Патент на изобретение №2300122

(54) СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИНФРАЗВУКОВОГО СИГНАЛА ВБЛИЗИ НЕОПОЗНАННОГО ИСТОЧНИКА СИГНАЛА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области определения параметров инфразвуковых сигналов от карьерных взрывов, естественных и техногенных источников инфразвука, а также от подводных взрывов. Сущность: регистрируют, определяют время прихода и параметры инфразвукового сигнала и координат неопознанного источника на удаленном от последнего пункте наблюдения. При этом предварительно регистрируют сейсмические сигналы от источников сейсмических сигналов, удаленных от указанного пункта наблюдения. Определяют координаты источников сейсмических сигналов и функциональные зависимости между параметрами сейсмических сигналов вблизи источников сейсмических сигналов и на пункте наблюдения. Регистрируют на последнем и определяют параметры сейсмических и инфразвуковых сигналов от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов. По параметрам сигналов определяют типы распознаваемых источников этих сигналов, координаты последних, время прихода сейсмических и инфразвуковых сигналов от распознаваемых источников и их модели. По моделям определяют функциональные зависимости между параметрами сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи указанных распознаваемых источников. По определенным координатам неопознанного источника выбирают ближайшие по координатам источники сейсмического сигнала и ближайшие по координатам времени распознаваемые источники инфразвукового и сейсмического сигнала. По определенным параметрам сейсмических сигналов от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов на удаленном пункте наблюдения и определенным функциональным зависимостям между параметрами сейсмических сигналов вблизи и на удалении от источников сейсмических сигналов определяют параметры сейсмических сигналов от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи распознаваемых источников этих сигналов. По определенным функциональным зависимостям между параметрами сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов определяют параметры инфразвуковых сигналов вблизи этих распознаваемых источников и функциональные зависимости между инфразвуковыми сигналами вблизи и на удалении от распознаваемых источников для рассматриваемого интервала времени. По определенным функциональным зависимостям между инфразвуковыми сигналами вблизи и на удалении от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов для рассматриваемого интервала времени и по параметрам инфразвукового сигнала от неопознанного источника на удаленном пункте наблюдения определяют параметры инфразвукового сигнала вблизи неопознанного источника. Технический результат: повышение точности определения параметров инфразвуковых сигналов при изменении характеристик среды распространения звука. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области определения параметров инфразвуковых сигналов от карьерных взрывов, от естественных и техногенных источников инфразвука, а также к области определения параметров инфразвуковых сигналов от подводных взрывов в гидроакустике.

Известен дистанционный способ регистрации, определения времени прихода и параметров инфразвукового сигнала и координат неопознанного источника на удаленном от последнего пункте наблюдения [1]. В известном способе регистрация инфразвуковых сигналов осуществляется с помощью микробарометров [2] или других датчиков, преобразующих колебания атмосферного давления в электрический сигнал. Параметры инфразвукового сигнала определяются по параметрам электрического сигнала, в том числе время прихода определяется по моменту превышения сигналом заданного уровня. Направление на источник определяется по разности времен прихода сигнала на группу пространственно разнесенных микробарометров, а координаты источника определяются по положению точек пересечения направлений на источник, полученных от двух или более групп пространственно разнесенных микробарометров. Недостатком существующего способа является большая погрешность определения параметров инфразвукового сигнала из-за изменения условий распространения инфразвука в атмосфере.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является дистанционный способ определения параметров инфразвукового сигнала вблизи неопознанного источника сигнала путем регистрации, определения времени прихода и параметров инфразвукового сигнала и координат неопознанного источника на удаленном от последнего пункте наблюдения [3]. В прототипе регистрация инфразвуковых сигналов также осуществляется с помощью микробарометров [2] или других датчиков, преобразующих колебания атмосферного давления в электрический сигнал. Параметры инфразвукового сигнала также определяются по параметрам электрического сигнала, в том числе время прихода определяется по моменту превышения сигналом заданного уровня. Направление на источник определяется на основе измерения сдвига фаз сигналов с использованием максимума кросскорреляционной функции сигналов, принятых двумя различными микробарометрами, а координаты источника определяются по положению точек пересечения направлений на источник, полученных от двух или более групп пространственно разнесенных микробарометров.

Недостатком прототипа является то, что способ также не обеспечивает требуемой точности определения параметров инфразвуковых сигналов при изменении характеристик атмосферы. Параметры инфразвуковых сигналов, принимаемых на удаленном от источника сигналов пункте наблюдения, являются переменными во времени и существенно зависят от характеристик атмосферы, наличия каналов-волноводов, направления и силы ветров. Характеристики атмосферы зависят от суточных, сезонных и климатических изменений погоды.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением, является повышение точности измерения параметров инфразвуковых сигналов при изменении характеристик среды распространения инфразвука.

