CC BY
46
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЯ ГИБКИХ ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩИХ
СИСТЕМ на основе волоконно-оптической техники в задачах природного мониторинга
В.Д. БУРКОВ, проф. каф. ИИС и ТПМГУЛ, д-р техн. наук,
В.Ф. КРАПИВИН, проф. каф. ИИС и ТП МГУЛ, д-р. физ.-мат. наук,
В.С. ШАЛАЕВ, проф. МГУЛ, д-р техн. наук
Проблема синтеза информационно-измерительных систем нового поколения, ориентированных на изучение и оценку состояния природно-техногенных структур различного масштаба вплоть до наноструктур, требует решения огромного спектра задач, входящих в компетенцию многих областей знания. Комплексный характер этой проблемы обусловлен совокупностью разнородных и разноплановых теоретических и прикладных исследований, которые ведутся во многих странах по национальным и международным программам. Основная цель всех подобных исследований состоит в попытке ответить на единственный базовый вопрос: каковы должны быть структура и режим работы системы наблюдения за элементами изучаемой среды, чтобы обеспечивались надежные оценки ее текущего состояния и прогноз развития на ближайшее и перспективное будущее. К сожалению, ответа на этот вопрос пока нет. Развитые в работах авторского коллектива [1-3] подходы к решению этой проблемы дают теоретическую основу новой стадии развития науки об информационно-измерительной технике. Одним из препятствий здесь является отсутствие научной базы, которая объединяла бы усилия ученых в направлении развития новых информационных технологий, которые давали бы механизмы оптимизации информационных потоков в системах мониторинга и способствовали поиску методов решения указанной задачи. Особенно актуальной данная задача является при создании систем наблюдения и контроля окружающей среды.
Существующие технические средства мониторинга объектов окружающей среды во многих случаях не обеспечивают необходимой точности оценок их состояния, особен-
но при анализе химических и биологических загрязнений водных сред с учетом их неоднородности в пространстве. В данной работе предлагается новая технология синтеза систем мониторинга окружающей среды, обобщающая технологию географических информационных систем за счет комплексного использования методов имитационного моделирования, эволюционной технологии синтеза баз знаний, алгоритмов восстановления пространственных образов по отрывочным в пространстве и фрагментарным во времени измерениям, приемов компьютерной картографии и дистанционного зондирования. Эта технология синтеза гибких информационномоделирующих систем (ГИМС-технология) реализует процедуру адаптивной оценки структуры информационно-измерительной конкретного назначения с учетом ее динамической эффективности в рамках установленных технических и функциональных ограничений. В рассматриваемом здесь частном случае учитываются возможности спектральной эллипсометрии, обеспечивающей чувствительность и точность оценки содержания примесей в жидких растворах до наночастиц. При этом оценивается экономическая эффективность ГИМС-технологии.
Спектральная эллипсометрия как элемент ГИМС-технологии
В последнее время интенсивно развивается спектральная поляризационно-оптическая аппаратура для исследований в реальном масштабе времени - многоканальные поляризационные спектрофотометры, спектрополяриметры, спектральные эллипсометры и дихрометры, нефелометры, рефрактометры. Использование в современных поляризационно-оптических приборах эффективных
170
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
модуляторов состояния поляризации и многоканальных анализаторов, развитие методов программирования определяют их высокие технические характеристики. Так, современные спектрофотометры обеспечивают измерение нескольких спектров в секунду с точностью и чувствительностью на уровне 1 % и 0.01 % соответственно, а измерения спектров вращения плоскости поляризации в реальном масштабе времени на спектрополяриметрах выполняются с высокой точностью. В то же время коммерческие многоканальные поляризационно-оптические спектральные приборы еще не получили широкого распространения.
