ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРИЗНАКА-ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к геофизике и может найти применение при создании глобальной космической системы сейсмического контроля.

Очаг землетрясения представляет собой некоторую неоднородность в верхней мантии Земли, в которой с момента ее возникновения до момента удара накапливаются напряжения в виде потенциальной энергии сжатия породы. В потенциальном поле напряжений земной коры возникают аномалии в других средах: атмосфере, ионосфере, магнитосфере Земли, проявляющие себя в виде признаков-предвестников землетрясений. В последнее время, см., например. Патенты RU № 2181495; № 2239852; № 2256199; № 2262125; № 2273869, выявлен ряд новых динамических признаков-предвестников таких, как возникновение в ионосфере накануне удара волн плотности электронной концентрации и изменение поляризации электромагнитного поля восходящего излучения Земли над очагом землетрясения.

Известна «Система прогнозирования землетрясений». Патент RU № 2276392, 2006 г. - аналог.

Система аналога содержит группировку космических аппаратов с высотой орбит, проходящих непосредственно через ионосферные образования, с установленным на каждом из них измерителем электронной концентрации ионосферы, систему регистрации измеряемых параметров и передачи результатов измерений на наземные пункты, средства наземной обработки сигнала и прогнозирования параметров землетрясения, при этом измеритель электронной концентрации ионосферы содержит неподвижный электрод, подключенный к корпусу космического аппарата и подвижный электрод, периодически экспонируемый в ионосферную плазму за счет электромеханической вибрации, а система регистрации включает усилитель - синхронный детектор параметрически модулированного сигнала, пороговый элемент, связанный с программируемой схемой выборки измерений, которая связана также с БКУ и последовательно подключенными измерителем электронной концентрации ионосферы, усилителем - синхронным детектором параметрически модулированного сигнала, пороговым элементом, устройствами регистрации измеряемых параметров и передачи результатов измерений на наземные пункты.

К недостаткам аналога можно отнести:

- существенные суточные (день, ночь) изменения плотности электронной концентрации слоев ионосферы, превышающие амплитуду волн признака-предвестника и снижающие достоверность прогноза землетрясений;

- необходимость размещения космических аппаратов на высоте ионосферных слоев, 230-260 км, ограничивающая время активного существования системы низкоорбитальных КА одним - тремя месяцами.

Ближайшим аналогом с заявляемым техническим решением является «Способ прогнозирования землетрясений». Патент RU №2262125, 2005 г. В способе ближайшего аналога получают изображение подстилающей поверхности в виде зависимости амплитуды сигнала собственного излучения А (x, y) от пространственных координат по каналам приема многолучевой антенны СВЧ-диапазона с линейной поляризацией. Формируют синтезированную матрицу из ортогональных по поляризации модулей попиксельных разностей изображений идентичных участков поверхности, получаемых на нисходящем и восходящем витках орбит космических аппаратов. В обработку включают те пиксели, где текущий модуль разности выше порогового. Рассчитывают направляющий косинус текущего модуля разности. Отслеживают изменение его длины L по серии синтезируемых матриц и вычисляют постоянную времени Т отслеживаемого процесса. Прогнозируют время и магнитуду удара по расчетному значению Т.

Устройство ближайшего аналога содержит измеритель поляризационных аномалий, установленный на космическом носителе, работающий по программам, закладываемым в бортовой комплекс управления из центра управления полетом и включающий многолучевую антенну СВЧ-диапазона с линейной поляризацией, каналы приема восходящего излучения для получения регистрограмм измерений, тракт передачи информации на наземные пункты, тракт наземной обработки регистрограмм и формирования синтезированной матрицы изображения подстилающей поверхности на средствах ПЭВМ.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- неодновременность получения ортогональных по поляризации снимков антенной с линейной поляризацией на восходящем и нисходящем витках, что ведет к неадекватности обрабатываемых изображений и снижает достоверность прогноза;

- для получения изображений подстилающей поверхности зоны подготавливаемого землетрясения необходимо знание координат очага землетрясения, которые априорно неизвестны;

- большие массивы информации, подлежащие передаче и обработке, сложность алгоритмов формирования синтезированной матрицы, что приводит к неоправданным затратам ресурсов и уменьшению интервала времени упреждающего прогноза.

Задача, решаемая заявляемым измерителем, состоит в достоверности обнаружения и идентификации очаговых зон подстилающей поверхности по поляризационному признаку, отслеживании динамики изменения поляризационного признака по серии проходов космического аппарата над очаговой зоной и достоверном прогнозе параметров ожидаемого удара по характеристикам регистрограмм.