Технический результат достигается тем, что в дистанционном способе определения параметров инфразвукового сигнала вблизи неопознанного источника сигнала путем регистрации, определения времени прихода и параметров инфразвукового сигнала и координат неопознанного источника на удаленном от последнего пункте наблюдения дополнительно предварительно регистрируют сейсмические сигналы от источников сейсмических сигналов, удаленных от указанного пункта наблюдения, определяют координаты источников сейсмических сигналов и функциональные зависимости между параметрами сейсмических сигналов вблизи источников сейсмических сигналов и на пункте наблюдения, регистрируют на последнем и определяют параметры сейсмических и инфразвуковых сигналов от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов, по параметрам сигналов определяют типы распознаваемых источников этих сигналов, координаты последних, время прихода сейсмических и инфразвуковых сигналов от распознаваемых источников и их модели, по моделям определяют функциональные зависимости между параметрами сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи указанных распознаваемых источников, по определенным координатам неопознанного источника выбирают ближайшие по координатам источники сейсмического сигнала и ближайшие по координатам и времени распознаваемые источники инфразвукового и сейсмического сигнала, по определенным параметрам сейсмических сигналов от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов на удаленном пункте наблюдения и определенным функциональным зависимостям между параметрами сейсмических сигналов вблизи и на удалении от источников сейсмических сигналов определяют параметры сейсмических сигналов от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи распознаваемых источников этих сигналов, по определенным функциональным зависимостям между параметрами сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов определяют параметры инфразвуковых сигналов вблизи этих распознаваемых источников и функциональные зависимости между инфразвуковыми сигналами вблизи и на удалении от распознаваемых источников для рассматриваемого интервала времени, а по определенным функциональным зависимостям между инфразвуковыми сигналами вблизи и на удалении от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов для рассматриваемого интервала времени и по параметрам инфразвукового сигнала от неопознанного источника на удаленном пункте наблюдения определяют параметры инфразвукового сигнала вблизи неопознанного источника.

Способ иллюстрируется схемой, приведенной на чертеже.

Предлагаемый способ заключается в следующем.

Предварительно, до регистрации сигнала от неопознанного источника инфразвука на удаленном от источника пункте наблюдения, в окрестности этого пункта наблюдения регистрируют с помощью сейсмометров [4] сейсмические сигналы от удаленных источников сейсмических сигналов и известными методами [4] определяют координаты этих источников и функциональные зависимости между сейсмическими сигналами вблизи и на удалении от этих источников. Таким образом осуществляется калибровка сейсмических трасс между источниками и пунктом наблюдения, необходимая для оценки параметров сейсмических сигналов вблизи источников по сейсмическим сигналам, зарегистрированным на удалении от этих источников. Кроме того, регистрируются сейсмические и инфразвуковые сигналы от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых волн. Такими источниками являются химические карьерные взрывы, штормы и цунами в океанах, извержения вулканов и другие природные и техногенные явления.

При этом используются легко распознаваемые и изученные источники сейсмических и инфразвуковых сигналов, математические модели которых дают приемлемую точность оценки параметров инфразвуковой компоненты (сигнала) по параметрам сейсмической компоненты. Для источников этого типа определяют функциональные зависимости между параметрами сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи источников (в том числе созданием математической модели источника). Это позволяет, в случае калиброванных сейсмических трасс, по параметрам сейсмических сигналов, зарегистрированных на удалении от таких источников, определять параметры инфразвуковых сигналов вблизи этих же источников, используя математические модели источников и результаты калибровки сейсмических трасс.

Источники этого типа могут быть использованы в качестве эталонов, формирующих инфразвуковые сигналы с известными параметрами. Определение функциональных зависимостей между параметрами сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи распознаваемых источников этих сигналов, а также регистрация их сигналов, определение времени прихода сигналов и координат распознаваемых источников являются подготовительными действиями к определению параметров инфразвуковых сигналов вблизи неопознанного источника.

