Способ определения степени опасности цунами и устройство для его осуществления

Изобретения могут быть использованы в оперативной службе предупреждения о волнах цунами. Сущность: размещают устройства регистрации в прибрежной зоне и на расстоянии 2-4 тыс. км от берега. По сигналам устройств регистрации определяют степень опасности волны цунами для охраняемого района. На радиобуе формируют высокочастотное колебание. Манипулируют его по фазе модулирующим кодом, содержащим сведения о направлении распространения и степени опасности волны цунами для охраняемого района. Сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности, излучают в эфир с интервалом времени, определяемым степенью опасности волны цунами для охраняемого района. На наземной станции приема и обработки сигналов принимаемый сложный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте. Выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте. Удваивают его фазу. Измеряют ширину спектра принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты и его второй гармоники. Сравнивают между собой и, в случае значительного различия, осуществляют синхронное детектирование принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты. Выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, регистрируют его. Причем опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, формируют путем выделения второй гармоники принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, деления его фазы на два и выделения гармонического напряжения промежуточной частоты. Суждение о степени опасности цунами выносят при превышении излученным сигналом трех пороговых уровней: «опасно», «очень опасно», «чрезвычайно опасно». При этом гармоническое напряжение промежуточной частоты, используемое в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, перед подачей на опорный вход фазового детектора подвергают частотному детектированию. Выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного перехода фазы опорного напряжения из одного состояния в другое. Используют их для формирования управляющего напряжения. Воздействуют им на фазу опорного напряжения. Стабилизируют ее в одном состоянии и устраняют явление «обратной работы». Технический результат: повышение достоверности получаемых данных. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области сейсмологии и могут быть использованы в оперативной службе предупреждения о волнах цунами, возникающих вследствие резкого подъема или опускания значительных водных масс океана.

Известны способы и устройства обнаружения волн цунами (авт. свид. СССР №№157229, 914702, 1584585, 1163287, 1198792; патенты РФ №№2034312, 2066468, 2097792, 2124744, 2147060, 2156988, 2238574, 2288487; патенты США №№4124238, 4587859, 4691661, 5124915, 5556229; патенты Великобритании №№1163173, 2183038; Соловьев С.Л., Бурымская Р.И. Оценка эффективности новых признаков цунамигенности землетрясений. Изв. АН СССР, серия "Физика Земли", 1981, №8 и др.)

Из известных способов и устройств обнаружения волн цунами наиболее близкими к предлагаемым являются "Способ определения степени опасности цунами и устройство для его осуществления" (патент РФ №2288487, G01V 9/00, 2005), которые и выбраны в качестве прототипов.

В указанных технических решениях опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала (фиг.5, г),

u_пр(t)=U_прcos[ω_прt+ϕ_к(t)+ϕ_пр], 0≤t≤T_c

выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала. Для этого используется удвоитель 43 фазы, узкополосный фильтр 50, делитель 51 фазы на два и узкополосный фильтр 52.

На выходе удвоителя 43 фазы образуется гармоническое напряжение (фиг.5, д)

u₂(t)=U₂cos[2ω_прt+2ϕ_пр], 0≤t≤T_c,

которое выделяется узкополосным фильтром 50.

Так как 2ϕ_к(t)={0,2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы отсутствует.

Напряжение u₂(t) подается на вход делителя 51 фазы на два, на выходе которого образуется напряжение (фиг.5, е)

u₃(t)=U₃cos[ω_прt+ϕ_пр], 0≤t≤T_c,

которое выделяется узкополосным фильтром 52 и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 53.

Однако при этом возникает явление "обратной работы", которое обусловлено скачкообразными переходами фазы опорного напряжения u₃(t) из одного состояния ϕ_пр в другое ϕ_пр+π под воздействием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов.

Это легко показать аналитически. Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления фазы на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π

Следовательно, двузначность фазы полученного напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность фазы объясняется неустойчивой работой делителя 51 фазы на два. Поэтому фаза опорного напряжения u₃(t) всегда имеет два устойчивых состояния ϕ_пр и ϕ_пр+π. Переход из одного состояния в другое происходит в случайные моменты времени, например, t₁, t₂, t₃, t₄ (фиг.5, е), при этом на выходе фазового детектора 53 выделяется искаженный аналог u_ни(t) (фиг.5, ж) модулирующего кода M(t) (фиг.5, б), который не позволяет достоверно определить в цифровом виде данные о моменте возникновения, направлении распространения волн цунами и степени их опасности.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности определения в цифровом виде данных о моменте возникновения, направлении распространения волн цунами и степени их опасности путем устранения явления "обратной работы".

