Дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Предложена дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом, оснащенная вертикальной гирляндой гидрофонов, которая включает в себя аппаратурный модуль, состоящий из герметичного цилиндрического аппаратурного модуля в составе блока управления, источника питания, блок спутниковой системы связи и навигации, блок управления и источники питания. При этом станция дополнительно содержит трехкомпонентный геофон, регистратор, цифровой GPS-компас, наклономер, датчик температуры и вольтметр, установленный на источнике питания. Блок анализа выполнен с возможностью обнаружения сверх низкочастотных амплитудных модуляций гидроакустических сигналов - предвестников сильных землетрясений, а также с возможностью отбора импульсных сигналов по амплитуде, частоте повторений, длительности и скорости нарастания фронта сейсмических волн и Т-волн сильных землетрясений. При этом трехкомпонентный геофон выполнен с активными обратными связями, блок анализа выполнен в виде регистратора, работающего в режиме непрерывной регистрации по обнаружению сейсмического события с выдачей сообщения на управляющий компьютер о превышении заданного порога или в заранее заданные промежутки времени ("по календарю") с записью результатов на "твердотельную" память объемом до 32 гигабайт. Кроме того блок анализа содержит четыре сейсмических канала регистрации с мгновенным динамическим диапазоном более 136 дБ, высокостабильный кварцевый генератор с долговременной нестабильностью 10^-7 и выполнен с возможностью управления через встроенный интерфейс "Ethernet 10/100" и диапазоном регистрируемых частот 0,1…240 Гц. Сейсмическая информация конвертируется в форматы CSS, MiniSEED. Технический результат - повышение надежности и достоверности регистрации сейсмических сигналов в морях Арктического бассейна. 6 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.

Известны способы морской сейсмической разведки на морских акваториях с ледовым покровом (Океанология. Геофизика океана, т. 1. Геофизика океанического дна. М., Наука, 1979, с. 34 [1], патент US №4139074, 1979 [2], авторское свидетельство SU №18355938 А1, 10.04.1995 [3]), в результате применения которых, размещают сейсмографическую аппаратуру в морской среде, посредством технических устройств надводного судна с последующей ее буксировкой.

Для этого на акваториях с ледовым покровом предварительно по маршруту движения очищают акваторию от ледового покрова с образованием каналов, по которым буксируют сейсмические преобразователи с использованием метода отраженных волн при исследованиях в сплошном ровном дрейфующем и не дрейфующем льду. При этом скорость движения судна выбирают исходя из длины сейсмического профиля и толщины льда. Выполняют обработку зарегистрированных сигналов для исключения шумов вращения гребного винта и шума разрушения льда корпусом судна. При этом шумы сейсмического приемного устройства записывают в начальном пункте наблюдений и после конечного пункта наблюдений в ледовых условиях в течение времени t₁.

Далее рассчитывают спектральные плотности шумов сейсмического приемного устройства, зарегистрированных до начального и после конечного пунктов наблюдений во временном окне 0-t₁, выделяют частоты шумов разрушения льда корпусом судна, определяют спектральную плотность шумов разрушения льда на этих частотах, рассчитывают спектральную плотность трасс с сейсмическим сигналом во временном окне t₂-t_к, весовые коэффициенты на частотах разрушения льда корпусом судна, с учетом которых определяют сейсмический разрез геологической среды. Существенным недостатком является невысокая надежность эксплуатации забортного геофизического оборудования при сейсмических исследованиях в сплошном, ровном дрейфующем и не дрейфующем льду.

Известны также дрейфующие буйковые гидроакустические станции для определения предвестников сильных землетрясений и цунами (патенты JP №2003232865 А, 22.08.2003 [4], RU №61245 U1, 27.02.2007 [5], Красный М.Л., Малашенко А.Е. Морские исследования и приборостроение на Сахалине. Вестник ДВО РАН, 2004, №1, с. 3-10 [6], У Тон Иль и др. Методические разработки прогноза сильных землетрясений гидроакустическими методами. Морские исследования и технологии изучения природы Мирового океана, 2005, вып. 1 [7], патент RU №2405176 С2, 27.11.2010 [8]).

