СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОЧАГОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к радиофизике и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для каталогизации очагов землетрясений. Обнаружение очагов и предсказание землетрясений базируются на анализе аномалий различных геофизических полей, возникающих в пространстве, примыкающем к очагу. На настоящий момент установлено, что одним из чувствительных электродинамических датчиков литосферных аномалий очага является ионосфера Земли (см., например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов". Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр.64-65). Проявление сейсмической активности в литосфере сопровождается протеканием различных процессов в околоземной плазме, таких как: вариации электронной плотности в слоях ионосферы над эпицентром очага, изменение формы профилей ионизации, изменение температуры плазмы, низкочастотные всплески шумовых излучений в диапазоне 0,01...1 кГц и др.

Известен способ предсказания землетрясений (см. Патент РФ 2120647, кл. G 01 V, 9/00, 1998 г. - аналог).

В способе-аналоге проводят зондирование ионосферы электромагнитными волнами от СВЧ-генератора в режиме затягивания частоты на длине волны больше Дебаевского радиуса экранирования в плазме, сканируют лучом диаграммы направленности антенны участок ионосферы над контролируемым районом, получают радиоизображение участка ионосферы путем частотного детектирования сигнала автогенератора каждого элемента сканирования, формируют из них кадр М(х,у) зависимости сигнала от пространственных координат, выделяют модулирующую функцию предвестника путем Фурье-преобразования матрицы М(х, у), вычисляют параметры преобразования в виде энергетического спектра, интервала автокорреляции и по их изменению от кадра к кадру, времени существования судят о магнитуде и времени ожидаемого землетрясения.

Недостатками аналога следует считать:
- низкое пространственное разрешение получаемого изображения на длине волны больше Дебаевского радиуса экранирования при сканировании с поверхности Земли. Разрешение одного пикселя составляет десятки км, что соизмеримо с размерами проекции очага на ионосферу;
- невозможность достоверного отслеживания электростатики процессов и внутренней структуры ионосферной неоднородности при размещении измерителя за пределами самой неоднородности.

Ближайшим аналогом по технической сущности к заявляемому является "Способ обнаружения аномалий подстилающей поверхности", патент РФ 2160912, кл. G 01 V, 8/00, 2000 г.).

В способе ближайшего аналога получают изображение подстилающей поверхности в виде цифровой матрицы зависимости функции яркости 1(х,у) от пространственных координат, разбивают изображение на мозаику участков на основе априорных данных, вычисляют функцию фрактальной размерности каждого участка, составляют таблицу эталонов для функций фрактальной размерности участков, а аномалию фиксируют по выходу разницы между текущим и эталонным значением фрактальной размерности за пороговый уровень для анализируемого участка.

Недостатком ближайшего аналога является невозможность непосредственного применения из-за радиопрозрачности ионосферы на длинах волн зондирования, обеспечивающих высокое пространственное разрешение, единицы м/пиксель и как следствие - недостоверность вычисления фрактальной размерности ионосферных неоднородностей.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в обнаружении электростатических неоднородностей в ионосфере и идентификации этих неоднородностей как проекции очага землетрясения на ионосферу.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе обнаружения очагов землетрясений, при котором получают изображение участка ионосферы в виде функции дискретных отсчетов зависимости амплитуды сигнала А(х,у) от пространственных координат, проводят фрактальный и спектральный анализ сигнала изображения, сравнивают вычисленные параметры с эталонными, дополнительно изображение формируют из отдельных регистрограмм электронной плотности ионосферы, получаемых путем квантования, с темпом не ниже 100 изм/с, электростатического потенциала внешней поверхности космических аппаратов, наводимого при их пролете непосредственно через области ионосферных образований, выделяют методами пространственного дифференцирования контурные рисунки на синтезированном изображении, вычисляют морфологические характеристики синтезированного изображения внутри выделенных контуров и по совокупности вычисленных характеристик судят о принадлежности выделенного участка ионосферы к проекции литосферного очага землетрясения на ионосферу.