Поставленная задача решается тем, что способ определения опасности цунами, включающий размещение в прибрежной зоне на глубине более 100 м групп устройств регистрации, соединение их трактом связи с наземными станциями приема и обработки сигналов, установление дополнительной группы устройств регистрации на расстоянии 2-4 тысяч км от берега, размещение группы устройств в прибрежной зоне на расстоянии l от берега, определяемом по формуле

где τ_кр - нормативное время на защиту охраняемого района;

g - ускорение свободного падения;

Н - средняя глубина моря между берегом и устройством,

и выполнение в виде модели шельфа, у береговой линии охраняемого района, при этом устройства закрепляют на дне моря тросовыми растяжками, наклоненными под углом 30-60° к горизонту и соединенными с корпусом устройства по крайней мере в трех равноудаленных друг от друга точках, по сигналам дальних устройств регистрации устанавливают факт возникновения и направление распространения волны цунами, а по сигналам ближних устройств регистрации определяют степень опасности волны цунами для охраняемого района, на радиобуе формируют высокочастотное колебание, манипулируют его по фазе модулирующим кодом, содержащим сведения о направлении распространения и степени опасности волны цунами для охраняемого района, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности и излучают в эфир с интервалом времени, определяемым степенью опасности волны цунами для охраняемого района, на наземной станции приема и обработки сигналов принимаемый сложный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, удваивают его фазу, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты и его второй гармоники, сравнивают их между собой и в случае значительного различия осуществляют синхронное детектирование принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, и регистрируют его, при этом опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, формируют путем выделения второй гармоники принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, деления его фазы на два и выделения гармонического напряжения промежуточной частоты, отличается от ближайшего аналога тем, что гармоническое напряжение промежуточной частоты, используемое в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, перед его подачей на опорный вход фазового детектора подвергают частотному детектированию, выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного перехода фазы опорного напряжения из одного состояния ϕ_пр в другое ϕ_пр+π, используют их для формирования управляющего напряжения, воздействуют им на фазу опорного напряжения, стабилизируют ее в одном состоянии и устраняют явление "обратной работы".

Поставленная задача решается тем, что устройство для определения опасности цунами, содержащее наземную станцию приема и обработки сигналов, спутник связи - ретранслятор и устройство регистрации, включающее корпус с крышкой и днищем, и подводный кабель связи с наземной станцией, при этом крышка выполнена куполообразной, а днище - в виде усеченного конуса, входящего меньшим основанием под куполообразную крышку, и соединено с ней ребрами жесткости, при этом последние разделяют внутренний объем устройства по крайней мере на четыре сектора, а большее основание конуса образует с крышкой кольцевую прорезь, в которой в каждом из секторов установлены анемометры, а верхняя часть секторов и сбросной шахты под куполообразной крышкой заполнена газообразным агентом, к анемометрам последовательно подключены элемент ИЛИ и три канала обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока и реле, передатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, телеграфного ключа, усилителя мощности и передающей антенны, при этом передатчик и мультивибратор через замыкающий контакт первого реле подключены к источнику питания, замыкающий контакт второго реле включен последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, замыкающие контакты третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу передатчика, наземная станция приема и обработки сигналов выполнена в виде последовательно включенных приемной антенны, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора и блока регистрации, при этом к выходу удвоителя фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр, к выходу порогового блока подключен звуковой сигнализатор, снабжено частотным детектором, триггером и балансным переключателем, причем к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены частотный детектор, триггер и балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход подключен к второму входу фазового детектора.

На фиг.1 представлена схема устройства регистрации в разрезе (вид сбоку), на фиг.2 разрез А-А на фиг.1 (вид сверху), на фиг.3 изображена структурная схема радиобуя, на фиг.4 изображена структурная схема наземной станции приема и обработки сигналов, на фиг.5 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства определения опасности цунами.