Например, дрейфующая буйковая гидроакустическая станция [8] включает аппаратурный модуль, блок спутниковой системы связи и навигации, блок анализа, блок управления, источники питания. Станция оснащена вертикальной гирляндой гидрофонов. Блок анализа выполнен с возможностью обнаружения и сверх низкочастотных амплитудных модуляций гидроакустических сигналов - предвестников сильных землетрясений; с возможностью отбора импульсных сигналов по амплитуде, частоте повторений, длительности и скорости нарастания фронта сейсмических волн и Т-волн сильных землетрясений - предвестников цунами. Использование такой станции на морских акваториях покрытых льдом проблематично из-за возможных механических повреждений. Кроме того сейсмические сигналы принимаются только на низкочастотные гидрофоны, что снижает достоверность прогноза.

Также к недостаткам могут быть отнесены существенные массогабаритные характеристики станции, обусловленные размещением на ней блоков анализа и соответственно существенное энергопотребление. Дрейфующая буйковая гидроакустическая станция [8] выбрана в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности и достоверности регистрации сейсмических сигналов в морях Арктического бассейна.

Поставленная задача решается за счет того, что дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом, оснащенная вертикальной гирляндой гидрофонов, включающая в себя контейнер в виде герметичного цилиндрического аппаратурного модуля, и состоящий из блока управления, источника питания, блока спутниковой системы связи и навигации, отличающаяся тем, что станция дополнительно содержит трех компонентный геофон, блок анализа, цифровой GPS-компас-наклонометр. датчик температуры и вольтметр, который устанавливается на источнике питания, расположенные в контейнере, причем цифровой GPS-компас-наклонометр размещается под верхней крышкой контейнера и кабелем соединяется с блоком анализа, а трех компонентный геофон жестко крепится к нижней крышке контейнера, при этом блок анализа выполнен в виде регистратора с диапазоном регистрируемых частот 0,1…240 Гц и содержит четыре или восемь сейсмических каналов регистрации с мгновенным динамическим диапазоном более 136дБ и работающим в режиме непрерывной регистрации с возможностью обнаружения сверх низкочастотных амплитудных модуляций гидроакустических сигналов-предвестников сильных землетрясений, а также с возможностью отбора импульсных сигналов по амплитуде, частоте повторений, длительности и скорости нарастания фронта сейсмических волн и Т-волн сильных землетрясений-предвестников цунами.

При этом трех компонентный геофон выполнен с активными обратными связями, регистратор выдает сообщения на управляющий компьютер о превышении заданного порога или в заранее заданные промежутки времени с записью результатов на твердотельную память объемом до 32 гигабайт, регистратор включает высокостабильный кварцевый генератор с долговременной нестабильностью 10" регистратор управляется через встроенный интерфейс "Ethernet 10/100", встроенный интерфейс "Ethernet 10/100" позволяет подключать регистратор через локальные сети, через сети сотовой связи 3G.4G.GPRS маршрутизаторы к глобальной сети «Интернет», сейсмическая информация конвертируется в форматах GSS, MiniSEED.

Чтобы отслеживать происходящие процессы распространения на морском дне, при многолетнем морском ледяном покрове в высоких широтах Арктики, обусловленных землетрясениями, предлагается выполнять необходимые измерения с помощью сейсмологических установок с малой апертурой, установленных на дрейфующих льдинах.

Предлагаемая дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами, содержит вертикальную гирлянду гидрофонов, трехкомпонентный геофон, аппаратурный модуль, блок спутниковой системы связи и навигации, блок анализа, блок управления и источники питания, цифровой GPS-компас, наклономер, датчик температуры и вольтметр, установленный на источнике питания. Блок анализа выполнен с возможностью обнаружения сверх низкочастотных амплитудных модуляций гидроакустических сигналов - предвестников сильных землетрясений, а также с возможностью отбора импульсных сигналов по амплитуде, частоте повторений, длительности и скорости нарастания фронта сейсмических волн и Т-волн сильных землетрясений - предвестников цунами.

При этом трехкомпонентный геофон выполнен с активными обратными связями.

Блок анализа выполнен в виде регистратора с диапазоном регистрируемых частот 0,1…240 Гц и работающего в режиме непрерывной регистрации по обнаружению сейсмического события с выдачей сообщения на управляющий компьютер о превышении заданного порога или в заранее заданные промежутки времени ("по календарю") с записью результатов на "твердотельную" память объемом до 32 гигабайт и содержит четыре или восемь сейсмических канала регистрации с мгновенным динамическим диапазоном более 136 дБ, высокостабильный кварцевый генератор с долговременной нестабильностью 10^-7. Блок анализа также выполнен с возможностью управляется через встроенный интерфейс "Ethernet 10/100".

