СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЭПИЦЕНТРА ОЖИДАЕМОГО ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01V9/00 

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 (авт. свид. СССР NN 499543, 913311, 1080095, 1171737, 1193620; патенты РФ NN 1806334, 2037162, 2106001; патенты США NN 4193072, 4884030; патент ФРГ N 1548490; Электромагнитные предвестники землетрясений. Под ред. М. А. Садовского. М., 1982, с. 60-80; Поиск электромагнитных предвестников землетрясений. М., 1988, с. 149-169 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения" (патент РФ N 2149427, G 01 V 1/00, 1999), который и выбран в качестве наиболее близкого аналога.

Известный способ использует фазовый метод пеленгации области возмущения с помощью пяти приемных антенн, расположенных в виде несимметричного геометрического креста. Способ инвариантен к частоте, так как пеленгация области возмущения электромагнитного поля осуществляется на стабильной частоте гетеродина. Кроме того, за счет использования неподвижных антенн значительно упрощается техническая реализация способа на борту летательного аппарата.

Однако в процессе преобразования по частоте принимаемого электромагнитного излучения образуются дополнительные каналы приема. Это объясняется тем, что одно и то же значение промежуточной частоты f_пр может быть получено в результате приема электромагнитных излучений на двух частотах f_с и f_з, т. е.

t_пр = t_с - f_г и f_пр = f_г - f_з
Следовательно, если частоту настройки t_с принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота f_з которого отличается от частоты f_с на 2 f_пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты гетеродина f_г (фиг. 4). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования K_пр, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехозащищенность способа.

Кроме зеркального, существуют и другие дополнительные (комбинированные) каналы приема.

В общем виде любой комбинированный канал приема имеет место при выполнении условия:
f_пр= |±mf_ki±nf_г|,
где f_кi - частота канала приема;
n, m - целые положительные числа, включая n = 0.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующие при взаимодействии излучения с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третий и т.д.), так как чувствительность способа по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при n = 2 и m = 1 соответствуют частоты:
f_к1 = 2f_г - f_пр и f_к2 = 2f_г + f_пр
Наличие ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и точности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения путем подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по дополнительным каналам.

Поставленная задача решается тем, что в способе, основанном на преобразовании по частоте в измерительном канале принимаемого электромагнитного излучения, 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, сравнении полученного значения с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения, перемножении преобразованного по частоте электромагнитного излучения с принимаемым в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделении гармонических сигналов на частоте гетеродина и измерении между ними и напряжением гетеродина фазовых сдвигов, 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, сдвигают по фазе на +90^o напряжение гетеродина, используют его для дополнительного преобразования по частоте принимаемого электромагнитного излучения, сдвигают по фазе на +90^o дополнительно преобразованное по частоте электромагнитное излучение, суммируют его с основным преобразованным по частоте электромагнитным излучением, перемножают полученное суммарное электромагнитное излучение с принимаемым электромагнитным излучением, выделяют напряжение на частоте гетеродина, детектируют его и используют в качестве управляющего сигнала для разрешения дальнейшей обработки суммарного электромагнитного излучения.

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.

Для подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по зеркальному каналу, используют фазокомпенсационный метод, а для подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по комбинационным каналам, - метод узкополосной фильтрации.

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. На фиг. 4 показана частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных каналов приема.

Устройство содержит один измерительный и четыре пеленгационных канала.

Измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 1, приемного устройства 2, первого смесителя 3, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 4, первого усилителя 5 промежуточной частоты, сумматора 44, перемножителя 45, второй вход которого соединен с выходом приемного устройства 2, узкополосного фильтра 46, амплитудного детектора 47, ключа 48, второй вход которого соединен с выходом сумматора 44, измерителя 6 напряженности магнитного 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. К выходу приемного устройства 2 последовательно подключены второй смеситель 41, второй вход которого через первый фазовращатель 40 на +90^o соединен с вторым выходом гетеродина 4, второй усилитель 42 промежуточной частоты и второй фазовращатель 43 на +90^o, выход которого соединен со вторым входом сумматора 44.

Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемных антенн 15-18, приемных устройств 19-22, перемножителей 23-26, вторые входы которых соединены через ключ 27 с выходом блока 11 сравнения и выходом ключа 48, узкополосных фильтров 28-31, фазовых детекторов 32, 38, второй вход которых соединен с выходом гетеродина 4, и блоков регистрации 34-37. Вторые выходы фазовых детекторов 33 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:
I_1(t)= E_c•Cos[2π+(f_c±Δf)t+Φ₁],
I_2(t)= E_c•Cos[2π+(f_c±Δf)t+Φ₂],
I_3(t)= E_c•Cos[2π+(f_c±Δf)t+Φ₃],
I_4(t)= E_c•Cos[2π+(f_c±Δf)t+Φ₄],
I_5(t)= E_c•Cos[2π+(f_c±Δf)t+Φ₅], 0≅t≅τ_c,
где E_c,f_c,τ_c,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 первые входы смесителей 3 и 41, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 4 соответственно:
U_г1(t) = V_г•Cos(2πf_гt+Φ_г),
U_г2(t) = V_г•Cos(2πf_прt+Φ_г+90^°), 0≅t≅τ_c.
На выходе смесителей 3 и 41 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 5 и 42 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:
U_пр1(t) = V_пр•Cos[2π(f_пр±Δf)t+Φ_пр1],