Устройство регистрации включает корпус 1 с куполообразной крышкой 2 и днищем 3 в виде усеченного конуса, большее основание 4 которого равно диаметру крышки 2, а меньшим основанием 5 днище 3 входит под купол крышки 2 и соединено с нею ребрами жесткости 6, скрепленными и со сбросной шахтой 7, закрепленной в меньшем основании 5 днища 3. Вместе со вспомогательной связью 8 ребра жесткости 6 придают необходимую прочность корпусу 1. Ребра жесткости 6 разделяют внутренний объем корпуса 1 не менее чем на четыре сектора 9 с наклонными днищами, сходящимися к сбросной шахте 7. Во входных приемах 10 секторов 9, образующих сплошную кольцевую щель в корпусе 1, установлены анемометры 11, соединенные подводным кабелем связи 12 с радиобуем 13 спутниковой связи.

Верхняя часть секторов 9 и сбросной шахты 7 до уровня 14 заполнена газообразным агентом.

Устройство регистрации закреплено к якорям 15 на дне моря 16 тросовыми растяжками 17 так, что угол наклона их к горизонту составляет от 30 до 60°, а количество растяжек 17 не менее трех с закреплением их через равные расстояния на дуге окружности корпуса 1. В указанном диапазоне наклона тросовые растяжки 17 обеспечивают стабилизацию устройства регистрации и необходимую надежность тросов при воздействии на устройство регистрации динамических возмущений от волны цунами. Заполнение купола крышки 2 газообразным агентом придает корпусу 1 положительную плавучесть, обеспечивая натяжение тросовых растяжек 17, и создает искусственный шельф для модулирования волны цунами: имеется наклон дна сектора 9 и граница раздела "вода - воздух", т.е. разрыв сплошности жидкой среды.

Радиобуй 13 выполнен в виде мультивибратора 26, передатчика 29 и последовательно подключенных к выходам анемометров 11 элемента ИЛИ 18 и трех каналов обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных первого 19 (второго 20, третьего 21) порогового блока и первого 22 (второго 23, третьего 24) реле.

Передатчик 29 выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 30, фазового манипулятора 32, второй вход которого соединен с выходом генератора 31 модулирующего кода, телеграфного ключа 33, усилителя 34 мощности и передающей антенны 35.

При этом передатчик 29 и мультивибратор 26 через замыкающий контакт 22.1 первого реле 22 подключены к источнику питания 25. Замыкающий контакт 23.1 второго реле 23 включен последовательно с резистором 28 в одно из плеч мультивибратора 26. Замыкающие контакты 24.1 и 27.1 третьего реле 24 и реле 27 мультивибратора 26 подключены параллельно телеграфному ключу 33 передатчика 29.

Наземная станция приема и обработки сигналов выполнена в виде последовательно включенных приемной антенны 37, смесителя 39, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 38, усилителя 40 промежуточной частоты, удвоителя 43 фазы, второго анализатора 44 спектра, блока 45 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 42 спектра соединен с выходом усилителя 40 промежуточной частоты, порогового блока 46, второй вход которого через линию 47 задержки соединен с его выходом, ключа 49, второй вход которого соединен с выходом усилителя 40 промежуточной частоты, фазового детектора 53 и блока 54 регистрации. К выходу удвоителя 43 фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр 50, делитель 51 фазы на два, второй узкополосный фильтр 52, частотный детектор 55, триггер 56 и балансный переключатель 57, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра 52, а выход подключен к второму входу фазового детектора 53. К выходу порогового блока 46 подключен звуковой сигнализатор 48. Удвоитель 43 фазы, первый 42 и второй 44 анализаторы спектра, блок 45 сравнения, пороговый блок 46 и линия 47 задержки образуют обнаружитель 4 (селектор) ФМн-сигналов. Радиобуй 13 связан с наземной станцией приема и обработки радиоканалом через спутник связи - ретранслятор 36.