При этом в используемом в блоке анализа сохранена функция обнаружения сверх низкочастотных амплитудных модуляций гидроакустических сигналов - предвестников сильных землетрясений, а также с возможностью отбора импульсных сигналов по амплитуде, частоте повторений, длительности и скорости нарастания фронта сейсмических волн и Т-волн сильных землетрясений - предвестников цунами.

Аналогом такого регистратора является цифровой регистратор сейсмических сигналов типа Дельта 03М, который располагается вертикально.

Регистратор предназначен для автоматической регистрации сейсмических сигналов от естественных и искусственных источников сейсмических колебаний в режиме непрерывного мониторинга с записью и отображением на экране управляющего компьютера сейсмических сигналов, поступающих с входов регистратора, для проведения региональной сейсморазведки. Управляющий компьютер устанавливается на региональной диспетчерской станции.

Регистратор предназначен для автономной работы в режиме непрерывной регистрации, в режиме по обнаружению сейсмического события с выдачей сообщения на управляющий компьютер о превышении заданного порога или в заранее заданные промежутки времени ("по календарю") с записью результатов на "твердотельную" память объемом до 32 гигабайт.

Регистратор имеет четыре или восемь сейсмических каналов регистрации с мгновенным динамическим диапазоном более 136 дБ, высокостабильный кварцевый генератор с долговременной нестабильностью 10^-7. Предусмотрен режим непрерывной подстройки опорного генератора с использованием встроенного GPS-приемника. Так же в регистраторе предусмотрен встроенный режим калибровки сейсмоприемников.

Регистратор управляется через встроенный интерфейс "Ethernet 10/100", что позволяет подключать его через локальные сети, через сети сотовой системы связи (3G, 4G, GPRS маршрутизаторы) к глобальной сети "Интернет".

Основные технические характеристики регистратора: диапазон регистрируемых частот, Гц 0,1…240; по канальное усиление сигнала (КУ), дБ 0, 12, 24, 36; интегральный уровень шумов, приведенный ко входу при КУ=24 дБ, не более, мкВ в полосе 0,1…7,5 Гц 0,05; в полосе 0,1…15 Гц 0,07; в полосе 0,1…30 Гц 0,09; в полосе 0,1…60 Гц 0,12; в полосе 0,1…120 Гц 0,15; в полосе 0,1…240 Гц 0,18; коэффициент нелинейных искажений, не более, % 0,001; мгновенный динамический диапазон при КУ=0 дБ, не менее, дБ:

в полосе 0,1…7,5 Гц 130;

в полосе 0,1…15 Гц 127;

в полосе 0,1…30 Гц 124;

в полосе 0,1…60 Гц 121;

в полосе 0,1…120 Гц 118;

в полосе 0,1…240 Гц 115;

Программное обеспечение позволяет дистанционно в реальном масштабе времени управлять часами точного времени, режимами работы регистраторов, подключенных к сейсмологической сети, а также получать текущую сейсмическую информацию непосредственно на пункте обработки. Сейсмическая информация конвертируется в форматы CSS, MiniSEED.

Регистратор обеспечивает возможность построения стационарных систем оперативного сейсмологического контроля и прогноза без или с минимальным набором дополнительного оборудования.

Посредством разъемов к регистратору подсоединяются следующие кабели:

- кабель от сейсмоприемника СПВ-3к;

- от аккумулятора кабель питания 12 В DC;

- кабель внешней антенны GPS;

- кабель от цифрового компаса/наклономера;

- кабель LAN Ethernet

3-х компонентный геофон СПВ-3к жестко крепиться к нижней крышке.

