способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений

Формула изобретения

Способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, основанный на проведении дифференциальной интерферометрии поверхности Земли, при которой применяется межвитковая интерферометрия по паре КРЛИ (комплексных радиолокационных изображений), полученных на витках, разделенных по времени и образующих интерференционную пару, отличающийся тем, что запись пары КРЛИ производится в соответствии с фазами приливных воздействий Луны и Солнца, а также проводится сравнение дифференциальных картин с эталонными интерферометрическими картинами и при обнаружении значительных отличий этих картин производится расчет параметров НДС (напряженно-деформированного состояния) земной коры и оценка опасности ее повреждений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области исследования физических явлений, происходящих в земной коре и на ее поверхности, и может быть использовано для оценки возможности наступления неблагоприятных, и в том числе, катастрофических, природных и техногенных явлений.

Известен способ радиоволнового прогноза землетрясений (Патент РФ № 2037162. Способ радиоволнового прогноза землетрясений и устройство для его осуществления / А.П.Реутов, Е.Д.Лимарев, В.Ф.Маренко и др). Сверхдлинные радиоволны (СДВ) имеют волноводный характер распространения, где нижней «стенкой» сферического волновода является поверхность Земли, а верхней - нижняя область ионосферы, высота которой колеблется от 60 км днем до 100 км ночью. Эта высота сравнима с длиной волны, чем и обусловлен волноводный характер распространения радиоволн СДВ-диапазона. Появление неоднородностей в любой из стенок волновода приводит, в частности, к изменению фазовой скорости и затуханию СДВ радиоволн. Таким образом, над большей частью земной поверхности создано многослойное электромагнитное поле, способное непрерывно контролировать сейсмоопасные регионы. Размещение в районе этих регионов определенного числа приемных пунктов позволит контролировать сигналы от различных станций, перекрыв сейсмоопасные регионы сетью пересекающихся трасс. Эти пункты могут быть как стационарные, так и мобильные (корабли, вертолеты, автомобили), развертываемые по первому сигналу «тревоги». Все пункты должны быть связаны между собой и центрами сбора и обработки информации соответствующими телекоммуникационными каналами. Земля, как большая связанная система, должна контролироваться одновременно во многих точках. Это позволит выявить возможные корреляционные связи между отдельными сейсмоопасными регионами в рамках представлений глобальной тектоники, а также обнаружить техногенные опасности.

Важным является объединение наземного сегмента с космическим. Космический томографический сегмент состоит из ныне действующих и в незначительном числе дополняемых искусственных спутников Земли (ИЗС) и наземных приемно-измерительных комплексов приема сигналов спутников, в которых отображается информация о назревающей сложной обстановке по изменению концентрации электронов в ионосфере по высоте. Таким образом, формируется томографическая система контроля за ионосферой и атмосферой вокруг Земли (1. Воинов В.В., Гуфельд И.Л., Маренко В.Ф. и др. Эффекты в ионосфере перед Спитакским землетрясением 7 декабря 1988 г. Изв. АН Сер. Физика Земли, 1992, № 3; 2. Куницин В.Е., Терещенко Е.Д. Томография ионосферы. - М.: Наука, 1991). На пути к Земле ультракороткие волны, излучаемые установленными на ИЗС передатчиками, пронизывают ионосферу и атмосферу и реагируют на изменение концентрации электронов в ионосфере в период возможной угрозы.

Известен также способ построения цифровых карт рельефа (ЦКР), в котором применяется интерферометрия поперек линии пути КА, реализуемая в однопроходном режиме с использованием тандема космических РСА, либо межвитковая интерферометрия по паре комплексных радиолокационных изображений (КРЛИ), полученных на витках, разделенных по времени и образующих интерференционную пару. Разрешающая способность ЦКР зависит от размера интерференционной базы и отношения сигнал/шум для наблюдаемой поверхности. Точность измерения высоты рельефа зависит от точности знания пространственного положения интерферометрической базы. Аналогичным методом обрабатываются полученные в разное время КРЛИ заданных районов с целью выявления изменений окружающей обстановки (дифференциальная интерферометрия). Использование интерферометрической обработки позволяет обнаруживать малые смещения поверхностей и объектов или деформации поверхностного слоя Земли. Методы дифференциальной интерферометрии позволяют решать следующие задачи:

1) обнаружение изменений в оперативной обстановке в районах наблюдения, сопровождающиеся появлением и исчезновением объектов;

2) обнаружение следов, оставленных пребыванием посторонних объектов на наблюдаемой территории;

3) выявление малых изменений геометрии подстилающей поверхности и объектов (зданий, инженерных сооружений).

