eng
Выпуск #8/2021
Г. И. Долгих, С. С. Будрин; С. Г. Долгих, В. А. Чупин
Пеленгование геосферных возмущений лазерными деформографами
Пеленгование геосферных возмущений лазерными деформографами
Просмотры: 1439
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.8.656.665
Рассмотрены два метода пеленгования геосферных источников колебаний и волн инфразвукового и низкочастотного звукового диапазонов лазерными деформографами. Первый метод основан на предположении, что регистрируемые волновые возмущения относятся к поверхностным волнам рэлеевского типа. В этом случае используется двухкооринатный лазерный деформограф, состоящий из рядом стоящих однокоординатных лазерных деформографов с взаимно-перпендикулярными измерительными плечами. Во втором случае используется триангуляционный метод. В этом методе применяются минимум три пространственно-разнесенных лазерных деформографа.
Рассмотрены два метода пеленгования геосферных источников колебаний и волн инфразвукового и низкочастотного звукового диапазонов лазерными деформографами. Первый метод основан на предположении, что регистрируемые волновые возмущения относятся к поверхностным волнам рэлеевского типа. В этом случае используется двухкооринатный лазерный деформограф, состоящий из рядом стоящих однокоординатных лазерных деформографов с взаимно-перпендикулярными измерительными плечами. Во втором случае используется триангуляционный метод. В этом методе применяются минимум три пространственно-разнесенных лазерных деформографа.
Теги: direction finding spatially separated laser strainmeters triangulation two-coordinate laser strainmeter двухкоординатный лазерный деформограф пеленгование пространственно-разнесенные лазерные деформографы триангуляция
Пеленгование геосферных возмущений лазерными деформографами
Г. И. Долгих, С. С. Будрин, С. Г. Долгих, В. А. Чупин
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения
Российской академии наук, Владивосток
Рассмотрены два метода пеленгования геосферных источников колебаний и волн инфразвукового и низкочастотного звукового диапазонов лазерными деформографами. Первый метод основан на предположении, что регистрируемые волновые возмущения относятся к поверхностным волнам рэлеевского типа. В этом случае используется двухкооринатный лазерный деформограф, состоящий из рядом стоящих однокоординатных лазерных деформографов с взаимно-перпендикулярными измерительными плечами. Во втором случае используется триангуляционный метод. В этом методе применяются минимум три пространственно-разнесенных лазерных деформографа.
Ключевые слова: двухкоординатный лазерный деформограф, пространственно-разнесенные лазерные деформографы, пеленгование, триангуляция
Статья получена: 17.11.2021
Статья принята: 02.12.2021
ВВЕДЕНИЕ
Решение задач о мониторинге и определении местоположения различных источников антропогенного и природного происхождения с использованием лазерно-интерференционных методов выполняется с применением комплексного подхода, учитывающего как направленность, так и распределение в пространстве измерительных систем. В нашем случае, для решения задачи обнаружения и определения местоположения источников колебаний можно использовать несколько методов. Первый метод состоит в использовании ортогональной системы лазерных деформографов, второй метод основан на использовании трех и более разнесенных в пространстве лазерных деформографов, имеющих одинаковую направленность.
Первый метод базируется на предположении об известной поляризации регистрируемых волновых процессов. К таким известным поляризационным сигналам можно отнести сейсмоакустические сигналы, возникающие на границе «вода-дно» в результате трансформации гидроакустических сигналов, создаваемых в воде низкочастотными гидроакустическими излучателями и движущимися подводными и надводными объектами.
Впервые возможность отслеживания перемещения источника геосферных возмущений с помощью лазерного деформографа была описана в работе [1], в которой приводилась запись 105‑метрового лазерного деформографа, содержащая промодулированные гравитационными морскими волнами сейсмоакустические волны, создаваемые на границе «вода-дно» движущимся надводным судном. По вариациям параметров модуляции в данной записи можно оценивать изменение направления движения судна. Другой тип амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов широко используется в настоящее время на практике для их классификации [2]. В работе [3] было показано, что в области низких частот сейсмоакустические поверхностные волны становятся доминирующим механизмом переноса акустической энергии в мелководной шельфовой зоне моря.
Экспериментальные исследования сравнительных уровней акустических шумов, регистрируемых гидрофонами и донными геофонами [3], показали, что на мелководном шельфе при частотах ниже 25 Гц в спектре записей гидрофонов наблюдается уменьшение, а в спектре записей геофонов – увеличение уровня спектральных составляющих. Данное поведение зависит от отношения длины гидроакустической волны к глубине моря. При глубинах меньше половины длины гидроакустической волны возникают условия, при которых почти вся гидроакустическая энергия трансформируется в упругие колебания дна, регистрируемые береговым лазерным деформографом [4]. Данные глубины были названы критическими глубинами. В земной коре эти возмущения распространяются в основном в виде поверхностных волн рэлеевского типа. Это условие можно использовать при регистрации и пеленгования подобных возмущений двухкоординатным лазерным деформографом, состоящим из двух однокоординатных лазерных деформографов с почти взаимно-перпендикулярными измерительными плечами, установленными на м. Шульца [5].