Велосиметр СПВ-3к имеет малые габариты и представляет собой емкостный сейсмометр с активными обратными связями (Мишин А.В. и др., Малогабаритный сейсмоприемник СПВ-3К, // Приборы и системы разведочной геофизики, No 1, 2013, с. 35-38). Механическая конструкция прибора выполнена по современным технологиям и выпускается серийно с минимальным использованием импортных компонентов. Исполнение сейсмоприемника обеспечивает возможность работы с ним в широком диапазоне климатических условий при его высокой надежности и удобство эксплуатации, в том числе неподготовленным персоналом. Имеет малый уровень собственных шумов вследствие чего обладает расширенной областью регистрируемых сигналов. Основные характеристики:

- число компонент 3 (одна вертикальная, две горизонтальных);

- диапазон частот по уровню -3 дБ, Гц - 0.5…65;

- неравномерность АЧХ не более 1 дБ в диапазоне частот, Гц - 0.6…45;

- динамический диапазон, не менее, дБ - 120;

- коэффициент преобразования В*с/м, 500;

- максимальная амплитуда сигнала на симметричных выходах, В ±3,5;

- постоянная составляющая на выходе, не более, мВ - ±10;

- допустимое отклонение СПВ-3к от вертикали, градусов ±15;

- напряжение питания (варианты исполнения):

однополярное нестабилизированное, В 6…25;

- потребляемая мощность, Вт 0,65;

- диапазон рабочих температур, градусов С - -30…+55;

Кабель с питанием 12 в и 3-мя информационными каналами присоединяется к цифровому регистратору сейсмических сигналов.

Цифровой компас/наклономер размещается под верхней крышкой контейнера и обеспечивает запись магнитного склонения и наклонов станции. Компас/наклономер кабелем соединяется с регистратором. Эти данные предаются на регистратор и доступны для скачивания через сеть.

Конструктивно предлагаемое устройство содержит контейнер с аппаратурой, источник питания (аккумулятор), мачту с антенной связи, модемом и антенной GPS, гидрофон. Кабель с гидрофоном опускается в воду сквозь металлическую трубу диаметром 80 мм. Длина кабеля 10 м. На конце утяжеленный гидрофон. 3-х компонентный геофон СПВ-3к жестко крепиться к нижней крышке контейнера.

Компоненты станции размещаются в контейнере из нержавеющей стали с внешним диаметром 290 мм. Размер контейнера позволяет устанавливать его внутри льдины в отверстие 300 мм, которое буриться стандартным механическим буром. Температура льда не опускается ниже -30 градусов. Чем ближе контейнер располагается к подошве льдины, тем выше температура. Температура воды не ниже -4 градуса.

В крышке контейнера располагаются разъемы для следующих кабелей:

- питания 12 В

- LAN

- гидрофона

- кабель антенны GPS.

В предлагаемом устройстве может использоваться как гирлянда гидрофонов, так и один гидрофон.

При оснащении станции, как и в прототипе, вертикальной 8-элементной эквидистантной гирляндой гидрофонов (расстояние между гидрофонами 25 м), установленной в подводном звуковом канале (регистрируется суммарный сигнал, т.е. формируется линейная антенна с диаграммой направленности, ориентированной вдоль горизонта). Частотный диапазон 0,5-2000 Гц, хотя как антенну-гирлянду можно рассматривать в частотном диапазоне 30-2000 Гц.). Для выравнивания гирлянды гидрофонов в линию используется груз.

Источник питания располагается в пластиковом герметичном контейнере. Емкость 180 а/ч и выполнен из аккумуляторных батарей из литий-титаната, обеспечивающий работу в температурном диапазоне -50, 60 градусов.

Абонентский пункт спутниковой системы связи с помощью антенны осуществляет передачу гидрофизической и служебной информации в центр обработки данных (диспетчерскую станцию), а спутниковая навигационная система «ГЛОНАСС» (GPS) производит определение места. С помощью радиоантенны осуществляется радиообмен между станцией и диспетчерской станцией. Одновременно радиоантенна играет роль активного радиолокационного ответчика. Антенна связи, радиомодем и антенна GPS установлены на мачте. Мачта выполнена выносной и представляет собой металлическую трубу высотой 2 м, которая вмораживается в лед и укрепляется растяжками. На верху мачты крепиться антенна GPS. Кабель к антенне подводиться внутри мачты. Ниже крепиться вертикально секторная антенна с модемом. Кабель LAN от контейнера с аппаратурой подводиться к модему внутри мачты. Кабель питания 12 в подводиться от аккумулятора к радиомодему внутри мачты.

Блок управления представляет собой микроконтроллер, который управляет всеми устройствами станции по заданной программе или по команде, полученной по радиоканалу от центрального компьютера диспетчерской станции.