Предметом нанотехнологии является конструирование, производство и использование функциональных структур, по крайней мере с одним характерным размером в диапазоне 1-100 нм. Информационно-измерительная система, обеспечивающая реализацию таких измерений, обладает высокой чувствительностью при контроле физических, химических и биологических свойств, явлений и процессов. Достижение такого уровня чувствительности достигается при использовании спектроэллипсометра, разработанного в ИРЭ РАН [4], в решении задач генерации наночастиц с заданными размерами [5], для контроля с обратной связью процессов напыления пленочных структур [6], при определении среднего радиуса пор и их распределения по размерам в различных наноструктурах [7], а также во многих других исследованиях [8,9].
Предложенный и развиваемый в ИРЭ РАН [2,4,9] новый метод эллипсометрических измерений - эллипсометрия с дискретной модуляцией состояния поляризации, основан на попеременном облучении изучаемого объекта пучком монохроматического света с двумя состояниями поляризации. Переключатель состояния поляризации обеспечивает точность до 10-5 в спектральном диапазоне от 220 до 2200 нм и высокую (до единиц кГц) точность достижения частоты модуляции пучков излучения. В соосном ахроматическом компенсаторе на основе ромба Френеля из плавленого кварца используется пара плоских параллельных зеркал, установленных под углом 12-15 градусов к падающему на них
пучку, при этом повышение ахроматичности компенсатора обеспечивается противоположными знаками изменения фазового сдвига в ромбе и в зеркалах.
Алгоритм идентификации спектральных образов
Применение спектроэллипсометра для решения конкретной задачи сводится к предварительной подготовке обучающей выборки спектральных образов в виде эталонной базы с векторным пространством A1 = {a11,...,aj,
I, ц}, Э1^ = {0/,..., 0;}, где aj - амплитудная характеристика, 0j - фазовая характеристика, I - идентификатор исследуемого объекта, n - число используемых каналов, ц - оценка изучаемого параметра объекта. В общем случае при измерениях определяются два вектора: один еа - интенсивность света на фотодетекторе, другой Е^ - тангенс относительного сдвига фаз двух ортогональных поляризованных компонент. В простейшем случае считается что еа = ^^..^ an1}, = ^V.^ 0n1}.
Основная идея алгоритма идентификации состоит в том, что полученный набор векторов Еа и Е^ сравнивается с соответствующими векторами базы эталонов и по одному из критериев их близости с применением алгоритма интерполяции находится оценка для параметра ц или набора таких характеристик. При этом в случае, когда оценивается набор характеристик объекта, база эталонов расширяется за счет создания векторных индикаторов самих спектральных образов (табл. 1).
Идентификация полученного спектрального образа испытуемого образца осуществляется путем сопоставления его вектора Е(Х ..., Xn,Y) с набором эталонных векторов в базе данных. Идентификация образца осуществляется путем поиска в базе эталонов образцов, имеющих минимальное удаление от полученных спектров. Расстояние между векторами рассчитывается по среднему значению
А = min р(Е-Еп ) =
n
1 .
= — min
2n i
Ms 1 чК + 1 <N '^Г 1 £ sW
1 II 1 1\
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
171
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Таблица 1
Пример структуры эталона спектрального образа контролируемого объекта
Номер эталона в базе данных А1 А2 А3 А4 А5 А6 А7 А8 А9 B
1 А11 А21 А31 А41 А51 А61 А71 А81 А91 В1
n A1n A2n А3п А4п А5п А6п А7п А8п А9п B n
Обозначения: A - площадь под спектральной кривой; А2 - максимальное значение спектральной кривой; А3 - минимальное значение спектральной кривой; А4 - расстояние в нанометрах между максимальным и минимальным значениями спектральной кривой; А5 - максимальная производная спектральной кривой; А6 - максимальная вторая производная спектральной кривой; А7 - число максимумов на спектральной кривой; А8 - значение спектральной кривой при Х=400 нм; А9 - значение спектральной кривой при Х=800 нм; В - значение оцениваемой характеристики
Применение этой формулы дает большую точность по сравнению с использованием только отклонения по абсолютной разнице компонент векторов или только по среднеквадратическому отклонению.
