ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01V9/00 

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

Существует множество долговременных признаков готовящегося землетрясения, регистрируемых системами наземных наблюдений. Систематизированный перечень известных признаков см., например, Данные о предвестниках. - В кн: Т. Рикитаке. Предсказание землетрясений/ Пер. с англ. - М.: Мир, 1979, табл. 15.13, с.314-333. Известные признаки имеют продолжительные интервалы существования (годы), но не позволяют достаточно точно предсказать момент удара.

Другой класс - краткосрочные признаки-предвестники. Они появляются за несколько суток (часов) до удара, но в силу своей скрытности не могут быть зарегистрированы существующими техническими средствами.

Среди краткосрочных признаков-предвестников наиболее значимым является раскачка очага землетрясения перед ударом, сопровождаемая распространением от него сверхнизких литосферных волн, с периодом 3,2-4,5 час. (см., например, Давыдов В.Ф. Землетрясения. Телеметрия предвестников, монография. - М.: МГУЛ, 2001, с.30, рис.17). Непосредственная регистрация таких медленно меняющихся процессов с частотами ≈10^-4 Гц измерителями, расположенными внутри инерциальной системы, практически невозможна (См., например, Геофизические методы мониторинга природных сред. Научный сборник / Под ред. Сорокина В.Н. Институт общей физики, АН СССР. - М., 1991, с.267).

Раскачка очага сопровождается также интенсивной эманацией радона в атмосферу над сейсмоактивной областью. Непрерывное поступление в атмосферу ионов радона приводит к накоплению электрического заряда в атмосфере. Достоверно установлено (см. , например, Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов. Доклады конференции. ИОФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН. - М., 1998, с.30), что за несколько суток до сильного землетрясения, в области его подготовки, в атмосфере над поверхностью земли возникает сильное вертикальное электростатическое поле (Е) величиной до нескольких кВ/м. В пространстве это поле представляет собой некоторый купол, опирающийся на область очага, диаметром ≈100 км.

Для регистрации статических электрических полей используют электростатические датчики (см., например, Электростатические датчики. - В кн.: Справочник по радиоэлектронике / Под ред. А.А. Куликовского. Т. 2. - М.: Энергия, 1968, с.468, рис.19-13б - аналог).

В качестве чувствительного элемента в первичном датчике-аналоге используют конденсатор (С), нагруженный на сопротивление (R) с особым видом поляризованного диэлектрика (электретом), помещенным между обкладками конденсатора. Одна из обкладок изолирована от поверхности земли, другая обкладка соединена с поверхностью земли либо корпусом контролируемого объекта.

К недостаткам аналога можно отнести невысокую чувствительность, невозможность регистрации медленно меняющихся электростатических полей, отсутствие анализа зарегистрированной функции сигнала. Распространяясь в литосфере со скоростью ≈1,1...1,5 км/с, упругие волны сейсмического возбуждения очага занимают огромную территорию. Представляется возможным измерять фазу и амплитуду таких волн в разнесенных точках пространства. Ближайшим аналогом по технической сущности является "Измеритель инфранизких сейсмоволн" патент РФ 2152628, G 01 V 1/16, 2000.

Ближайший аналог содержит крестообразную группу из N датчиков-измерителей в строке и столбце соответственно, размещенных на выбранном профиле измерений, при геометрических размерах строки, столбца не менее длины измеряемой волны, волоконно-оптические линии передачи световых импульсов от лазера, через адресный электрооптический дефлектор к датчикам-измерителям, выполненным на основе интерферометра Маха-Цандера с программируемым поочередным подключением датчиков-измерителей через канальный коммутатор на вход последовательно подсоединенных аналогово-цифрового преобразователя, буфера-накопителя, оперативного запоминающего устройства ПЭВМ, осуществляющей восстановление параметров сигнала-признака по дискретной выборке цикла измерений, задаваемого программой, формируемой на ПЭВМ и пересылаемой в программируемую схему выборки, которая синхронизует работу адресного электрооптического дефлектора, канального коммутатора и буфера-накопителя.

Недостатками ближайшего аналога являются:
- невозможность непосредственного измерения электростатического поля;
- трудность практической реализации измерительного полигона с длиной строки, столбца равной длине инфранизких сейсмоволн, которая при периоде 3,2...4,5 часа составляет ≈15000 км;
- трудности последующей калибровки измерительного тракта, связанные с потерями энергии световых волн в волоконно-оптических линиях на протяженных трассах размещения датчиков-измерителей.