Физическая основа способа определения опасности цунами состоит в том, что волна цунами перемещается по всей глубине водного бассейна на большие расстояния при малой потере энергии со скоростями 800-1000 км/ч и на глубинах более 1000 м. При уменьшении глубины водоема скорость волны V падает по формуле Лагранжа:

где g - ускорение свободного падения;

Н - глубина водоема,

поэтому при подходе к берегу волны цунами вырастают от 1-2 м в океане до десятков метров за счет торможения потока на наклонной плоскости и перехода кинетической энергии в потенциальную. Это позволяет смоделировать волну цунами на искусственном шельфе устройства регистрации, установленного на глубине более 100 м, где не сказывается влияние ветровых волн. Величину кинетической энергии волны определяют по скорости потока, замеренной анемометром, для чего необходим разрыв сплошности водной среды, что и выполнено в устройстве регистрации, частично заполненном газовым агентом. По скорости потока определяют его кинетическую энергию Е

где - секундная масса потока.

Потери энергии в модели малы, поэтому можно приравнять величины кинетической Е_к и потенциальной Е_n энергий:

где h - высота волны в модели.

Тогда hV²=2g,

т.е. высота волны пропорциональна скорости ее движения или величине электрического сигнала от анемометра, который можно отразить на блоке регистрации (самописце) наземной станции, отградуированном на высоту волны цунами.

Принцип оповещения о возникновении волн цунами основан на использовании сложного фазоманипулированного (ФМн) сигнала, который излучается передатчиком радиобуя, переизлучается спутником связи - ретранслятором с сохранением фазовых соотношений, принимается и селектируется наземной станцией, детектируется и используется для регистрации и включения звукового сигнализатора. Причем характер звуковых сигналов свидетельствует о степени опасности волны цунами для охраняемого района, а зарегистрированный код свидетельствует о факте возникновения и направлении распространения волны цунами.

Способ определения опасности цунами реализуют следующим образом.

На площадке на дне моря 16, выбранной возможно дальше от охраняемой зоны в 2-4 тыс. км, чтобы иметь больше времени на принятие решения, устанавливают одно или несколько устройств регистрации, закрепляют его тросовыми растяжками 17 к якорям 15, соединяют подводный кабель связи 12 с радиобуем 13 на поверхности моря и ориентируют устройство по сторонам света известным способом. Например, возбуждают волну взрывом заряда ВВ или другим способом с известного направления, например, с севера. Получив сигнал о приходе волны к входу 10 одного из секторов 9 от расположенного там анемометра 11, считают этот сектор 9 ориентированным на север, а остальные сектора ориентируют относительно него. Устройство готово к работе. Аналогично размещают группу ближних устройств на расчетном расстоянии l от берега:

где τ_кр - нормальное время на защиту охраняемого района.

Связь этих устройств возможна через радиобуй 13 спутниковой связи с наземной станцией.

При подходе возмущения водной среды от волны цунами ввиде импульса давления к входу 10 в один из секторов 9 (фиг.1 и 2), в виду наличия в нем границы раздела 14 жидкой и газовой сред с существенно различной плотностью, начинается движение воды в секторе по наклонному днищу 3 к сбросной шахте 7 и на разделе сред формируется модель волны цунами. При этом за счет значительной высоты ребер жесткости 6 каждый сектор 9 изолирован от соседнего и волна моделируется в основном в конкретном секторе. За счет жесткости корпуса 1, обусловленной связью 8, днищем 3, ребрами жесткости 6 и куполообразной крышкой 2, соединенными в одну конструкцию, все устройство воздействует на тросы 17, закрепляющие устройство к якорям 15 и на дне моря 16, и они сохраняют устройство в заданном положении в пространстве путем гашения энергии деформациями тросов 17. Движение водного потока вращает крыльчатку анемометра 11 и он вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный скорости (следовательно, и энергии потока) воды. Этот сигнал через подводный кабель 12 поступает в радиобуй 13, где через элемент ИЛИ 18 поступает на вход трех каналов обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока 19 (20, 21) и реле 22 (23, 24). Если величина электрического тока превышает первый пороговый уровень I_пор1 в первом пороговом блоке 19, то последний формирует постоянное напряжение, которое поступает на первое реле 22. Последнее срабатывает и замыкает контакт 22.1, через который питание от источника 25 подается на передатчик 29 и мультивибратор 26.

После включения передатчика 29 задающим генератором 30 формируется высокочастотное колебание (фиг.5, а)

u_c(t)=U_c·cos(ω_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_c,

где U_c, ω_c, ϕ_c, T_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 32. На второй вход последнего подается модулирующий код M(t) (фиг.5, б) с выхода генератора 31 модулирующего кода.