Технический результат достигается тем, что в измеритель признака-предвестника землетрясений, установленный на космическом носителе, работающий по программам, закладываемым в бортовой комплекс управления из центра управления полетом, включающий каналы приема собственного восходящего излучения Земли СВЧ-диапазона, пороговое устройство, тракт передачи регистрируемой информации на наземные пункты и тракт ее программной обработки дополнительно введены две спиральные антенны с вращающейся поляризацией правого и левого направления вращения, одна из которых подключена к первому входу фазового детектора, а вторая, через фазовращатель ко второму его входу, результирующий сигнал с выхода которого поступает на вход последовательно подключенных пороговой схемы, аналогово-цифрового преобразователя и устройства записи, режим работы которых задает бортовой комплекс управления.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема измерителя;

фиг.2 - изменение годографа вектора поляризации восходящего излучения над очаговой зоной;

фиг.3 - передаточная характеристика фазового детектора;

фиг.4 - изменения кривизны регистрограмм во времени и пространстве;

фиг.5 - функция изменения амплитуды сигнала над очаговой зоной во времени.

Функциональная схема измерителя предвестника землетрясения фиг.1 содержит: космический носитель 1, две спиральные антенны правого 2 и левого 3 направления вращения поляризаций, фазовращатель 4, фазовый детектор 5, пороговый элемент 6, аналогово-цифровой преобразователь 7, устройство записи сигнала 8, бортовой комплекс управления 9, радиолинию управления 10, центр управления полетом 11, бортовую телеметрическую систему 12, автономную радиолинию сброса регистрируемой информации 13, наземный пункт приема информации 14, Геофизический центр тематической обработки информации 15 в составе архива данных 16, ПЭВМ 17 в комплектации: процессор 18, оперативное запоминающее устройство 19, винчестер 20, дисплей 21, принтер 22, клавиатура 23, сервер сети «Интернет» 24.

Техническая сущность изобретения и динамика взаимодействия элементов измерителя состоят в следующем. Накопление потенциальной энергии механических напряжений в области очага землетрясения связано с протеканием других процессов: образованием трещин, возникновением сколов, изменением электрического сопротивления земной коры, увеличением плотности теллурических токов, возникновением электростатического поля вдоль разломов, поворотом дипольных молекул воды в приповерхностном слое. В результате, собственное восходящее излучение Земли над очаговой зоной приобретает преимущественную поляризацию вдоль осей сжатия, как это иллюстрируется фиг.2. В отсутствие напряжений в земной коре восходящее излучение не поляризовано, т.е. имеет круговую поляризацию. Чем больше напряжения в земной коре, тем больше вытянут эллипс поляризации. Для обнаружения и измерения поляризационного признака-предвестника в измерителе используют две спиральные антенны правого и левого направления вращения поляризаций. Эллиптически поляризованную волну можно трактовать:

- либо как результат интерференции двух линейно поляризованных взаимно перпендикулярных полей одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе;

- либо как результат интерференции двух полей круговой поляризации одинаковой частоты, но с противоположными направлениями вращения и разными амплитудами [см., например, А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко «Антенно-фидерные устройства», учебник, Сов. радио, М., 1961 г. стр.677. Антенны с вращающейся поляризацией, стр.688-694, Спиральные антенны]. Таким образом, изменение формы поляризационного эллипса можно трактовать как изменение фазовых соотношений между двумя типами волн. Известно, также, что фазовые скорости электромагнитных волн круговой поляризации разного направления вращения, распространяющихся в намагниченном феррите различны [см. там же, стр.739]. Для регулирования фазовых соотношений между электромагнитными волнами, принимаемыми антеннами 2, 3 введен фазовращатель 4. Он может быть выполнен по схеме [см. там же, «Антенно-фидерные устройства», стр.744-745, рис.XIX.41., направленный фазовращатель]. Посредством фазовращателя, для восходящего излучения круговой поляризации, устанавливают фазовый сдвиг между волнами, принимаемыми антеннами 2, 3, равный π/2. Далее обе волны воздействуют на фазовый детектор 5. Сигнал на выходе фазового детектора определяется соотношением:

где U₁, U₂ - амплитуды сигналов в антеннах соответственно;

К_д - коэффициент усиления (детектирования) электронной схемы детектора;

ϕ - разность фаз между волнами антенн 2, 3.

При круговой поляризации восходящего излучения и постоянном фазовом сдвиге одной из волн в фазовращателе на π/2 сигнал на выходе фазового детектора равен нулю. При отклонении поляризации восходящего излучения от круговой, на выходе фазового детектора появляется сигнал, амплитуда которого пропорциональна степени вытянутости эллипса поляризации. Фазовый детектор может быть выполнен по типовой электронной схеме [см., например, «Радиоприемные устройства». Сборник задач и упражнений по курсу, учебное пособие под редакцией В.И.Сифорова, М., Радио и связь, 1984 г., стр.84, рис.5.11, Фазовый детектор]. С выхода фазового детектора 5 сигнал поступает на вход пороговой схемы 6. Для исключения ложной тревоги в измерителе используют два режима:

а) сигнальный режим обнаружения очага землетрясения, соответствующий превышению сигналом уровня выше установленного порога;

б) режим последующих текущих измерений.