ГИМС-технология и водные растворы
В настоящее время совместное применение технических средств и software для оперативного мониторинга водной среды развито недостаточно из-за сложности синтеза комплексной системы мониторинга. Особенно сложны задачи сочетания алгоритмического обеспечения с уровнем информационного обеспечения системы мониторинга. Актуальная задача экологического мониторинга требует разработки компактных прецизионных поляризационно-оптических приборов для экспресс-анализа жидких сред. При этом эффективность решения многопараметрических задач в большой мере определяют чувствительность и точность приборов, их универсальность, возможность использования широкого спектрального диапазона. Спектральные измерения в водной среде дают информативную базу для применения современных методов и алгоритмов распознавания и идентификации загрязнителей этой среды.
В институте радиотехники и электроники Российской академии наук (ИРЭ РАН) впервые созданы устройства, основанные на принципах многоканальной регистрации спектров ослабленного, отраженного или рассеянного света. Совместное использование оперативных измерений спектрометрии и методов обработки данных впервые реали-
зовано в адаптивном идентификаторе, принципиальная схема которого представлена на рис.1, а различные его модификации указаны на рис. 2 и 3.
Адаптивный идентификатор был испытан в экспедиционных условиях на НИС «Дмитрий Менделеев» в Японском море и Центральных районах Тихого океана, а также при обследовании водных систем Южного Вьетнама и Сибири (о. Байкал, рек Ангара и Енисей) в рамках программ международного сотрудничества с Вьетнамским научным центром естественных наук и технологий, а также с университетами Аляски и Дилларда США. Эти эксперименты показали перспективность применения технологии спектро-эллипсометрии для оперативного контроля сточных вод, водных растворов в медицинской промышленности и изучения экосистем водоемов (пятнистость загрязнений поверхности водоемов, биомасса фитопланктона, мутность водной среды, содержание взвешенных веществ и др.).
Традиционно оптические методы исследования жидкостей являются одними из наиболее информативных. В частности, поляризационно-оптические спектральные измерения позволяют решить широкий круг сложных задач экологического мониторинга водных сред. Задача определения концентрации различных веществ в многокомпонентных растворах по спектрам оптического пропускания и отражения, линейного и циркулярного двухлучепреломления и дихроизма и по спектрам нарушенного полного внутреннего отражения успешно решается только
172
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Галогенная лампа
Рис. 1. Принципиальная схема адаптивного идентификатора. Через SW1 и SW2 обозначены переключатели состояния поляризации [4]
Рис. 2. Спектроэллипсометрическая система для регистрации характеристик водной среды в лабораторных условиях [2]
Рис. 3. Адаптивный идентификатор для изучения характеристик водной среды в лабораторных и полевых условиях в реальном масштабе времени [2, 4]
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
173
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
с помощью развитого программного обеспечения.
Одним из перспективных направлений анализа растворов является жидкостная хроматография с прецизионными поляриметрическими устройствами. Следует отметить определенные трудности при создании компактных многоканальных поляризационнооптических приборов. Как правило, ключевым элементом поляризационно-оптических приборов является модулятор состояния поляризации излучения. Это либо вращающийся поляризационный элемент (поляризатор, анализатор или компенсатор), ограничивающий частоту модуляции и значительно повышающий уровень помех, либо дорогостоящий фотоупругий модулятор, требующий совершенной термостабилизации. Используются в основном ПЗС линейки и матрицы фотодетекторов, имеющие недостаточно высокие фотометрические характеристики: малый динамический диапазон, недостаточная линейность, отсутствие доступа к отдельным пикселям, последовательное считывание фотоприемных элементов, приводящее к неэквивалентности измерительных промежутков на всех фотоприемниках.
Создание адаптивного идентификатора оказалось возможным благодаря развитию нового подхода в области поляризационной оптики. Разработаны эффективная элементная база поляризационной оптики, метод дискретной модуляции состояния поляризации, и на их основе созданы высокоточные поляризационно-оптические приборы различного назначения (рис. 2). Применение простых высокоэффективных переключателей поляризации и линеек кремниевых фотодиодов с произвольным доступом к фотодиодам существенно упростило задачу создания компактных недорогих поляризационно-оптических приборов: спектрофотометров, спектрополя-ритметров, спектроэллипсометров и т.д.