В результате фазовой манипуляции на выходе фазового манипулятора 32 образуется фазоманипулированный (ФМн) сигнал (фиг.5, в)

u₁(t)=U_c·cos[ω_ct+ϕ_к(t)+ϕ_c], 0≤t≤T_c,

где ϕ_к(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.5, б), причем ϕ_к(t)=const при κτ_э<t<{κ+1)τ_э и может изменяться скачком при t=κτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (κ=1, 2, ...N-1);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c (T_c=N·τ_э).

Следует отметить, что модулирующий код M(t) содержит информацию о номере сектора, в котором действует волна цунами, и величине электрического сигнала, вырабатываемого анемометром 11 данного сектора.

После включения передатчика 29 сформированный ФМн-сигнал u₁(t) через телеграфный ключ 33 и усилитель 34 мощности поступает в антенну 35 и излучается ею в эфир, затем улавливается спутником связи - ретранслятором 36 и переизлучается им в направлении наземной станции с сохранением фазовых соотношений, принимается антенной 37 и поступает на первый вход смесителя 39. На второй вход смесителя 39 подается напряжение гетеродина 38.

U_Г(t)=U_Г·cos[ω_Гt+ϕ_Г].

На выходе смесителя 39 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 40 выделяется напряжение промежуточной частоты (фиг.5, г)

U_пр(t)=U_пр·cos[ω_прt+ϕ_к(t)+ϕ_пр], 0≤t≤T_c,

где;

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр=ω_с-ω_Г - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_c-ϕ_Г,

которое поступает на вход обнаружителя 41 (селектора) ФМн-сигнала, состоящего из удвоителя 43 фазы, анализаторов спектра 42 и 44, блока 45 сравнения, порогового блока 46 и линии 47 задержки.

На выходе удвоителя 43 фазы образуется гармоническое напряжение (фиг.5, д)

u₂(t)=U₂·cos(2ω_прt+2ϕ_пр), 0≤t≤T_c,

где;

К₂ - коэффициент передачи перемножителя (в качестве удвоителя фазы может использоваться перемножитель, на два входа которого поступает один и тот же сигнал u_пр(t)).

Так как 2ϕ_к(t)={0,2 π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует.

Ширина спектра Δf₂ второй гармоники определяется длительностью T_c сигнала (Δf₂=1/T_c), тогда как ширина спектра Δf_с входного ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э его элементарных посылок (Δf_с=1/τ_э), т.е. ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf_с входного ФМн-сигнала

Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаружить и отселектировать ФМн-сигнал среди других сигналов (помех) и шумов даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.

Ширина спектра Δf_c входного ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора 42 спектра, а ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора 44 спектра. Напряжения U_I и U_II, пропорциональные Δf_с и Δf₂ соответственно, с выходов анализаторов 42 и 44 спектра поступают на два входа блока 45 сравнения. Так как U_I>>U_II, то на выходе блока 45 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговое напряжение U_пор в пороговом блоке 46. Пороговый уровень U_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи и шумы. При превышении порогового уровня U_пор в пороговом блоке 46 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 49, открывая его на вход линии 47 задержки и на вход звукового сигнализатора 48. Ключ 49 в исходном состоянии всегда закрыт.

При этом напряжение u_пр(t) (фиг.5, г) с выхода усилителя 40 промежуточной частоты через открытый ключ 49 поступает на первый вход фазового детектора 53.

Необходимым условием работы фазового детектора 53 является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную частоте принимаемого ФМн-сигнала.

В данном случае опорное напряжение, необходимое для работы фазового детектора 53, выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала промежуточной частоты.

С этой целью гармоническое напряжение u₂(t) (фиг.5, д) выделяется первым узкополосным фильтром 50, подключенным к выходу удвоителя 43 фазы, и подается на вход делителя 51 фазы на два, на выходе которого образуется напряжение (фиг.5, е)

U₃(t)=U₃·cos(ω_прt+ϕ_пр+π), 0≤t≤T_c,

в котором фаза имеет два устойчивых состояния: ϕ_пр и ϕ_пр+π. Переход фазы опорного напряжения u₃(t) из одного состояния ϕ_пр в другое ϕ_пр+π происходит под воздействием помех, кратковременного прекращения приема и других факторов. Эти переходы за время приема ФМн-сигнала происходят в случайные моменты времени, например, t₁, t₂, t₃, t₄ (фиг.5, е). При этом на выходе фазового детектора будет выделяться искаженный аналог u_ни(t) (фиг.5, ж) модулирующего кода М(t) (фиг.5, б). Это обстоятельство делает невозможным достоверное определение вышеуказанных параметров.

