CC BY
0
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ НАЗЕМНЫХ СЕЙСМОАКУСТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ МОНИТОРИНГА ЛОКАЛЬНЫХ РАЙОНОВ
А.В. Попов, научный сотрудник Войсковая часть 25522 (Россия, п. Ключи)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-6-3-200-204
Аннотация. В данной статье рассмотрены различные варианты использования физических факторов, как источников информации о местах падения фрагментов отделяющихся частей ракет-носителей. Обоснован выбор и принципы построения сейсмоакусти-ческих систем для мониторинга локальных районов поверхности Земли с целью обнаружения фрагментов. Рассмотрены некоторые формы и методы сейсмоакустического мониторинга с оценкой их точностных возможностей, раскрыта практическая применяемость, основные эксплуатационные характеристики и перспективы применения с учётом помеховой обстановки.
Ключевые слова: геомониторинг, локация, сейсмический, акустический, инфразвук, комбинированная сейсмоакустическая система.
Активная техногенная деятельность человечества в Космосе, применение ракетной техники сопровождается сопутствующими процессами возвращения на земную поверхность определённой материальной части в виде отделяющихся частей конструкций, которые могут подлежать исследованию, другому применению или утилизации. Расчётные заданные районы приёма материальной части согласуются организациями, ведущими космическую деятельность с органами местного самоуправления. Появляется необходимость оперативного обнаружения возвращаемой из Космоса материальной части. Применение физических методов локации фрагментов отделяющихся частей ракетоносителей (ОЧРН) существенно ускоряет их обнаружение группами наземного поиска.
Это обуславливает потребность в формировании региональных систем геомониторинга, составной частью которых являются средства инструментального детектирования и лоцирования источников всех физических явлений соответствующего происхождения. Однако, для удовлетворения современным требованиям, предъявляемым к системам мониторинга, регистрации данных только одним методом, пусть даже очень чувствительным - недостаточно. Преимущество получают комплексные системы мониторинга. В пер-
спективном комплексе могут применяться виды мониторинга по видам сопутствующих физических явлений сейсмического, акустического и оптического характера, а также радиолокации. Оптические средства сложны, избирательны по направлениям, зависимы от метеоусловий и ограничены по месту развёртывания. Средства радиолокации имеют такие же особенности, требуют не всегда выполнимых условий размещения и эксплуатации, а также эффективного отраженного сигнала, исходных данных и дополнительной обработки полученной информации. В отдалённых регионах наиболее эффективными являются сейсмоакустические системы, которые имеют хорошие эксплуатационные характеристики, экономичны, независимы от погодных и сезонных явлений.
Составляющие систему датчики, расположенные в определённых местах с известными координатами, регистрируют акустические и сейсмические возбуждения сред, трансформируют их в электрические сигналы, которые принимаются и анализируются соответствующей аппаратурой с программным обеспечением.
Подобные задачи решаются в сейсмологи. Однако сейсмологические задачи многократно масштабнее, глубже в прямом и переносном смысле, основаны на изучении структур и процессов в земной коре. Сей-
смические волны глубинных геопроцессов имеют существенные отличия от процессов сейсмического воздействия искусственного происхождения на поверхности по энергетике, природе, размерам источников возмущения и законам распространения. Поэтому опыт построения систем мониторинга сейсмической обстановки в сейсмоопасных районах страны может быть приемлем лишь отчасти. Особенностью сейсмических волн являются их различные виды и различная скорость распространения во времени и геопространстве.
От источника сейсмических колебаний на поверхности грунта распространяются волны четырёх вилов - объёмные P (primary), S (secondary) и поверхностные волны Лява (Lg) и Релея (Rg). Различные волны распространяются с различными скоростями, имеют различную поляризацию относительно направления распространения. Наиболее быстрые Р-волны. S-волны более медленные. Далее по скорости следуют поверхностные волны Лява (Lg) и Релея (Rg). В волнах Лява колебания поверхности происходят перпендикулярно направлению распространению волн. Волны Релея сравнительно более медленные [1]. Локация источника возмущения наиболее эффективна по времени прихода волн Р, что является наиболее достоверным способом локации сейсмических событий. Разность времени прихода возмущающих волн на датчики в разных местах однозначно определяют место источника возмущения. Однако различные районы (грунты) характеризуются по скорости распространения сейсмических волн по-
разному, в зависимости от структуры и слоистости грунта. Скорости распространения сейсмических волн, например, в сыпучих песчаных грунтах и грунтах влаго-насыщенных могут существенно различаться и зависят от многих локальных факторов в грунте, таких как неоднородности, минералогический состав, пористость, водонасыщенность, газонасыщенность, структура слоистости и другие. Влияют на распространение волн и особенности локального рельефа [2]. Поэтому для каждого локального района существует своя обобщенная характеристика грунта - годограф. Это функция скорости сейсмических волн Р-типа в зависимости от пройденного расстояния, который определяется практическим методом и уточняется набором статистических данных.
