]) заключается в том, что для проведения сейсморазведки выбирают стандартную систему наблюдений, содержащую источники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности возбуждения, и приемники сейсмических сигналов, расположенные на поверхности наблюдения, и задают кратность сейсмической съемки. Выбирают размер бина сейсмической съемки для отражающей границы и разбивают отражающую границу на бины, имеющие выбранный размер. Методом компьютерного моделирования выполняют трассировку лучей из каждого приемника в каждый бин на отражающей границе и осуществляют продолжение отраженного луча от отражающей границы до поверхности возбуждения. С помощью компьютерной программы рассчитывают плотность расположения источников на поверхности возбуждения и с учетом рассчитанной плотности расположения источников осуществляют размещение источников на поверхности возбуждения для выбранной системы наблюдений, обеспечивающее заданную кратность съемки. Технический результат - повышение точности и достоверности восстановления геологических объектов.
Сейсморазведка основана на применении искусственно возбуждаемых упругих волн и позволяет выделять границы пластов горных пород с различными упругими свойствами. Сейсморазведка используется при поиске месторождений нефти и природного газа, различных глубинных исследованиях. Наиболее распространенным методом сейсморазведки является метод отраженных волн, применяемый в настоящее время при поисках и разведке месторождений нефти, газа и ряда других полезных ископаемых. В методе отраженных волн возбужденная взрывом или механическим воздействием сейсмическая волна, распространяясь от источника возбуждения сейсмических сигналов, последовательно достигает нескольких отражающих границ в земной коре - поверхностей раздела пород. На каждой из них возникает отраженная волна, которая приходит к месту расположения приемников. Расположение источников исторически принято называть поверхностью возбуждения, а положение приемников поверхностью наблюдения. Можно также использовать термины области возбуждения и приема, при этом понимать, что возбуждение и измерение колебаний может осуществляться вблизи поверхности Земли или моря. А в скважинной сейсморазведке область возбуждения или приема представляют собой линии возбуждения или приема.
Реализация известного способа и его недостатки [7] практически аналогичны известному техническому решению [6].
Оптимальным вариантом проведения сейсмических исследований является создание стационарной океанической измерительной системы. Для создания стационарной океанической измерительной сети естественным решением является использование подводных кабелей для питания станций, управления ими и передачи информации на берег. Однако стоимость прокладки морских глубоководных кабелей чрезвычайно высока и может составлять многие млн. долларов при больших расстояниях. Существенные трудности связаны с выводом кабелей на берег, т.к. волны прибоя размывают берега и обрывают кабели. Для энергопитания донной аппаратуры на больших расстояниях от берега (сотни и тысячи километров) приходится подавать на кабели высокое напряжение (несколько тысяч вольт). Поэтому сейсмические приемники, в предлагаемом техническом решении, встроены в существующие кабельные коммуникации, проложенные по дну морей. При этом кабельные сейсмические приемники могут быть установлены на разных глубинах, в зависимости от глубины залегания существующего кабеля. Например, у берегов Калифорнии (США) комплексная кабельная система, может быть установлена на глубине около 4000м на расстоянии 170 км от берега, а вокруг о. Уэйк (Гавайи) на глубине около 200 м.
В связи с практическим отсутствием в настоящее время стационарной кабельной морской измерительной сети для решения различных задач используются в основном автономные измерительные станции разных типов, а также, судовая аппаратура. Автономные станции имеют, кроме относительной дешевизны, ряд других преимуществ по сравнению с кабельными станциями. Их высокая мобильность позволяет быстро развертывать сеть станций практически в любом интересующем районе мирового океана. Конфигурация полигона может быть выбрана в соответствии с конкретными задачами и имеющимся оборудованием. Состав аппаратуры и параметры могут меняться перед каждой постановкой. Автономные станции могут выполняться подвижными, плывущими по течению (дрифтеры), или ныряющими на различную глубину (проект "ARGO").