На фиг.1 дана схема формирования изображения из регистрограмм восходящих и нисходящих витков космических аппаратов; на фиг.2 - изолинии плотности электронной концентрации ионосферы над очагом; на фиг.3 - автокорреляционные функции: а) ионосферной неоднородности; б) фоновых участков; на фиг.4 - функции фрактальной размерности: а) ионосферной неоднородности; б) фоновых участков; на фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с ближайшим аналогом показывает, что заявляемый способ отличается от известного введением новых технологических операций, обеспечивающих достижение таких качественных свойств, как:
- локализация неоднородностей ионосферы на изображении с их координатной привязкой;
- высокое разрешение изображения (единицы метров на пиксел), позволяющее проводить морфологический анализ неоднородностей;
- устойчивость идентификации при использовании как амплитудных, так и морфологических признаков;
- достоверность результатов, поскольку измерения осуществляются непосредственно внутри плазмы.

Это позволяет утверждать, что заявляемый способ удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".

Техническая сущность изобретения заключается в следующем. Теоретически и экспериментально установлено, что механические напряжения очага землетрясения сопровождаются квазистатическим электрическим полем в атмосфере, что в свою очередь вызывает сейсмоионосферные вариации электронной плотности. При этом вертикальное электрическое поле у поверхности Земли трансформируется вследствие высокой проводимости вдоль геомагнитных силовых линий в поперечное на высотах ионосферы. В результате электродинамического дрейфа, под действием совокупности факторов распределение концентрации ионосферной плазмы над эпицентром будущего землетрясения характеризуется наличием фокусов положительного и отрицательного возмущения Nе (см., например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов. Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, М., 1998 г. , стр. 30-31). На фиг.2 представлена форма неоднородности ионосферы над эпицентром очага в виде изолиний плотности электронной концентрации. Вариации плотности электронной концентрации в фокусах составляют до 20% текущей плотности ионосферного слоя, а расстояние между фокусами и форма изолиний содержат скрытую информацию о размерах очага и параметрах будущего землетрясения. Исследования неоднородностей ионосферы в настоящее время осуществляют ионосферными станциями на критических частотах зондирования порядка 10...17 МГц. Ширина диаграммы направленности антенны (2•Ф_0,5)^o в метровом диапазоне волн определяется соотношением (см., например, А.Л. Драбкин, В.П. Зузенко "Антенно-фидерные устройства", М., Сов. радио, 1961 г., стр. 85).

где λ - длина волны зондирования, 15...30 м;
L - длина синфазной решетки антенны, 50...150 м.

Реальная ширина диаграммы направленности ионосферных станций такова, что на дальностях зондирования 200...300 км пространственное разрешение составляет порядка 100 км/пиксель. При таком невысоком разрешении невозможно проводить анализ внутренней формы ионосферной неоднородности над очагом, поскольку размеры очага соизмеримы с разрешением одного пикселя. Для более коротких волн зондирования ионосфера становится радиопрозрачной. Аналогичные проблемы возникают и при "просвечивании" ионосферы сверху, т.е. при зондировании с космических аппаратов.

Для решения проблемы пространственного разрешения при измерениях неоднородностей ионосферы предлагается измеритель размещать на космическом аппарате, высота орбиты которого соответствует высоте устойчивого ионосферного образования, например высоте слоя F. В качестве первичного датчика-преобразователя электронной плотности ионосферы в электрический сигнал использовать оболочку космического аппарата, выполненную в виде сферического конденсатора. За счет оседания зарядов на внешней оболочке такого конденсатора, при движении КА в слое ионосферного образования со скоростью V=8 км/с, конденсатор будет заряжаться. При электронной плотности Ne (2...8)10¹¹ ед/м³ и преобладании в составе ионосферы слоя F атомных ионов (0⁺) (см., например, "Космонавтика", Энциклопедия под ред. В.П. Глушко, изд-во Сов. энциклопедия, М. , 1985 г., стр. 142-143) потенциал заряда конденсатора (С) определится из равенства кинетической энергии движения иона и потенциальной энергии выталкивания этого иона из электрического поля:

где q - заряд иона 1,6•10^-19 К;
m - масса иона 0⁺, 16•1,62•10^-27 кг;
V - скорость движения, 8•10³ м/с.

