КОРРЕЛЯТОР СИГНАЛОВ-ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2006 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к сейсмологии и может найти применение в национальных системах геофизического контроля для прогнозирования землетрясений.

Среди краткосрочных признаков-предвестников грядущего землетрясения, проявляющихся за 1,5-2 суток до удара известны такие, как:

- раскачка очага землетрясения, сопровождаемая распространением от него сверхнизких литосферных волн, см., например, "Способ предсказания землетрясений", Патент RU № 2170446, 2001 г;

- возникновение в атмосфере электростатического потенциала в виде купола диаметром 100-150 км, опирающегося на эпицентральную часть очага, с напряженностью поля до 1 м², см., например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов", сборник "Доклады конференции" ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, -М., 1998 г., с.27;

- падение атмосферного давления над очаговой зоной подготавливаемого землетрясения на 40-80 мм рт.ст., см., например, Давыдов В.Ф. "Землетрясения. Телеметрия предвестников", монография, РАЕН, из-во МГУЛ. -М., 2001 г., с.20, рис.10.

Для измерения электростатических полей в атмосфере используют серийно выпускаемый измерительный прибор "Зонд-Заряд" - аналог (см., например, "Датчик электрического поля Зонд-3" Техническое описание; классификатор БЫ2.714.003-01ТО, СССР, НПО ИТ, MOM, -М., 1983 г., "Преобразователь Заряд", Техническое описание, классификатор БЫ.2.008.043 ТО, СССР, НПО ИТ, MOM, -М., 1983 г.).

Устройство аналога содержит неподвижный электрод, подключенный к заземленному корпусу и подвижный электрод, который периодически экспонируется в атмосферное поле путем электромеханической вибрации, а система регистрации включает усилитель - синхронный детектор параметрически модулированного сигнала. Переменным параметром является емкость между неподвижным и подвижным электродами. Сигнал на выходе измерителя (величина выпрямленного тока после детектора) пропорционален напряженности электростатического поля в атмосфере в окрестности подвижного электрода.

Недостатками устройства-аналога являются:

- не селектируется разница электростатических полей, например, грозовых образований и возникающего поля признака-предвестника;

- значительный участок нечувствительности при измерениях слабых полей из-за релаксирующего действия турбулентной атмосферы;

- не устанавливается зависимость между величиной измеряемого параметра и характеристиками ожидаемого землетрясения.

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является "Измеритель предвестника землетрясения", Патент RU № 2205432, G 01 V 9/00, 2003 г.

Устройство ближайшего аналога содержит два параллельных канала измерений, разнесенных на измерительной базе в составе первичных датчиков электростатического поля, с помещенными между обкладками их конденсаторов электрооптическими датчиками, запитываемых от генератора оптического излучения через симметричные плечи волоконно-оптических линий. Промодулированный в электрооптических датчиках световой поток воспринимается фотоприемниками, нагруженными на дифференциальную мостовую схему, выход которой подключен к последовательной цепочке из порогового элемента, аналогово-цифрового преобразователя, буфера-накопителя и компьютера в наборе элементов: процессора, оперативного запоминающего устройства, винчестера, дисплея, принтера, клавиатуры. Процессор подключен к программируемой схеме выборки, синхронизирующей работу порогового элемента, АЦП и буфера-накопителя.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- большой участок нечувствительности первичных датчиков электростатического поля;

- недостаточная достоверность контроля ожидаемого события из-за использования сигнала только одного признака-предвестника.

Задача, решаемая заявленным устройством, состоит в повышении чувствительности, достоверности обнаружения и расширении интервала времени упреждающего прогнозирования характеристик ожидаемого землетрясения путем корреляционной обработки сигналов нескольких признаков-предвестников.

