СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЭПИЦЕНТРА ОЖИДАЕМОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01V1/00 

Предлагаемый способ относится к геофизике и может быть использован для определения координат эпицентра ожидаемых землетрясений, горных ударов и контроля электромагнитной обстановки в сейсмоопасной зоне земной коры с борта летательного аппарата.

В прогнозировании землетрясений известны способы, основанные на использовании электромагнитных явлений, предшествующих и сопровождающих землетрясения [1-12] . Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ прогноза землетрясений" [5], который и выбран в качестве наиболее близкого аналога.

Известно появление аномального высокочастотного электромагнитного излучения в периоды, предшествующий и сопутствующий землетрясению. Это излучение приводит к возмущениям электромагнитного поля Земли. Но высокий уровень вариаций электромагнитного поля Земли, не связанный с сейсмической активностью, затрудняет предсказание землетрясений. Наблюдаемое высокочастотное электромагнитное излучение обусловлено возбуждением совокупности ориентированных механоэлектрических преобразователей на заключительной стадии подготовки землетрясения - стадии начавшегося разрушения пород. В связи с этим результаты наблюдений возмущений естественного электромагнитного поля Земли в сейсмоактивном районе могут быть использованы для целей определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения.

Вместе с тем надежные измерения и идентификация возмущений электромагнитного поля Земли, обусловленных процессами подготовки землетрясений, затруднены из-за высокого уровня вариаций электромагнитного поля, не связанных с сейсмической активностью: квазистационарных и периодических составляющих поля, помех естественного (грозовая активность, возмещения в ионосфере и т.д.) и искусственного происхождения (промышленные установки, радиотехнические средства коммуникаций и т.п.). Кроме того, для локализации места готовящегося землетрясения необходима сеть разнесенных станций наблюдения. Обработка и анализ данных в системе оперативного контроля достаточно сложны.

Способ по ближайшему аналогу позволяет путем исключения квазистационарной составляющей и периодических вариаций электромагнитного поля Земли достигнуть более высокой надежности прогноза землетрясений и определить координаты эпицентра ожидаемого землетрясения. Кроме того, непрерывный контроль за изменениями электромагнитного поля в сейсмоактивном районе с использованием одной станции, размещенной на борту летательного аппарата, позволяет исключить влияние неидентичности характеристик сети станций.

Недостатком способа по ближайшему аналогу является то, что его техническая реализация требует антенны, диаграмма направленности которой определяется поперечными размерами источников возмущений, обусловленными наименьшим классом (магнитудой) прогнозируемых землетрясений. Это вызывает определенные технические трудности в реализации на борту летательного аппарата и не обеспечивает достаточной точности и однозначности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения, что объясняется низкой пеленгационной чувствительностью диаграммы направленности бортовой приемной антенны.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении точности и однозначности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения и в упрощении технической реализации способа.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе прогноза землетрясений, основанном на периодическом производстве в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, определении разностного сигнала двух последовательных измерений, интегрировании разностного сигнала, делении разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал и сравнении полученного значения с заданным пороговым значением, предлагается принимаемое электромагнитное излучение перед измерением его напряженности преобразовывать по частоте в измерительном канале и в случае превышения заданного порогового значения преобразованное по частоте электромагнитное излучение перемножать с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделять гармонические сигналы на частоте гетеродина, измерять между ними и напряжением гетеродина фазовые сдвиги, по которым точно и однозначно определять фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на эпицентр ожидаемого землетрясения, при этом приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещать в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещать приемную антенну измерительного канала.

Предлагаемый способ позволяет на фоне вариаций электромагнитного поля, не связанных с сейсмической активностью, надежно выделять в приземных и верхних слоях атмосферы сейсмоактивного района аномальные возмущения электромагнитного поля, обусловленные сейсмическими процессами. Для исключения влияния периодических и квазистационарных вариаций электромагнитного поля Земли осуществляют периодическое измерение напряженности поля и операцию нормирования разностного сигнала двух последовательных измерений, то есть интегрируют разностный сигнал и делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал. Операция сравнения нормированного сигнала с заданным пороговым значением позволяет принять решение о наличии или отсутствии предвестника землетрясения (составляющей электромагнитного поля, обусловленной сейсмическим процессом).

Для определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения используют фазовый метод пеленгации, которому свойственно противоречие между точностью и однозначностью определения угловых координат источника аномальных возмущений электромагнитного поля. С целью устранения этого противоречия в каждой плоскости используют две шкалы отсчета: большую - точную, но неоднозначную и малую - грубую, но однозначную.

Данное техническое решение проиллюстрировано графическим материалом. На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 2 изображено взаимное положение приемных антенн. На фиг. 3 представлена геометрическая схема расположения приемных антенн на борту летательного аппарата.