Технология совместного использования спектрометрии и алгоритмов идентификации и распознавания позволила впервые создать типовой цельный комплекс аппаратных, алгоритмических, модульных и программных средств сбора и обработки данных
0 водной среде с функциями прогноза и принятия решений. Адаптивный идентификатор имеет ряд модификаций, ориентированных на использование в различных условиях. Стационарный вариант охватывает полный комплект технических и алгоритмических средств, обеспечивающих проведение измерений в реальном масштабе времени. Использование этого варианта возможно при наличии сетевого питания 220 в. Полевой переносной вариант адаптивного идентификатора предусматривает два режима использования. При наличии компьютера Note-book в полевых условиях (при отсутствии сетевого питания) весь функциональный спектр адаптивного идентификатора реализуется в режиме реального времени. В противном случае результаты измерений запоминаются в блоке автономной памяти, а затем вводятся в компьютер и обрабатываются.
Алгоритмическое обеспечение адаптивного идентификатора основано на комплексном использовании методов распознавания и классификации дискретных образов, формируемых на базе 512 спектров, регистрируемых за устанавливаемое оператором время. Обычно устанавливается интервал в
1 сек, который обеспечивает получение около 60 отсчетов значений освещенности по каждому из 512 оптических каналов. Полученные спектры являются источниками рядов статистических параметров и различных характеристик, объединяемых в векторные пространства для последующего сопоставления с эталонными образцами, хранящимися в памяти компьютера. Технология этого сопоставления зависит от многообразия методов идентификации.
Адаптивный идентификатор рассчитан на обучение, которое представляет собой процедуру измерения спектральных характеристик и одновременное независимое измерение содержания химических элементов в водной среде. В результате в базе знаний формируется банк эталонов, сопоставление с которыми обеспечивает решение задачи идентификации. В частности, такое сопоставление может реализовываться в рамках расчета среднего квадратического отклонения измеренного
174
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
спектрального образа объекта от имеющихся в памяти компьютера эталонов. Программное обеспечение адаптивного идентификатора предусматривает различные алгоритмы решения этой задачи, среди которых имеется и кластерный анализ.
Адаптивный идентификатор может применяться в различных областях, где требуется оценить качество водного раствора или выявить присутствие в водной среде определенного набора химических элементов. Эти задачи адаптивный идентификатор решает в режиме непрерывного наблюдения за водной средой. Установленный для стационарного измерения, он позволяет следить за динамикой качества воды в потоке, а при размещении на борту судна - измерять характеристики водного объекта по маршруту следования.
Функциональные возможности адаптивного идентификатора могут расширяться за счет увеличения объема эталонов в базе знаний. Переключение на естественный источник освещения позволяет решать задачи экспертизы земных покровов, обнаружения пленок нефтепродуктов на водной поверхности, определение степени загрязнения атмосферного воздуха и оценки состояния других объектов окружающей среды, спектральные образы которых в видимом диапазоне могут изменяться. Созданная за последнее время технология адаптивной идентификации элементов окружающей среды по данным спектральных измерений в видимом диапазоне позволяет перейти к синтезу экспертной системы для адаптивной идентификации параметров окружающей среды (ЭСАИПО). В структуру системы входят компактный многоканальный спектрополяриметер (КМС), информационный интерфейс с компьютером (ИИК), пакет компьютерных программ (ПКП) и расширяющаяся база данных (РБД). ПКП реализует ряд алгоритмов обработки потоков данных от КМС и обеспечивает сервисные функции визуализации и управления режимом измерений. РБД состоит из наборов эталонов спектральных образов пятен загрязнителей, изображаемых точками в многомерном векторном пространстве признаков, предварительно рассчитанных на основе обучающих выборок.