Поставленная задача решается тем, что коррелятор сигналов-предвестников землетрясений, содержащий два параллельных канала измерений, разнесенных по пространству на базе, включающих датчик электростатического поля, генератор оптического излучения, фотоприемник, аналогово-цифровой преобразователь, буфер-накопитель, программируемую схему выборки измерений, синхронизирующей работу аналогово-цифрового преобразователя и буфера-накопителя, подключенного к компьютеру в составе элементов: процессора, оперативного запоминающего устройства, винчестера, дисплея, принтера и клавиатуры дополнительно в качестве чувствительного элемента второго канала имеет датчик концентрации водорода в атмосфере воздуха, с выхода измерительных каналов массивы измерений сигналов-предвестников вводят в компьютер, по специально разработанной математической программе для компьютера осуществляют программный расчет взаимной корреляционной функции сигналов, а по среднеквадратическому изменению амплитуды этой функции во времени прогнозируют характеристики предстоящего землетрясения.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 показана функциональная схема коррелятора;

фиг.2 - изменение электростатического потенциала в атмосфере над очагом накануне землетрясения;

фиг.3 - изменение атмосферного давления над очагом при эманации легких газов в атмосферу;

фиг.4 - зависимость величины среднего тока на выходе измерительных каналов от величины параметров признаков-предвестников;

фиг.5 - функция взаимной корреляции сигналов признаков-предвесников;

фиг.6 - изменение среднеквадратического значения амплитуды функции взаимной корреляции перед ударом.

Коррелятор сигналов предвестников землетрясений фиг.1 содержит два параллельных канала 1, 2 измерений, разнесенных по пространству на базу 3. Канал 1 служит для измерений электростатического поля в атмосфере и содержит последовательно подключенные преобразователь 4 типа "Зонд", синхронный детектор 5, типа "Заряд", аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 6, буфер-накопитель измерений 7. Канал 2 служит для измерений концентрации водорода в атмосфере воздуха и содержит последовательно подключенные генератор оптического излучения (светодиод) 8, измерительный элемент - датчик концентрации водорода 9, фотоприемник 10, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) 11, буфер-накопитель измерений 12. Синхронизацию измерений обоих каналов (управление работой АЦП и буфера-накопителя) осуществляет программируемая схема выборки измерений 13, подключенная к компьютеру 14 в составе элементов: процессора 15, оперативного запоминающего устройства 16, винчестера 17, дисплея 18, принтера 19, клавиатуры 20. Поток измерений сигналов-предвестников с выхода каналов 1, 2 в виде кадров, формируемых в буфере-накопителе 7, 12 пересылается в компьютер 14. Программируемая схема выборки 13 задает режим работы каналов: темп измерений, скважность, число разрядов измерений, привязку измерений ко времени, число измерений в кадре. Программа измерений формируется в компьютере 14 и пересылается в программируемую схему выборки измерений 13. Имеется возможность оперативно изменять режим работы измерительных каналов 1, 2 путем изменения программы, закладываемой в программируемую схему выборки измерений 13.

Динамика взаимодействия элементов системы состоит в следующем. Накануне землетрясения (одна из перспективных гипотез причины их возникновения) происходит активное проникновение водорода из глубин земли через разломы в земной коре. Проникновение водорода изменяет характер нелинейных связей между слоями земной коры, в результате чего возникает ее структурная неустойчивость, заканчивающаяся землетрясением (переукладкой слоев). Активная эманация водорода в атмосферу образует некомпенсированный заряд кулоновского электричества, создающего электростатическое поле над очагом, величиной несколько м². Пример регистрации такого поля иллюстрируется фиг.2.

Избыточная концентрация водорода в воздухе изменяет его средний молекулярный вес, что приводит к падению атмосферного давления над очагом в пропорции порядка 20 мм рт.ст. на 1% содержания водорода. Зарегистрированное при землетрясении на полигоне МЧС "Кавказские минеральные воды" падение давления иллюстрируется фиг.2. Однако в начале переходного процесса и величина электростатического заряда и величина концентрации водорода малы. К тому же из-за турбулентности атмосферного воздуха по погодным условиям происходит нейтрализация атмосферного заряда, а высокоточные измерители концентрации водорода отсутствуют. Невозможность достоверного контроля начала переходного к землетрясению процесса сокращает интервал времени упреждающего прогноза его характеристик.