Далее регистрируют инфразвуковые сигналы от неопознанного источника, определяют его координаты и времена прихода сигналов и выбирают из ранее зарегистрированных инфразвуковых сигналов ближайшие по времени инфразвуковые сигналы от распознаваемых источников, наиболее близких по расстоянию к неопознанному источнику. Как было указано выше, для таких распознаваемых источников имеется возможность определения параметров инфразвуковых сигналов вблизи этих источников по известным функциональным зависимостям между параметрами инфразвуковых и сейсмических сигналов вблизи источников и по параметрам сейсмических сигналов, зарегистрированных на пункте наблюдения. Далее сравниваются инфразвуковые сигналы вблизи и на удалении от выбранных распознаваемых источников, т.е. по полученным параметрам инфразвуковых сигналов вблизи распознаваемых источников и параметрам инфразвуковых сигналов, зарегистрированных на пункте наблюдения, определяются функциональные зависимости между ними. Так осуществляется калибровка инфразвуковых трасс между распознаваемыми источниками и пунктом наблюдения для рассматриваемого интервала времени.

Далее по полученным функциональным зависимостям между параметрами инфразвуковых сигналов вблизи и на удалении от распознаваемых источников и зарегистрированным инфразвуковым сигналам от неопознанного источника определяются параметры инфразвуковых сигналов вблизи неопознанного источника.

На чертеже приведена схема выполнения действий данного способа применительно к одному параметру инфразвукового сигнала источника (для простоты).

Используемые обозначения:

t – время;

x(t) – исследуемый параметр инфразвукового сигнала вблизи источника (например, амплитуда);

y(t) – исследуемый параметр инфразвукового сигнала на удалении от источника;

p(t) – исследуемый параметр сейсмического сигнала вблизи источника;

s(t) – исследуемый параметр сейсмического сигнала на удалении от источника;

х=X(y, t) – функциональные зависимости между параметрами инфразвуковых сигналов;

у=Y(x, t) – вблизи и на удалении от источника, в том числе в виде систем алгебраических, дифференциальных, интегральных уравнений и др.;

р=P(s, t) – функциональные зависимости между параметрами сейсмических сигналов;

s=S(p, t) – вблизи и на удалении от источника, в том числе в виде систем алгебраических, дифференциальных, интегральных уравнений и др.;

x=M(p, t)- функциональные зависимости между параметрами инфразвуковых и сейсмических сигналов вблизи распознаваемого источника, в том числе в виде систем алгебраических, дифференциальных, интегральных уравнений и др.

В общем случае для n значений х критерием выбора х может быть минимум функционала F(r_i, t_i, где r_i – расстояние между неопознанным и i-тым распознаваемым источниками, a t_i – временной интервал между инфразвуковыми сигналами вблизи этих источников.

Рассмотрим реализацию предлагаемого способа на примере определения одного параметра инфразвукового сигнала (максимального значения импульса – амплитуды, при упрощенных условиях) вблизи неопознанного источника. На пункте наблюдения зарегистрированы сейсмические сигналы, в том числе n сигналов от карьерных взрывов, характеристики которых известны. Для калибровки сейсмических трасс измеряем сейсмические сигналы вблизи n источников и на пункте наблюдения, получаем, соответственно, p₁, р₂, p₃…p_n и s₁ s₂ s₃…s_n. Полагаем, что амплитуды сейсмических p и инфразвуковых сигналов х в регистрируемом диапазоне частот пропорциональны мощности q взрыва, т.е. p_n=B_n·q_n, X_n=D_n·q_n, где B_n, D_n – коэффициенты, a p_n, X_n – амплитуды сейсмических и инфразвуковых колебаний вблизи n-го взрыва, q_n – мощность (тротиловый эквивалент) n-го взрыва. Используя известный физический закон поглощения волн при их распространении и известные мощности взрывов, получаем:

s_n=p_n·ехр (-_n·r_n), где _n – коэффициент поглощения среды на трассе n-го сейсмического сигнала;

p_n=s_n/exp (-_n·r_n), где r_n – расстояние от пункта наблюдения до n-го взрыва или

s_n=B_n·q_n·exp(-_n·r_n) – (1)

Выражение (1) в данном случае можно рассматривать в качестве простейшей модели n-го источника сейсмических сигналов без учета зависимости параметров сигналов от времени.

При известных r_n, q_n, p_n в результате калибровки получаем значение a_n для n-й сейсмической трассы и значение B_n для источников сейсмических сигналов типа карьерных взрывов, не зависящие от времени.

Аналогично для инфразвуковых сигналов:

y_n=x_n·ехр (-_n·r_n), где _n – коэффициент поглощения атмосферы на n-й трассе,

x_n=y_n/ехр(-_n·r_n), где r_n – расстояние от пункта наблюдения до n-го взрыва или

y_n=D_n·q_n·exp(-_n·r_n) (2) – простейшая модель инфразвукового источника сигналов.