Для устранения явления "обратной работы" используются частотный детектор 55, триггер 56 и балансный переключатель 57.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения u₃(t) на+180° в момент времени t₁ и t₃ (фиг.5, е) на выходе частотного детектора 55 появляются короткие положительные импульсы (фиг.5, з), а при скачке на -180° в момент времени t₂ и t₄ (возвращение фазы опорного напряжения в первоначальное состояние) - отрицательные короткие импульсы. Знакочередующиеся короткие импульсы с выхода частотного детектора 55 управляют работой триггера 56, выходное напряжение которого, в свою очередь, управляет работой двойного балансного переключателя 57.

В устойчивом состоянии, когда фаза опорного напряжения совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМн-сигнала, на выходе триггера 56 образуется отрицательное напряжение (фиг.5, н) и балансный переключатель 57 находится в своем первоначальном положении, при котором опорное напряжение с выхода второго узкополосного фильтра 52 поступает на опорный вход фазового детектора 53 через балансный переключатель 57 без изменения.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180°, обусловленном, например, неустойчивой работой делителя 51 фазы на два под действием помех, триггер 56 положительными короткими импульсами с выхода частотного детектора 55 переводится в другое устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 56 в момент времени t₁ и t₃ становится и остается положительным до очередных скачков фазы в моменты времени t₂ и t₄, которые возвращают фазу опорного напряжения в первоначальное состояние. Положительные выходные напряжения триггера 56 переводят балансный переключатель 57 в другое устойчивое состояние, при котором опорное напряжение с выхода второго узкополосного фильтра 52 поступает на опорный вход фазового детектора 53 с изменением фазы на -180°. Это позволяет устранить нестабильность фазы опорного напряжения, вызванную скачкообразным ее изменением под действием помех, и связанную с ней "обратную работу".

Следовательно, частотный детектор обеспечивает обнаружение моментов возникновения "обратной работы", а триггер 56 и двойной балансный переключатель 57 устраняют ее.

В результате на выходе балансного переключателя 57 формируется опорное напряжение со стабильной фазой (фиг.5, к)

u₄(t)=U₃·cos(ω_прt+ϕ_пр), 0≤t≤T_с,

которое поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 53. На выходе фазового детектора 53 выделяется низкочастотное напряжение (фиг.5, л)

u_H(t)=U_H·cosϕ_к(t), 0≤t≤T_c,

где

К₃ - коэффициент передачи фазового детектора;

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.5, б). Это напряжение фиксируется блоком 54 регистрации. Данное напряжение содержит в цифровом виде данные о моменте возникновения и направлении распространения волн цунами и степени их опасности.

В блоке 54 регистрации может находиться самописец. Перо последнего поднимается на высоту, пропорциональную (в масштабе тарирования) сигналу анемометра 11. Так на станции появляется запись момента возникновения цунами (по времени записи), ожидаемой высоты волны (по высоте подъема пера) и направления, откуда идет волна (по номеру анемометра и картограмме ориентации устройства по сторонам света).

Для повышения достоверности приема и регистрации сложного ФМн-сигнала последний дублируется несколько раз с интервалом, например, в 20 секунд (T_П=20 с). Это обеспечивается работой мультивибратора 26 в несимметричном режиме. Контакт 27.1 реле 27 мультивибратора 26 периодически через равные промежутки времени, например, 20 с, замыкает цепь телеграфного ключа 33 передатчика 29, который и посылает в пространство ФМн-сигнал через тот же интервал времени. При этом звуковой сигнализатор 48 подает звуковые сигналы с интервалом в 20 секунд (Т_П=20 с), что свидетельствует о степени цунами «опасно».

Время задержки τ_з линии задержки 47 выбирается таким, чтобы можно было неоднократно принимать и зафиксировать принимаемый ФМн-сигнал. По истечении этого времени напряжение с выхода линии задержки 47 поступает на вход сброса порогового блока 46 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом звуковой сигнализатор 48 прекращает свою работу, а ключ 49 закрывается, т.е. переводятся в свое исходное состояние. Устройство готово к дальнейшей работе.