В технике для обнаружения слабых над уровнем шумов сигналов используют методы корреляционного приема (см., например, "Теоретические основы радиолокации", под редакцией В.Е.Дулевича, учебник для ВУЗов, Сов. радио, -М., 1964 г., с.223-226, корреляционный прием).

При современном развитии вычислительной техники методы корреляционного анализа легко реализуются специальными математическими программами расчета на ПЭВМ.

В заявленном устройстве признаки-предвестники Е, В/м и Н, % преобразуются на выходе измерительных каналов в функции зависимости величины среднего тока I_E(t), I_H(t) от времени. Исходные функции иллюстрируются графиками на фиг.4. Степень подобия двух процессов оценивают функцией взаимной корреляции (см., например, Заездный А.М. "Основы расчетов по статистической радиотехнике", -М., Связьиздат, 1969 г., с.92-95). По определению функцию взаимной корреляции вычисляют так:

где 2Т - временной интервал, на котором оценивают степень коррелированности наблюдаемых процессов.

Расчет функции взаимной корреляции по массиву измерений I_E(t) и I_H(t) осуществляют по следующей специализированной программе.

Текст программы

program correlator;

uses crt;

const

nnI=500;

nnR=2*nnI;

T_=1.0;

type

Imass=array[-nnR..nnR] of real;

Rmass=array[-nnR..nnR] of real;

var

IE, IH:Imass;

REH:Rmass;

fi, fr:text;

dt:real;

nI, nR, i:integer;

procedure Int (var IE, IH:Imass; var REN:Rmass; Т_, dt:real);

var i, j:integer;

begin

for i:=-nI to nI do

begin

REH[i]:=0;

for j:=-nI to nI do

begin

REH[i]:=REH[i]+1.0/(2*T_)*IE[j]*IH[j+i]*dt

end;

end;

end;

begin

cirscr;

assign (fi, 'data.pas');

reset (fi);

readln(fi, nI); nR:=2*nI;

dt:=T_/nI;

for i:=-nR to nR do readln (fi, IE[i], IH[i]);

close (fi);

for i:=-nR to nR do writeln (IE[i]:10:5, IH[i]:10-5);

Int (IE, IH, REH, T_, dt);

assign (fr, 'rez.pas');

rewrite (fr);

for i:=-nI to nI do writeln (fr, REH[i]:10:5);

close(fr);

end.

Результат расчета иллюстрируется графиками функции В_E,H(τ) фиг.5. Исходя из динамики развития сейсмического процесса (см., например, патенты RU № 2170446, 2001 г., № 2183844, 2002 г., № 2208239, 2003 г.) интервал выборки измерений для анализа составил: 2Т=15 мин при количестве измерений в выборке не менее 10³. Приведенные графики фиг.5 (а, 6, в) соответствуют скважности расчетов 6 ч. Электростатический потенциал атмосферы, как часть глобальной цепи атмосфера-земля, изменяется в пределах от 50 до 200 В/м. В отсутствии активной эманации водорода функции I_E(t) и I_H(t) не коррелированны, график фиг.5а. Затем, по мере протекания сейсмического процесса, прослеживается корреляция наблюдаемых признаков-предвестников фиг.5б. И, наконец, непосредственно перед ударом мощность процесса нарастает и соответственно функции I_E(t) и I_H(t) жестко коррелированны фиг.5в.

По определению (см. там же. Заездный А.М. "Основы расчетов по статической радиотехнике") значение корреляционной функции в нуле B_E,H(τ=0) есть мощность (дисперсия D) процесса, а его среднеквадратическое значение - есть огибающая процесса. Отслеживая изменения огибающей во времени (программным расчетом функции B_E,H(τ)), получают функцию переходного процесса σ(t), график которой иллюстрируется фиг.6. При этом характеристики ожидаемого землетрясения прогнозируют по известным аналитическим соотношениям.