Далеко не всегда регистрируемые возмущения можно представить в виде поверхностных волн рэлеевского типа. Так, например, скачки деформации, регистрируемые удаленными лазерными деформографами [6] и являющиеся безусловным индикатором возникновения подвижек морского дна [7], приводящих к цунами, нельзя никак отнести к поверхностным волнам рэлеевского типа. Поэтому для их пеленгования невозможно использовать поляризационные свойства поверхностных волн. Для этого лучше подходит триангуляционный метод, в основе которого лежит применение трех и более пространственно-разнесенных лазерных деформографов. К такой системе можно отнести деформографы, описанные в работе [8]. Во второй части статьи на примере регистрации деформационных возмущений различного происхождения рассмотрим особенности работы триангуляционного метода пеленгования данными лазерными деформографами.
ПЕЛЕНГОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ДВУХКООРДИНАТНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ДЕФОРМОГРАФОМ
3 июня 2014 года с помощью ортогональной системы лазерных деформографов, направленности «север-юг» и «запад-восток», установленных на МЭС «м. Шульца», удалось в течение длительного времени осуществить сопровождение парома от момента начала его движения из порта Зарубино до максимально возможной дистанции наблюдения. Первичная информация о траектории движения парома была взята с ресурса http://marinetraffic.com, предоставляющем данные в открытом доступе о положении судов, зарегистрированных в Автоматической Идентификационной Cистеме (AIS). На рис. 1 представлены спектрограммы синхронных записей двух деформографов.
Спектрограммы, показанные на рис. 1, имеют длительность 7 ч. с двух деформографов «север-юг» и «запад-восток» в диапазоне 20,5–22 Гц. Время на спектрограммах отсчитывается от начала записи – 8:00 UTC. Стрелками на спектрограммах указаны моменты времени, соответствующие положению судна в точках, помеченных на траектории движения парома, представленной на рис. 2.
Как можно видеть по рис. 1 и рис. 2, частотные треки парома очень хорошо видны на спектрограммах обоих деформографов вплоть до точки поворота 7, после чего становятся менее контрастными, однако прослеживаются весьма уверенно вплоть до маркерной точки 9–12:00 UTC, соответствующей удалению судна от м. Шульца на 156 км. С учетом диаграммы направленности лазерных деформографов [14, 17] была исследована возможность использования двухкоординатного лазерного деформографа для определения направления на движущееся судно. При выполнении расчетов в соответствии с [1, 5] считалось, что основные смещения устоев деформографов вызваны поверхностными волнами рэлеевского типа. При расчете будем учитывать только составляющую волны, ориентированную вдоль направления распространения волны. Сначала расчеты проведем при условии, что угол направления на источник находится между осями лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток» (положение маркерной точки 1). Проекции составляющих, ориентированных по направлению распространения волны, на оси лазерных деформографов «север-юг» и «запад восток» будут равны:
, (1)
, (2)
где: γ1 – угол направления на источник, отсчитываемый от направления на север по часовой стрелке, A(1,1) и A(2,1) – амплитуды на частоте анализируемого сигнала, полученные при спектральной обработке записей лазерных деформографов «север-юг» и «запад восток» при нахождении парома в точке 1, A(1) и A(2) – «истинная» амплитуда смещения частиц среды, приведенная к длине базы лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток», при нахождении парома в точке 1, α1 и α2 – углы между осями лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток» и направлением на север (198°).
Учитывая то, что Α(1) / Α(2) = 2,8, и раскладывая косинусы в уравнениях (1) и (2), имеем:
, (3)
где:
. (4)
При подстановке (4) в (3) после несложных преобразований получаем:
. (5)
Далее расчеты проводятся при условии, что угол направления на источник находится восточнее оси лазерного деформографа «север-юг» (положение маркерных точек 2–11). В этом случае проекции составляющей, ориентированной по направлению распространения волны, на оси лазерных деформографов будет равна:
, (6)
, (7)
где: γ1 и γi + 1 – углы направления на источник, отсчитываемый от направления на север для i + 1 точки, A(1, i + 1) и A(2, i + 1) – амплитуды на частоте анализируемого сигнала, полученные при спектральной обработке записей лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток» при нахождении парома в маркерной точке (i + 1), A(1) и A(2) – «истинная» амплитуда смещения частиц среды, приведенная к длине базы лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток», при нахождении парома в точке i + 1. Решая систему уравнений (6) и (7) и с учетом того, что A(1) / A(2) = 2,8, получаем:
, (8)
После анализа результатов расчетов были выявлены некоторые погрешности в значениях углов с реальным направлением движения источника. Причина этого может быть связана с распространением сигналов от парома до лазерного деформографа. Рассмотрим два возможных случая распространения:
Излученный паромом сигнал захватывается звуковым каналом и распространяется по нему до глубин 35 м (примерно половина длины волны на частоте 21,5 Гц при скорости 1 500 м / с), а далее сигнал до лазерного деформографа распространяется только по границе «вода-дно» в виде волны Рэлея поверхностного типа цилиндрической расходимости. Конечно, излученный паромом сигнал на шельфе начинает взаимодействовать с дном раньше, но мы не знаем глубины расположение оси звукового канала, поэтому будем считать, что излученный паромом сигнал распространяется по границе «вода-дно» до лазерного деформографа начиная с глубин 35 м, а по воде не распространяется.