где V_пр = 1/2K₁ E_с V_г;
K₁ - коэффициент передачи смесителей;
f_пр = f_с - f_г - промежуточная частота;
Φ_пр1= Φ₁-Φ_г.
Напряжение U_пр2(t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 43 на +90^o, на выходе которого образуется напряжение:

Напряжения U_пр1(t) и U_пр3(t) поступают на два выхода сумматора 44, на выходе которого образуется суммарное напряжение:
U_Σ(t) = V_Σ•Cos[2π(f_пр±Δf)t+Φ_пр1], 0≅t≅τ_c.
где V_Σ= 2V_пр.
Это напряжение подается на второй вход перемножителя 45, на первый вход которого поступает электромагнитное излучение I₁(t) с выхода приемного устройства 2.

На выходе перемножителя 45 образуется гармоническое напряжение на частоте гетеродина f_г:
U_г3(t) = V_г3•Cos(2πf_гt+Φ_г], 0≅t≅τ_c.
где V_г3= 1/2K₂E_cV_Σ;
K₂ - коэффициент передачи перемножителя.

Так как частота настройки f_н узкополосного фильтра 46 выбирается равной частоте гетеродина f_г(f_н = f_г), то напряжение U₁(t) выделяется узкополосным фильтром 46, детектируется амплитудным детектором 47 и поступает на управляющий вход ключа 48, открывая его. В исходном состоянии ключ 48 всегда закрыт.

При этом напряжение U_Σ(t) с выхода сумматора 44 через открытый ключ 48 поступает на вход измерителя 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. Операции интегрирования разностного сигнала и деления разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производятся 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(t) - I₅(t) с выходов приемных устройств 19-22 поступают на первые входы перемножителей 23-27 соответственно, на вторые входы которых подаются напряжение U_Σ(t) с выхода сумматора 44 через открытый ключ 27. На выходах перемножителей 23-26 образуются следующие гармонические колебания:
U₁(t) = V₁•Cos(2πf_гt+Φ_г+ΔΦ₁),
U₂(t) = V₁•Cos(2πf_гt+Φ_г-ΔΦ₂),
U₃(t) = V₁•Cos(2πf_гt+Φ_г+ΔΦ₃),
U₄(t) = V₁•Cos(2πf_гt+Φ_г-ΔΦ₄), 0≅t≅τ_c,
где V₁= 1/2K₂E_cV_Σ;
ΔΦ₁= Φ₂-Φ₁= 2πd₁/λCosα;
ΔΦ₂= Φ₃-Φ₁= 2πd₂/λCosα;
ΔΦ₃= Φ₄-Φ₁= 2πd₃/λCosβ;
ΔΦ₄= Φ₅-Φ₁= 2πd₄/λCosβ;
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 и 39 соответственно. На вторые входы фазовых детекторов 32 и 38 подается напряжение гетеродина 4. На вторые входы фазовых детекторов 33 и 39 подаются напряжения U₁(t) и U₃(t) с выходов узкополосных фильтров 28 и 30 соответственно. Знак "+" и "-" перед фазовыми сдвигами ΔΦ₂ и ΔΦ₄ соответствуют диаметрально противоположным положениям антенн 15 и 16, 17 и 18 относительно антенны 1. На выходе фазовых детекторов 32, 33, 38 и 39 образуются постоянные напряжения:
U_н1(α) = V_н1•CosΔΦ₁,
U_н2(α) = V_н2•CosΔΦ₅,
U_н3(β) = V_н1•CosΔΦ₃,
U_н4(β) = V_н2•CosΔΦ₆,
где V_Н1 = 1/2 K₃ • V₁ • V_г; V_Н2 = 1/2K₃ • V₁ ²;
K₃ - коэффициент передачи фазовых детекторов;
ΔΦ₅= ΔΦ₁+ΔΦ₂= 2π•d₅/λCosα; d₅ = d₁ + d₂;
ΔΦ₆= ΔΦ₃+ΔΦ₄= 2π•d₆/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:

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 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.

Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует случаю приема электромагнитного излучения по основному каналу на частоте f_с (фиг. 4).

Если ложное электромагнитное излучение (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте f_з
U_з(t) = V_з•Cos(2πf_зt+Φ₃), 0≅t≅τ_з,
то в смесителях 3 и 41 оно преобразуется в следующие напряжения промежуточной частоты:
U_пр4(t) = V_пр4•Cos(2πf_прt+Φ_пр4),
U_пр5(t) = V_пр4•Cos(2πf_прt+Φ_пр4+90^°), 0≅t≅τ_з,
где V_пр = 1/2K₁ V_з V_г;
f_пр = f_г - f_з - промежуточная частота;
Φ_пр= Φ_г-Φ_з.
Напряжение U_пр5(t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 43 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение:

Напряжения U_пр4(t) и U_пр6(t), поступающие на два входа сумматора 44, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложное электромагнитное излучение (помеха), принимаемое по зеркальному каналу на частоте f₃, подавляется. Для этого используется фазокомпенсационный метод.