При дальнейшем подъеме водных масс океана величина электрического тока, вырабатываемого анемометром 11, возрастает и превышает второй пороговый уровень I_пор2 во втором пороговом блоке 20. При этом второе реле 23 срабатывает, его контакт 23.1 замыкается и включает в схему мультивибратора 26 резистор 28. Включение резистора 28 в схему мультивибратора 26 переводит его работу в симметричный режим, реле 27 мультивибратора 26 срабатывает через равные интервалы времени, например в 2 секунды, и его контакт 27.1 замыкает цепь телеграфного ключа 33 передатчика 29 через тот же интервал времени (Т_П=20 с). Это соответствует степени цунами «очень опасно».

При достижении водных масс океана третьего значения «чрезвычайно опасно» срабатывает третье реле 24, его контакт 24.1 замыкает цепь телеграфного ключа 33 передатчика 29 накоротко. При этом передатчик 29 посылает в пространство ФМн-сигнал длительностью

τ_з=nT_c,

где n - количество ФМн-сигналов длительностью T_c,

а звуковой сигнализатор 48 воспроизводит непрерывный звуковой сигнал. Дежурный оператор наземной станции оценивает степень опасности цунами для охраняемых районов по характеру звуковых сигналов, ожидаемой высоте волны и направлению ее распространения, причем последний фактор очень важен, потому что волна цунами может усиливаться или ослабляться в зависимости от реальной топографии конкретной береговой линии и шельфа. На этом первый этап оценки опасности цунами заканчивается.

Второй этап начинается после срабатывания устройства у конкретно охраняемого района. Волна моделируется уже на масштабной копии реального шельфа (угол наклона днища 3 у секторов 9 точно повторяет наклон реального шельфа) с учетом усиливающего или ослабляющего действия береговой линии. Поэтому самописец выписывает реальную высоту волны цунами в масштабе. Возможен и вариант возникновения цунами между устройствами дальней и ближней установки, все равно волна будет зафиксирована тем или иным или обеими группами устройств, но времени на действия не будет меньше только в пределах τ_кр. Такая двухэтапная методика оценки опасности цунами позволяет снять излишнюю нервозность населения из-за неопределенности ситуации, исключать случаи объявления ложной тревоги и необъявления действительной опасности и повысить тем самым эффективность защиты людей и материальных ценностей от этого грозного стихийного бедствия.

Предлагаемые способ и устройство обеспечивают повышение достоверности определения опасности цунами. Это достигается использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией для передачи тревожной информации о грозном стихийном бедствии. При этом на наземной станции дежурным оператором оценивается степень опасности цунами для охраняемых районов по ожидаемой высоте волны и направлению ее распространения, а также по характеру звуковых сигналов.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией открывают новые возможности в технике передачи тревожной информации. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Принципиально можно отказаться от традиционного метода разделения рабочих частот используемого диапазона между работающими радиобуями и селекцией их на наземной станции с помощью частотных фильтров. Его можно заменить новым методом, основанным на одновременной работе каждого радиобуя во всем диапазоне частот, сложными ФМн-сигналами с выделением радиоприемным устройством сигнала необходимого радиобуя посредством его структурной селекции.

К числу других проблем, от решения которых в значительной степени зависит дальнейший прогресс средств радиосвязи с использованием ИС3-ретранслятора, следует отнести проблему установления надежной связи между радиобуями и наземной станцией при наличии многолучевого характера распространения радиоволн. Наличие многолучевого характера распространения радиоволн приводит к искажению принимаемых ФМн-сигналов, что затрудняет прием и снижает достоверность передачи тревожной информации с радиобуев на наземную станцию через ИС3-ретранслятор.

Следует отметить, что попытки преодолеть вредное влияние многолучевости предпринимаются уже давно. К ним можно отнести разнесенный прием, селекцию сигналов по времени и углу прихода, корректирующее кодирование и некоторые другие методы. Однако все они не дают принципиального решения проблемы.

Сложный ФМн-сигнал благодаря своим хорошим корреляционным свойствам может быть «свернут» в узкий импульс, длительность которого обратно пропорциональна используемой ширине полосы частот. Выбирая такую полосу частот, чтобы длительность «свернутого» импульса была меньше времени запаздывания, можно осуществить раздельный прием импульсов, приходящих в точку приема различными путями, а суммируя их энергию, можно, кроме того, повысить помехоустойчивость приема сложных ФМн-сигналов. Тем самым указанная проблема получает принципиальное разрешение.