При отсутствии звукового канала сигнал, созданный паромом, по закону сферической расходимости распространяется до дна, а далее сигнал до лазерного деформографа распространяется по границе «вода-дно» в виде волны Рэлея поверхностного типа цилиндрической расходимости. Несмотря на это, метод определения направление на источник с помощью системы ортогональных лазерных деформографов дает вполне хорошие результаты.
ПЕЛЕНГОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ТРИАНГУЛЯЦИОННЫМ МЕТОДОМ
Теперь рассмотрим метод обнаружения источника колебаний с использованием пространственно-разнесенной системы из нескольких лазерных деформографов. В данный момент мы имеем такую систему, состоящую из трех лазерных деформографов. Лазерные деформографы располагаются: м. Шульца, Приморский край; м. Свободный, о. Сахалин; г. Краснокаменск, Забайкальский край. Данный метод – метод триангуляции – не является новым и повсеместно применяется в современной жизни, в том числе и в системах геопозиционирования, однако применение его для нахождения источника с помощью лазерно-интерференционных приборов обсуждается впервые.
Допустим, что мы имеем источник колебаний естественного или антропогенного характера в акватории Японского моря. Источниками данных колебаний могут быть подводные взрывы, землетрясения, тайфуны, аномально большие волны и т. п. Будем считать, что колебания от источника проникают в верхний слой земной коры и распространяются до точек приема со средней скоростью 2 км / с. Зададим на карте произвольную точку в Японском море, в которой предположительно находится источник колебаний. Расстояния от источника до точек приема следующие: «Источник – м. Шульца» – 640 км, «Источник – м. Свободный» – 1 484 км, «Источник – Краснокаменск» – 1 818 км. Тогда время прихода до каждой точки приема: «Источник – м. Шульца» – 640 / 2 = 320 с, «Источник – м. Свободный» – 1 484 / 2 = 742 с, «Источник – Краснокаменск» – 1 818 / 2 = 909 с. Учитывая, что в точку «м. Шульца» колебания придут первыми, то считаем эту точку за нулевую отметку, тогда времена распространения до остальных точек будут следующие: «м. Шульца» – 0 с, «м. Свободный» – 742 – 320 = 422 с, «Краснокаменск» – 909 – 320 = 589 с.
Произведем расчет направления на источник по трассе распространения «м. Шульца – м. Свободный». Для этого начертим 2 круга с центром в точке «м. Шульца» радиусом 1 000 и 1 200 км. Вычисляем расстояние с учетом времени распространения от «м. Шульца» до «м. Свободный» 422 · 2 = 844 км. Далее чертим 2 круга с центром в точке «м. Свободный» радиусом 1 000 + 844 = 1 844 км и 1 200 + 844 = 2 044 км. По пересечениям окружностей чертим 2 направления на источник (зеленые линии).
Как можно увидеть из рис. 3, были получены два направления на источник, при этом одно из них является истинным, а второе ложным. Ложное направление на источник при дальнейших расчетах будет исключено.
Произведем расчет направления на источник по трассе распространения «м. Шульца – Краснокаменск». Чертим 2 круга с центром в точке «м. Шульца» радиусом 1 000 и 1 200 км.
Время прихода волны от «м. Шульца» до «Краснокаменск» составляет 589 с. Расстояние с учетом времени распространения от «м. Шульца» до «Краснокаменск» 589 · 2 = 1 178 км. Чертим 2 круга с центром в точке «Краснокаменск» радиусом 1 000 + 1 178 = 2 178 км и 1 200 + 1 178 = 2 378 км. По пересечениям окружностей чертим 2 направления на истинный источник (красные линии).
На рис. 4 два направления пересекаются, соответственно они являются истинными, два остальных направления убираем как ложные.
Рассчитываем направление на источник по трассе «м. Свободный – Краснокаменск». Чертим 2 круга с центром в точке «м. Свободный» радиусом 1 000 и 1 200 км. Вычисляем расстояние с учетом времени распространения (589 – 422 = 167 с) от «м. Свободный» до «Краснокаменск» 167 · 2 = 334 км. Чертим 2 круга с центром в точке «Краснокаменск» радиусом 1 000 + 334 = 1 334 км и 1 200 + 334 = 1534 км. По пересечениям окружностей чертим направление на истинный источник (фиолетовая линия).