Задача, решаемая заявленным устройством, заключается в достоверной регистрации признака-предвестника землетрясения в виде временной функции изменения вертикального электростатического поля над очагом и краткосрочного прогнозирования ожидаемого удара по параметрам зарегистрированной функции.

Решение поставленной задачи заключается в том, что измеритель предвестника землетрясения, содержащий первичные датчики электростатического поля, последовательно подключенные аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), буфер-накопитель, компьютер обработки регистрируемого сигнала и синхронизации работы элементов измерителя посредством сервисных программ, закладываемых в программируемую схему выборки, измеритель выполнен из двух параллельных каналов, разнесенных на измерительной базе с симметричной запиткой каналов через волоконно-оптические линии от единого генератора оптического излучения и содержащих последовательно подключенные электрооптический датчик, фотоприемник, выходы фотоприемников нагружены на дифференциальную мостовую схему, вторая диагональ которой подключена к пороговому элементу, выход которого подключен на вход АЦП, электрооптические датчики помещены между обкладками конденсаторов первичных датчиков, а пороговый элемент дополнительно подключен к программируемой схеме выборки.

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие качественные свойства заявляемого решения как:
- возможность регистрации медленно меняющихся процессов;
- достоверность и устойчивость обнаружения признака-предвестника за счет введения дифференциальной схемы и порогового устройства;
- априорное прогнозирование параметров ожидаемого удара путем программной обработки сигнала предвестника;
- простота аппаратурной реализации, высокая чувствительность и надежность оптоволоконных датчиков.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о наличии существенных отличительных признаков в заявленном техническом решении и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется чертежами, где
фиг.1 - функциональная схема устройства;
фиг. 2 - функция изменения электростатического поля над очагом накануне землетрясения;
фиг.3 - регистрограмма сигнала признака-предвестника.

Измеритель предвестника землетрясения (фиг.1) содержит два параллельных канала измерений 1, разнесенных на измерительной базе 2 в составе первичных датчиков электростатического поля 3, с помещенными между обкладками их конденсаторов электрооптическими датчиками 4, запитываемых от генератора оптического излучения 5 через симметричные плечи волоконно-оптических линий 6. Промодулированный в электрооптических датчиках 4 световой поток воспринимается фотоприемниками 7, нагруженными на дифференциальную мостовую схему 8, выход которой подключен к последовательной цепочке из порогового элемента 9, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 10, буфера-накопителя 11 и компьютера (персональной электронно-вычислительной машины ПЭВМ) 12 в стандартном наборе элементов: процессора 13, оперативно запоминающего устройства 14, винчестера (постоянного ЗУ) 15, дисплея 16, принтера 17, клавиатуры 18. Процессор 13 ПЭВМ 12 подключен к программируемой схеме выборки 19, синхронизующей работу порогового элемента 9, АЦП 10 и буфера-накопителя 11.

Измеритель предвестника землетрясения размещают в сейсмоопасном регионе, а измерительные каналы 1 разносят друг от друга на расстояние (базу 2), соизмеримое с размерами зоны подготавливаемого землетрясения (несколько десятков км). Осуществляют балансировку дифференциальной мостовой схемы таким образом, чтобы ее выходное напряжение, в отсутствие сигнала предвестника, было близким к нулю и не превышало напряжения установленного порога порогового элемента 9. При возникновении сильного электростатического поля накануне землетрясения, его величина в точках размещения разнесенных измерителей будет существенно отличаться. Световой сигнал от генератора оптического излучения 5 по волоконно-оптическим линиям 6 передается к чувствительным элементам электрооптических датчиков 4. Электрооптические датчики 4 выполнены на основе кристалла типа Bi₁₂SiO₂₀ в виде параллелепипеда, на противоположные грани которого нанесены напылением металлизированные контакты для подачи напряжения. Электрооптические датчики размещены между обкладками конденсаторов (С) первичных датчиков электростатического поля 3. Под действием электрического поля изменяется характер поляризации оптического излучения. Выходной поляризатор (анализатор) электрооптического датчика установлен таким образом, что плоскость его поляризации перпендикулярна плоскости поляризации падающего на кристалл света. В результате интенсивность светового пучка на выходе электрооптического датчика изменяется по закону