При создании мониторинговых систем топология расстановки сейсмической дат-чиковой аппаратуры по расстоянию, определяется чувствительностью датчиков и соответственно прогнозируемой энергией сейсмического воздействия.
Топология расстановки сейсмической датчиковой аппаратуры по конфигурации считается оптимальной, если в районе мониторинга от любого одного неподвижного точечного источника возбуждения сейсмические волны принимаются не менее чем на трёх датчиках.
В целях максимальных размеров площади мониторинга при минимальном количестве датчиков применяют расстановку датчиков в соответствии с рисунком 1.
Применяют и другие варианты расстановки датчиков, которые вполне работоспособны.
★ lr
1
1 r 7 ★ 4 t
★ ★
Рис. 1. Вариант размещения сейсмических датчиков
Существенное значение имеют частотные характеристики выбираемых датчиков. поскольку сейсмические возбуждения имеют волнообразный, т.е. частотный характер. По опыту применения как правило, при регистрации сейсмических Р и Б-волн применяют датчики с рабочими частотами в диапазоне от 40 до 100 Герц. Более высокие частоты имеют достаточно хорошее распространение в монолитных породах, которые местами имеют глубокое залегание, и воздействие на которые прикрывают осадочные породы как со стороны источника возбуждения на поверхности, так и со стороны датчиковой аппаратуры. Амплитудно-частотная характеристика проводимости сейсмических волн влагонасы-щеных грунтов привлекательна за счёт свойств воды, но весьма разнообразна, зависима от пористости и слоистости пород и для каждого района может иметь существенные особенности (локальные коридоры проводимости). К тому же, влагонасы-
Совершенно другие условия распространения имеют акустические волны в воздушной среде, которая в локальном объеме практически однородна с незначительными аномалиями в виде плотности (разности температур) и влажности. А также имеется наличие движения воздушных масс, т.е. ветер. Основное положительное свойство воздушной среды - это независимость скорости распространения акустических волн от пройденного расстояния и относительная однородность, что не требует специальных калибровочных мероприятий района мониторинга, как в случае с сейсмическими волнами.
Наиболее существенным фактором, влияющим на скорость распространения акустических волн звукового диапазона, и, соответственно на качество локации, является температура воздуха. При проведении мониторинга температуру воздуха по рай-
щеность грунта сезонно зависима. Поэтому, не вдаваясь глубоко в исследования особенностей локальных грунтов, как правило, выбирается рабочий диапазон датчи-ковой аппаратуры от 40 до 100 Гц, в котором все грунты имеют наиболее близкие относительно стабильные характеристики. Исследования свойств грунтов, или иначе калибровка локального района для получения годографа после расстановки датчи-ковой аппаратуры проводится практически сейсмическим воздействием на грунт в каком-либо месте с точной фиксацией времени воздействия и времён появления сигнала на каждом из датчиков. Пройденные сейсмическими волнами расстояния и затраченное время позволяют на основании априорной формулы (1) вычислить значение коэффициента Р для каждого локального района. Коэффициент Р определяет график годографа и является обобщенной характеристикой для каждого локального района.
(1)
в интервале
ону учитывают и усредняют. В меньшей степени имеет влияние на скорость распространения акустических волн влажность воздуха, которая вносит ошибку в расчёты менее значимую на фоне погрешностей других факторов. Зато влажность воздуха обеспечивает малое затухание акустических волн. Особенности амплитудно-частотной характеристики прохождения акустических волн в воздушной среде исключают применение волн ультразвукового диапазона из-за сильного затухания, т.е. малого радиуса распространения, а вот инфразвуковые колебания, наоборот, обладают малым затуханием и могут распространяться на многие сотни километров [3]. Опытным путём установлено, что для определения азимута прихода инфразвуковой волны оптимальным является расположение микрофонов в вершинах равностороннего треугольника. При
t = р • 1п((1 + И2 • 0,000372) + Д • 0,00037)
где 1 -время Я -расстояние P - коэффициент годографа
Обычно коэффициент годографа Р имеет величину от 1-1,3.