Ожидаемое время удара t_y, отсчитываемое от начала функции σ(t), составляет t_y≈4,7 T, где Т - постоянная экспоненты функции σ(t). Магнитуда удара из соотношения: Lgt_y[cym]≈0,54 M - 3,37. Место удара - в районе размещения измерителей. Если диаметр зоны подготавливаемого землетрясения оценивают в 100-150 км, то база разноса измерителей не должна превышать радиуса зоны т.е. <50 км.

Новым элементом устройства по сравнению с аналогом и прототипом является датчик концентрации водорода в атмосфере воздуха. В качестве такого датчика может быть использован электрооптический резонатор, выполненный на отрезке дырчатого оптического волокна (см., например, Желтиков А.М. "Дырчатые волноводы", журнал "Успехи физических наук", том-170, № 11, ноябрь 2001 г., а также "Брэгговские решетки в оптических системах передачи", Интернет, www.tttl.ru).

Пока период изменения показателя преломления оптического волокна равен удвоенной длине волны генератора 8, излучение испытывает полное внутреннее отражение. При этом часть энергии излучения тратится на нагрев металлической пленки, осажденной на продольный срез волокна. В результате линейного расширения пленки отрезок волокна изгибается, изменяется период брэгговской решетки и она становится прозрачной для данной длины волны. Далее металлическая пленка охлаждается воздушной средой, и отрезок волокна за счет внутренней жесткости принимает исходную форму. Варьируя мощностью оптического генератора, частоту колебаний волокна можно приблизить его к резонансной частоте и ввести в резонанс. Чем больше концентрация водорода, тем меньше инерционность (теплоемкость) среды, тем больше частота переключений. Увеличение концентрации водорода приводит к увеличению тока фотоприемника, как это иллюстрируется графиком фиг.4.

Эффективность устройства характеризуется такими показателями, как чувствительность, достоверность, срок службы, уровень автоматизации обработки измерений.

Благодаря использованию оптоволоконных элементов существенно увеличивается чувствительность и ресурс. Программный расчет обеспечивает высокий уровень автоматизации, а отслеживание события по степени коррелированности сигналов двух признаков-предвестников повышают достоверность примерно на порядок.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в национальных системах наблюдения. Заявленный коррелятор сигналов-предвестников землетрясений содержит два канала измерений, один из которых служит для измерения электростатического потенциала в атмосфере на основе датчика "Зонд-заряд", а другой - для измерения концентрации водорода в атмосфере над очагом, выполненный на отрезке дырчатого волокна, запитываемого оптическим генератором. Сигналы на выходе пропорциональны амплитуде наблюдаемых параметров. После оцифровки сигналов аналогово-цифровым преобразователем по специально разработанной программе для ПЭВМ вычисляется взаимная корреляционная функция сигналов, рассчитывается огибающая амплитуды данной функции во времени, по которой прогнозируют характеристики ожидаемого удара. Технический результат: повышение достоверности и расширение интервала времени упреждающего прогнозирования характеристик землетрясения. 6 ил.

Коррелятор сигналов-предвестников землетрясений, содержащий два параллельных канала измерений, разнесенных по пространству на базе, включающих датчик электростатического поля, установленный в первом измерительном канале, и датчик концентрации водорода в атмосфере воздуха в качестве чувствительного элемента второго измерительного канала, генератор оптического излучения, фотоприемник, аналого-цифровой преобразователь, буфер-накопитель, программируемую схему выборки измерений, синхронизирующей работу аналогово-цифрового преобразователя и буфера накопителя, подключенного к компьютеру, причем сигналы-предвестники преобразуются на выходе измерительных каналов в функции зависимости величины среднего тока от времени, а степень подобия двух процессов оценивают функцией взаимной корреляции, по динамике огибающей которой прогнозируют параметры землетрясения.