Принцип функционирования ЭСАИ-ПО основан на фиксации изменений светового потока на выходе КМС и преобразовании их в цифровой код. Дальнейшая обработка этих данных по эффективности определяется составом ПКП, куда включены различные алгоритмы распознавания двумерных образов. Адаптивность процедуры распознавания определяется уровнем накопления знаний об особенностях флуктуации интенсивности и поляризационных качеств отраженного света от водной поверхности. В состав ПКП входят средства, позволяющие в случае неопределенности ситуации с идентификацией пятна загрязнителя принимать экспертное решение на основе визуального анализа его спектрального образа. Эта процедура реализуется в режиме диалога с ЭСАИПО, и если решение принято, то оператор может фиксировать его в базе данных в форме эталона для последующих ситуаций возникновения аналогичных пятен.
После обучения функционирование экспертной системы ограничивается только количеством измерений, фиксируемых оператором исходя из соображений достижимости статистической достоверности и сохранения режима реального времени. Оператор имеет две возможности регулировать этот режим, устанавливая объем измерений или фиксируя время их накопления. Оператор связывается с различными блоками ЭСАИПО через человеко-машинный интерфейс ИИК, который обеспечивает селективность управления операциями всех блоков.
Таким образом, применение спектроэллипсометрической технологии и разработанных на ее основе систем для контроля водной среды дает возможность быстро, практически в реальном масштабе времени, решать широкий круг задач оперативного мониторинга водных растворов как искусственного, так и природного происхождения. При этом измерительная часть ЭСАИПО может монтироваться стационарно и пользователь будет получать непрерывный поток данных о состоянии водной среды. Это особенно важно при необходимости инспекции особо опасных химических предприятий.
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
175
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Таблица 2
Результаты идентификации водных растворов
Раствор Вектора-идентификаторы спектрального образа раствора Погрешность идентификации, %
^SO, 21,6 0,17 0,1 143 0,67 0,12 2 0,16 0,21 8
43,1 0,89 0,04 201 0,59 0,09 3 0,65 0,01
Zn 4,6 0,14 0,07 89 0,56 0,22 1 0,1 0,06 3
328,1 0,87 0,84 65 0,92 0,15 3 0,84 0,82
Сахар 76,4 0,09 0,01 234 0,55 0,04 1 0,02 0,03 5
89,7 0,13 0,03 187 0,63 0,09 1 0,01 0,01
Методические, алгоритмические, конструктивные и технические решения, положенные в основу создания ЭСАИПО, были одобрены различными организациями. В 1992 г. Ассоциация авторов научных открытий выдала диплом № 235 «За открытие механизма формирования природных иерархических структур и создание на этой основе методики моделирования природно-антропогенных систем». Адаптивный идентификатор получил в 2001 г. на Первом международном салоне инноваций и инвестиций диплом и золотую медаль. Многоканальный спектроэллипсометр для исследования водных систем на III Выставке-ярмарке «Инновации-2000. Технологии живых систем» был удостоен диплома «За соответствие критериям безопасности жизнедеятельности человека».
В табл. 2 приведен фрагмент результатов идентификации однокомпонентных растворов.
Волоконно-оптические информационно-измерительные системы
Согласно [10,11] в ИРЭ РАН и НТО «ИРЭ-Полюс» на основе нанотехнологий разрабатываются устройства и информационноизмерительные системы нового поколения, основанные на последних достижениях волоконно-оптической техники. Научные основы их создания базируются на результатах фундаментальных исследований в области физики распространения света в оптоволоконных структурах. Используются особенности распространения света в диэлектрических средах и прохождения им границ раздела сред с различными свойствами с учетом явлений хроматической дисперсии, интерференции и дифракции световых волн. Многообразие
достижений в области волоконной оптики позволяет реализовать их в виде волоконнооптических систем передачи информации, датчиков физических величин и т.д. [10].
