СПОСОБ ПРЕДСКАЗАНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01V3/12 G01V1/00 G01V9/00 

Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.

На настоящий момент известно счетное множество литосферных признаков землетрясений, такие как сдвиговые деформации земной поверхности, изменение ориентации осей сжатия, изменение соотношения скоростей продольных и поперечных сейсмических волн, изменение составляющих геомагнитного поля и удельного электрического сопротивления земной коры и др.

При наличии надежных предвестников землетрясений существует линейная зависимость (формула Гутенберга-Рихтера) между логарифмом времени предвестника (T, сутки) и магнитудой (M):
lgT ~ 0,79 M - 1,88
(см. , например, Т. Рикитаке, перевод с японского. - М., Мир, 1979 г., стр. 242, 314, таблица 15.13).

Известно явление взаимодействия сейсмичности Земли через акустические волны на ионосферу (см., например, Таранцев А.В., Бирфельд Я.Г., Открытие N 128, Сб. Краткое описание открытий, ЦНИИПИ, 1973 г.). Достоверно установлено наличие ионосферных признаков подготовки землетрясений, проявляющихся в локальных областях неоднородностей ионосферы над "силовой трубкой" источника в виде некоторой "воронки". Среди механизмов передачи возмущений от литосферы к ионосфере рассматривают гипотезы акустогравитационных волн, электромагнитной связи, резонансной связи, распространения внутренних гравитационных волн. Каким бы ни был этот механизм, в ионосфере наблюдаются явления, ведущие к разного рода турбулентности, диффузии, изменению градиентов температуры, пространственной модуляции.

Инструментальными измерениями со спутников над очаговыми зонами зарегистрированы в верхней ионосфере за несколько часов до события низкочастотные (герцовый диапазон) волновые всплески с квазигармонической модуляцией (см., например, В.А. Липеровский, О.А. Похотелов, С.Л. Шалимов "Ионосферные признаки землетрясений", М. , Наука, 1992 г., стр. 196-197, таблица 17, стр. 269).

Селекция перечисленных параметров-признаков основана на узкополосной фильтрации аппаратурой спутников и ввиду малой вероятности совпадения траектории спутника с очаговой зоной накануне землетрясения малопригодна для прогнозирования.

В то же время пространственно-временные масштабы возникающих аномалий в ионосфере достаточны для наблюдения их с поверхности Земли, но на настоящий момент отсутствуют прямые способы измерений параметров-признаков.

Известен "Радиоволновый измеритель колебаний", в котором акустические волны посредством мембраны, модулируют СВЧ-колебания автогенератора, работающего в режиме затягивания частоты.

Рассмотренный аналог непосредственно не может быть использован для измерений низкочастотных сейсмоакустических колебаний ионосферы с поверхности Земли.

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым является способ радиозондирования ионосферы (см., например, Черный Ф.Б. Распространение радиоволн, М. , Сов. Радио, 1972 г., стр. 387, Радиозондирование ионосферы - ближайший аналог).

В способе аналоге генерируют радиоимпульсы на частоте, соизмеримой с плазменной частотой слоев ионосферы, вертикально зондируют ионосферу радиоимпульсами передатчика, принимают отраженные от слоев ионосферы радиоимпульсы широкополосным приемником, измеряют интервал времени между изученным и отраженным радиоимпульсами и по времени запаздывания и излучаемой частоте получают высотно-частотную характеристику (ВЧХ) ионосферы, используемую для предсказания землетрясений.

Недостатками ближайшего аналога являются: малопригодность способа для отслеживания пространственно-динамических процессов в ионосфере; невысокая чувствительность амплитудных методов зондирования по сравнению с фазовыми.

Задача, решаемая заявляемым способом, заключается в обеспечении возможности эффективного, оперативного, дистанционного, прямого измерения признака-предвестника в виде низкочастотных пространственных волн в ионосфере.

Поставленная задача решается тем, что в способе предсказания землетрясений, включающем генерирование высокочастотных колебаний, зондирование ионосферы электромагнитными волнами, прием отраженных от ионосферы сигналов и их обработку, дополнительно сканируют область ионосферы над контролируемым участком поверхности Земли лучом диаграммы направленности антенны, используют совмещенный тракт приема-передачи на основе СВЧ-автогенератора в режиме автомодулятора генерируемых колебаний отраженным сигналом на длине волны большей Дебаевского радиуса экранирования в плазме, осуществляют выделение модулирующей функции путем частотного детектирования сигнала автогенератора и ее дискретизацию по амплитуде и времени, формируют кадр M(x, y) цифровых отсчетов модулирующей функции (M) от пространственных странственных координат (x, y) для каждого цикла сканирования, вычисляют энергетический спектр и автокорреляционную функцию сигнала предвестника и по параметрам сигнала, их изменению от кадра к кадру и времени существования судят об магнитуде и времени ожидаемого землетрясения.