Особую актуальность имеет использование космических радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) для обследования больших площадей с целью обнаружения термокарстовых подвижек грунтов на нарушенных землях в зоне вечной мерзлоты и просадок грунта в местах интенсивной добычи углеводородов, шахтной добычи полезных ископаемых, представляющих потенциальную опасность для трубопроводов, дорог, жилых и промышленных объектов (В.С.Верба, Л.Б.Неронский, И.Г.Осипов, В.Э.Турук. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования. М.: Радиотехника, 2010, - 676 с.).

С другой стороны, пара Земля-Луна, связанная гравитационным притяжением, совместно вращается вокруг общего центра тяжести, расположенного примерно в 4800 км от центра Земли, так как масса Земли превосходит массу Луны. В этой вращающейся системе, рассматриваемой в целом, полная центробежная сила в точности уравновешивает центростремительные силы. Из-за того что одна сторона Земли ближе к Луне, чем другая, лунное гравитационное притяжение оказывается на ближней стороне на 7% больше, чем на дальней. Это приводит к хорошо известному явлению приливов и отливов в океанах, слабым приливным явлениям в атмосфере и даже вызывает приливные колебания твердой земной коры с амплитудой около 10 см. Из-за того что Земля испытывает суточное вращение в поле этих сил, а Луна движется вокруг нее, приливные вздутия стремятся двигаться в соответствии с положением Луны. Поэтому в каждом данном районе океана каждые 24 часа 50 минут дважды происходит прилив и дважды - отлив. Ежесуточное отставание на 50 минут обусловлено опережающим движением Луны по ее орбите вокруг Земли, которая, непрерывно вращаясь, вынуждена догонять Луну. Солнце также вызывает на Земле приливы, хотя и втрое меньшей высоты, и они накладываются на приливы, вызванные притяжением Луны, меняя их характеристики. Несмотря на то что Солнце, Земля и Луна лежат почти в одной и той же плоскости, они непрерывно меняют свое положение относительно друг друга, и соответственно изменяется их приливное воздействие. Дважды на протяжении лунного месяца - в новолуние и полнолуние - Земля, Луна и Солнце оказываются на одной линии. В это время приливные силы Луны и Солнца складываются, и возникают необычно высокие («сизигийные») приливы. В первой и третьей четвертях Луны, когда приливные силы Солнца и Луны направлены под прямым углом друг к другу, они оказывают противоположное воздействие, и высота лунных приливов оказывается ниже приблизительно на одну треть («квадратурные приливы»). Другие различия в высоте приливов связаны с выявленными перемещениями Луны по небесному меридиану в течение года, с влиянием широты, с размерами и формой океанического бассейна, а также с конфигурацией заливов, эстуариев и другими особенностями берегов. Поэтому на мореограммах можно увидеть записи сложной последовательности изменений уровня воды (А.Аллисон, Д.Палмер. Геология. Наука о вечно меняющейся Земле. Пер. с англ. М.: «Мир», 1984, - 568 с.).

Известен также способ определения напряжений перед трещинами в элементах конструкций, залючающийся в том, что освещают поверхность когерентным излучением до полной величины нагрузки, поэтапно одновременно нагружают элемент, записывают на каждом из этапов двухэкспозиционные голограммы во встречных пучках для поверхности элемента в зоне вершины трещины и регистрируют интерференционные картины, по параметрам которых рассчитывают напряжение перед трещиной (V.I.Shabunevich Local stress state definition of structural elements using holographic interferometry. / Nondestr. Test. Eval., 1995, vol. 12, pp.211-218).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, включающий измерение параметра геофизического поля в контролируемом районе и суждение по полученным данным о возможности наступления катастрофических явлений, отличающийся тем, что измерения проводят непрерывно, выявляют колебания измеряемого параметра и при обнаружении синусоидальных колебаний возрастающей частоты, имеющих амплитуду, статистически достоверно отличающуюся от фоновой для контролируемого района, и период от 100 до 1000000 секунд, судят о наличии возможности наступления катастрофических явлений (Азроянц Э.А.; Харитонов А.С.; Яницкий И.Н. Способ обнаружения возможности наступления катастрофических явлений. Патент РФ № 2030769, 1995).

