СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЙ ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к сейсмологии, в частности к наземно-космическим средствам мониторинга природных сред, и может быть применено в национальных системах сейсмического контроля для краткосрочного предсказания землетрясений.

Землетрясения были и остаются наиболее трудно предсказуемыми природными катастрофами, связанными с массовой гибелью людей и большими разрушениями инфраструктуры. Одной из причин такого состояния является отсутствие постоянно действующей и развитой глобальной системы измерений устойчивых признаков-предвестников грядущих землетрясений.

Известна глобальная система AVL (Automatic Vehicle Location), используемая для тракинга (определение координат, контроль состояния и перемещения транспортных средств) (см., например, Интернет, vrl: http://www.globaltel.rn, http://www/globalstar/com - аналог).

Система включает множество автономных модулей, устанавливаемых на автомобили (контейнеры), коммуникационную сеть передачи информации от автономных модулей на диспетчерский пункт, оборудованный средствами анализа и отображения информации о передвижении и состоянии каждой единицы транспортного средства. Автономные модули для определения географических координат используют систему GPS (Navstar), формируют информацию о состоянии транспортного средства (в том числе и информацию от противоугонных датчиков) и передают эту информацию (автоматически или по вызову) через коммуникационную сеть на диспетчерский пункт. Коммуникационная сеть включает сотовую связь (GCM, СДМА, NMT-450) с возможностью работы по каналу данных, спутниковую связь INMARSAT, радиосвязь (штатные радиостанции), транковую связь МРТ.1327. Время передачи сигналов 15... 40 сек.

Представляется целесообразным использовать существующий аналог глобальной сети оперативной передачи информации для трансляции сигналов оповещения о предстоящем землетрясении. Формирование таких сигналов возможно осуществлять датчиками-измерителями динамических признаков-предвестников землетрясения. Среди устойчивых динамических признаков-предвестников землетрясения рассматривают появление в атмосфере над эпицентральной областью грядущего землетрясения за 7... 18 часов до удара вертикального электростатического поля напряженностью (Е) до нескольких кВ/м (см., например “Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов”, Доклады конференции, РАН, Объединенный институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта, М., 1998, с.27).

Для регистрации статических электрических полей применяют электростатические датчики. В качестве чувствительного элемента в электростатическом датчике используют конденсатор (С) нагруженный на сопротивление R с особым видом поляризованного диэлектрика (электретом), помещенным между обкладками конденсатора. Одна из обкладок изолирована от поверхности земли и экспонируется в измеряемое электростатическое поле, другая обкладка соединена с поверхностью земли либо с корпусом контролируемого объекта. (См., например, “Справочник по радиоэлектронике” том 2, под редакцией А.А. Куликовского. М.: Энергия, 1968, с.468. Электростатические датчики - аналог).

Недостатками аналога являются:

- невысокая чувствительность, большая погрешность измерений;

- невозможность регистрации медленно меняющихся процессов.

Ближайшим аналогом к заявляемому устройству является серийно выпускаемый отечественной промышленностью измеритель электростатического поля в атмосфере над подстилающей поверхностью “Зонд-заряд” (см., например, “Датчик электрического поля Зонд-3”, “Преобразователь Заряд”, Техническое описание, классификатор БЫ 2.714.003 - 01 ТО, БЫ.2.008.043ТО, СССР, МОМ, НПО ИТ, М., 1983).

Измеритель “Зонд-Заряд” содержит чувствительный элемент - конденсатор (С), емкость которого за счет электромеханического экспонирования (вибрации) в электростатическое поле подвижного электрода меняется с частотой 300 Гц. Изменение емкости приводит к параметрической модуляции сигнала; перетеканию части заряда конденсатора через нагрузочное сопротивление (R), включенное на вход усилителя. После усиления и синхронного детектирования переменной составляющей на интеграторе (Т_итегр=0,1 сек) выделяют сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине электростатического поля (Е). Для обеспечения линейности выходной характеристики диапазон измерений разбит (10²...^{104 В/м) на три поддиапазона.}

Недостатками ближайшего аналога являются:

- ограничения по ресурсу работы электромеханического вибратора;

- большой дрейф нуля выходного напряжения;

- существенные погрешности измерений при загрязнении рабочей поверхности чувствительного элемента или попадании осадков;

- возможность выхода из строя при воздействии “бросков” электростатических полей вблизи ЛЭП или в грозовой период.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в обеспечении упреждающего (несколько часов) оповещения населения региона о предстоящем землетрясении путем пороговой регистрации сигналов признаков-предвестников датчиками-измерителями, рассредоточенными по сейсмоопасным регионам планеты, и передаче этих сигналов на центральный диспетчерский пункт посредством глобальной сети телекоммуникаций.