Перечисленная совокупность существенных признаков позволяет реализовать такие новые свойства заявляемого технического решения, как: возможность визуализации признака-предвестника в виде пространственных волн, распространяющихся в ионосфере, непосредственно на экране дисплея; высокую эффективность, достигаемую за счет фазовой модуляции автогенератора отраженным сигналом; достоверность измерений за счет использования всей энергии сигнала-признака в виде энергетического спектра пространственных волн.

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, совпадающих с существенными признаками предлагаемого решения и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Наиболее достоверные признаки-предвестники в виде низкочастотных колебаний в ионосфере на 2-3 суток и резкое изменение допплеровского смещения частоты зондирования за несколько минут до толчка существуют как в пространстве, так и во времени. Медленные изменения наблюдаемого параметра во времени не позволяют существующими инструментальными методами достоверно выделять такие изменения, т. к. они соизмеримы с естественными флюктуациями плазмы ионосферы и частоты генераторов зондирующих электромагнитных волн. В то же время вследствии конечной скорости распространения акустогравитационных волн в ионосфере медленные изменения параметра-признака во времени проявляются в пространстве в виде "гофрированной" поверхности, наподобие взволнованной морской поверхности. Следовательно, если отсканировать каким-либо способом такую поверхность, то "гофры" с пространственным периодом несколько километров станут наблюдаемы. Временной период колебаний предвестника имеет порядок 10...20 с, а линейные размеры сканируемой поверхности, содержащей несколько длин волн предвестника (при скорости распространения пространственных волн в ионосфере 600. ..800 м/с), должны составлять десятки километров.

При сканировании участка ионосферы вблизи вертикали лучом диаграммы направленности антенны каждый элемент разрешения антенны представляет собой объемно распределенную цель. Под воздействием акустогравитационных волн элементарно разрешимый объем ионосферы приобретает групповое периодическое смещение относительно среднестатической нейтрали. Друг от друга элементарные объемы будут отличаться фазой распространения пространственных волн в ионосфере. Выделение фазы состояния объемно-распределенныых целей осуществляют посредством СВЧ-автогенератора, находящегося в режиме затягивания частоты. Под затягиванием частоты автогенератора понимается зависимость частоты генерируемых колебаний от фазы отраженной волны. В режиме затягивания частоты достигается совмещение приемного и передающего трактов. Такие системы получили название автодинных. В автодинных системах автогенератор и объект образуют квазиединую колебательную систему, содержащую переменный параметр в виде изменения параметров среды или меняющегося расстояния между ними. В автогенераторе, находящегося под воздействием собственных, отраженных от объекта эхосигналов, возникает автомодуляция. В промодулированном таким образом сигнале содержится вся информация об объекте: параметрах относительного движения, статической шероховатости, интегральной электронной концентрации, группового смещения диффузных слоев плазмы. При теоретическом анализе явления затягивания частоты используют аналитическое выражение

где
f₀ - частота колебаний генератора при согласованной нагрузке;
K,ϕ - - модуль и фаза коэффициента отражения;
ΔF - - коэффициент затягивания частоты, паспортная характеристика электронного прибора при /K/ = 0,2
(см., например, Бычков С.И., Буренин Н.И., Сафаров Р.Т. Стабилизация частоты генераторов СВЧ, Сов. радио, М., 1962, стр. 73-83). На фиг.1 представлено семейство кривых затягивания частоты твердотельного генератора СВЧ, выполненного на туннельном диоде Ганна, Ф225, с коэффициентом затягивания ΔF = 50 Мгц.
Таким образом, при изменении фазы и модуля коэффициента отражения от элементарного объема изменяются соотношения между падающей и отраженной волной в автогенераторе, что приводит к фазовой модуляции генерируемого сигнала. В динамическом режиме сканирования в результате непрерывного изменения расстояния между генеатором и возмущенной акустосейсмическими волнами ионосферой отраженная электромагнитная волна модулируется по фазе в соответствии с фазовым портретом возмущенной ионосферы.

Воздействие отраженной электромагнитной волны на автогенератор приводит к тому, что сигнал автогенератора содержит весь спектр пространственных волн ионосферы. Ширина спектра высокочастотного сигнала, в общем случае, зависит от индекса частотной модуляции. В радиолинии амплитуда волны убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта. Поэтому, получить амплитуду отраженной волны, соизмеримой с падающей, невозможно. При малых значениях коэффициента отражения /k/<I, приближенное значение для девиации частоты ( Δ f) автогенератора примет вид

где
P_отр - мощность отраженного сигнала;
P₀ - генерируемая мощность.

