Аппаратно-программные системы для регистрации взаимодействия геосфер

Взаимодействие колебаний и волн в широком диапазоне частот в системе «атмосфера-гидросфера-литосфера» носит сложный характер, что затрудняет однозначное определение их источника. Для того, чтобы избежать ошибок анализа, необходимо проводить комплексные измерения основных параметров колебаний и волн во всех геосферах — атмосфере, гидросфере, литосфере — одновременно. Для получения наиболее объективной физической картины необходимо проводить не разовые кратковременные измерения, а вести непрерывный круглогодичный мониторинг. Это в полной мере относится и к представляющим угрозу для жизни людей опасным геодинамическим процессам, таким, как цунами, обвалы, оползни. Таким образом, острая необходимость в создании высокочувствительных широкополосных приборов, которые при невысоком энергопотреблении были бы способны вести непрерывный мониторинг различных параметров в общем случае всех геосфер. Современные технологии с использованием орбитальных спутников Земли в состоянии связать измерительные комплексы, содержащие такую высокоточную аппаратуру, сигналами точного времени, что позволяет с высокой точностью определить скорости и направления распространения волн в геосферах.

На сегодняшний день требованиям по максимальной чувствительности измеряемых величин в лучшей мере соответствуют установки, созданные на основе современных лазерно-интерференционных методов. Такие установки обладают более высокой чувствительностью по сравнению с приборами традиционных типов, широким частотным и динамическим диапазонами.

Для эффективного решения вышеуказанных задач существует острая необходимость создания подобных установок, способных проводить измерения деформаций земной коры, вариаций давления гидросферы и атмосферы в широком диапазоне частот на наноуровне — современных лазерных деформографов, лазерных измерителей вариаций давления гидросферы и атмосферы. Также ведутся разработки, которые позволят внедрить лазерно-интерференционные методы для измерения других физических величин, таких, например, как вариации температуры среды. Эти приборы могут и должны стать основой для построения измерительных комплексов, способных решать широкий круг задач.

Создание установок, построенных на основе лазерно-интерференционных методов, представляет собой достаточно сложную задачу. Важным этапом при разработке таких установок является создание надежной регистрирующей аппаратуры, которая обеспечивает как функционирование оптико-механической части установки, так и получение новых экспериментальных данных.

Актуальность темы

.

Исследования, направленные на изучение процессов геосфер на стадии их зарождения и развития, имеют большое значение. Это, в первую очередь, касается землетрясений, цунами, тайфунов, циклонов и других явлений и процессов линейной и нелинейной природы широкого диапазона частот. Геодинамические процессы, играющие существенную роль в формировании вышеуказанных явлений, относятся к сверхнизкочастотному диапазону и имеют, в основном, небольшие амплитудные изменения на значительных временных интервалах. Для решения задачи по изучению природы возникновения и развития различных процессов и явлений необходимо проводить исследования одновременно в широком диапазоне частот на уровне фоновых колебаний в течение долгого времени. Например, для землетрясений процесс накопления геопотенциальной энергии и линейного изменения деформации земной коры может составлять 70−100 лет, прежде чем перейти в нелинейную фазу, при этом скорость изменения линейной деформации земной коры может составить до 0,3 нм в год. Возникает, таким образом, потребность в аппаратуре, которая позволила бы проводить измерения без перерывов длительное время (год, два и более) в общем случае в любой местности, при этом точность измерения смещений должна быть лучше фонового уровня (0,1 нм), т. е. порядка 0,05 нм.

Актуальность данной работы определяется необходимостью создания широкополосной аппаратуры, способной проводить измерения основных параметров геосфер на уровне фоновых колебаний в широком частотном и динамическом диапазонах. Такие измерения могут быть выполнены с использованием лазерных деформографов различных вариантов, лазерных нанобарографов и лазерных измерителей вариаций давления гидросферы. Применение установок, способных проводить измерения на уровне фоновых колебаний в широком частотном и динамическом диапазонах, имеет большую актуальность при изучении динамических процессов геосфер, особенно процессов катастрофического характера, при изучении процессов линейной и нелинейной природы в сверхнизкочастотном и низкочастотном диапазонах.

Цели и задачи исследований.