Поставленная задача решается тем, что система измерений предвестника землетрясений, включающая распределенное по пространству множество первичных датчиков информации, включенных в глобальную телекоммуникационную сеть для передачи информации от них на центральный диспетчерский пункт, чувствительный элемент в виде цепочки RC, модулятор и усилитель первичного датчика, отличается тем, что первичные датчики рассредоточены по сейсмоопасным регионам планеты на расстояниях менее диаметра зоны подготавливаемого землетрясения с адресом географических координат, записанным в формирователь сообщений датчика, а каждый датчик представляет собой оптоволоконное устройство, содержащее последовательно подключенные источник оптического излучения, градиентную линзу, поляризатор, фазовую пластинку, электростатический поляризационный модулятор, взаимодействующий с чувствительным элементом, анализатор, фотоприемную матрицу, пороговый элемент, аналогово-цифровой преобразователь и формирователь сообщений, синхронизирующий работу порогового элемента, аналогово-цифрового преобразователя и приемопередатчика абонента регионального узла сотовой связи глобальной телекоммуникационной сети путем циклически воспроизводимой программы, записанной в нем.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема устройства;

фиг.2 - функция электростатического поля, возникающего над эпицентральной областью накануне удара.

Функциональная схема системы фиг.1 содержит множество первичных датчиков информации 1, разнесенных по пространству сейсмоопасных регионов на базы 2 и являющихся абонентами регионального узла связи 3, имеющего выход на глобальную телекоммуникационную сеть 4 с центральным диспетчерским пунктом 5. Первичный датчик информации 1 содержит последовательно подключенные светодиод 6, оптическое волокно 7, градиентную линзу 8, поляризатор 9, фазовую пластинку 10, электрооптический поляризационный модулятор 11, взаимодействующий с чувствительным элементом (RC), анализатор 12, фотоприемную матрицу 13, пороговый элемент 14, аналогово-цифровой преобразователь 15, формирователь сообщений 16, синхронизующий работу порогового элемента 14, аналогово-цифрового преобразователя 15 и приемо-передатчика 17 абонента регионального узла сотовой связи 3.

Динамика работы системы и взаимодействия элементов состоит в следующем. Накануне землетрясения, за 7... 12 часов до удара, происходит раскачка очага, сопровождаемая распространением от него сверхнизких литосферных волн, с периодом 3,2... 4,5 час (см., например, Давыдов В.Ф. “Землетрясения. Телеметрия предвестников”, Монография, МГУЛ, М., 2001 г., стр.19). При раскачке, в области механических напряжений зоны подготавливаемого землетрясения, происходит активная эманация ионов различных газов в атмосферу. Непрерывное поступление ионов образует нескомпенсированный заряд в атмосфере, приводящий к возникновению электростатического поля над эпицентральной областью. Функция электростатического поля в атмосфере над подстилающей поверхностью очага иллюстрируется графиком фиг.2. В пространстве эта функция представляет собой некоторый купол, опирающийся на эпицентральную область диаметром 100... 150 км.

Для измерения и регистрации величины возникающего электростатического поля в атмосфере над поверхностью Земли используют первичный датчик информации (1), выполненный на основе оптоэлектронных технологий. В соответствии с эффектом Поккельса (см., например, “Советский энциклопедический словарь” под редакцией А.М.Прохорова, Сов. Энциклопедия, М., 1989 г., стр.1036, “Поккельса эффект”) при приложении к кристаллу электрического поля последний становится анизотропным. Если на вход такого кристалла подать линейно-поляризованную световую волну, то под воздействием электрического поля, вектор которого ортогонален направлению распространения световой волны, происходит поворот плоскости поляризации световой волны, пропорциональный величине Е (в/м) и длине кристалла (l).