Одной из существенных проблем для автономных морских станций является организация оперативной передачи измерительной информации в пункты приема и обработки. Для этой цели используют радио- или спутниковую связь через поверхностные или всплывающие радиобуи и гидроакустическую связь. Связь подводных станций с радиобуями осуществляется обычно с помощью гибких соединительных кабелей. Однако для многих видов морских измерительных станций, расположенных на большой глубине (более 500м) или имеющих распределенную в пространстве структуру, такая связь неосуществима или ненадежна.
Одним из существенных элементов автономных морских станций являются буйковые носители аппаратуры и якорно-буйрепные устройства. Основное назначение буйковых носителей - обеспечение доставки исследовательской аппаратуры на дно или на заданную глубину, обеспечение ее нормальной работы в течение заданного срока и подъем на поверхность по команде от таймера или обеспечивающего судна. Во многих случаях аппаратура располагается внутри буйковых носителей, которые должны оббеспечивать ее механическую защиту от ударов, повышенного давления, влаги и т.д.
Якорно-буйрепные устройства обеспечивают фиксацию буйковых носителей на дне, а также служат для соединения различных элементов носителей аппаратуры. Важным элементом буйковых носителей является размыкатель балласта (якоря), обеспечивающий всплытие носителя. Размыкатели балласта могут быть отдельными устройствами с собственным гидроакустическим каналом связи и таймером (размыкатель «АГАР» ОКБ ОТ РАН и др.) или составлять часть основной аппаратуры (в самовсплывающих донных сейсмостанциях).
Буйковые носители для исследовательской аппаратуры разделяются в зависимости от назначения и конструкции на стабилизированные, нестабилизрированные, всплывающие и с распределенной плавучестью.
По глубине постановки носители подразделяются на поверхностные, притопленные и глубоководные.
По количеству отдельных плавучестей - подразделяются на одномодульные и многомодульные.
Буйковые носители различаются также по основному материалу, из которого изготавливаются плавучести. Используются в основном следующие материалы: пенопласт, синтактик (сферопласт), закаленное стекло, алюминиевые сплавы, титановые сплавы, в последнее время - специальные пластмассы. Корпуса крупных буев (размером в десятки метров) изготовляются из специальной стали.
Стабилизированные буи отличаются высокой вертикальной остойчивостью. Это достигается смещением центра тяжести вниз, глубоко под воду, малой надводной и подводной парусностью.
Стабилизированные буи малочувствительны к волнению, течениям и ветровому давлению. Наклон таких буев не превышает единиц градусов даже во время шторма, а вертикальное смещение составляет единицы сантиметров. Для исключения вращения вокруг оси стабилизированные буи обычно крепятся ко дну на двух или трех якорях с применением промежуточных притопленных плавучестей (бочек). Стабилизированные буи обеспечивают наилучшие условия для работы аппаратуры или экипажа (в случае обитаемого буя). Такие буи можно соединять кабельными линиями с глубоководной или донной аппаратурой. Однако стоимость таких буев значительна и используются они довольно редко.
Нестабилизированные поверхностные буи (частично стабилизированные) используются в большинстве случаев. Они служат для регистрации метеоусловий, волнения, поверхностных течений и других параметров пограничного слоя вода - атмосфера. Нестабилизированные буи вращаются вокруг оси и качаются на волнах, поэтому их снабжают обычно измерителями азимута и наклономерами. Глубоководную и донную аппаратуру с такими буями обычно не используют из-за запутывания соединительных кабелей. Якорно - буйрепное устройство таких буев содержит балласт, соединительные элементы, выполняемые из стального троса, капронового фала и др. материалов, а также вертлюги для исключения скручивания соединительных элементов. Якорно - буйрепное устройство, предназначенное для длительной работы буя в море, содержит обычно промежуточную притопленную плавучесть и свободный участок буйрепа между плавучестью и буем. При этом существенно уменьшаются рывки буйрепа, и снижается его износ. Однако это приводит к большим горизонтальным перемещениям буя (около трети глубины до дна), что в ряде случаев требует уточнения его положения с помощью спутниковой навигации. Обычно поверхностные буи оснащены каналами связи (спутниковыми или радио) с наземными пунктами сбора и обработки информации.