На рис. 5 видно, что направления пересекаются в одной точке, данная точка пересечения и будет являться местоположением источника.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе представлено несколько методов определения направления и местоположения источников колебаний естественного и антропогенного происхождения с помощью систем, состоящих из нескольких лазерных деформографов.
При использовании ортогональной системы направленных лазерных деформографов ошибка в определении направления на источник находится в пределах от 0.2% до 16.5%. При этом, как ожидалось, максимальные ошибки связаны с движением парома на мелкой воде (длина гидроакустической волны на частоте 20 Гц равна около 75 м). Снизить погрешность может применение третьей оси – вертикальной. Существенный вклад в ошибку вносят особенности трансформации гидроакустических волн на границе «вода-дно» и преобразования их энергии в энергию волн рэлеевского типа, распространяющихся по границе «вода-дно», а также различных других волн (продольных и поперечных, волн Стоунли и Лява). Учет всех особенностей возможен только при точном знании о структуре морского дна и характеристиках пород морского дна, угла наклона морского дна и т. п., чем на данный момент авторы не располагают. После проведения ряда экспериментальных работ по определению упругих параметров морского дня и построения его акустической модели можно более точно решить задачу по пеленгу надводного судна. Плюсом данного метода является нахождение системы лазерных деформографов в одной точке, что является преимуществом перед распределенными системами деформографов.
Пространственно-разнесенные системы лазерных деформографов обладают большей точностью определения местоположения источника, а при использовании большего количества измерительных станций, распределенных в пространстве, точность будет увеличиваться. Основной погрешностью в данном методе выступает изотропность и состав среды распространения регистрируемых колебаний. Так, для волн Рэлея в разных материалах скорость распространения может варьироваться в больших пределах, что может создавать существенные ошибки в определении местоположения источника. Не исключено и то, что на трассе распространения колебаний от одной точки измерения до другой могут находится геологические аномалии, которые не позволят использовать данный метод.
В связи с этим установка лазерных деформографов должна осуществляться в местах с заранее известной и хорошо исследованной геологической структурой по направлениям распространения колебаний от одной точки измерений до другой.
Источник финансирования. Исследования выполнены за счет средств Министерства науки и высшего образования (тема госзадания «Изучение фундаментальных основ возникновения, развития, трансформации и взаимодействия гидроакустических, гидрофизических и геофизических полей в Мировом океане»).
REFERENCES
Dolgikh G. I., Kopvillem U. Kh., Pavlov A. N. Measurement of the Earth free oscillation periods with a laser strainmeter. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Fizika Zemli. 1983;2:15–20.
Долгих Г. И., Копвиллем У. Х., Павлов А. Н. Наблюдение периодов собственных колебаний Земли лазерным деформометром. Известия АН СССР. Физика Земли, 1983;(2):15–20.
Машошин А. И. Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов. Акустический журнал. 2013; 59(3):347–353. DOI: 10.7868/S0320791913030106.
Mashoshin A. I. Optimizaciya ustrojstva obnaruzheniya i izmereniya parametrov amplitudnoj modulyacii podvodnogo shumoizlucheniya morskih sudov.Acoustical physics. 2013; 59(3):347–353. DOI: 10.7868 / S0320791913030106.
Аkal T., Jensen F. B. Ocean seismoacoustic propagation – Progr. Congr. Acoust. Symp. Underwater Acoust. Halifax. London. 1987, p. 493–500.
Dolgikh G. I., Piao Shengchun, Budrin S. S., Song Yang, Dolgikh S. G., Chupin V. A., Yakovenko S. V., Dong Yang, Wang Xiaohan. Study of Low-Frequency Hydroacoustic Waves’ Behavior at the Shelf of Decreasing Depth. Applied Sciences Basel. 2020; 10(9): 3183. DOI: 10.3390/app10093183.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Koren’ I.A., and Ovcharenko V. V. A Two-Coordinate Laser Strainmeter. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 1988; 34(11): 946–950.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. Физика Земли. 1998; 34(11): 76–81.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Recording of deformation anomaly of a tsunamigenous earthquake using a laser strainmeter. Doklady Earth Sciences. 2007; 412(1):74–76.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Регистрация деформационной аномалии цунамигенного землетрясения лазерным деформографом. Доклады Академии наук. 2007; 412(1):104–106.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. A deformation method of tsunamigenic earthquakes definition. Doklady Earth Sciences. 2007; 417(1):1261–1264.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Деформационный метод определения цунамигенности землетрясений. Доклады Академии наук. 2007; 417(1): 109–112.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Zakurko A. G., Kosarev O. V., Ovcharenko V. V., Plotnikov A. A., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Measurement Techniques. 2016; 59(3): 252–255.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Закурко А. Г., Косарев О. В., Овчаренко В. В., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Комплексный пространственно-разнесtнный полигон на Дальнем Востоке для геонаблюдений. Измерительная техника. 2016;59(3): 34–36.