Устройство содержит один измерительный и четыре пеленгационных канала (фиг. 1). Измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 1, приемного устройства 2, смесителя 3, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 4, усилителя 5 промежуточной частоты, измерителя 6 напряженности электромагнитного поля, линии 7 задержки, блока 8 вычитания, второй вход которого соединен с выходом измерителя 6 напряженности электромагнитного поля, блока 9 интегрирования, блока 10 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 8 вычитания, блока 11 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 12 формирования эталонного напряжения вычислительного устройства 13 и блока 14 индикации. Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемных антенн 15-18, приемных устройств 19-22, перемножителей 23-26, вторые входы которых через ключ 27 соединены со вторым входом усилителя 5 промежуточной частоты и выходом блока 11 сравнения узкополосных фильтров 28-31, фазовых детекторов 32-33, второй вход которых соединен с выходом гетеродина 4, и блоков регистрации 34-37. Вторые входы фазовых детекторов 38 и 39 связаны с выходами узкополосных фильтров 28 и 30.

Если в качестве летательного аппарата используется самолет, то приемные антенны 1, 15-17 располагаются на фюзеляже снизу, а приемная антенна 18 - на левом крыле (фиг. 3а).

Если в качестве летательного аппарата используется космический аппарат (объект), то используются специальные панели, аналогичные солнечным панелям, которые после вывода космического аппарата на орбиту раскрываются и располагаются по направлению к поверхности Земли (фиг. 3б).

Приемные антенны 1, 15-18, поднятые над поверхностью Земли, например с помощью летательного аппарата, и размещенные в виде несимметричного геометрического креста (фиг. 2), принимают электромагнитные излучения:
I1(t) = E_ccos[2π(f_c±Δf)t+ϕ1],
I2(t) = E_ccos[2π(f_c±Δf)t+ϕ2],
I3(t) = E_ccos[2π(f_c±Δf)t+ϕ3],
I4(t) = E_ccos[2π(f_c±Δf)t+ϕ4],
I5(t) = E_ccos[2π(f_c±Δf)t+ϕ5], 0≤t≤τc,
где E_с, f_с, τc, ϕ1÷ϕ5 - амплитуда, частота, длительность и начальные фазы электромагнитных излучений;
±Δf - нестабильность несущей частоты электромагнитного излучения, обусловленная различными дестабилизирующими факторами.

Регистрацию электромагнитных излучений производят приемными устройствами 2, 19-22. Зарегистрированное электромагнитное излучение I1(t) с выхода приемного устройства 2 поступает на первый вход смесителя 3, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 4:
U_г(t) = V_гcos[2π(f_гt)], 0≤t≤τc.
На выходе смесителя 3 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 5 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты:
U_пр(t) = V_прcos[2π(f_прt±Δf)+ϕ_пр1], o≤t≤τc,
где V_пр = 1/2K1V_гE_с, K1 - коэффициент передачи смесителя; f_пр = f_с - f_г - промежуточная частота; ϕ_пр1 = ϕ1-ϕ_г.
Измерение интенсивности электромагнитного излучения осуществляют измерителем 6 напряженности электромагнитного поля, в качестве которого может быть использован амплитудный детектор. В каждой точке наблюдения производят не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля Земли. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого сигнал, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 7 задержки до момента сравнения его с последующим сигналом в блоке 8 вычитания. Операция интегрирования разностного сигнала и деления разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производится в блоках 9 и 10. В блоке 11 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемого блоком 12. В вычислительном устройстве 13 осуществляется обработка результатов измерения, а их индикация осуществляется блоком 14. Сигнал с выхода блока 11 сравнения одновременно поступает на управляющий вход ключа 27, открывая его. В исходном состоянии ключ 27 всегда закрыт. Электромагнитные излучения I2(x)-I5(x) с выходов приемных устройств 19-22 поступают на первые входы перемножителей 23-27 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение U_пр(t) со второго входа усилителя 5 промежуточной частоты через открытый ключ 27. На выходах перемножителей 23-26 образуются следующие гармонические колебания:
U1(t) = V1cos[2πf_гt+ϕ_г+Δϕ1],
U2(t) = V1cos[2πf_гt+ϕ_г-Δϕ2],
U3(t) = V1cos[2πf_гt+ϕ_г+Δϕ3],
U4(t) = V1cos[2πf_гt+ϕ_г-Δϕ4], 0≤t≤τc,
где V1 = 1/2K2V_прE_с, K2 - коэффициент передачи перемножителей;
Δϕ1 = ϕ2-ϕ1 = 2πd1/λcosα,
Δϕ2 = ϕ3-ϕ1 = 2πd2/λcosα,
Δϕ3 = ϕ4-ϕ1 = 2πd3/λcosβ,
Δϕ4 = ϕ5-ϕ1 = 2πd4/λcosβ,
где α, β - угловые координаты эпицентра ожидаемого землетрясения (азимут и угол места), которые выделяются узкополосными фильтрами 28-31 и поступают на первые входы фазовых детекторов 32, 33, 38, 39 соответственно. На вторые входы фазовых детекторов 32 и 33 подается напряжение гетеродина 4. На вторые входы фазовых детекторов 38 и 39 подаются напряжения U1(t) и U3(t) с выходов узкополосных фильтров 28 и 30 соответственно. Знаки "+" и "-" перед фазовыми сдвигами соответствуют диаметрально противоположным положениям антенн 15 и 16 (17 и 18) относительно антенны 1. На выходе фазовых детекторов 32, 33, 38, 39 образуются постоянные напряжения:
U_н1(α) = V_н1cosΔϕ1,
U_н2(α) = V_н2cosΔϕ5,
U_н3(β) = V_н1cosΔϕ3,
U_н4(β) = V_н2cosΔϕ6,
где V_н1 = 1/2K3V1V_г, V_н2 = 1/2K2V1²; K3 - коэффициент передачи фазовых детекторов:
Δϕ5 = Δϕ1+Δϕ2 = 2πd5/λcosα, d5 = d1 + d2;
Δϕ6 = Δϕ3+Δϕ4 = 2πd6/λcosβ, d6 = d3 + d4;
которые фиксируются блоками регистрации 34-37.