Притопленные буи применяются с целью защиты от поверхностных штормов, ветрового давления, столкновений с судами, льдинами и т.д. С помощью троса и балласта притоп ленный буй устанавливается на определенной глубине (обычно от 20 до 200 м). Такие буи используются преимущественно с аппаратурой для гидрологических исследований в толще воды, гидроакустических исследований, а также, для работы с донной аппаратурой. Всплытие притопленного буя производится путем отсоединения балласта с помощью размыкателя по команде от обеспечивающего судна. Плавучести притопленных буев могут быть одномодульными и выполняться из синтактика или представляют собой набор из нескольких полых сферических корпусов (стеклянных, алюминиевых, титановых и др.). Для этих целей часто используют стандартные поплавки («кухтели»), применяемые на рыболовецком флоте, которые набирают в количестве нескольких десятков или сотен штук и связывают тросами. Для постановки притопленных буев суда должны быть оснащены точными гидролокаторами (погрешность по глубине не более 10 м), хорошей спутниковой навигацией, иметь возможность точного маневрирования. Постановка притопленных буев производится только в тихую погоду при минимальном дрейфе судна. Использование таких буев на глубинах свыше 2-3 км проблематично.
Буи с распределенной плавучестью используются для уменьшения нагрузки на соединительный трос. Такой буй применяется обычно в случае расположения значительного количества тяжелых приборов на различных уровнях от дна. В этом случае буй набирается из соединенных в требуемой последовательности - балласта, соединительных элементов (тросов), измерительных приборов, плавучестей и вертлюгов.
Всплывающие буи в основном используются с аппаратурой для измерения донных и придонных параметров гидросферы. Конструкция таких буев должна обеспечивать необходимую скорость погружения и всплытия аппаратуры, исключение засасывания мягким илом, защиту от воздействия придонных течений. Если аппаратура расположена внутри корпуса буя, то необходимо обеспечивать условия для ее нормальной работы на дне и в придонном слое. Скорость погружения определяется, с одной стороны, требованиями малого сноса аппаратуры подводными течениями, и с другой стороны, допустимыми ударами о дно. В среднем эта скорость выбирается около 1 м/с. Для уменьшения засасывания в ил и амортизации при ударах о дно конструкция всплывающих буев обычно представляет собой последовательно соединенные балласт, буйреп (длиной 2-3 м), размыкатель балласта, плавучесть. Датчики измерительной гидрологической аппаратуры обычно размещаются снаружи корпуса буя. Датчики, которые должны находиться на дне (сейсмические, для химического анализа и др.), выносятся в отдельный контейнер, соединяемый с буем кабель - тросом. После всплытия буй должен быть обнаружен и поднят на борт обеспечивающего судна. Для этого всплывающие буи оснащаются свето- радио- и гидроакустическими маякам, радиолокационными отражателями, буйковыми ловителями и т.д. Всплывающие буи используются на любых глубинах и отличаются в основном прочностью корпуса.
Широкое распространение в современной гидрологии находят одновременные измерения параметров водной среды на нескольких горизонтах. С этой целью соответствующие приборы располагаются по вертикали на определенных расстояниях от дна и поддерживаются с помощью вертикального буйкового носителя. Буйковый носитель содержит притопленную плавучесть, автономные измерительные приборы типа «Поток-2м», гидроакустический размыкатель плавучести, балласт. При срабатывании размыкателя по команде от обеспечивающего судна, плавучесть отсоединяется от основного троса и всплывает на поверхность. При этом со специального барабана сматывается дополнительный фал, соединяющий плавучесть и гирлянду приборов. С помощью этого фала производится подъем всего измерительного комплекса.
При выполнении подобных измерений на больших глубинах применяют другой вид буйкового носителя - с распределенными по вертикали плавучестями. Буйковый носитель содержит плавучести, расположенные как вверху гирлянды, так и прикрепленные к средней части поддерживающего троса между измерительными приборами типа «Поток-2м». Кроме измерителей течений комплекс содержит седиментационные ловушки и измеритель давления. Балласт отсоединяется с помощью гидроакустического размыкателя по команде с судна, и комплекс всплывает на поверхность. Расположение размыкателя внизу в данном случае связано с большим весом и большой длиной комплекса приборов. В противном случае (при отсоединении верхней плавучести) возможно запутывание и обрыв гирлянды.