где Г(Е) - функция зависимости угла поворота поляризации света от напряженности электростатического поля Е. Промодулированный таким образом световой поток по волоконно-оптической линии передается на фотоприемник, который преобразует оптический сигнал в электрический. Поскольку модуляция световых потоков в разнесенных по пространству на базу 2 измерительных каналов 1 различна, то появление признака предвестника в виде сильного электростатического поля (Е) приведет к разбалансировке дифференциальной мостовой схемы 8. Через некоторое время выходное напряжение схемы 8 превысит пороговое напряжение элемента 9, задаваемое от программируемой схемы выборки 19. Срабатывание порогового элемента определяется сервисной программой.

Программа, предварительно сформированная на ПЭВМ 12 и заложенная в программируемую схему выборки 19, запускает АЦП 10, осуществляющий квантование амплитуды поступающего разностного сигнала со схемы 8 и его дискретизацию во времени. Поток цифровых данных с выхода АЦП 10 заполняет буфер-накопитель 11 и по достижении заданного программой объема файла пересылается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 14 ПЭВМ 12. В ОЗУ 14 формируются кадры информации, подлежащие последующей обработке. Шкала квантования сигнала по амплитуде, длительность одного импульса, длительность цикла измерений, объемы файла и кадров определяются программой, формируемой на ПЭВМ 12. После формирования измерительного файла программа циклически воспроизводится программируемой схемой выборки измерений. Имеется возможность адаптации к измеряемому процессу путем изменения заданной программы.

Достоверность обнаружения признака-предвестника зависит от величины устанавливаемого порогового напряжения схемы 9. При малой величине установленного порога велика вероятность ложной тревоги. При большой величине установленного порога возможен пропуск ожидаемого события. На величину выбираемого порога влияют и размеры измерительной базы. Существуют методы выбора оптимального порога, обеспечивающие высокую вероятность и достоверность обнаружения ожидаемого события (см., например, Критерии риска. - В кн.: С.А. Вакин, Л.Н. Шустов. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. - М.: Сов. радио, 1968, с.20-29).

Использование того или иного критерия, минимизирующего средний риск, легко реализуется программой, формируемой на ПЭВМ.

На фиг. 2 воспроизведена функция изменения вертикального электростатического поля в области очага накануне землетрясения (см., например, Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов. Доклады конференции. ИОФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН. М., 1998, с.27).

Известно, что атмосферное электрическое поле, как часть глобальной электрической цепи Земля - ионосфера, может меняться на поверхности земли в пределах от 50 до 200 В/м в зависимости от географических координат. В присутствии источника ионизации, каковым является эманация радона в сейсмоактивной области, величина аномального электростатического поля достигает ≈1 кВ/м. Следовательно, селектируемыми параметрами признака-предвестника, представленного функцией фиг.2, являются: момент возникновения, скорость нарастания и амплитуда регистрируемого сигнала.

На фиг.3 представлен вид регистрограммы сигнала предвестника (распечатка с принтера ПЭВМ). Очевидно, что, кроме перечисленных визуальных признаков, регистрограмма содержит и скрытую информацию о параметрах предстоящего землетрясения.

При раскачке очага имеет место параметрическая модуляция процесса эманации радона в атмосферу. Следовательно, функция сигнала электростатического поля над очагом оказывается модулированной. Поскольку магнитуда и время ожидаемого удара землетрясения связаны с периодом сверхнизких литосферных волн, генерируемых очагом (см., например, Давыдов В.Ф. Землетрясения. Телеметрия предвестников. - М.: МГУЛ, 2001, с.50), то скрытую информацию о предстоящем землетрясении содержит модулирующая функция сигнала.

Выделение модулирующей функции сигнала по дискретным выборкам измерений осуществляют на ПЭВМ программным методом в следующей последовательности:
- Аппроксимируют модулирующую функция синусоидой вида
Е=Е•sin (ω•t).

- Сопоставляют последовательности конечных разностей первого порядка из выборки измерений:
Δ₁ = E(t₂)-E(t₁)
Δ₂ = E(t₃)-E(t₂)
...

Δ_n = E(t_n+1)-E(t_n)
- Вычисляют отношения

при Δt - Const, которые представляют собой последовательный ряд производных от модулирующей функции:
ω•cos(ω•t₁), ω•cos(ω•t₂),...
- Поскольку

то, имея последовательный ряд дискретных отсчетов программным методом, рассчитывают период Т модулирующей функции.