Девиация частоты, а следовательно, и чувствительность измерительного тракта тем больше, чем больше мощность отраженного сигнала, или чем больше эффективная площадь отражения элементарного объема. Наибольшую радиолокационную эффективную площадь рассеяния ионосферная плазма имеет при зондировании на длинах волн, больше Дебаевского радиуса рассеяния (λ > 4π•D) (см., например, Черный Ф. Б. Распространение радиоволн, М., Сов. радио, 1972, стр. 391-393). Для обеспечения линейности модуляционной характеристики рабочую точку на кривой затягивания (фиг.1) выбирают в области -π/6 ≤ ϕ ≤ +π/6. . При перечисленных условиях и частоте пространственных волн в ионосфере доли Гц, девиация частоты СВЧ автогенератора может составлять сотни кГц. Работа в автодинном режиме позволяет усилить параметр-признак на несколько порядков, что повышает достоверность их идентификации. Осуществляя частотное детектирование сигнала автогенератора, выделяют модулирующую функцию - огибающую пространственных волн в ионосфере. С целью использования современных вычислительных средств для автоматизации процесса обработки сигнала и выделения признаков осуществляют преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую путем дискретизации и квантования каждого измерения цикла сканирования. В результате получают радиоизображение отсканированных участков ионосферы в виде последовательности кадров M(x, y). Иллюстрация фрагмента отсканированного участка приведена на фиг.2. Каждый кадр радиоизображения представляется матрицей /m x h/ элементов сканирования, а результат измерений, оцифрованный в стандартной шкале (0...256 уровней) представляется функцией пространственных координат x, y. Следующей задачей является обработка матрицы M (x, y) и непосредственное выделение пространственных волн. По определению (см. , например, Дуда Р., Харт П. Распознавание образцов и анализ сцен, перевод с англ., М., Наука, 1976, стр. 272) двумерный пространственный спектр функции M(x, y) вычисляется как двойной интеграл:

В связи с разработкой и практическим применением алгоритмов Быстрого Преобразования Фурье (БПФ) данная операция может быть автоматизирована. Вычисление спектра пространственных волн входит в состав комплекса программ ER. MAPPER 5.0 "Пакет программ для обработки изображений в науках о Земле", (GENASYS. Inc, San Diego, USA). Интегрированием двумерного пространственного спектра по кольцевым сегментам в соответствии с программным расчетом (см., например, Методы и аппаратура цифровой обработки изображений, версии 21, 2.2 Маски интегрирования Фурье спектра, Технический отсчет, МГУ, 1986) выделяют огибающую пространственного спектра G (1/L) в функции полярного радиуса (L).

Энергетический спектр сигнала S(F) связан с его амплитудным спектром G(1/L) соотношением (см. , например, Заездный А.М. Основы расчетов по статической радиотехнике, Связьиздат, М., 1969, стр.93):

где
A, B - интервал определения функции G (1/L), т.е. линейные размеры отсканированного участка.

Количественной мерой скорости флуктуаций ионосферы под воздействием акусто-гравитационных волн является автокорреляционная функция процесса B(L). Она связана с энергетическим спектром (см., например, там же, стр. 94 формула 7.35) обратным Фурье-преобразованием

Программный расчет обратного Фурье-преобразования входит в комплект специализированного комплекса программ МАТН.САД (см., например, В.П. Дьяконов, Справочник, Система МАТН САД, М., Радиосвязь, 1993 г., стр. 61).

На фиг.3 приведены расчетные нормированные значения энергетического спектра (а) и автокорреляционной функции (б) сигнала матрицы M(x, y) при исходных данных характеристик предвестника (см., например, В.А. Липеровский, О.А. Похотелов, С.Л. Шалимов "Ионосферные признаки землетрясений", М, Наука, 1994 г. , стр. 201), временной период пространственных волн 10...20 с, скорость распространения ~ 0,6 км/с. Путем сравнения с эталоном амплитуды и ширины энергетического спектра, а также интервала автокорреляции признак достоверно идентифицируется, а по временному интервалу возникновения и существования дается прогноз землетрясения.

Пример осуществления способа.

