ШЛЕМ КОСМОНАВТА ВИЗУАЛЬНОГО НАБЛЮДЕНИЯ ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2011 года по МПК G01V8/02 G02B23/00 

Изобретение относится к геофизике, в частности к дистанционному зондированию Земли космическими средствами, и может быть использовано в национальных системах прогнозирования глобальных катастроф.

В областях подготовки землетрясений наблюдаются аномалии различных физических полей, проявляющие себя в виде признаков-предвестников, которые могут быть обнаружены при наблюдениях из космоса.

В частности, накануне удара в зоне подготавливаемого землетрясения наблюдается активная эманация различных газов (H₂, Не, Rn…) в атмосферу, приводящая к образованию нескомпенсированного заряда кулоновского электричества и возникновению над зоной электростатического поля напряженностью в несколько кВ/м в виде купола, с диаметром основания ~150…200 км [см. Патент RU №2229736, 2004 г. «Регистратор предвестника землетрясений»]. Установлено также «Явление возникновения поляризационных аномалий электромагнитного поля над очагом землетрясения», Научное открытие №336, 2007 г. Изменение поляризации наблюдается как в потоке восходящего (ИК, СВЧ) электромагнитного излучения Земли, так и в световом потоке видимого диапазона, отраженном от «купола» [см. В.В.Потоцкий, «Научные открытия, идеи, гипотезы, 1992-2007 г., Информационно-аналитический обзор, М.: МААНОИ, 2008 г., стр.317].

Задачи оперативного обнаружения и отслеживания областей подготовки землетрясений в глобальном масштабе могут быть решены лишь с использованием космических средств. Известны высокие обнаружительные способности человеческого глаза при наблюдении подстилающей поверхности и визуальном селектировании наземных целей.

Основной проблемой при визуальной разведке целей с подвижного носителя является непрерывное измерение их координат в реальном масштабе времени. Использование новых технических средств как микромеханических датчиков и бесплатформенных инерциальных блоков позволяет решить данную проблему. Бесплатформенные инерциальные блоки нашли применение для нашлемных систем целеуказания и индикации. Нашлемные системы целеуказания и индикации являются непременной принадлежностью оборудования современных самолетов и вертолетов. [См., например, «Нашлемная система круглосуточного видения целеуказаний и индикации «ГЕО-НСЦИ1», ОАО «НПО Геофизика-НВ, Рекламный проспект, E-mail: geo@elnet.msk.ru].

Известна нашлемная система ориентации на основе оптико-электронной и микромеханической бесплатформенной инерциальной системы: см. Статья в сборнике «Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана, серия «Приборостроение» №4, 2008 г., стр 56-64 «Микроминиатюрные системы позиционирования на основе микромеханических акселерометров и гироскопов для нашлемных систем целеуказания и индикации», авторы: В.М.Ачильдиев, Ю.К.Грузевич, В.А.Солдатенков, С.С.Рязанов - аналог.

Система целеуказания и индикации содержит: каску шлема, откидное забрало в виде защитного, прозрачного плексигласа в оправе, нашлемный модуль микромеханической бесплатформенной системы ориентации, радиоинтерфейс передачи углов визирования шлема в бортовой микропроцессор, кнопку-фиксатор визирования направления на цель.

К недостаткам аналога следует отнести невозможность непосредственного применения для регистрации сигнала предвестника землетрясений.

Ближайшим аналогом является «Поляризационный датчик предвестника землетрясения», Патент RU №2343507, 2009 г.

Поляризационный датчик установлен на космическом носителе, содержит канал приема поляризованного светового потока, отраженного от подстилающей поверхности, тракт обработки сигнала, в котором последовательно подключены объектив, деполяризатор, усилитель, пиковый детектор, пороговое устройство, аналогово-цифровой преобразователь, блок буферной памяти, а также отдельный генератор пилообразного напряжения, подключенный к металлизированным обкладкам деполяризатора.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- априорную неизвестность координат разведываемой аномалии, что при скорости полета космического носителя ~10 км/с приводит к пропуску цели, при времени пролета над аномалией ~30 с;

- невозможность сканирования в автоматическом режиме и обзора всего горизонта за те же 30 с.

Задача, решаемая заявляемым устройством, состоит в оперативном визуальном обнаружении космонавтом орбитальной станции поляризационного предвестника землетрясений в виде световой аномалии нашлемными средствами с одновременной регистрацией сигнала, отраженного от аномалии светового потока, и синхронной записью углов визирования шлема на обнаруженную аномалию.