В последние годы активизировались усилия по созданию региональной наблюдательной системы в составе США, Канады, Мексики в рамках глобального наблюдательного проекта GOOS. В качестве регистрируемых параметров выбраны температура, соленость, высота уровенной поверхности океана, скорость поверхностных течений и цвет морской воды. Данные собираются с помощью Глобальной сети измерителей высоты прилива, Глобальной системы поверхностных дрейфующих буев, Сети тропических заякоренных буев, Системы буев нейтральной плавучести «Арго». Однако признается, что такая система не обеспечивает контроль точности измерений указанных величин, что приводит к потерям больших массивов информации и невозможности построения рациональных моделей природных систем.
В настоящее время наряду с экспедиционными исследованиями Мирового океана с помощью научных судов все большее значение приобретают исследования с помощью автоматических средств: кабельных и автономных донных обсерваторий, заякоренных и свободно плавающих исследовательских буев и др.
Следует отметить, что имеется ряд явлений в Мировом океане, которые невозможно или сложно исследовать с помощью подвижных объектов (научных судов, свободно плавающих буев). К таким явлениям относятся медленно развивающиеся процессы или редко появляющиеся события. Например, развитие шторма, сезонные изменения взаимодействия атмосферы и океана, вариации течений, землетрясения, цунами, отдельные аномальные волны и др. Для исследования таких явлений требуется регистрация длинных временных рядов многих связанных параметров, преимущественно локализованных в конкретной географической точке океана.
В качестве прототипа выбрано известное техническое решение [5], которое по своей сути направлено на создание стационарной измерительной сети для решения задачи в обеспечение регистрации сейсмических сигналов на больших площадях.
Предлагаемое техническое решение направлено на создание комплексной системы сейсмических исследований, основанной на различных носителях измерительной аппаратуры с учетом с учетом естественных и технических ограничений по их использованию
Задачей предлагаемого технического решения является повышение достоверности сейсмических исследований и создание комплексной системы для сейсмических исследований.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе прогнозирования сейсмического события содержащем выбор, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, из числа параметров, характеризующих процессы в земной коре, для мониторинга ситуации, по меньшей мере, в одной зоне ожидаемого сейсмического события, принадлежащей исследуемому сейсмоактивному региону; формирование в исследуемом сейсмоактивном регионе, к которому принадлежит, по меньшей мере, эта одна зона ожидаемого сейсмического события, наблюдательной сети из n пунктов измерения, по меньшей мере, этого одного контролируемого параметра, при этом в исследуемом сейсмоактивном регионе пункты измерения контролируемого параметра разнесены относительно друг друга, получение в режиме реального времени от указанных n измерителей данных о результатах измерения, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, при этом измерения контролируемого параметра выполняют непрерывно и одновременно на всех n пунктах измерения наблюдательной сети с постоянным и одинаковым для всех станций шагом дискретизации по времени Δt и регистрируют их в виде электрического сигнала; формирование для исследуемого сейсмоактивного региона регулярной сети из N×M узлов, где N - количество узлов в направлении изменения долготы и М - количество узлов в направлении изменения широты, покрывающей исследуемый сейсмоактивный регион, причем каждому из этих узлов соответствует прилегающая к нему одна зона исследуемого сейсмоопасного региона; обработку данных, полученных от указанных n пунктов измерения, для определения риска появления предстоящего сейсмического события, его местоположения, времени и силы, включающую выбор временного окна, состоящего из заданного числа L последовательных временных отсчетов с шагом дискретизации; определение для каждого узла, регулярной сетки из N×M узлов меры согласованности S изменений контролируемых параметров, путем совместного анализа измерений в некотором числе ближайших к узлу пунктов измерения среди общего числа n пунктов измерения, покрывающих исследуемый сейсмоактивный регион, далее, используя значения меры согласованности S в каждом узле, для каждого временного окна на текущий