Структура типовой волоконно-оптической системы передачи информации включает кодер, оптический излучатель, оптическое волокно, фотоприемник, декодер и преобразователь сигналов. Если передача оптических сигналов осуществляется в цифровом виде, то используется кодер, в котором осуществляется избыточное кодирование для обеспечения требуемой помехоустойчивости, удобств синхронизации приемных устройств и контроля исправности регенераторов. Далее электрическим сигналом осуществляется модуляция оптического излучения, генерируемого лазером или светодиодом. Это излучение вводится в оптическое волокно и далее оптический сигнал передается к удаленному приемнику, где он преобразуется в электрический сигнал и приобретает необходимую для потребителя информации форму. На пути распространения оптический сигнал преодолевает границы разветвителей, ответвителей и соединителей, которые осуществляют пространственное разделение оптического сигнала.
Современные достижения в области волоконно-оптических технологий позволяют реализовать ГИМС-технологию с использованием датчиков физических величин, созданных на принципиально новых принципах и обладающих возможностями передачи и обработки информации без ее потерь. На основе развитой теории создан ряд новых датчиков и измерительных систем:
• Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей. Датчик
176
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
основан на применении магнитосилового эффекта, возникающего при взаимодействии измеряемого магнитного поля с микрорезонатором, что обуславливает изменение его характеристик и, следовательно, изменение резонансной частоты в системе волоконно-оптический лазер - микромеханический резонатор (ВОЛ-МР). Техническое решение при создании данного датчика основано на том, что коллимирование луча, взаимодействующего с микромеханическим резонатором (МР), осуществляется с помощью волоконного автоколлиматора, а изменение параметров измеряемого магнитного поля сопряжено с изменением характеристик МР, приводящих к изменению резонансной частоты в системе ВОЛ-МР.
• Многоканальная волоконно-оптическая измерительная система концентрации различных газов. Система содержит источник излучения, разветвитель, который отделяет световой поток от источника излучения и направляет его в N измерительных каналов, каждый из которых содержит микрорезонатор, фотоприемник и блок обработки сигнала. Источник излучения представляет собой полупроводниковый лазер накачки. В качестве разветвителя использован многомодовый волоконный разветвитель, входной торец которого оптически связан с полупроводниковым лазером накачки, а N свободных торцов сопряжены с N измерительными каналами, каждый из которых дополнительно содержит отрезок активного одномодового световода с зеркалом на основе Брегговской решетки и представляет собой волоконный лазер.
Система работает следующим образом. Накачка волоконных лазеров осуществляется полупроводниковым лазером, излучение которого с помощью волоконного разветвителя направляется в соответствующие отрезки активных световодов. В условиях непрерывной накачки одновременно могут возбуждаться автоколебания различных пар микрорезонаторов. При этом выходной сигнал фотоприемника содержит гармонические составляющие на разностных частотах, соответствующих колебаниям N пар микрорезонаторов, тем самым осуществляется частотное мультиплексирование микрорезонаторных волоконно-оптичес-
ких датчиков концентрации газов, обладающих высокой чувствительностью и точностью. Определение концентрации газа осуществляется блоком обработки сигналов с учетом площади сорбента, коэффициента диффузии газа и массы газа (mr), поглощенной пленкой с сорбентом и определяемой по формуле AF=-0,5fmm- где f - собственная частота микрорезонатора.
• Мультиплексная система автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин. Данная система включает полупроводниковый лазер накачки; высокоэффективный эрбиевый волоконный лазер (ЭВЛ); многомодовый разветвитель, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером, а другие торцы сопряжены с соответствующими резонаторами ЭВЛ; дихроические зеркала, отражающие излучение на линии генерации лазера и пропускающие на длине волны полупроводникового лазера накачки (0,98 мкм); волоконные автоколлиматоры; микрорезонаторы, резонансные частоты которых чувствительны к соответствующей физической величине (температуре, давлению, ускорению и т.д.); отражающие поверхности микрорезонаторов; фотоприемник; блок обработки сигналов и отрезок активного одномодового световода, легированного, например, Yb+3-Er+3 c А=1,55 мкм.
В условиях непрерывной накачки в данной системе одновременно возбуждаются автоколебания различных микрорезонаторов, при этом выходной сигнал фотоприемника содержит гармонические составляющие на разных частотах, соответствующих колебанию МР в каждом измерительном канале. Таким образом, осуществляется частотное мультиплексирование микрорезонаторных датчиков физических величин, обладающих высокой чувствительностью и точностью измерений, быстродействием, высоким КПД и расширенными функциональными возможностями.