Величина порогового напряжения элемента 6 определяется суточной программой измерений, закладываемой в БКУ 9 посредством радиолинии управления 10 из ЦУПа 11. Функционально программа представляет собой массив 32- и 64-разрядных слов. Каждое слово программы имеет временную часть и исполнительную. Во временную часть слова, записанного в БКУ, поступают метки бортового времени. При совпадении записанного числа разрядов временной части с бортовым временем измеритель переводится в дежурный режим. При превышении сигналом порогового уровня, записанного в исполнительной части программы, реализуется функциональная часть программы. Величина установленного порогового напряжения может оперативно изменяться по командам из ЦУПа.

Для повышения достоверности обнаружения очагов используют двусторонний порог ограничения в пороговом устройстве, выполненном по схеме [см., например, Справочник по радиоэлектронным устройствам под ред. А.А.Куликовского, М., Энергия, 1978 г., т.1, §4.3, Электронные ключи, стр.339-346]. Поскольку в современных телеметрических системах используют цифровые методы передачи, аналоговый сигнал с выхода пороговой схемы квантуют в стандартной шкале 0...256 уровней измерений посредством аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 7. АЦП представляет собой стандартную плату типа ЛА-20, выполненную в виде контроллера, совместимого по стандартным сечениям с БЦВМ БКУ [см., например, Якубовский Б. и др. Справочник «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы», М., Радио и Связь, 1990 г.].

Форма функции регистрируемого сигнала над очаговой зоной по трассе полета иллюстрируется фиг.4. Точку максимальной кривизны регистрограммы отождествляют с гипотетическим центром очага землетрясения. По серии проходов космического аппарата получают семейство регистрограмм измерений, из которых отслеживают динамику изменения максимальной амплитуды сигнала. Изменение максимальной амплитуды сигнала во времени над очаговой зоной (как и в ближайшем аналоге) имеет экспоненциальную зависимость и иллюстрируется фиг.5. Из семейства регистрограмм рассчитывают постоянную времени процесса по зависимостям аналогов:

где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между двумя последовательными измерениями регистрограмм,

А₁, А₂, А₃ - максимальные амплитуды регистрограмм соответственно,

A₀ - предельная амплитуда (установившееся значение) накануне удара,

По расчетной величине Т ожидаемое время удара: t_у=4,7T, а ожидаемая магнитуда удара рассчитывается из формулы по признаку накопления деформаций: lg t_у[сут]=0,77М - 4,4, [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции, сборник, РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г, стр.10].

Эффективность измерителя оценивается такими параметрами, как избирательность, чувствительность, оперативность, достоверность. В измерителе реализовано взаимодействие двух волн по высокой частоте с последующим сравнением фаз на фазовом детекторе. Измеритель реагирует только на поляризационные аномалии, что исключает помехи тепловых шумов. Потенциально, примененные способы и схемное решение обеспечивают более высокую избирательность, превосходящую известные аналоги.

Изобретение относится к области геофизики и может найти применение при создании глобальной космической системы сейсмического контроля. Сущность: измеритель, установленный на космическом носителе, работает по программам, закладываемым в бортовой комплекс управления из центра управления полетом. Измеритель включает каналы приема собственного восходящего излучения Земли СВЧ-диапазона, пороговое устройство, тракт передачи регистрируемой информации на наземные пункты и тракт ее программной обработки. Дополнительно в измеритель введены две спиральные антенны с вращающейся поляризацией правого и левого направления вращения. Одна из антенн подключена к первому входу фазового детектора, а вторая через фазовращатель - ко второму входу фазового детектора. Результирующий сигнал с выхода фазового детектора поступает на вход последовательно подключенных пороговой схемы, аналого-цифрового преобразователя и устройства записи, режим работы которых задает бортовой комплекс управления. Технический результат: повышение достоверности прогноза. 5 ил.

Измеритель признака-предвестника землетрясений, установленный на космическом носителе, работающий по программам, закладываемым в бортовой комплекс управления из центра управления полетом, включающий каналы приема собственного восходящего излучения Земли СВЧ-диапазона, пороговое устройство, тракт передачи регистрируемой информации на наземные пункты и тракт ее программной обработки, отличающийся тем, что введены две спиральные антенны с вращающейся поляризацией правого и левого направления вращения, одна из которых подключена к первому входу фазового детектора, а вторая через фазовращатель ко второму его входу, результирующий сигнал с выхода которого поступает на вход последовательно подключенных пороговой схемы, аналогово-цифрового преобразователя и устройства записи, режим работы которых задает бортовой комплекс управления.