В системе прогнозирования землетрясения и цунами предполагается использовать одновременно не менее 4 пространственно разнесенных и синхронно работающих станций, установленных как на дрейфующих ледовых полях, так и многолетних льдах.

Возможность использования сейсмических датчиков с установкой их на дрейфующие ледовые поля показана в работе «Сейсмоакустические свидетельства вулканической активности на сверхмедленно - распространяющемся хребте Гаккеля, Северный Ледовитый океан», Geophys. Res. Lett., 32, L18306, DOI: 10.1029 / 2005GL023767. При этом использовались сейсмологические установки с малой апертурой.

В отличие от прототипа регистрация сейсмологических данных производиться не только на низкочастотный гидрофон, который в меньшей степени подвержен воздействию помех от трескающегося льда, но и на 3-х компонентный геофон. Кроме этого пост обработка данных гидрофона (чистая Р-волна) и вертикальной составляющей Z геофона дают возможность очистить данные от помех.

Обработка зарегистрированных сейсмологических данных выполняется по известным общепринятым методикам.

Опытный образец предлагаемой станции в исполнении с одним гидрофоном прошел натурные испытания и рекомендован к промышленному изготовлению.

Источники информации

1. Океанология. Геофизика океана, т. 1. Геофизика океанического дна. М., Наука, 1979.

2. Патент US №4139074, 1979.

3. Авторское свидетельство SU №18355938 А1, 10.04.1995.

4. Патент JP №2003232865 А, 22.08.2003.

5. Патент RU №61245 U1, 27.02.2007.

6. Красный М.Л., Малашенко А.Е. Морские исследования и приборостроение на Сахалине. Вестник ДВО РАН, 2004, №1, с. 3-10.

7. У Тон Иль и др. Методические разработки прогноза сильных землетрясений гидроакустическими методами. Морские исследования и технологии изучения природы Мирового океана, 2005, вып. 1.

8. Патент RU №2405176 С2, 27.11.2010.

1. Дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом, оснащенная вертикальной гирляндой гидрофонов, включающая в себя контейнер в виде герметичного цилиндрического аппаратурного модуля, состоящего из блока управления, источника питания, блока спутниковой системы связи и навигации, отличающаяся тем, что станция дополнительно содержит трехкомпонентный геофон, блок анализа, цифровой GPS-компас-наклонометр, датчик температуры и вольтметр, который устанавливается на источнике питания, расположенные в контейнере, причем цифровой GPS-компас-наклонометр размещается под верхней крышкой контейнера и кабелем соединяется с блоком анализа, а трехкомпонентный геофон жестко крепится к нижней крышке контейнера, при этом блок анализа выполнен в виде регистратора с диапазоном регистрируемых частот 0.1…240 Гц и содержит четыре или восемь сейсмических каналов регистрации с мгновенным динамическим диапазоном более 136дБ и работающим в режиме непрерывной регистрации с возможностью обнаружения сверхнизкочастотных амплитудных модуляций гидроакустических сигналов-предвестников сильных землетрясений, а также с возможностью отбора импульсных сигналов по амплитуде, частоте повторений, длительности и скорости нарастания фронта сейсмических волн и Т-волн сильных землетрясений-предвестников цунами.

2. Дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом по п. 1, отличающаяся тем, что трехкомпонентный геофон выполнен с активными обратными связями.

3. Дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом по п. 1, отличающаяся тем, что регистратор выдает сообщения на управляющий компьютер о превышении заданного порога или в заранее заданные промежутки времени с записью результатов на твердотельную память объемом до 32 гигабайт.

4. Дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом по п. 1, отличающаяся тем, что регистратор включает высокостабильный кварцевый генератор с долговременной нестабильностью 10^-7.

5. Дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом по п. 1, отличающаяся тем, что регистратор управляется через встроенный интерфейс "Ethernet 10/100".

6. Дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом по п. 1, отличающаяся тем, что встроенный интерфейс "Ethernet 10/100" позволяет подключать регистратор через локальные сети, через сети сотовой связи 3G, 4G, GPRS маршрутизаторы к глобальной сети «Интернет».

7. Дрейфующая буйковая гидроакустическая станция для определения предвестников сильных землетрясений и цунами на акваториях с ледовым покровом по п. 1, отличающаяся тем, что сейсмическая информация конвертируется в форматах GSS, MiniSEED.