Откуда потенциал внешней оболочки КА, V≅8,3 В.

Время накопления заряда рассчитывают из соотношения:
CV=q=Ne•πR²•V•t•1,6•10^-19 К,
где πR² - площадь сечения сферы КА радиусом R, м.

При темпе измерений ≥100 изм/с время одного отсчета t=0,01 с, расчетная емкость сферы КА как конденсатора должна составлять единицы мкФ.

Чтобы напряжение конденсатора синфазно изменялось в соответствии с вариациями электронной плотности ионосферы, необходимо обеспечить требуемое быстродействие датчика-преобразователя. Быстродействие определяется постоянной времени τ цепочки R•C. При темпе измерений ~100 изм/с и емкости С единицы мкФ входное сопротивление R измерительного тракта (фиг.5) должно составлять единицы КОм. Емкость конденсатора (см., например, "Справочник по радиоэлектронике" под ред. А.А. Куликовского, т. 2, М., Энергия, 1968 г., стр. 460) будет равна:

где S - площадь обкладки;
d - расстояние между обкладками;
ε- диэлектрическая проницаемость среды.

Заданную емкость обеспечивают конструктивными размерами.

Процедура обнаружения очагов землетрясений состоит в следующем. Над контролируемым регионом периодически осуществляют получение регистрограмм в обзорном режиме и их экспресс-анализ. В случае обнаружения на регистрограмме изменения знака фазы сигнала на противоположный, при изменении координаты порядка 100 км, с амплитудой в несколько процентов данный район подвергают детальной разведке. Все имеющиеся в группировке космические аппараты на нисходящих и восходящих витках задействуют для получения плотной серии регистрограмм обнаруженной неоднородности. Из серии регистрограмм, в соответствии с трассами пролета КА (фиг.1) формируют изображение неоднородности ионосферы в виде функции дискретных отсчетов зависимости амплитуд сигнала от пространственных координат А(х,у). Затем методами пространственного дифференцирования (см. , например, Р. Дуда, П. Харт "Распознавание образов и анализ сцен", пер. с англ., М., Мир, 1976 г., стр. 287-288) выделяют контурный рисунок на синтезированном изображении, как это иллюстрируется на фиг.2. Пространственное дифференцирование реализуется программным расчетом, путем использования операторов Собела, Лапласа, Роберса специализированного программного обеспечения (см., например, "Специализированное программное обеспечение MATH САД 7,0", РLVS, изд. 4-е стереотип., М., Информ. изд. дом "Филинъ", 2000 г., стр. 50-68). В частности, перекрестный оператор Робертса реализуется расчетом для каждой дискретной точки изображения вычислением соотношения:

где П - пороговая величина, которая выбирается исходя из необходимой достоверности выделения контурного рисунка. При малой величине П преобладает многоконтурность, зашумленность искомой формы второстепенными, случайными выбросами амплитуды. Поскольку разница электронной концентрации в полюсах составляет десятки процентов, то для достоверной идентификации контурного рисунка в виде характерной восьмерки порог следует устанавливать также на уровне нескольких процентов от размаха шкалы квантования амплитуды функции А(х,у). Чем больше независимых признаков изображения используется при анализе, тем достовернее и устойчивее результат идентификации неоднородности ионосферы на данном изображении. Дополнительными расчетными параметрами-признаками ионосферной неоднородности являются скорость изменения плотности электронной концентрации по пространственным координатам и фрактальная размерность сигнала ее изображения. Скорость изменения плотности электронной концентрации оценивают интервалом автокорреляции сигнала изображения, для чего рассчитывают автокорреляционную функцию сигнала изображения (см., например, Заездный А. М. "Основы расчетов по статистической радиотехнике". М., Связь, 1969 г., стр. 93):