С точки зрения обнаружения сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами обеспечивают повышение достоверности определения в цифровом виде данных о моменте возникновения, направлении распространения волн цунами и степени их опасности. Это достигается стабилизацией фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала, и устранением явления "обратной связи".

1. Способ определения степени опасности цунами, включающий размещение в прибрежной зоне на глубине более 100 м групп устройств регистрации, соединение их трактом связи с наземными станциями приема и обработки сигналов, установление дополнительной группы устройств регистрации на расстоянии 2-4 тыс. км от берега, размещении группы устройств в прибрежной зоне на расстоянии l от берега, определяемом по формуле

где τ_кр - нормальное время на защиту охраняемого района;

g - ускорение свободного падения;

Н - средняя глубина моря между берегом и устройством,

и выполнении в виде модели шельфа у береговой линии охраняемого района, при этом устройства закрепляют на дне моря тросовыми растяжками, наклоненными под углом 30-60° к горизонту и соединенными с корпусом устройства, по крайней мере, в трех равноудаленных друг от друга точках, по сигналам устройств регистрации определяют степень опасности волны цунами для охраняемого района, на радиобуе формируют высокочастотное колебание, манипулируют его по фазе модулирующим кодом, содержащим сведения о направлении распространения и степени опасности волны цунами для охраняемого района, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией усиливают по мощности, излучают в эфир с интервалом времени, определяемым степенью опасности волны цунами для охраняемого района, на наземной станции приема и обработки сигналов принимаемый сложный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, удваивают его фазу, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты и его второй гармоники, сравнивают между собой и в случае значительного различия осуществляют синхронное детектирование принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, и регистрируют его, при этом опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, формируют путем выделения второй гармоники принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, деления его фазы на два и выделения гармонического напряжения промежуточной частоты, а суждение о степени опасности цунами выносят при превышении излученным сигналом трех пороговых уровней - первый пороговый уровень «опасно», второй пороговый уровень «очень опасно», третий пороговый уровень «чрезвычайно опасно», отличающийся тем, что гармоническое напряжение промежуточной частоты, используемое в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией промежуточной частоты, перед подачей на опорный вход фазового детектора подвергают частотному детектированию, выделяют короткие разнополярные импульсы, соответствующие моментам скачкообразного перехода фазы опорного напряжения из одного состояния ϕ_пр в другое ϕ_пр+π, используют их для формирования управляющего напряжения, воздействуют им на фазу опорного напряжения, стабилизируют ее в одном состоянии и устраняют явление "обратной работы".

2. Устройство для определения опасности цунами, содержащее наземную станцию приема и обработки сигналов, спутник связи - ретранслятор и устройство регистрации, включающее корпус с крышкой и днищем и подводный кабель связи с наземной станцией, при этом крышка выполнена куполообразной, а днище в виде усеченного конуса, входящего меньшим основанием под куполообразную крышку, и соединено с ней ребрами жесткости, при этом последние разделяют внутренний объем устройства, по крайней мере, на четыре сектора, а большее основание конуса образует с крышкой кольцевую прорезь, в которой в каждом из секторов установлены анемометры, а верхняя часть секторов и сбросной шахты под куполообразной крышкой заполнена газообразным агентом, при этом к анемометрам последовательно подключены элемент ИЛИ и три канала обработки, каждый из которых состоит из последовательно включенных порогового блока и реле, передатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, телеграфного ключа, усилителя мощности и передающей антенны, при этом передатчик и мультивибратор через замыкающий контакт первого реле подключены к источнику питания, замыкающий контакт второго реле включен последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, замыкающие контакты третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу передатчика, наземная станция приема и обработки сигналов выполнена в виде последовательно включенных приемной антенны, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора и блока регистрации, при этом к выходу удвоителя фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр, к выходу порогового блока подключен звуковой сигнализатор, отличающееся тем, что оно снабжено частотным детектором, триггером и балансным переключателем, причем к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены частотный детектор, триггер и балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход подключен ко второму входу фазового детектора.