момент времени; формируют для исследуемого сейсмоопасного региона пространственно-временную схему распределения меры согласованности S, далее называемую картой синхронизации, при этом совокупность зон, прилегающих к узлам регулярной сети, для которых мера согласованности S превышает пороговое значение, определяет подобласть исследуемого региона, оцениваемую как область с повышенной сейсмоопасностью в пределах текущего скользящего временного окна, причем пороговое значение определяют на основе статистического анализа значения S для предыдущих сейсмических событий в этом сейсмоактивном регионе, в отличие от прототипа, при формировании для исследуемого сейсмоопасного региона пространственно-временной схемы распределения меры согласованности S изменений контролируемых параметров, меру согласованности определяют по критерию синхронизации, равному отношению среднеквадратического отклонения разностей между последовательными измерениями для каждого узла регулярной сетки к среднему значению измерений во всех узлах регулярной сетки, а в системе для сейсмических исследований, принадлежащей исследуемому сейсмоактивному региону и содержащей наблюдательную сет из n пунктов измерения, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, при этом в исследуемом сейсмоактивном регионе пункты измерения контролируемого параметра разнесены относительно друг друга, получение в режиме реального времени от указанных n измерителей данных о результатах измерения, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, при этом посредством измерителей выполняют измерения контролируемого параметра непрерывно и одновременно на всех n пунктах измерения наблюдательной сети с постоянным и одинаковым для всех станций шагом дискретизации по времени Δt и регистрируют их в виде электрического сигнала, а наблюдательная сеть из n пунктов измерения, включает кабельную сейсмическую станцию, донную сейсмическую станцию, сейсмические приемники, размещенные на стабилизированных и не стабилизированных буях, всплывающих и с распределенной плавучестью буях.
В отличие от прототипа, в предлагаемом техническом решении, при формировании для исследуемого сейсмоопасного региона пространственно-временной схемы распределения меры согласованности S изменений контролируемых параметров, меру согласованности определяют по критерию синхронизации, равному отношению среднеквадратического отклонения разностей между последовательными измерениями для каждого узла регулярной сетки к среднему значению измерений во всех узлах регулярной сетки.
При этом в исследуемом сейсмоактивном регионе пункты измерения контролируемого параметра разнесены относительно друг друга, получение в режиме реального времени от указанных n измерителей данных о результатах измерения, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, при этом посредством измерителей выполняют измерения контролируемого параметра непрерывно и одновременно на всех n пунктах измерения наблюдательной сети с постоянным и одинаковым для всех станций шагом дискретизации по времени Δt и регистрируют их в виде электрического сигнала.
Наблюдательная сеть из n пунктов измерения, включает кабельную сейсмическую станцию, донную сейсмическую станцию, сейсмические приемники, размещенные на стабилизированных, не стабилизированных, всплывающих и с распределенной плавучестью буях.
При этом, каждая сейсмическая станция содержит два тракта регистрации - низкочастотный (0,01-20 Гц) и высокочастотный (1-500 Гц). Такой принцип построения аппаратуры обусловлен тем, что отсутствуют сейсмические приемники (велосиметры), которые могли бы перекрыть сразу весь указанный частотный диапазон. Кроме того, задачи низкочастотного и высокочастотного тракта несколько различны. В низкочастотном диапазоне должна производиться непрерывная регистрация сигналов землетрясений, микросейсм и техногенных шумов. Объем памяти и пропускная способность канала связи здесь могут быть относительно небольшими. В высокочастотном тракте при том же динамическом диапазоне объем информации примерно в 10 раз больше, что может создавать трудности при регистрации, передаче и обработки зарегистрированных данных. Вместе с тем, высокочастотный тракт может использоваться в специфических режимах: старт - стопном, с сжатым динамическим диапазоном, только при активном мониторинге и т.д. Поэтому принятый принцип построения аппаратуры повышает эксплуатационную гибкость аппаратуры при существенном сокращении информационной нагрузки.