где Е(F) - энергетический спектр сигнала изображения, равный

где Δρ - полярный радиус ионосферной неоднородности;
F_max- F_min - интервал изменения пространственного спектра сигнала изображения ионосферной неоднородности;
F(jρ) - огибающая пространственного спектра сигнала изображения ионосферной неоднородности, которая вычисляется методами прямого Фурье-преобразования сигнала изображения А(х,у)
(см. , например. Дуда Р., Харт П. "Распознавание образов и анализ сцен". M. , Mир, 1976 г. , стр. 319), а также способ-аналог, писание патента РФ 2120647, 1998 г., стр. 8-9).

Расчетные автокорреляционные функции сигналов изображений а) ионосферной неоднородности и б) фоновых участков иллюстрируются графиками на фиг.3. Аргументом автокорреляционной функции В(r) является интервал r[км], при котором амплитуда функции уменьшается до величины 0,05 В_max. Из графиков следует, что расчетный интервал автокорреляции ионосферной неоднородности составляет 3. . . 5 км, в то время как для фоновых участков его значения составляют десятки километров.

Фрактальная размерность сигнала изображения содержит информацию о форме (топологии) ионосферной неоднородности. По определению фрактальная размерность матрицы А(х, у) изображения вычисляется как:

Вычисление фрактальной размерности А(х,у) осуществляют программным методом (см. , например, ближайший аналог, патент РФ 2160912, 2000 г., описание, стр. 12-13).

Функции фрактальной размерности а) ионосферной неоднородности; б) фоновых участков ионосферы представлены графиками на фиг.4. Функции фрактальной размерности фоновых участков имеют меньшие значения коэффициентов и располагаются на графике существенно ниже тех же функций ионосферных неоднородностей. Функции фрактальной размерности фоновых участков не пересекаются с теми же функциями ионосферных неоднородностей, что свидетельствует о возможности однозначной идентификации проекций очага землетрясений на ионосферу по топологическому признаку.

Пример реализации способа
Заявляемый способ может быть реализован по схеме на фиг.5. Функциональная схема устройства на фиг. 5 содержит низкоорбитальную группировку космических аппаратов КА 1, управляемую из Центра управления полетом (ЦУП) 2 через радиолинию управления 3. Над запланированными районами наблюдений по командам от бортового комплекса управления (БКУ) 4 осуществляется запись регистрограмм измерений. Включение в режим измерений осуществляется на основе суточной программы работы аппаратуры либо по разовым командам, закладываемым по радиолинии 3 в БКУ 4. Внешняя поверхность КА - обкладка конденсатора 5 - нагружена на сопротивление разряда R6. Напряжение на нем изменяется синфазно с вариациями электронной плотности ионосферы. Напряжение с R6 подается на вход аналогово-цифрового преобразователя 7 с шагом квантования сигнала по амплитуде 1/256. Результаты измерений в виде цифрового потока данных вместе со служебной информацией от БКУ 4 (время измерений, координаты съемки, признак измерителя) записываются в бортовое запоминающее устройство 8 (БЗУ типа "Нива"). Накопленная в БЗУ 8 информация в сеансах связи сбрасывается радиотелеметрической системой 9 (типа БИТС-2) по автономной радиолинии 10 на наземные пункты приема 11, где записывается на магнитофон (типа "Арктур"). С наземных пунктов приема 11 информация через ЦУП 2 перегоняется в Центр мониторинга землетрясений 12, где ведется архив данных измерений 13, выполненный на базе стриммеров (типа РF-120). Обработка результатов измерений, формирование синтезированных изображений неоднородностей ионосферы осуществляется посредством ПЭВМ 14 (типа CYN) со стандартным набором элементов: процессора 15, оперативного запоминающего устройства 16, винчестера 17, дисплея 18, принтера 19, клавиатуры 20. Результаты обработки обнаруженных неоднородностей ионосферы по заявленным операциям способа выводятся на сайт 21 сети "Интернет".