Если ложное электромагнитное излучение (помеха) принимается по первому комбинационному каналу:
U_K1(t) = V_K1•Cos(2πf_K1t+Φ_K1), 0≅t≅τ_K1,
то в смесителях 3 и 41 оно преобразуется в следующие напряжения промежуточной частоты:
U_пр7(t) = V_пр7•Cos(2πf_прt+Φ_пр7),
U_пр8(t) = V_пр7•Cos(2πf_прt+Φ_пр7+90^°), 0≅t≅τ_K1,
где V_пр7 = 1/2K₁ V_K1 V_г;
f_пр = 2f_г - f_K1 - промежуточная частота;
Φ_пр7= Φ_г-Φ_K1.
Напряжение U_пр8(t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 43 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение:

Напряжения U_пр7(t) и U_пр9(t), поступающие на два входа сумматора 44, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложное электромагнитное излучение (помеха), принимаемое по первому комбинационному каналу на частоте f_K1, подавляется. Для этого также используется фазокомпенсационный метод. Если ложное электромагнитное излучение (помеха) принимается по второму комбинационному каналу:
U_K2(t) = V_K2•Cos(2πf_K2t+Φ_K2), 0≅t≅τ_K2,
то в смесителях 3 и 41 оно преобразуется в следующие напряжения промежуточной частоты:
U_пр10(t) = V_пр10•Cos(2πf_прt+Φ_пр10),

где V_пр10 = 1/2K₁ V_K2 V_г;
f_пр = f_K2 - 2f_г - промежуточная частота;
Φ_пр= Φ_K2-Φ_г.
Напряжение U_пр11(t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 43 на +90^o, на выходе которого образуется напряжение

Напряжения U_пр10(t) и U_пр12(t) поступают на два входа сумматора 44, на выходе которого образуется суммарное напряжение:
U_Σ1(t) = V_Σ1•cos(2πf_прt+Φ_пр10), 0≅t≅τ_K2.
где V_Σ1= 2V_пр10.
Это напряжение подается на второй вход перемножителя 45, на первый вход которого поступает ложное электромагнитное излучение (помеха) U_K2(t) с выхода приемного устройства 2.

На выходе перемножителя 45 образуется гармоническое напряжение на второй гармонике частоты гетеродина 2f_г
U_г(t) = V_г•Cos(4πf_гt+Φ_г), 0≅t≅τ_K2.
которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 46. Ключ 48 не открывается и ложное электромагнитное излучение (помеха), принимаемое по второму комбинационному каналу на частоте f_K2, подавляется. Для этого используется метод узкополосной фильтрации.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить помехоустойчивость и точность определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения. Это достигается подавлением ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по зеркальному и комбинированным каналам.

Использование: для определения координат эпицентра ожидаемых землетрясений, горных ударов и контроля электромагнитной обстановки в сейсмоопасной зоне земной коры с борта летательного аппарата. Сущность: проводят измерение 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. В случае превышения заданного порогового значения, перемножают преобразованное по частоте электромагнитов излучение с принимаемым 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. Сдвигают по фазе на +90° напряжение гетеродина, используют его для дополнительного преобразования по частоте принимаемого электромагнитного излучения. Сдвигают по фазе на +90° дополнительно преобразованное по частоте электромагнитное излучение. Суммируют его с основным преобразованным по частоте электромагнитным излучением. Перемножают полученное суммарное электромагнитное излучение с принимаемым электромагнитным излучением. Выделяют напряжение на частоте гетеродина. Детектируют его и используют в качестве управляющего сигнала для разрешения дальнейшей обработки суммарного электромагнитного излучения. Технический результат: повышение помехоустойчивости и точности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения путем подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по дополнительным каналам. 4 ил.

Способ определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения, основанный на преобразовании по частоте в измерительном канале принимаемого электромагнитного излучения, 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, сравнении полученного значения с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения перемножении преобразованного по частоте электромагнитного излучения с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделении гармонических сигналов на частоте гетеродина, измерении между ними и напряжением гетеродина фазовых сдвигов, 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, отличающийся тем, что сдвигают по фазе на +90° напряжение гетеродина, используют его для дополнительного преобразования по частоте принимаемого электромагнитного излучения, сдвигают по фазе на +90° дополнительно преобразованное по частоте электромагнитное излучение, суммируют его с основным преобразованным по частоте электромагнитным излучением, перемножают полученное суммарное электромагнитное излучение с принимаемым электромагнитным излучением, выделяют напряжение на частоте гетеродина, детектируют его и используют в качестве управляющего сигнала для разрешения дальнейшей обработки суммарного электромагнитного излучения.