В прочном корпусе каждой станции в карданном подвесе размещены трехкомпонентные низкочастотные молекулярно - кинетические сейсмоприемники типа СМЕ-4111 и высокочастотные типа MTSS - 2003, а также блок ориентации по азимуту и наклону кардана. В прочном корпусе также находятся две платы цифровых регистраторов низкочастотного (с максимальной частотой дискретизации 250 Гц) и высокочастотного (с максимальной частотой дискретизации 2 кГц) трактов соответственно, в составе аналоговых усилителей, аналого-цифровых дельта - сигма преобразователей и микроконтроллеров, интерфейсные платы для передачи данных на береговой диспетчерский пункт и приема команд управления. Микроконтроллеры по принятым командам осуществляют управление усилением аналоговых усилителей, частотой преобразования аналого-цифровых преобразователей и частотой среза антиалайзинговых фильтров микроконтроллеров. Антиалайзинговые фильтры имеют линейную фазовую характеристику и частотную характеристику, переключаемую синхронно с частотой дискретизации.
Снаружи прочного корпуса размещены низкочастотный и высокочастотный гидрофоны, а также гидроакустические приемоизлучатели гидроакустического канала связи. На стабилизированных и ныряющих буях также размещены антенны спутникового канала связи ГЛОННАС/GPS.
Предлагаемое техническое решение реализуется следующим образом.
В предлагаемом способе прогнозирования сейсмического события, как и в прототипе [5], осуществляют выбор, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, из числа параметров, характеризующих процессы в земной коре, для мониторинга ситуации, по меньшей мере, в одной зоне ожидаемого сейсмического события, принадлежащей исследуемому сейсмоактивному региону. Выполняют формирование в исследуемом сейсмоактивном регионе, к которому принадлежит, по меньшей мере, эта одна зона ожидаемого сейсмического события, наблюдательной сети из n пунктов измерения, по меньшей мере, этого одного контролируемого параметра, при этом в исследуемом сейсмоактивном регионе пункты измерения контролируемого параметра разнесены относительно друг друга, получение в режиме реального времени от указанных n измерителей данных о результатах измерения, по меньшей мере, одного контролируемого параметра, при этом измерения контролируемого параметра выполняют непрерывно и одновременно на всех n пунктах измерения наблюдательной сети с постоянным и одинаковым для всех станций шагом дискретизации по времени Δt и регистрируют их в виде электрического сигнала.
При этом формирование для исследуемого сейсмоактивного региона регулярной сети из N×M узлов, где N - количество узлов в направлении изменения долготы и М - количество узлов в направлении изменения широты, покрывающей исследуемый сейсмоактивный регион, причем каждому из этих узлов соответствует прилегающая к нему одна зона исследуемого сейсмоопасного региона; обработку данных, полученных от указанных n пунктов измерения, для определения риска появления предстоящего сейсмического события, его местоположения, времени и силы, включающую выбор временного окна, состоящего из заданного числа L последовательных временных отсчетов с шагом дискретизации.
Определяют для каждого узла, регулярной сетки из N×M узлов меры согласованности S изменений контролируемых параметров, путем совместного анализа измерений в некотором числе ближайших к узлу пунктов измерения среди общего числа n пунктов измерения, покрывающих исследуемый сейсмоактивный регион, далее, используя значения меры согласованности S в каждом узле, для каждого временного окна на текущий момент времени; формируют для исследуемого сейсмоопасного региона пространственно-временную схему распределения меры согласованности S, далее называемую картой синхронизации, при этом совокупность зон, прилегающих к узлам регулярной сети, для которых мера согласованности S превышает пороговое значение, определяет подобласть исследуемого региона, оцениваемую как область с повышенной сейсмоопасностью в пределах текущего скользящего временного окна, причем пороговое значение определяют на основе статистического анализа значения S для предыдущих сейсмических событий в этом сейсмоактивном регионе.