Следовательно, представляется возможным осуществлять поляризационную модуляцию проходящей через кристалл световой волны возникающим электростатическим полем без механической вибрации чувствительного элемента, осуществляемой в прототипе. Модуляционная характеристика электрооптического поляризационного модулятора 11 иллюстрируется фиг.3. Электрооптический модулятор 11 выполнен на основе кристалла Bi₁₂SiO₂₀, противоположные грани которого, металлизированные напылением, образуют конденсатор С чувствительного элемента, вторая обкладка которого посредством сопротивления R соединена с землей, а первичная обкладка постоянно экспонирована в измеряемое электростатическое поле. Постоянная времени цепочки RC выбрана большой, для исключения ложных срабатываний датчика при импульсных выбросах измеряемого поля. При возникновении электростатического поля в атмосфере конденсатор заряжается до величины U=d· Е, где d - расстояние между противоположными гранями кристалла. Выбирая длину кристалла (Ј) и толщину между противоположными гранями (d), обеспечивают расчетный диапазон угла поворота плоскости поляризации светового луча, канализируемого в кристалл от световода 6 через оптическое волокно 7 посредством градиентной линзы 8. Поляризатор 9 обеспечивает линейную поляризацию вводимой в кристалл световой волны. Фазовая пластинка 10 служит для выбора рабочей точки на линейном участке модуляционной характеристики (фиг.3). С выхода модулятора 11 световой поток поступает на анализатор 12 и фотоприемную матрицу 13, работающую в режиме непосредственного отсчета и служащую для преобразования светового потока в электрический сигнал. Величина фототока на выходе фотоприемной матрицы пропорциональна углу поворота плоскости поляризации промодулированного светового потока (см., например, “Датчики теплофизических и механических параметров”, Справочник, том 1, кн.1, под редакцией Ю.Н.Коптева, изд-во журнала “Радиотехника”, М., 1998 г, стр. 117-118, “Волоконно-оптические датчики поляризационного типа).

С выхода фотоприемной матрицы 13 электрический сигнал подается на пороговый элемент 14, выполненный по схеме (см., например, “Справочник по радиоэлектронным устройствам”, том 1, под редакцией А.А.Куликовского, изд-во “Энергия”, М., 1978 г., стр. 33 9-3 46, § 4.3 Электронные ключи). Атмосферное электрическое поле, как часть глобальной электрической цепи Земля - ионосфера, может меняться на поверхности земли от 50 до 200 В/м, в зависимости от географических координат. В присутствии постоянного источника ионизации, каковым является эманация радона в атмосферу в сейсмоактивной области, величина аномального электростатического поля достигает значений нескольких кВ/м. Если фоновое электростатическое поле атмосферы находится на уровне <200 В/м, то представляется целесообразным пороговый уровень, сигнализирующий об аномальном возрастании контролируемой величины, выбирать в несколько раз выше фонового.

Как известно, (см., например, С.А.Вакин, Л.Н.Шустов “Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки” Сов. Радио, М., 1968 г., стр.20-23 “Критерии риска”) выбор между двумя альтернативными гипотезами (“помеха” и “сигнал-помеха”) на основе выборки измерений, получаемой на интервале наблюдений (0... Т) может быть осуществлен с помощью ряда критериев: Байеса, Неймана-Пирсона, Зигерта-Котельникова и др. Во всех случаях это решение принимается на основе вычисления отношения правдоподобия. Для снижения вероятности ложной тревоги и повышения достоверности обнаружения истинного события в системе применено два режима:

а) сигнальный режим с высоким уровнем порогового напряжения, в 3-4 раза превышающий фоновый уровень;

б) режим последующих дискретных измерений амплитуды электростатического поля, превосходящий по уровню пороговый.

Сигнальный режим реализуется пороговым элементом 14. Режим последующих дискретных измерений реализуется аналогово-цифровым преобразователем 15 и схемой формирования сообщений 16. Пороговый уровень напряжения элемента 14 задается программой, записанной в постоянном запоминающем устройстве схемы 16. Схема формирования сообщений 16 содержит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферное запоминающее устройство (БЗУ) и модем приемо-передатчика 17 - абонента регионального узла сотовой связи 3. В ПЗУ размещают кодовую посылку с индивидуальным адресом первичного датчика, а также программу режимов его функционирования. БЗУ служит для размещения цифровой бинарной последовательности текущей выборки измерений. При превышении измеряемой величины (Е) порогового уровня, задаваемой программой режимов измерений, срабатывает ключевой элемент 14 и сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь 15. Текущая амплитуда сигнала Е (x, y, t) квантуется аналогово-цифровым преобразователем с дискретностью измерений Δ t в стандартной шкале 0... 256 уровней, задаваемой программой режимов измерений. По заполнении БЗУ идет вызов от абонента сотовой сети в региональный узел связи, а формирователь после приема вызова выдает сообщение, состоящее из адреса датчика и текущей выборки измерений. После передачи сообщения режим измерений циклически воспроизводится по заложенной программе. Имеется возможность оперативно, по командам центрального диспетчерского пункта 5, изменять режимы функционирования и цикличность измерений путем перезакладки программы в ПЗУ посредством приемопередатчика сотового абонента. Технические характеристики существующих сотовых абонентов позволяют реализовать перечисленные функциональные возможности схемы формирования сообщений 16 в составе элементов ПЗУ, БЗУ, модема без каких-либо существенных доработок (см., напримep,Интернет.http://motorola/ru/products/personal-communication/celluar comunication.- pdf/ Data - Connectivity, pdf.