Для создания модели источника инфразвукового сигнала и определения постоянной D_n достаточно измерить инфразвуковой сигнал у_n вблизи карьерных взрывов (r_n=0), так как _n, в отличие от _n, не является постоянной величиной, а зависит от состояния атмосферы и является функцией времени. Константы В_n и D_n для моделей могут быть получены также не путем прямых измерений, а расчетным путем.

Система уравнений (1) и (2) – простейшая модель источника сейсмических и инфразвуковых сигналов типа карьерного взрыва. Для такого источника выполняется соотношение

x_n=D_n·p_n/B_n – (3) – из x_n=D_n·q_n и р_n=B_n·q_n, при r_n=0.

Учитывая, что отношение D_n/В_n для карьерных взрывов, проводимых по одной и той же технологии, меняется незначительно, принимаем для дальнейших расчетов усредненное значение D/В для карьерных взрывов. Более точно такие усреднения можно проводить в пределах каждого карьера отдельно и далее выбирать отношение D/В в зависимости от карьера.

Таким образом, в результате подготовительных действий, которые могут быть проведены в любое время задолго до регистрации инфразвукового сигнала от неопознанного источника, получены:

1. Функциональные зависимости p_i=Р_i (s_i, t), s_i=S_i (p, t), в данном случае p_n=S_n/ехр(-_n·r_n), S_n=р_n·ехр(-_n·r_n) и _n – коэффициенты поглощения среды на n сейсмических трассах, позволяющие определить амплитуду сейсмического сигнала р_n вблизи карьерного взрыва по амплитуде сейсмического сигнала S_n, зарегистрированного на пункте наблюдения.

2. Модель источника сейсмических и инфразвуковых сигналов типа карьерного взрыва и функциональная зависимость х=M(p, t), в данном случае Х_n=D_n·р_n/В_n, и отношение D/В для карьерных взрывов, полученное из расчетно-экспериментальных моделей карьерных взрывов и позволяющее по амплитуде сейсмического сигнала р_n вблизи карьерного взрыва определить амплитуду Х_n инфразвукового сигнала вблизи карьерного взрыва.

Полученные данные используются далее для оценки параметров всех вновь зарегистрированных инфразвуковых сигналов.

Допустим, на пункте наблюдения зарегистрирована серия из шести инфразвуковых и сейсмических сигналов от карьерных взрывов и один неопознанный инфразвуковой сигнал у₀ от неизвестного источника. По превышению амплитудой заданного уровня зарегистрированных сигналов определяем время прихода инфразвукового сигнала на каждый микробарометр. Кроме того, определяем амплитудное значение инфразвукового сигнала, зарегистрированного одним микробарометром, или усредняем амплитудные значения сигнала, измеренные микробарометрами группы. Принадлежность инфразвуковых сигналов к сигналам от карьерных взрывов устанавливается известными методами и обычно определяется по наличию сейсмического сигнала в ожидаемом промежутке времени, соответствующем скорости распространения сейсмической волны, а также по характерным формам сейсмического и инфразвукового сигналов.

По разности времени прихода инфразвуковых сигналов на группу микробарометров определяем направление на неизвестный источник инфразвукового сигнала. Ту же операцию повторяем для другой, отдельно установленной на пункте наблюдения группы микробарометров и на пересечении направлений определяем местонахождение неизвестного источника инфразвукового сигнала и расстояние до него от пункта наблюдения. Для более точного определения координат неизвестного источника может быть использована информация о направлении на источник, полученная на других пунктах наблюдения. Аналогично определяются координаты карьерных взрывов и расстояния до них. Зная координаты неизвестного источника, выбираем ближайший по координатам карьер, а из зарегистрированных взрывов в этом карьере выбираем ближайший по времени. Зарегистрированные на пункте наблюдения инфразвуковые сигналы от этого взрыва назовем эталонными (s₁, y₁) и будем далее использовать для сравнения с неизвестным сигналом. Процедура выбора эталонного сигнала может быть сложнее, например, можно выбрать сигнал по минимуму выражения ||, где r – расстояние между карьером и неизвестным источником инфразвукового сигнала, – разность времен возникновения неизвестного инфразвукового сигнала и карьерного взрыва, и – коэффициенты.

Далее по амплитуде эталонного сейсмического сигнала s₁ на пункте наблюдения определяем амплитуду сейсмического сигнала p₁ вблизи карьера из выражения p₁=s₁/ехр(-₁·r₁).

По известному отношению D/В для карьерных взрывов определяем амплитуду инфразвукового сигнала X₁ вблизи карьера: X₁=D·p₁/В.