В отличие от прототипа, при формировании для исследуемого сейсмоопасного региона пространственно-временной схемы распределения меры согласованности S изменений контролируемых параметров, меру согласованности определяют по критерию синхронизации, равному отношению среднеквадратического отклонения разностей между последовательными измерениями для каждого узла регулярной сетки к среднему значению измерений во всех узлах регулярной сетки, что реализуется посредством высокоскоростных средств вычислительной техники и соответствующего программно-математического обеспечения геоинформационных систем.
h
t
На практике, как и в прототипе [5], в качестве количественного значения пространственно-временной схемы распределения меры согласованности, используют критерий сходства кривых, представляющий собой величину среднеквадратического отклонения как для амплитуд сейсмических колебаний σ, так и для моментов наступления сейсмоопасного явления σ.
h
t
h
t
Однако оценка сходства временного хода сейсмических колебаний по среднеквадратическим отклонениям σ и σ не достаточно корректна. Дело в том, что сейсмические колебания имеют достаточно сложную форму временного хода. Сложность формы сейсмических колебаний приводит к тому, что даже при тождественной форме среднеквадратическое отклонение σ будет значительной величиной только за счет фазового сдвига колебаний. В то же время, для вычисления среднеквадратического отклонения σ необходимо найти сходные экстремумы, что затруднительно при различном их числе.
h
t
Приведем иллюстрацию недостаточной эффективности критериев σ и σ. Предварительно заметим, что форма колебательного процесса определяется не столько амплитудой, сколько фазой процесса. Фаза - это состояние процесса в некоторый момент времени. Формальное описание фазы колебательного процесса сводится к следующему. Рассмотрим выражение для простейшего гармонического колебания:
Здесь t - время, ω - частота гармоники, А и φ - амплитуда и фазовый сдвиг колебания. Моменты наступления экстремумов определяются аргументом косинуса: ωt-φ. Будем обозначать аргумент символом Ф(t). В физике принято величину Ф(t)=ωt-φ называть фазой. Моменты наступления экстремумов для выражения (1) соответствуют моментам при которых Ф(t)=kπ/2, k=0,1,…. Фаза - монотонно растущая (до бесконечности) функция времени, выражается в радианах.
h
t
h
t
1
2
h
t
h
t
Рассмотрим оценку среднеквадратических значений σ и σ для двух гармонических колебаний вида (1) с одинаковыми параметрами. Очевидно, что в этом случае σ=0 и σ=0. Теперь пусть для одного процесса φ=0, а для другого φ=π. Тогда σ≈1, а σ=π. Получается, что форма обоих процессов не изменилась, а оценки сходства изменились существенно: на 50% возможного относительного диапазона. Следовательно, критерии σ и σ не репрезентативны для процессов, смещенных по фазе, они приводят к ложному различению двух процессов, имеющих одинаковую форму, но сдвинутых по фазе.
Для снятия данной проблемной ситуации следует найти способ оценки сходства колебаний, учитывающий разность фаз процессов, например, путем использования фазовой синхронизации двух временных процессов (Пиковский А., Розенблюм М., Куртс Ю. Синхронизация. Фундаментальное нелинейное явление. - М: Техносфера, 2003. - 496 с).
1
2
В теории синхронизации определено, что два колебательных процесса находятся в резонансе, если их частоты колебаний ω и ω находятся в отношении:
j
j
n,m
1
2
где n и m являются целыми числами. Определим фазу колебаний в виде Ф(t)=ω(t) для каждого колебания j=1,2, тогда разность фаз этих колебаний будет γ=nФ-mФ.
Для условия резонанса должно выполняться условие
где δ - фазовый сдвиг между колебаниями, const - любое положительное конечное число. Условие (3) должно выполняться для реальных наблюдаемых сейсмических процессов, для которых частоты колебаний непостоянны, а флуктуируют около некоторого значения. В этом случае условие (3) можно представить гистограммой величины
Для проверки условия (4) необходимо иметь возможность получить фазу Ф(t) для любого колебательного процесса. Свойства фаза Ф(t) должны быть аналогичны свойствам фазы гармонического колебания (1). Фаза Ф(t) должна быть:
1) определена для любого временного ряда наблюдений h(t);
2) однозначна;
3) вычислима.
Фазу Ф(t) с такими свойствами определяют на основе понятия «аналитического сигнала» (Вакман Д.Е., Вайнштейн Л.А. Амплитуда, фаза, частота - основные понятия теории колебаний // Успехи физических наук, 1977, декабрь, т. 123, вып. 4., с. 657-682).