Приемные антенны 15-18 размещают таким образом, что измерительные базы образуют несимметричный геометрический крест, в пересечении которого помещают приемную антенну 1 измерительного канала (фиг. 2), при этом меньшие базы d1 и d3 образуют грубые, но однозначные шкалы пеленгации, а большие базы d5 и d6 точные, но неоднозначные шкалы пеленгации:
d1/λ < 1/2 < d5/λ, d3/λ < 1/2 < d6/λ.
Зная высоту полета летательного аппарата и измерив угловые координаты α и β, можно точно и однозначно определить координаты эпицентра ожидаемого землетрясения.

Так, предполагается использовать фазовый метод пеленгации области возмущения с помощью пяти приемных антенн, расположенных в виде несимметричного геометрического креста. Способ инвариантен к частоте, нестабильности электромагнитного излучения, так как пеленгацию области возмущения электромагнитного поля осуществляют на стабильной частоте гетеродина. Кроме того, за счет использования неподвижных антенн значительно упрощается техническая реализация способа на борту летательного аппарата.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность и достоверность определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения.

Список использованной литературы
1. А.С. СССР N 499543.

2. А.С. СССР N 913311.

3. А.С. СССР N 1080095.

4. А.С. СССР N 1171737.

5. А.С. СССР N 1193620.

6. Патент РФ N 1806394.

7. Патент РФ N 2037162.

8. Патент США N 4193072, G 01 S 9/02, 1980 г.

9. Патент ФРГ N 1548490, G 01 S 9/02, 1974 г.

10. Электромагнитные предвестники землетрясений /Под ред. М.А.Садовского. - М.: Наука, 1982. С. 60-80.

11. Нерисов И.Л. и др. Прогноз землетрясений методом глубинного электромагнитного зондирования земной коры. Препринт ИАЭ. М., 1982 г., 27 с.

12. Поиск электромагнитных предвестников землетрясений. - М.: Наука, ИФЗ АН СССР, 1988, С. 149-169.

Использование: область геофизики для определения координат эпицентра ожидаемых землетрясений, горных ударов и контроля электромагнитной обстановки в сейсмоопасной зоне земной коры с борта летательного аппарата. Сущность изобретения: проводят в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля. Определяют разностный сигнал двух последовательных измерений. Интегрируют разностный сигнал, делят разностный сигнал на проинтегрированный разностный сигнал. Сравнивают полученное значение с заданным пороговым значением. Принимаемое электромагнитное излучение перед измерением его напряженности преобразовывают по частоте в измерительном канале и в случае превышения заданного порогового значения преобразованное по частоте электромагнитное излучение перемножают с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделяют гармонические сигналы по частоте гетеродина, измеряют между ними и напряжением гетеродина фазовые сдвиги, по которым точно и однозначно определяют фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на эпицентр ожидаемого землетрясения. При этом приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещают в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну измерительного канала. Технический результат: повышение точности и достоверности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения. 3 ил.

Способ определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения, основанный на периодическом производстве в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, определении разностного сигнала двух последовательных измерений, интегрировании разностного сигнала, делении разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал и сравнении полученного значения с заданным пороговым значением, отличающийся тем, что принимаемое электромагнитное излучение перед измерением его напряженности преобразуют по частоте в измерительном канале и в случае превышения заданного порогового значения преобразованное по частоте электромагнитное излучение перемножают с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделяют гармонические сигналы на частоте гетеродина, измеряют между ними и напряжением гетеродина фазовые сдвиги, по которым определяют фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на эпицентр ожидаемого землетрясения, при этом приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещают в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну измерительного канала.