Теперь мы имеем амплитуды двух инфразвуковых сигналов (x₁, y₁) для определения состояния атмосферы (коэффициента поглощения p₁) на момент времени, близкий к времени возникновения неопознанного инфразвукового сигнала. Из выражения x₁=y₁/ехр(-₁·r₁) определяем

Считая, что за промежуток времени между возникновением неизвестного инфразвукового сигнала и карьерного взрыва состояние атмосферы не успело существенно измениться, полагаем коэффициент поглощения ₀ для трассы неизвестного инфразвукового сигнала равным коэффициенту поглощения ₁ для трассы эталонного инфразвукового сигнала. Далее по амплитуде у₀ неизвестного инфразвукового сигнала на пункте наблюдения, известному коэффициенту поглощения ₀ и известному расстоянию r₀ до источника сигнала определяем амплитуду x₀ неизвестного инфразвукового сигнала: х₀=у₀/ехр(-₀·r₀).

Таким образом, решена задача определения параметра инфразвукового сигнала вблизи источника по измеренному инфразвуковому сигналу на удалении от источника на примере определения амплитуды.

Аналогичными действиями могут быть определены другие параметры, например, энергия, преобладающая частота спектра и т.п.

При одних и тех же действиях способа различие заключается только в функциональных зависимостях между разными параметрами.

Предлагаемый способ позволяет определить параметры инфразвуковых сигналов вблизи неопознанного источника за счет калибровки трассы между неопознанным источником и пунктом наблюдения с помощью инфразвуковых и сейсмических сигналов от ближайших к неопознанному распознаваемых источников для рассматриваемого интервала времени, что по сравнению с прототипом позволяет повысить точность определения параметров инфразвукового сигнала вблизи неопознанного источника при изменении характеристик среды распространения инфразвука.

Источники информации

1. Charles R. Wilson, Auroral Infrasound at Fairbanks, Alaska as Observed at CTBT Infrasonics ARRAY 153 US, Inframatics, Number 02, June 2003, Scripps Institution of Oceanography University of California, San Diego.

2. Eric A. Skowbo, Edwin R. Bullard, Miniaturizing the Chaparral Model 2 Infrasound Sensor, Infrasound Technology Workshop 2002, Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI), De Bilt, Netherlands, 2002.

3. Alexis Le Pichon and Yves Cansi, PMCC for Infrasound Data Processing, Inframatics, Number 02, June 2003, Scripps Institution of Oceanography University of California, San Diego (прототип).

4. Конгресс США. Управление Технологии. Сейсмический контроль за соблюдением договоров о ядерных испытаниях. Пер. с англ. М.: Мир, 1992, стр.82-85, 159-177.

Формула изобретения

Способ дистанционного определения параметров инфразвукового сигнала вблизи неопознанного источника сигнала путем регистрации, определения времени прихода и параметров инфразвукового сигнала и координат неопознанного источника на удаленном от последнего пункте наблюдения, отличающийся тем, что предварительно регистрируют сейсмические сигналы от источников сейсмических сигналов, удаленных от указанного пункта наблюдения, определяют координаты источников сейсмических сигналов и функциональные зависимости между параметрами сейсмических сигналов вблизи источников сейсмических сигналов и на пункте наблюдения, регистрируют на последнем и определяют параметры сейсмических и инфразвуковых сигналов от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов, по параметрам сигналов определяют типы распознаваемых источников этих сигналов, координаты последних, время прихода сейсмических и инфразвуковых сигналов от распознаваемых источников и их модели, по моделям определяют функциональные зависимости между параметрами сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи указанных распознаваемых источников, по определенным координатам неопознанного источника выбирают ближайшие по координатам источники сейсмического сигнала и ближайшие по координатам и времени распознаваемые источники инфразвукового и сейсмического сигналов, по определенным параметрам сейсмических сигналов от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов на удаленном пункте наблюдения и определенным функциональным зависимостям между параметрами сейсмических сигналов вблизи и на удалении от источников сейсмических сигналов определяют параметры сейсмических сигналов от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи распознаваемых источников этих сигналов, по определенным функциональным зависимостям между параметрами сейсмических и инфразвуковых сигналов вблизи распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов определяют параметры инфразвуковых сигналов вблизи этих распознаваемых источников и функциональные зависимости между инфразвуковыми сигналами вблизи и на удалении от распознаваемых источников для рассматриваемого интервала времени, а по определенным функциональным зависимостям между инфразвуковыми сигналами вблизи и на удалении от распознаваемых источников сейсмических и инфразвуковых сигналов для рассматриваемого интервала времени и по параметрам инфразвукового сигнала от неопознанного источника на удаленном пункте наблюдения определяют параметры инфразвукового сигнала вблизи неопознанного источника.

РИСУНКИ