Аналитический сигнал для действительной функции h(t) - это комплексная функция ζ(t)=h(t)+iσ(t). Действительной частью комплексной функции является сам исходный действительный сигнал h(t), мнимая ее часть σ(t) строится при помощи интегрального преобразования Гильберта от исходного сигнала h(t) (Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных - М.: Мир, 1989. - 540 с).
a
Результатом представления временных колебательных процессов в виде аналитического сигнала является следующая система математических зависимостей. Обозначим через (t) и Ф(t) модуль и аргумент аналитического сигнала ζ(t) для действительной функции h(t). Тогда
Здесь σ(t) - мнимая часть комплексной функции ζ(t). Выражение (9) является искомой фазой Ф(t) временного процесса h(t).
Используя понятие аналитического сигнала, представим вычислительный способ определения фазовой синхронизации двух временных скалярных рядов наблюдений одинаковой дискретности и длины.
j
Входные данные: два временных ряда ежечасных наблюдений за колебаниями земной коры h(t), j=1,2 одинаковой длины.
j
j
j
j
1. Для каждого скалярного ряда h(t), j=1,2, вычисляется комплексный сигнал ζ(t)=h(t)+iσ(t). Здесь σ(t) соответствует выражению (7) и вычисляется с помощью преобразования Гильберта. Алгоритм вычисления преобразования Гильберта изложен, например, в известной книге: Бендата Дж. и Пирсола А. Прикладной анализ случайных данных - М.: Мир, 1989.
j
2. Вычисляются фазы Ф(t) в соответствии с (9).
j
j
3. Вычисляются развертки фаз Θ(t) по соответствующим значениям Ф(t).
j
j
j
j
Другими словами, осуществляется переход от функции Ф(t), значения которой измеряются в интервале [-π÷π], к функции Θ(f) значения которой монотонно растут (не убывают). Для вычисления обычно используется алгоритм Шафера. Он построен на прибавлении к выборкам главного значения фазы Ф(t) величин, равных 2πk, где k - целое число. Значения k определяются путем сравнения соседних отсчетов фазы Ф(t) с помощью вычисления так называемой корректирующей последовательности. Алгоритм Шафера реализован в большинстве пакетов программ обработки сигналов (Васильев В., Гуров И. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам - СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 1998. -238).
j
4. Вычисляется разность ψ(t) разверток фаз Θ(t) соответствии с (4):
1
2
ψ(t)=(Θ(t)-Θ(t))mоd2π.
i
i
5. Вычисляется распределение p(i=1,…,I) значений по ψ(t) по I интервалам 2π/I, где р - число попаданий значения ψ(t) в i-ый интервал 2π/I, I - число интервалов.
max
max
max
6. Вычисляется числовой коэффициент синхронизации ρ=(S-S)/S, где , S=1n I. Коэффициент ρ равносилен энтропии Шеннона.
Значение ρ лежат в диапазоне [0, 1].
j
Выходной результат: коэффициент ρ - критерий сходства формы двух временных рядов наблюдений за уровнем земной коры h(t), j=1, 2.
i
i
Очевидно, что при отсутствии фазовой синхронизации между колебаниями коэффициент синхронизации близок (равен) к нулю, так как распределение p будет близко к равномерному, а при таком распределении значения разностей фаз равновероятны. При наличии синхронизации распределение p будет иметь резкий пик вблизи значения, равного сдвигу фаз между колебаниями, а критерий синхронизации приближается к единице.
В результате можно получить количественную оценку сходства текущих пороговых значений и определенных на основе статистического анализа значения для предыдущих сейсмических событий в этом сейсмоактивном регионе, что является дополнительной информацией к коэффициенту автокорреляции, который используется в настоящее время.
Предлагаемое техническое решение реализуется посредством промышленно освоенными измерительными датчиками и вычислительными средствами с апробированным программно - математическим обеспечением.
Источники информации
1. Патент RU №2130195, 10.05.1999.
2. Патент RU №2147757, 20.04.2004.
3. Патент RU №2106663, 10.03.1998.
4. Патент US №7706982, 27.04.2010.
5. Патент RU №2579159 C1, 10.04.2016.
6. Патент RU № 2581119 С2, 10.04.2016.
7. Патент RU № 2580206 С1, 10.04.2016.