Информация об авторах
Григорий Иванович Долгих, д. ф.‑ м. н., академик РАН, dolgikh@poi.dvo.ru;
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева
Дальневосточного отделения Российской Академии наук,
Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Станислав Григорьевич Долгих, к. ф.‑ м. н., sdolgikh@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Владимир Александрович Чупин, к. ф.‑ м. н., chupin@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток,
Россия.
ORCID: 0000-0001-5103-8138
Сергей Сергеевич Будрин, ss_budrin@mail.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-7462-9459
Г. И. Долгих, С. С. Будрин, С. Г. Долгих, В. А. Чупин
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения
Российской академии наук, Владивосток
Рассмотрены два метода пеленгования геосферных источников колебаний и волн инфразвукового и низкочастотного звукового диапазонов лазерными деформографами. Первый метод основан на предположении, что регистрируемые волновые возмущения относятся к поверхностным волнам рэлеевского типа. В этом случае используется двухкооринатный лазерный деформограф, состоящий из рядом стоящих однокоординатных лазерных деформографов с взаимно-перпендикулярными измерительными плечами. Во втором случае используется триангуляционный метод. В этом методе применяются минимум три пространственно-разнесенных лазерных деформографа.
Ключевые слова: двухкоординатный лазерный деформограф, пространственно-разнесенные лазерные деформографы, пеленгование, триангуляция
Статья получена: 17.11.2021
Статья принята: 02.12.2021
ВВЕДЕНИЕ
Решение задач о мониторинге и определении местоположения различных источников антропогенного и природного происхождения с использованием лазерно-интерференционных методов выполняется с применением комплексного подхода, учитывающего как направленность, так и распределение в пространстве измерительных систем. В нашем случае, для решения задачи обнаружения и определения местоположения источников колебаний можно использовать несколько методов. Первый метод состоит в использовании ортогональной системы лазерных деформографов, второй метод основан на использовании трех и более разнесенных в пространстве лазерных деформографов, имеющих одинаковую направленность.
Первый метод базируется на предположении об известной поляризации регистрируемых волновых процессов. К таким известным поляризационным сигналам можно отнести сейсмоакустические сигналы, возникающие на границе «вода-дно» в результате трансформации гидроакустических сигналов, создаваемых в воде низкочастотными гидроакустическими излучателями и движущимися подводными и надводными объектами.
Впервые возможность отслеживания перемещения источника геосферных возмущений с помощью лазерного деформографа была описана в работе [1], в которой приводилась запись 105‑метрового лазерного деформографа, содержащая промодулированные гравитационными морскими волнами сейсмоакустические волны, создаваемые на границе «вода-дно» движущимся надводным судном. По вариациям параметров модуляции в данной записи можно оценивать изменение направления движения судна. Другой тип амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов широко используется в настоящее время на практике для их классификации [2]. В работе [3] было показано, что в области низких частот сейсмоакустические поверхностные волны становятся доминирующим механизмом переноса акустической энергии в мелководной шельфовой зоне моря.
Экспериментальные исследования сравнительных уровней акустических шумов, регистрируемых гидрофонами и донными геофонами [3], показали, что на мелководном шельфе при частотах ниже 25 Гц в спектре записей гидрофонов наблюдается уменьшение, а в спектре записей геофонов – увеличение уровня спектральных составляющих. Данное поведение зависит от отношения длины гидроакустической волны к глубине моря. При глубинах меньше половины длины гидроакустической волны возникают условия, при которых почти вся гидроакустическая энергия трансформируется в упругие колебания дна, регистрируемые береговым лазерным деформографом [4]. Данные глубины были названы критическими глубинами. В земной коре эти возмущения распространяются в основном в виде поверхностных волн рэлеевского типа. Это условие можно использовать при регистрации и пеленгования подобных возмущений двухкоординатным лазерным деформографом, состоящим из двух однокоординатных лазерных деформографов с почти взаимно-перпендикулярными измерительными плечами, установленными на м. Шульца [5].
Далеко не всегда регистрируемые возмущения можно представить в виде поверхностных волн рэлеевского типа. Так, например, скачки деформации, регистрируемые удаленными лазерными деформографами [6] и являющиеся безусловным индикатором возникновения подвижек морского дна [7], приводящих к цунами, нельзя никак отнести к поверхностным волнам рэлеевского типа. Поэтому для их пеленгования невозможно использовать поляризационные свойства поверхностных волн. Для этого лучше подходит триангуляционный метод, в основе которого лежит применение трех и более пространственно-разнесенных лазерных деформографов. К такой системе можно отнести деформографы, описанные в работе [8]. Во второй части статьи на примере регистрации деформационных возмущений различного происхождения рассмотрим особенности работы триангуляционного метода пеленгования данными лазерными деформографами.
ПЕЛЕНГОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ДВУХКООРДИНАТНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ДЕФОРМОГРАФОМ
3 июня 2014 года с помощью ортогональной системы лазерных деформографов, направленности «север-юг» и «запад-восток», установленных на МЭС «м. Шульца», удалось в течение длительного времени осуществить сопровождение парома от момента начала его движения из порта Зарубино до максимально возможной дистанции наблюдения. Первичная информация о траектории движения парома была взята с ресурса http://marinetraffic.com, предоставляющем данные в открытом доступе о положении судов, зарегистрированных в Автоматической Идентификационной Cистеме (AIS). На рис. 1 представлены спектрограммы синхронных записей двух деформографов.
Спектрограммы, показанные на рис. 1, имеют длительность 7 ч. с двух деформографов «север-юг» и «запад-восток» в диапазоне 20,5–22 Гц. Время на спектрограммах отсчитывается от начала записи – 8:00 UTC. Стрелками на спектрограммах указаны моменты времени, соответствующие положению судна в точках, помеченных на траектории движения парома, представленной на рис. 2.
Как можно видеть по рис. 1 и рис. 2, частотные треки парома очень хорошо видны на спектрограммах обоих деформографов вплоть до точки поворота 7, после чего становятся менее контрастными, однако прослеживаются весьма уверенно вплоть до маркерной точки 9–12:00 UTC, соответствующей удалению судна от м. Шульца на 156 км. С учетом диаграммы направленности лазерных деформографов [14, 17] была исследована возможность использования двухкоординатного лазерного деформографа для определения направления на движущееся судно. При выполнении расчетов в соответствии с [1, 5] считалось, что основные смещения устоев деформографов вызваны поверхностными волнами рэлеевского типа. При расчете будем учитывать только составляющую волны, ориентированную вдоль направления распространения волны. Сначала расчеты проведем при условии, что угол направления на источник находится между осями лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток» (положение маркерной точки 1). Проекции составляющих, ориентированных по направлению распространения волны, на оси лазерных деформографов «север-юг» и «запад восток» будут равны:
, (1)
, (2)
где: γ1 – угол направления на источник, отсчитываемый от направления на север по часовой стрелке, A(1,1) и A(2,1) – амплитуды на частоте анализируемого сигнала, полученные при спектральной обработке записей лазерных деформографов «север-юг» и «запад восток» при нахождении парома в точке 1, A(1) и A(2) – «истинная» амплитуда смещения частиц среды, приведенная к длине базы лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток», при нахождении парома в точке 1, α1 и α2 – углы между осями лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток» и направлением на север (198°).
Учитывая то, что Α(1) / Α(2) = 2,8, и раскладывая косинусы в уравнениях (1) и (2), имеем:
, (3)
где:
. (4)
При подстановке (4) в (3) после несложных преобразований получаем:
. (5)
Далее расчеты проводятся при условии, что угол направления на источник находится восточнее оси лазерного деформографа «север-юг» (положение маркерных точек 2–11). В этом случае проекции составляющей, ориентированной по направлению распространения волны, на оси лазерных деформографов будет равна:
, (6)
, (7)
где: γ1 и γi + 1 – углы направления на источник, отсчитываемый от направления на север для i + 1 точки, A(1, i + 1) и A(2, i + 1) – амплитуды на частоте анализируемого сигнала, полученные при спектральной обработке записей лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток» при нахождении парома в маркерной точке (i + 1), A(1) и A(2) – «истинная» амплитуда смещения частиц среды, приведенная к длине базы лазерных деформографов «север-юг» и «запад-восток», при нахождении парома в точке i + 1. Решая систему уравнений (6) и (7) и с учетом того, что A(1) / A(2) = 2,8, получаем:
, (8)
После анализа результатов расчетов были выявлены некоторые погрешности в значениях углов с реальным направлением движения источника. Причина этого может быть связана с распространением сигналов от парома до лазерного деформографа. Рассмотрим два возможных случая распространения:
Излученный паромом сигнал захватывается звуковым каналом и распространяется по нему до глубин 35 м (примерно половина длины волны на частоте 21,5 Гц при скорости 1 500 м / с), а далее сигнал до лазерного деформографа распространяется только по границе «вода-дно» в виде волны Рэлея поверхностного типа цилиндрической расходимости. Конечно, излученный паромом сигнал на шельфе начинает взаимодействовать с дном раньше, но мы не знаем глубины расположение оси звукового канала, поэтому будем считать, что излученный паромом сигнал распространяется по границе «вода-дно» до лазерного деформографа начиная с глубин 35 м, а по воде не распространяется.
При отсутствии звукового канала сигнал, созданный паромом, по закону сферической расходимости распространяется до дна, а далее сигнал до лазерного деформографа распространяется по границе «вода-дно» в виде волны Рэлея поверхностного типа цилиндрической расходимости. Несмотря на это, метод определения направление на источник с помощью системы ортогональных лазерных деформографов дает вполне хорошие результаты.
ПЕЛЕНГОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИННЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ТРИАНГУЛЯЦИОННЫМ МЕТОДОМ
Теперь рассмотрим метод обнаружения источника колебаний с использованием пространственно-разнесенной системы из нескольких лазерных деформографов. В данный момент мы имеем такую систему, состоящую из трех лазерных деформографов. Лазерные деформографы располагаются: м. Шульца, Приморский край; м. Свободный, о. Сахалин; г. Краснокаменск, Забайкальский край. Данный метод – метод триангуляции – не является новым и повсеместно применяется в современной жизни, в том числе и в системах геопозиционирования, однако применение его для нахождения источника с помощью лазерно-интерференционных приборов обсуждается впервые.
Допустим, что мы имеем источник колебаний естественного или антропогенного характера в акватории Японского моря. Источниками данных колебаний могут быть подводные взрывы, землетрясения, тайфуны, аномально большие волны и т. п. Будем считать, что колебания от источника проникают в верхний слой земной коры и распространяются до точек приема со средней скоростью 2 км / с. Зададим на карте произвольную точку в Японском море, в которой предположительно находится источник колебаний. Расстояния от источника до точек приема следующие: «Источник – м. Шульца» – 640 км, «Источник – м. Свободный» – 1 484 км, «Источник – Краснокаменск» – 1 818 км. Тогда время прихода до каждой точки приема: «Источник – м. Шульца» – 640 / 2 = 320 с, «Источник – м. Свободный» – 1 484 / 2 = 742 с, «Источник – Краснокаменск» – 1 818 / 2 = 909 с. Учитывая, что в точку «м. Шульца» колебания придут первыми, то считаем эту точку за нулевую отметку, тогда времена распространения до остальных точек будут следующие: «м. Шульца» – 0 с, «м. Свободный» – 742 – 320 = 422 с, «Краснокаменск» – 909 – 320 = 589 с.
Произведем расчет направления на источник по трассе распространения «м. Шульца – м. Свободный». Для этого начертим 2 круга с центром в точке «м. Шульца» радиусом 1 000 и 1 200 км. Вычисляем расстояние с учетом времени распространения от «м. Шульца» до «м. Свободный» 422 · 2 = 844 км. Далее чертим 2 круга с центром в точке «м. Свободный» радиусом 1 000 + 844 = 1 844 км и 1 200 + 844 = 2 044 км. По пересечениям окружностей чертим 2 направления на источник (зеленые линии).
Как можно увидеть из рис. 3, были получены два направления на источник, при этом одно из них является истинным, а второе ложным. Ложное направление на источник при дальнейших расчетах будет исключено.
Произведем расчет направления на источник по трассе распространения «м. Шульца – Краснокаменск». Чертим 2 круга с центром в точке «м. Шульца» радиусом 1 000 и 1 200 км.
Время прихода волны от «м. Шульца» до «Краснокаменск» составляет 589 с. Расстояние с учетом времени распространения от «м. Шульца» до «Краснокаменск» 589 · 2 = 1 178 км. Чертим 2 круга с центром в точке «Краснокаменск» радиусом 1 000 + 1 178 = 2 178 км и 1 200 + 1 178 = 2 378 км. По пересечениям окружностей чертим 2 направления на истинный источник (красные линии).
На рис. 4 два направления пересекаются, соответственно они являются истинными, два остальных направления убираем как ложные.
Рассчитываем направление на источник по трассе «м. Свободный – Краснокаменск». Чертим 2 круга с центром в точке «м. Свободный» радиусом 1 000 и 1 200 км. Вычисляем расстояние с учетом времени распространения (589 – 422 = 167 с) от «м. Свободный» до «Краснокаменск» 167 · 2 = 334 км. Чертим 2 круга с центром в точке «Краснокаменск» радиусом 1 000 + 334 = 1 334 км и 1 200 + 334 = 1534 км. По пересечениям окружностей чертим направление на истинный источник (фиолетовая линия).
На рис. 5 видно, что направления пересекаются в одной точке, данная точка пересечения и будет являться местоположением источника.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе представлено несколько методов определения направления и местоположения источников колебаний естественного и антропогенного происхождения с помощью систем, состоящих из нескольких лазерных деформографов.
При использовании ортогональной системы направленных лазерных деформографов ошибка в определении направления на источник находится в пределах от 0.2% до 16.5%. При этом, как ожидалось, максимальные ошибки связаны с движением парома на мелкой воде (длина гидроакустической волны на частоте 20 Гц равна около 75 м). Снизить погрешность может применение третьей оси – вертикальной. Существенный вклад в ошибку вносят особенности трансформации гидроакустических волн на границе «вода-дно» и преобразования их энергии в энергию волн рэлеевского типа, распространяющихся по границе «вода-дно», а также различных других волн (продольных и поперечных, волн Стоунли и Лява). Учет всех особенностей возможен только при точном знании о структуре морского дна и характеристиках пород морского дна, угла наклона морского дна и т. п., чем на данный момент авторы не располагают. После проведения ряда экспериментальных работ по определению упругих параметров морского дня и построения его акустической модели можно более точно решить задачу по пеленгу надводного судна. Плюсом данного метода является нахождение системы лазерных деформографов в одной точке, что является преимуществом перед распределенными системами деформографов.