Заявляемый способ может быть реализован на базе устройства по схеме фиг. 4. Функциональная схема устройства содержит СВЧ-автогенератор 1, работающий в режиме затягивания частоты, связанный через приемно-передающий тракт 2, направленный ответвитель 3 и фазовращатель 4 с антенной 5. Управление диаграммой направленности антенны осуществляется сканирующим устройством-приводом 6. Часть энергии сигнала автогенератора 1 через направленный ответвитель 3 поступает в тракт обработки, содержащий частотный детектор 7, интерфейсное устройство 8, служащее для согласования параметров сигнала с персональной ЭВМ и содержащего аналого-цифровой преобразователь 9 и буфер накопления кадра 10. Обработка цифрового потока информации осуществляется на персональной ЭВМ типа IBM ЗС 486/487, содержащей функциональные блоки: оперативное запоминающее устройство 11, процесс-вычислитель 12, постоянное запоминающее устройство-винчестер 13, устройства отображения: дисплей UGA 14, принтер 15, клавиатуры 16. Специализированные программы (ER MAPPER 5.0 MATH САД) расчета параметров сигнала и восстановления признаков-предвестников, по операциям заявляемого способа, записываются на винчестер 13. Измерительная информация в виде последовательности отсканированных стандартных кадров каждого цикла поступает с выхода буфера накопителя 10 в оперативное ЗУ 11, обработка осуществляется процессором 12 по командам от клавиатуры 16. На винчестер 13 помещаются и сервисные программы, задающие дискретность сканирования ионосферы лучом диаграммы направленности по пространственным и временной координатам путем программного управления приводом антенны 6, для чего выход вычислителя 12 связан со сканирующим устройством-приводом 6. Остальные функциональные устройства могут быть также реализованы на существующей технической базе. В качестве аналого-цифрового преобразователя могут использоваться серийные блоки ПА 32-12, П.1205, а в качестве буфера накопителя - контроллеры. Выбор рабочей точки на кривой затягивания осуществляется посредством фазовращателя 4. Направленный ответвитель 3 и фазовращатель 4 могут быть выполнены по схеме (см., например, А.П. Драбкин, В.Л. Зузенко "Антенно-фидерные устройства", Сов. радио, М., 1964, стр. 747-749, рис. XIX. 43, XIX. 44). В качестве СВЧ-генераторов могут использоваться клистроны с явно выраженной характеристикой затягивания частоты, а также твердотельные генераторы типа лавинно-пролетных диодов.

Эффективность способа определяется достоверностью предсказания землетрясений. Очевидно, что эффективносить зависит от метрологической точности восстановления предвестника-признака. Поэтому элемент разрешения антенны, скорость сканирования пространства, линейные размеры кадра должны быть согласованы с периодом низкочастотных колебаний ионосферы. Оперативность и достоверность контроля могут быть существенно повышены, если отсканированные кадры путем зацикленного воспроизведения отображать на экране дисплея со скоростью ~ 24 кадра в секунду. Тогда можно непосредственно наблюдать визуализированное киноизображение пространственных волн в ионосфере и на основе этой дополнительной информации уменьшить вероятность "ложной тревоги".

Использование: сейсмология, в частности в национальных системах наблюдения и обработки геофизических данных. Технический результат заключается в обеспечении возможности оперативного, дистанционного, непосредственного измерения признака-предвестника в виде низкочастотных пространственных волн в ионосфере. Сущность изобретения: проводят зондирование ионосферы электромагнитными волнами от СВЧ-генератора в режиме затягивания частоты на длине волны, большей Дебаевского радиуса экранирования в плазме, сканируют лучом диаграммы направленности антенны участка ионосферы над контролируемым районом, получают радиоизображения участка ионосферы путем частотного детектирования сигнала автогенератора каждого элемента сканирования и формируют из них кадр M(x, y) зависимости сигнала от пространственных координат, вычисляют параметры сигнала признака-предвестника путем Фурье-преобразований матрицы M(x, y) в виде энергетического спектра, интервала автокорреляции и времени существования. 4 ил.

Способ предсказания землетрясений, включающий генерирование высокочастотных колебаний, зондирование ионосферы электромагнитными волнами, прием отраженных от ионосферы сигналов и их обработку, отличающийся тем, что сканируют область ионосферы над контролируемым участком поверхности Земли лучом диаграммы направленности антенны, используют совмещенный тракт приема-передачи на основе СВЧ-автогенератора в режиме автомодуляции генерируемых колебаний отраженным сигналом на длине волны, большей Дебаевского радиуса экранирования в плазме, осуществляют выделение модулирующей функции, путем частотного детектирования сигнала автогенератора и ее дискретизацию по амплитуде и времени, формируют кадр M(x,y) цифровых отсчетов модулирующей функции (M) от пространственных координат (x,y) для каждого цикла сканирования, вычисляют энергетический спектр и автокорреляционную функцию сигнала предвестника и по параметрам сигнала, их изменению от кадра к кадру и времени существования судят об магнитуде и времени ожидаемого землетрясения.