Аппроксимация функций, заданных в цифровом виде некоторым участком дискретных отсчетов, представляется стандартной математической операцией, входящей в комплект специального математического обеспечения MATH САД (см., например, Справочник по MATH САД, Использование функциии предсказания, Predict, с.242).

Результат программного расчета иллюстрируется фиг.3. По расчетному периоду Т₀ модулирующей функции прогнозируют параметры ожидаемого удара по известным регрессионным зависимостям магнитуды М=≈110/Т₀ ² [час], время удара, отсчитываемое от момента возникновения аномально высокого электростатического поля t_у≈4,7 Т₀.

Элементы измерителя выполнены по стандартным электронным схемам и могут быть реализованы на существующей элементной базе. В качестве ПЭВМ используется IBM PC/AT 486/487. Программируемая схема выборки, аналогово-цифровой преобразователь, буфер-накопитель выполнены на стандартных интегральных платах, совместимых с контроллерами IBM PC/AT. Программируемая схемы выборки выполнена на плате ЛA-TMS-31, АЦП и буфер-накопитель выполнены на плате ЛА-20 (см., например, Якубовский Б. и др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы / Справочник. - М.: Радио и связь, 1990).

В измерителе использованы стандартные дифференциальная мостовая и пороговая (ключевая) схемы (см., например, Справочник по радиоэлектронике. Т. 2 / Под ред. А.А. Куликовского. - М.: Энергия, 1968, с.484, рис.19-26 - дифференциальная схема, а также Справочник по радиоэлектронным устройствам. Т. 1 / Под ред. А. А. Куликовского. - М.: Энергия, 1978, 4.3 Электронные ключи, с.339-346).

Волоконно-оптические элементы измерителя представляют собой серийные промышленные разработки и выполнены по схемам (см., например, Т. Окоси. Волоконно-оптические датчики / Пер. с японского. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991).

Светоизлучающие приборы для датчиков, с. 57-70, 33.1 Светодиоды, рис. 3.9.

Светоприемные приборы 3.6, с.97-102, лавинные фотодиоды, рис.3.39, с. 101.

Электрооптические модуляторы, с.119.

Эффективность регистратора определяется такими показателями как достоверность, точность, оперативность. Обработка результатов, визуализация и расчет параметров признака-предвестника, благодаря ПЭВМ, может осуществляться в темпе наблюдений.

Использование: в сейсмологии, в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность: измерительные каналы разносят друг от друга на расстояние, соизмеримое с размерами зоны землетрясения. Осуществляют балансировку дифференциальной мостовой схемы таким образом, чтобы ее выходное напряжение в отсутствие сигнала предвестника было близким к нулю и не превышало напряжения установленного порога порогового элемента. При возникновении сильного электростатического поля его величина в точках размещения разнесенных измерителей будет существенно отличаться. Световой сигнал от генератора оптического излучения по волоконно-оптическим линиям передается к чувствительным элементам электрооптических датчиков. Промодулированный световой поток по волоконно-оптической линии передается на фотоприемник, который преобразует оптический сигнал в электрический. Появление признака-предвестника в виде сильного электростатического поля приведет к разбалансировке дифференциальной мостовой схемы. Через некоторое время выходное напряжение схемы превысит пороговое напряжение элемента, задаваемое от программируемой схемы выборки. Срабатывание порогового элемента определяется сервисной программой. Технический результат: повышение точности, достоверности, оперативности. 3 ил.

Измеритель предвестника землетрясения, содержащий первичные датчики электростатического поля, последовательно подключенные аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), буфер-накопитель, компьютер обработки регистрируемого сигнала и синхронизации работы элементов измерителя посредством сервисных программ, закладываемых в программируемую схему выборки, отличающийся тем, что измеритель выполнен из двух параллельных каналов, разнесенных на измерительной базе с симметричной запиткой каналов через волоконно-оптические линии от единого генератора оптического излучения и содержащих последовательно подключенные электрооптический датчик, фотоприемник, выходы фотоприемников нагружены на дифференциальную мостовую схему, вторая диагональ которой подключена к пороговому элементу, выход которого подключен на вход АЦП, электрооптические датчики помещены между обкладками конденсаторов первичных датчиков, а пороговый элемент дополнительно подключен к программируемой схеме выборки.