中國北京，2023年5月10日訊 —— 中美洲的危地馬拉有三座活火山，它們附近都有村莊，因此建立早期的火山爆發(fā)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于挽救生命尤為重要。雖然這樣的系統(tǒng)早已存在，但這三座火山產(chǎn)生的是火山碎屑密度流(PDC)，而非熔巖。極端危險(xiǎn)的PDC云是由氣體、巖石和火山灰構(gòu)成的，它們能以600公里的時(shí)速移動(dòng)，溫度更是高達(dá)800攝氏度。因此，能夠盡早為人員疏散提供預(yù)警顯得至關(guān)重要。Amin Amiri博士是倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)PDC研究小組的負(fù)責(zé)人，目前正在研發(fā)一套基于雷達(dá)的高靈敏度的早期預(yù)警系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的核心部分是Spectrum儀器公司提供的M2p.5921-x4型號(hào)PCIe數(shù)字化儀卡。它非常靈敏，可以安裝在距離火山斜坡6公里處并探測(cè)到所有微小的運(yùn)動(dòng)。

圖1: 為了避免潮濕、雨水和叢林中野生動(dòng)物的破壞，電子系統(tǒng)被置放于一個(gè)金屬盒子中

該設(shè)備由X和Ku波段雷達(dá)系統(tǒng)組成，其中包括用于發(fā)射和接收的反射盤。當(dāng)PDC出現(xiàn)在火山斜坡時(shí)，返回信號(hào)和發(fā)出信號(hào)進(jìn)行比對(duì)后會(huì)產(chǎn)生包含距離信息和移動(dòng)信息的中頻(IF)信號(hào)。中頻信號(hào)可使用Spectrum儀器的M2p.5921-x4型號(hào)設(shè)備，通過SBench6測(cè)量軟件以20MS/s的采樣率進(jìn)行處理。

Amin Amiri博士解釋道:“我們剛為Santiaguito火山安裝好一個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備。這是我們對(duì)PDC事件的首次研究，希望借此了解這類火山的活動(dòng)機(jī)制?；鹕奖l(fā)是難以預(yù)測(cè)的，所以我們安裝了一個(gè)地震活動(dòng)探測(cè)器。當(dāng)它探測(cè)到地震時(shí)就會(huì)啟動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)，這確保我們只獲取PDC事件中的相關(guān)數(shù)據(jù)。通過這種方式，我們還節(jié)省了系統(tǒng)所使用的電池電力。該系統(tǒng)位于危地馬拉叢林深處，通過太陽能電池板充電。我們會(huì)在幾個(gè)月后回來收集這些存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并安裝另外兩個(gè)設(shè)備用來監(jiān)測(cè)其它兩個(gè)斜坡。”

最初。該系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)工作距離是4公里。但由于叢林地形的特殊性，它被設(shè)置在了6公里以外的高地上。該團(tuán)隊(duì)擔(dān)心距離增加50%后會(huì)降低設(shè)備的敏感度，因此他們?cè)趨擦趾突鹕叫逼轮g使用了一架無人機(jī)來測(cè)試系統(tǒng)的性能。

“靈敏度是該系統(tǒng)作為早期預(yù)警系統(tǒng)制勝的關(guān)鍵，”Amiri博士補(bǔ)充道，“我們對(duì)Spectrum儀器的卡片進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其低噪聲基準(zhǔn)可以達(dá)到驚人的-100 dBm。因此，我們可以搭建一個(gè)移動(dòng)目標(biāo)指示器(MTI)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以看到火山的所有微小運(yùn)動(dòng)，這也是PDC出現(xiàn)的第一個(gè)跡象。”

圖2:Santiaguito活火山超越了Santa Maria火山

研究團(tuán)隊(duì)面對(duì)的最大挑戰(zhàn)來自高溫、潮濕和蚊子。他們不僅要保護(hù)自己，還要保護(hù)所有的電子設(shè)備?；鹕筋A(yù)警系統(tǒng)被放置于一個(gè)金屬盒子里，用來防潮、防雨和抵擋野生動(dòng)物的侵襲。這樣就要求金屬盒子上不能有洞，在超過35攝氏度的叢林高溫下，如何為系統(tǒng)進(jìn)行冷卻成為了一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。最終，研究團(tuán)隊(duì)把盒子置放于陰涼處，并在盒子里安裝一個(gè)風(fēng)扇用來保持空氣的流通。該團(tuán)隊(duì)目前正在為下一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，比如盒子頂部的大鰭片可以散熱，或者一個(gè)小型的太陽能冰箱?！斑x擇Spectrum儀器產(chǎn)品的一個(gè)重要因素是由于它可以在高溫和極大濕度范圍區(qū)間正常運(yùn)作。此外，如果環(huán)境變得太熱，它還有熱切斷裝置來保護(hù)自己?！?Amiri博士總結(jié)道，“我在其他項(xiàng)目中曾使用過Spectrum儀器的設(shè)備，所以我很清楚他們的高制造標(biāo)準(zhǔn)。我相信它會(huì)在叢林深處繼續(xù)工作，而我也不必?fù)?dān)心要飛越半個(gè)地球去更換它!”

圖3:首個(gè)系統(tǒng)被設(shè)置在距離活火山坡6100米處