При синтезировании изображений неоднородностей ионосферы обеспечивают равенство линейного разрешения пикселей изображения по строкам и столбцам матрицы А(х,у). Специализированное программное обеспечение MATH САД 7,0 PLVS предварительно записывают на винчестер 17. Выравнивание линейного разрешения пикселей в синтезированном изображении осуществляют алгоритмами пространственного сглаживания (см. , например, Дуда Р., Харт П. "Распознавание образов и анализ сцен", пер. с англ., М., Мир, 1976 г., стр.242).

Данный алгоритм реализуется программным расчетом (см., например, MATH САД 7,0 PLVS, описание. Медианная фильтрация, стр. 50-68). После процедуры пространственного сглаживания синтезированного изображения применяют процедуру пространственного дифференцирования, т.е. выделение контурных рисунков на анализируемом изображении. При совпадении контурного рисунка с эталонным (фиг. 2) путем визуального сравнения проводят количественную оценку параметров выявленной неоднородности. Определяют координаты, площадь и линейные размеры неоднородности (при известном разрешении одного пикселя). Типичные размеры ионосферной неоднородности составляют ≈100 х 100 км. Вычисляют фрактальную размерность и автокорреляционную функцию сигнала анализируемого изображения. По степени совпадения расчетных параметров (площади, линейных размеров, фрактальной размерности, интервала автокорреляции) с эталонными принимают решение о принадлежности обнаруженной неоднородности к проекции очага землетрясения на ионосферу. Динамику изменения расчетных параметров во времени отслеживают по серии получаемых изображений. Аналогово-цифровой преобразователь может быть выполнен на интегральной микросборке типа ЛА-20 (см. , например, Якубовский Б. и др. "Цифровые и аналоговые микросхемы". Справочник, М. , Радио и связь, 1990 г.). Остальные элементы устройства реализованы на существующих технических средствах.

Эффективность способа определяется достоверностью обнаружения ионосферных аномалий и устойчивостью алгоритма принятия решения по совокупности независимых расчетных параметров-признаков. Топологический признак обнаружения ионосферных аномалий инвариантен к любым видам изображений и не зависит от варьирования условий съемки.

Использование: системы наблюдения и обработки данных геофизических измерений для каталогизации очагов землетрясений. Сущность изобретения: над районами наблюдений осуществляется запись регистрограмм электронной плотности ионосферы, получаемых путем квантования, с темпом не ниже 100 изм/с, электростатического потенциала внешней поверхности космических аппаратов, наводимого при их пролете непосредственно через области ионосферных образований. Выделяют методами пространственного дифференцирования контурные рисунки на синтезированном изображении. Вычисляют морфологические характеристики синтезированного изображения внутри выделенных контуров. По совокупности вычисленных характеристик судят о принадлежности выделенного участка ионосферы к проекции литосферного очага землетрясения на ионосферу. 5 ил.

Способ обнаружения очагов землетрясений, при котором получают изображение участка ионосферы в виде функции дискретных отсчетов зависимости амплитуды сигнала А(х, у) от пространственных координат, проводят фрактальный и спектральный анализ сигнала изображения, сравнивают вычисленные параметры с эталонными, отличающийся тем, что изображение формируют из отдельных регистрограмм электронной плотности ионосферы, получаемых путем квантования с темпом не ниже 100 изм/с электростатического потенциала внешней поверхности космических аппаратов, наводимого при их пролете непосредственно через области ионосферных образований, выделяют методами пространственного дифференцирования контурные рисунки на синтезированном изображении, вычисляют морфологические характеристики синтезированного изображения внутри выделенных контуров и по совокупности вычисленных характеристик судят о принадлежности выделенного участка ионосферы к проекции литосферного очага землетрясения на ионосферу.