Недостатками прототипа являются необходимость проведения непрерывных измерений неопределенного числа параметров различных геофизических полей и невысокая точность прогноза.

Предложенный способ является дискретным и позволяет достичь более высокую точность прогноза.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в предлагаемом способе обнаружения возможности наступления катастрофических явлений, основанном на проведении дифференциальной интерферометрии поверхности Земли, при которой применяется интерферометрия поперек линии пути космического аппарата (КА), реализуемая в однопроходном режиме с использованием тандема космических РСА радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА), либо межвитковая интерферометрия по паре комплексных радиолокационных изображений (КРЛИ), полученных на витках, разделенных по времени, но образующих интерференционную пару, предложено запись пары КРЛИ производить в соответствии с фазами приливных воздействий Луны и Солнца, а также проводить сравнение дифференциальных картин с эталонными интерферометрическими картинами и при обнаружении значительных отличий этих картин производить расчет параметров напряженно-деформированного состояния (НДС) земной коры и оценку опасности ее повреждений.

Так, первое КРЛИ из их пары для дифференциальной интерферометрии записывают, например, при отсутствии приливного воздействия Луны на исследуемую зону поверхности Земли, а второе - на одной из фаз приливного воздействия. Дифференциальную интерферометрическую картину сохраняют в качестве эталонной для этого режима приливного воздействия и сравнивают ее с последующими аналогичными картинами. При обнаружении значительных отличий картин, вызванных дополнительными смещениями исследуемой зоны земной поверхности, производят расчеты изменений параметров НДС земной коры от этих смещений с помощью, например, метода конечных элементов. И далее сравнивают полученные путем экстраполяции максимальные величины параметров НДС земной коры с их допустимыми значениями.

Для космического радиолокационного землеобзора принципиально можно использовать часть электромагнитного спектра - радиоволны, которые с малыми потерями проходят через атмосферу. Их длина волны составляет от единиц сантиметров (частоты 10-18 ГГц) до единиц метров (частоты 200-400 МГц). Электромагнитное излучение характеризуется векторными свойствами - направлением вектора электрического поля или поляризацией. Получаемая радиолокационная информация в цифровом виде представляет собой КРЛИ, каждый элемент (пиксель) которых характеризуется комплексным числом - действительной и мнимой составляющими или амплитудой и фазой, численное значение которых определяет параметры сигнала, принятого от соответствующего элемента на земной поверхности.

Высокая точность способа достигается за счет высокой информативности современных космических РСА с метровым и субметровым пространственным разрешением, возможности оперативного получения информации независимо от времени суток и метеорологических условий, глобального охвата районов съемки. Особо эффективны методы дифференциальной интерферометрии для выявления предвестников опасных явлений в окружающей обстановке: оползней, паводков, критических изменений геометрии природных и искусственных объектов и инженерных сооружений.

Оценку опасности повреждений, в первом приближении, можно производить также следующим образом. По восстановленным с дифференциальных картин интерферограммам изменений нормальных компонент векторов перемещений поверхности Земли можно определить, например, величины изменений изгибных составляющих напряжений (деформаций) у вершин трещин в земной коре и далее находить максимальные величины напряжений (деформаций) вблизи дефектов как сумму номинальных их величин и величин изменений максимальных локальных изгибных составляющих напряжений (деформаций), экстраполированных по величинам соответствующих им, например, параметров нагружения земной коры. И далее сравнивать полученные максимальные величины параметров НДС с допустимыми значениями (см., например, Шабуневич В.И. Способ оценки опасности дефектов трубопровода. Патент России № 2172929, 1998).