Пространственно-разнесенные системы лазерных деформографов обладают большей точностью определения местоположения источника, а при использовании большего количества измерительных станций, распределенных в пространстве, точность будет увеличиваться. Основной погрешностью в данном методе выступает изотропность и состав среды распространения регистрируемых колебаний. Так, для волн Рэлея в разных материалах скорость распространения может варьироваться в больших пределах, что может создавать существенные ошибки в определении местоположения источника. Не исключено и то, что на трассе распространения колебаний от одной точки измерения до другой могут находится геологические аномалии, которые не позволят использовать данный метод.
В связи с этим установка лазерных деформографов должна осуществляться в местах с заранее известной и хорошо исследованной геологической структурой по направлениям распространения колебаний от одной точки измерений до другой.
Источник финансирования. Исследования выполнены за счет средств Министерства науки и высшего образования (тема госзадания «Изучение фундаментальных основ возникновения, развития, трансформации и взаимодействия гидроакустических, гидрофизических и геофизических полей в Мировом океане»).
REFERENCES
Dolgikh G. I., Kopvillem U. Kh., Pavlov A. N. Measurement of the Earth free oscillation periods with a laser strainmeter. Izvestiya Akademii Nauk SSSR. Fizika Zemli. 1983;2:15–20.
Долгих Г. И., Копвиллем У. Х., Павлов А. Н. Наблюдение периодов собственных колебаний Земли лазерным деформометром. Известия АН СССР. Физика Земли, 1983;(2):15–20.
Машошин А. И. Оптимизация устройства обнаружения и измерения параметров амплитудной модуляции подводного шумоизлучения морских судов. Акустический журнал. 2013; 59(3):347–353. DOI: 10.7868/S0320791913030106.
Mashoshin A. I. Optimizaciya ustrojstva obnaruzheniya i izmereniya parametrov amplitudnoj modulyacii podvodnogo shumoizlucheniya morskih sudov.Acoustical physics. 2013; 59(3):347–353. DOI: 10.7868 / S0320791913030106.
Аkal T., Jensen F. B. Ocean seismoacoustic propagation – Progr. Congr. Acoust. Symp. Underwater Acoust. Halifax. London. 1987, p. 493–500.
Dolgikh G. I., Piao Shengchun, Budrin S. S., Song Yang, Dolgikh S. G., Chupin V. A., Yakovenko S. V., Dong Yang, Wang Xiaohan. Study of Low-Frequency Hydroacoustic Waves’ Behavior at the Shelf of Decreasing Depth. Applied Sciences Basel. 2020; 10(9): 3183. DOI: 10.3390/app10093183.
Dolgikh G. I., Kovalev S. N., Koren’ I.A., and Ovcharenko V. V. A Two-Coordinate Laser Strainmeter. Izvestiya. Physics of the Solid Earth. 1988; 34(11): 946–950.
Долгих Г. И., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В. Двухкоординатный лазерный деформограф. Физика Земли. 1998; 34(11): 76–81.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Koren I. A., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Recording of deformation anomaly of a tsunamigenous earthquake using a laser strainmeter. Doklady Earth Sciences. 2007; 412(1):74–76.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Регистрация деформационной аномалии цунамигенного землетрясения лазерным деформографом. Доклады Академии наук. 2007; 412(1):104–106.
Dolgikh G. I., Dolgikh S. G., Kovalev S. N., Ovcharenko V. V., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. A deformation method of tsunamigenic earthquakes definition. Doklady Earth Sciences. 2007; 417(1):1261–1264.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалев С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Деформационный метод определения цунамигенности землетрясений. Доклады Академии наук. 2007; 417(1): 109–112.
Dolgikh G. I., Budrin S. S., Dolgikh S. G., Zakurko A. G., Kosarev O. V., Ovcharenko V. V., Plotnikov A. A., Chupin V. A., Shvets V. A., Yakovenko S. V. Measurement Techniques. 2016; 59(3): 252–255.
Долгих Г. И., Будрин С. С., Долгих С. Г., Закурко А. Г., Косарев О. В., Овчаренко В. В., Плотников А. А., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Комплексный пространственно-разнесtнный полигон на Дальнем Востоке для геонаблюдений. Измерительная техника. 2016;59(3): 34–36.
Информация об авторах
Григорий Иванович Долгих, д. ф.‑ м. н., академик РАН, dolgikh@poi.dvo.ru;
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева
Дальневосточного отделения Российской Академии наук,
Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Станислав Григорьевич Долгих, к. ф.‑ м. н., sdolgikh@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Владимир Александрович Чупин, к. ф.‑ м. н., chupin@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток,
Россия.
ORCID: 0000-0001-5103-8138
Сергей Сергеевич Будрин, ss_budrin@mail.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-7462-9459
Отзывы читателей