Цель работы состоит в разработке и создании современных регистрирующих систем для приборов, работающих на основе лазерно-интерференционных методов, таких, как лазерный деформограф, лазерный нанобарограф, лазерный измеритель вариаций давления гидросферы.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

1. Разработать и создать цифровую систему регистрации для приборов, работающих на основе лазерно-интерференционных методов, которая при функциональной идентичности ранее созданным аналоговым системам обладает повышенной надежностью, низким энергопотреблением и гибкостью настройки.

2. Разработать и создать электронные блоки и узлы, которые служат для адаптации созданной цифровой системы к работе в составе каждого из приборов: лазерного деформографа, лазерного нанобарографа, лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.

3. Провести мониторинговые измерения вариаций микродеформаций земной коры, микроколебаний атмосферного и гидросферного давлений с целью проверки работоспособности созданной регистрирующей системы.

4. Изучить природу инфразвуковых вариаций микродеформаций земной коры и микроколебаний гидросферного давления с помощью берегового лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.

5. Изучить природу деформационных аномалий, возникающих перед и во время цунамигенных и нецунамигенных землетрясений, их связь с низкочастотными и высокочастотными процессами земной коры.

Научная новизна.

1. Разработана и создана цифровая система регистрации лазерного деформографа, лазерного нанобарографа, лазерного измерителя вариаций давления гидросферы, обладающая малыми по сравнению с функционально идентичной аналоговой системой массой и габаритами, энергопотреблением, а также простотой настройки, точность измерения составляет для нанобарографа 0,50 мПа, лазерного измерителя вариаций давления гидросферы — 0,45 мПа, лазерного деформографа -0,3 нм (частотный диапазон от условно 0 до 1000 Гц).

2. Разработан дополняющий систему регистрации программно-аппаратный комплекс, позволяющий системе осуществлять регистрацию при ухудшении условий работы прибора.

3. Установлены общие закономерности в записях берегового лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы в инфразвуковом диапазоне, обусловленные сгонно-нагонными явлениями, приливами, инфрагравитационными и гравитационными волнами.

4. При обработке записей 52,5-метрового лазерного деформографа, обнаружены деформационные аномалии, связанные с цунамигенными землетрясениями. По полученным экспериментальным данным берегового лазерного деформографа оценены его возможности по идентификации таких землетрясений.

5. Установлено, что скачки деформации, регистрируемые лазерным деформографом, и связанные с процессами, протекающими в очаге землетрясения, при миграции в земной коре на неоднородностях среды генерирует геоакустический шум.

Достоверность результатов, приведенных в диссертации, подтверждена путем многократного и тщательного проведения экспериментов при исследовании колебаний и волн широкого диапазона частот лазерно-интерференционными методами и сравнения полученных результатов с литературными данными и модельно-теоретическими оценками.

Практическая значимость результатов.

Тема диссертационной работы соответствует одному из направлений работ в Тихоокеанском океанологическом институте им. В. И. Ильичева ДВО РАН по развитию методов и средств дистанционного исследования атмосферы, океана, литосферы и их взаимодействия, а научные результаты, изложенные в ней, получены при выполнении программ, проводимых ТОЙ ДВО РАН: ФЦП «Мировой Океан», грантов РФФИ (03−05−65 216 «Изучение законов генерации, динамики и трансформации инфразвуковых колебаний и волн в области переходных зон», № 06−05−64 448-а «Энергообмен геосфер зон перехода», № 06−05−96 040-рвостока «Комплексное изучение взаимодействия волновых полей геосфер на уровне фоновых колебаний», № 06−05−96 916-рофи «Разработка и создание макета автономного лазерно-интерференционного векторно-фазового приёмника силового типа», № 05−05−79 165К «Организация и проведение экспедиции в пассивно-активном режиме на м. Шульца и на прилегающем шельфе по изучению взаимодействия геосфер»), грантов ДВО, ФЦНТП «Разработка технологии раннего обнаружения предвестников опасных геодинамических процессов в береговой зоне России и способов защиты ее прибрежных территорий» (№ 2005;РП-13.4/001 III очередь).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Технические решения по созданию цифровой системы регистрации лазерного деформографа, нанобарографа, лазерного измерителя вариаций давления гидросферы, применение которой в составе данных приборов позволяет исследовать процессы и явления литосферы, атмосферы и гидросферы частотного диапазона от условно 0 Гц до 1000 Гц на уровне фоновых колебаний.