Все перечисленные выше элементы системы выполнены по известным типовым электронным схемам и могут быть реализованы на существующей элементной базе. Аналогово-цифровой преобразователь выполнен на интегральной плате ЛА-20, совместимой по стандартным входным-выходным сечениям с контроллерами персональных ЭВМ типа IBM (см., например, Якубовский Б. И. др. “Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы”, Справочник, Радио и связь, М., 1990 г.).

Получаемая в центре выборка дискретных измерений электростатического поля Σ _i (x, y, t) является функцией как пространственных координат (х, у), так и текущего времени (t). В зарегистрированной выборке измерений содержится информация как о координатах гипоцентра очага, так и о динамике нарастания напряженности электростатического поля, связанной с динамикой раскачки очага и временем ожидаемого удара.

Осуществляя принудительный вызов с центрального диспетчерского пункта сигналов датчиков, смежных с “откликнувшимся” первичным датчиком (регулируя пороговый уровень смежных датчиков), получают дополнительные выборки измерений из нескольких точек сейсмоопасного региона. Программной обработкой в центральном диспетчерском пункте всего массива измерений прогнозируют характеристики ожидаемого землетрясения и осуществляют оповещение населения. Эффективность системы определяется такими показателями как достоверность, оперативность, глобальность, надежность. Осуществляя сбор отсчетов измерений в разнесенных точках пространства, достигается высокая достоверность обнаружения контролируемого события. Точность и надежность обеспечиваются выбором оптоэлектронной базы измерителей, а глобальность - использованием глобальной телекоммуникационной сети.

Изобретение может быть использовано в сейсмологии, наземно-космических средствах мониторинга природных сред. Согласно заявленному способу обеспечение упреждающего оповещения населения региона о предстоящем землетрясении осуществляется путем пороговой регистрации сигналов признаков-предвестников датчиками-измерителями, рассредоточенными по сейсмоопасным регионам планеты и передачи этих сигналов на центральный диспетчерский пункт посредством глобальной сети телекоммуникаций. Осуществляя принудительный вызов с центрального диспетчерского пункта сигналов датчиков, смежных с “откликнувшимся” первичным датчиком (регулируя пороговый уровень смежных датчиков), получают дополнительные выборки измерений из нескольких точек сейсмоопасного региона. Программной обработкой в центральном диспетчерском пункте всего массива измерений прогнозируют характеристики предвестника землетрясения и осуществляют оповещение населения. Технический результат: повышение информативности систем оповещения населения. 3 ил.

Система измерений предвестника землетрясений, включающая распределенное по пространству множество первичных датчиков информации, включенных в глобальную телекоммуникационную сеть для передачи информации от них на центральный диспетчерский пункт, чувствительный элемент в виде цепочки RC, модулятор и усилитель первичного датчика, отличающаяся тем, что первичные датчики рассредоточены по сейсмоопасным регионам планеты на расстояниях менее диаметра зоны подготавливаемого землетрясения с адресом географических координат, записанном в формирователь сообщений датчика, а каждый датчик представляет собой оптоволоконное устройство, содержащее последовательно подключенные источник оптического излучения, градиентную линзу, поляризатор, фазовую пластинку, электрооптический поляризационный модулятор, взаимодействующий с чувствительным элементом, анализатор, фотоприемную матрицу, пороговый элемент, аналогово-цифровой преобразователь и формирователь сообщений, синхронизирующий работу порогового элемента, аналогово-цифрового преобразователя и приемопередатчика абонента регионального узла сотовой связи глобальной телекоммуникационной сети путем циклически воспроизводимой программы, записанной в нем.