• Система измерений предвестника землетрясения. За последние годы выявлено несколько новых, ранее недоступных для наблюдения предвестников землетрясения. Среди них такие, как эманация газов из земной коры в атмосферу, образование над эпицентральной областью очага землетрясения в
ЛЕСНОИ ВЕСТНИК 5/2011
177
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
атмосфере вертикального электростатического поля с напряженностью несколько кВ/м и др. Эманация легких газов, таких как водород или гелий, приводит к падению на несколько мм рт. ст. атмосферного давления в локальных областях атмосферы непосредственно над очагом накануне землетрясения. Однако изменение атмосферного давления может происходить и при изменении метеоусловий, что не позволяет однозначно интерпретировать результаты измерений данного признака. Поэтому целесообразно использовать средства непосредственного измерения концентрации водорода в атмосфере над местами тектонических разломов земной коры.
Достоверность определения момента начала землетрясения зависит от чувствительности измерительной техники. Данная система состоит из измерительного канала, включающего генератор оптического излучения, чувствительный элемент - электрооптический модулятор, фотоприемник, пороговое устройство, аналогово-цифровой преобразователь, буфер-накопитель и программируемую схему выборки. Чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого волокна, частота модуляции светового потока которого пропорциональна концентрации водорода в воздухе.
Динамика взаимодействия элементов системы состоит в следующем. Избыточная концентрация водорода в воздухе существенно изменяет средний молярный вес и теплоемкость воздушной среды. Электрооптический резонатор реагирует на эти изменения и в системе оптический лазер-чувствительный элемент возникают устойчивые колебания на частоте колебаний отрезка волокна. Частота собственных колебаний отрезка волокна непосредственно зависит от концентрации водорода в воздухе. Чем больше концентрация, тем меньше инерционность среды и тем выше частота. Эта зависимость и является признаком возникновения землетрясения.
Экономическая эффективность ГИМС-технологии
Затраты на создание и обслуживание систем природного мониторинга оценивают-
ся сотнями миллиардов долларов. Созданная в США трехуровневая система диагностики процессов в зонах возможного зарождения тропических ураганов для функционирования ежегодно требует несколько миллиардов долларов, хотя ее эффективность не превышает 35 %. Как показано в [1], применение ГИМС-технологии для оптимизации этой системы может снизить экономические затраты на обслуживание самой системы мониторинга более чем в два раза при повышении ее эффективности до 90 %. Предварительные расчеты, сделанные в [12], оказались убедительными для Европейской секции Международного научного и технического центра, чтобы открыть специальную работу по развитию ГИМС-технологии применительно к решению задачи раннего обнаружения источников зарождения тропических ураганов. Эта работа поручена Институту радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова.
Вообще созданные и планируемые к созданию системы природного мониторинга отличаются высокой избыточностью, так как в процессе их синтеза не применяются новые информационные технологии, обеспечивающие оптимизацию этих систем на этапе разработки. Одной из таких технологий является ГИМС-технология, базирующаяся на адаптивных методах выбора структур при синтезе систем мониторинга. В качестве примера, демонстрирующего эффективность этой технологии, рассмотрим случай мониторинга лагуны Ныок Нгот на Вьетнамском побережье Южно-Китайского моря. Исходная структура мониторинга этой лагуны включала еженедельные взятия проб воды по четырем разрезам с использованием малого судна. Стоимость этой работы в течение года до 2003 г. составляла 48 тысяч долларов. В 2003 г. применение ГИМС-технологии позволило снизить частоту измерений до двух в год при одной дополнительной контрольной экспедиции. При этом измерения необходимо было проводить только в устье лагуны. Промежутки между измерениями были заменены имитационной моделью. В результате годовая стоимость мониторинга лагуны снизилась до 7 тысяч долларов.
178
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2011