разносе микрофонов на расстояние свыше 200 м ошибка не превышает 1-2°, что позволяет производить локацию с достаточной точностью.
Вся мобильная установка легко транспортируется, ее вес 20-25 кг, большая часть которого приходится на соединительные кабели. Она быстро разворачивается (время развертывания составляет примерно 2 часа, включая измерение координат микрофонов) и позволяет регистрировать инфразвуковые сигналы с частотой выше 1 Гц.
Таким образом, накопленный опыт измерения инфразвуковых сигналов от различных источников, наличие действующих макетов мобильной инфразвуковой станции, излучение ударной волны от ОЧРН - все это обосновывает возможность применения метода инфразвукового наблюдения для локации мест падения фрагментов ОЧРН. В качестве проблемных, но решаемых вопросов можно отметить возможность возникновения сложной естественной помеховой обстановки в период измерений. Источниками таких помех могут быть явления природного или искусственного происхождения, например, ветер, гроза или деятельность человека вне района мониторинга. Решением могут быть специальные полосовые фильтры, в которых шумы на выходе фильтра нейтрализуются. К недостаткам таких акустических фильтров можно отнести трудность настройки, громоздкость конструкций фильтров, выполненных на практике из обыкновенных водопроводных труб.
В диапазоне звукового акустического спектра обстановка для работы акустиче-
ная. Потенциальных источников помех в звуковом диапазоне существенно меньше. Ситуацию усложняет баллистическая волна от двигающегося со сверхзвуковой скоростью ОЧРН, которая не несёт информацию об определенной точке траектории [4]. Поэтому полезной можно считать информацию от акустических датчиков, которые не накрыты баллистическим фронтом, т.е. развёрнуты в местах, куда баллистическая волна в первую очередь приходит с конечной точки полёта. При наличии отраженных дополнительных звуковых волн, возникающих при падении ОЧРН, выделение «полезных» сигналов на фоне помеховой обстановки возможно при комплексном анализе всех полученных сигналов. Для этих целей создают комплексные сейсмоакустические системы мониторинга, в которых акустические и сейсмические датчики размещают в одном пункте обнаружения волн (ПО), организованы сейсмический и акустический каналы, по которым передаются по соответствующие сигналы. Такое решение существенно повышает информативность системы в целом и позволяет анализировать в пункте сбора различные сочетания сигналов от разных ПО, позволяют автоматизировать процесс обработки сигналов.
В созданных и применяемых сейсмо-акустических системах имеются ограничения по количеству одновременно лоциру-емых объектов, а также и по интенсивности их падения, энергетике процесса сейсмического воздействия и звуковой волны, но это не мешает практической реализации предложения и открывает перспективы для дальнейшей творческой работы.
ских систем менее сложна, но не идеаль-
Библиографический список
1. Магницкий В.А. Основы физики Земли. - М.: Издательство геодезической литературы 1963 год Т-05474.
2. Петрашень Г.И., Волин А.П., Владимиров Ю.М., Молотков Л.А., Смирнов Н.С. Вопросы динамической теории распространения сейсмических волн - Л.: Наука, 1979. -Т. 1028.
3. Кузьмин И.А., Федоренко Ю.В., Грачев А.И., Куличков С.Н., Распопов О.М. Сейсмо-акустический комплекс для регистрации инфразвука в полярном регионе / Препринт КНЦ РАН. - Апатиты, 1995.
4. Куличков С.Н. Дальнее распространение звука в атмосфере (обзор) // Известия Академии наук / Физика атмосферы и океана. - М.: Наука, 1992. - Т. 28, № 4. - С. 339-360.
5. Магницкий В.А. Основы физики Земли - М.: Издательство геодезической литературы 1963 год Т-05474.
PRINCIPLES OF CONSTRUCTION OF GROUND-BASED SEISMIC AND ACOUSTIC COMPLEXES FOR MONITORING LOCAL AREAS
A.V. Popov, Research Associate Military unit 25522 (Russia, Klyuchi)
Abstract. This article discusses various options for using physical factors as sources of information about the impact sites of fragments of separating parts of launch vehicles. The choice and principles of building seismoacoustic systems for monitoring local areas of the Earth's surface in order to detect fragments are substantiated. Some forms and methods of seismoacoustic monitoring are considered with an assessment of their accuracy capabilities, practical applicability, basic operational characteristics and application prospects are disclosed, taking into account the interference situation.
Keywords: geomonitoring, location, seismic, acoustic, infrasound, combined seismoacoustic system.