2. Технические решения по разработке и созданию программно-аппаратного комплекса, обеспечивающего устойчивую к помехам работу системы регистрации, использование которой в лазерных интерферометрах позволяет проводить измерения в практически любых средах и при любых погодных условиях.

3. Экспериментальные результаты по деформационным предвестникам цунамигенных и нецунамигенных землетрясений, полученных на береговом лазерном деформографе, по регистрации колебаний и волн гидросферы звукового и инфразвукового диапазонов лазерным измерителем вариаций давления гидросферы.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 39 работ. Из них 11 — в центральных научных журналах, 3 — патенты на полезную модель, 16 — в сборниках материалов международных конференций и российских симпозиумов, 5 — в тезисах докладов на международных конференциях и российских симпозиумах, 4 -свидетельства о регистрации программного обеспечения.

Объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 133 страницы текста, 3 таблицы и 40 рисунков.

3.5 ВЫВОДЫ.

В главе продемонстрировано применение цифровой системы регистрации в составе установок, работающих с использованием лазер но-интерференционных методов и научные результаты, полученные при обработке данных.

Отметим причины, потребовавшие применение именно цифровой системы регистрации:

1. При проведении разнесенных измерений Урал — Дальний Восток передача данных от лазерного деформографа могла быть осуществлена только в цифровом виде ввиду большого расстояния от места регистрации до записывающей аппаратуры (более 2 км).

2. Работа лазерного деформографа на Камчатке в силу различных обстоятельств не могла быть осуществлена с учетом всех требований, предъявляемых к таким установкам. По этой причине происходило ухудшение интерференционной картины, которое зачастую не могло быть своевременно устранено, что, однако не оказывало существенного влияния на качество регистрации.

3. В силу конструктивных особенностей лазерного измерителя вариаций давления, причины применения именно цифровой системы регистрации такие же, что и в первых двух случаях. Кроме того, система должна обязательно иметь малые массо-габаритные показатели и энергопотребление, что обеспечивается именно цифровой системой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результаты проведенной в рамках диссертации работы сводятся к следующему.

Проведен анализ аналоговой системы регистрации для лазерного деформографа, нанобарографа, выявлены основные ее недостатки: низкая надежность, высокое энергопотребление, большие габаритные размеры, неустойчивость работы при ухудшении условий проведения измерений.

На основе аналоговой системы, которая является системой экстремального регулирования со вспомогательной модуляцией, разработана и создана цифровая система, в которой аналоговые блоки (блок вспомогательной модуляции, интегратор, система сброса уровней, релейный элемент, множительное звено, фазовый детектор) заменены программными модулями. Такая система отличается простотой настройки, более устойчивой работой, а изменение алгоритма ее работы сводится к перепрограммированию контроллера.

Предложены технические решения по улучшению качества работы цифровой системы (более сложный алгоритм работы фазового детектора, блок контроля интерференции). Созданы программно-аппаратные комплексы, задачей которых является адаптация базовой модели системы регистрации для каждого из приборов: лазерного деформографа, нанобарографа, лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.

Создание цифровой системы регистрации на основе систем экстремального регулирования позволило заменить морально устаревшие аналоговые системы и в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц обеспечить точность измерения вариаций давления атмосферы нанобарографом до 0,5 Па, вариаций давления гидросферы лазерным измерителем вариаций давления гидросферы до 0,45 мПа, смещения участка земной коры до 0,3 нм.

Проведенные мониторинговые измерения вариаций микродеформаций земной коры, микроколебаний атмосферного и гидросферного давлений позволили оценить взаимодействие геосфер в инфразвуковом и звуковом диапазонах.

При обработке данных 52,5-метрового лазерного деформографа, содержащих записи сигналов цунамигенных и нецунамигенных землетрясений, разработан деформационный метод определений степени цунамигенности подводных землетрясений.

Показано существование общих закономерностей в записях берегового лазерного деформографа и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы в инфразвуковом диапазоне, обусловленное сгонно-нагонными явлениями, приливами, инфрагравитационными и гравитационными волнами.

При анализе данных, полученных в результате проведения экспериментальных работ в Камчатском регионе, установлено, что геоакустическая эмиссия, связанная с землетрясением, имеет региональный характер и вызывается пришедшим из очага землетрясений деформационными аномалиями, регистрируемыми лазерным деформографом.