Техническая реализуемость достигается тем, что шлем космонавта визуального наблюдения предвестника землетрясений, входящий в состав оборудования рабочего места орбитальной станции в комплекте бортового ноутбука, каски шлема, прозрачного откидного забрала, нашлемного модуля микромеханической бесплатформенной системы ориентации, радиоинтерфейса передачи данных углового положения шлема в ноутбук, тракта приема поляризованного светового потока, отраженного от подстилающей поверхности, отличается тем, что тракт приема выполнен в виде нашлемного модуля для приема сигнала с линии визирования шлема, откидное забрало выполнено из монокристалла-анализатора для пропуска светового потока горизонтальной поляризации, на внутреннюю поверхность монокристалла-анализатора напылением нанесена пленка светофильтра с полосой пропускания 550-650 нм, под каской шлема вмонтированы и последовательно подключены элементы приемного модуля: светособирающий объектив, фотодиодный умножитель, аналогово-цифровой преобразователь, флеш-память, радиоинтерфейс передачи данных синхронно регистрируемого с угловыми положениями шлема поляризационного сигнала выявленной аномалии.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема устройства;

фиг.2 - динамика изменения напряженности электростатического поля зоны подготавливаемого землетрясения;

фиг.3 - изменение поляризации светового потока в области аномалии;

фиг.4 - зависимость альбедо горизонтальной поляризации светового потока от напряженности и длины волны;

фиг.5 - регистрограммы сигнала в функции угловых положений шлема;

фиг.6 - динамика переходного процесса изменения размеров зоны подготавливаемого землетрясения.

Шлем космонавта визуального наблюдения предвестника землетрясений (фиг.1) входит в комплект оборудования рабочего места 1 орбитальной станции, содержащего бортовой ноутбук 2, каску шлема 3, прозрачное откидное забрало 4 из монокристалла-анализатора поляризации светового потока, нашлемный модуль 5 микромеханической бесплатформенной системы ориентации, радиоинтерфейс 6 передачи данных углового положения шлема в ноутбук, нашлемный модуль 7 тракта приема поляризационного сигнала с направления визирования шлема, в составе последовательно подключенных элементов: светофильтра 8, в виде напыленной пленки с внутренней стороны монокристалла анализатора, светособирающего объектива 9, лавинного фотодиодного умножителя 10, аналогово-цифрового преобразователя 11, флеш-памяти 12 записи регистрограмм измерений уровня сигнала, радиоинтерфейса сигнала 13 передачи данных измерений поляризационного сигнала в ноутбук, кнопку-фиксатор 14 визирования направления на обнаруженную аномалию и включения устройства в работу.

Динамика взаимодействия элементов состоит в следующем: Накануне сейсмического удара, в зоне подготавливаемого землетрясения в атмосфере возникает электрическое поле, иллюстрированное фиг.2. Молекула воды (Н₂O) обладает постоянным нескомпенсированным дипольным моментом. Электрический дипольный момент единицы объема воздуха с молекулами воды: P=a_э·N·E, где а_э - коэффициент электрической поляризуемости молекул; N - число частиц в единице объема, Е - величина электрической напряженности возникающего поля. Между поляризуемостью молекул и диэлектрической проницаемостью (ε) вещества существует зависимость:

где: a_n - коэффициент ионной поляризуемости, М_др - дипольный момент молекул, КТ⁰ - тепловая энергия молекул. В оптическом диапазоне, на границе раздела двух сред, с коэффициентом преломления n₁ и n₂, происходит отражение светового потока: Коэффициент отражения является функцией коэффициента преломления, зависящего от первичных параметров среды: , для воздуха µ=1, поэтому коэффициент преломления практически равен . Согласно классическим представлениям [см., например, Преломление света. Физический энциклопедический словарь под редакцией A.M.Прохорова, изд-во Сов. Энциклопедия, М, 1983 г., с.168] электроны и атомы вещества под действием световой волны совершают вынужденные колебания. Наличие собственной частоты атомов и молекул приводит к зависимостям коэффициента преломления n от концентрации вторичных излучателей в воздухе:

где: N_i - концентрация в воздухе вибраторов i-го сорта; е - заряд электрона; m_i - масса вибратора i-го сорта; λ_0i - собственная длина волны излучения вибратора i-го сорта; λ - текущая длина волны падающего светового потока. Итак, в области электростатической напряженности «купола» подготавливаемого землетрясения изменяются коэффициенты преломления и отражения падающего светового потока. За счет поворота дипольных молекул воды по полю вектора напряженности изменяется поляризация переизлучаемого молекулами воды отраженного светового потока (фиг.3) с одновременным резонансным уменьшением альбедо в красной полосе спектра. Излучение альбедо поверхности в зависимости от длины волны видимого диапазона и напряженности электрического поля «купола» иллюстрируется графиками фиг.4. При этом уменьшение интенсивности отраженного светового потока вертикально вверх (в сторону орбитальной станции с высотой орбиты ~470 км) настолько существенно, что при наблюдении «сверху» может быть обнаружено визуально. Дополнительное ограничение интенсивности отраженного светового потока, для обеспечения достоверного обнаружения аномалии, достигают введением монокристалла-анализатора 4, пропускающего только горизонтально поляризованную световую волну, и светофильтра 8 (в виде пленочного напыления кристалла) с полосой пропускания 550…650 нм.

Отселектированный по направлению космонавтом, по поляризации - анализатором, по частоте - светофильтром световой поток через светособирающий объектив 9 (расположенный под шлемом за анализатором и фильтром) преобразуют в электрический сигнал посредством лавинного фотодиодного умножителя 10, квантуют в цифровую форму посредством АЦП 11, записывают в флэш-память 12 и через радиоинтерфейс сигнала 13 передают в бортовой ноутбук 2 для синхронной регистрации с записью угловых положений шлема и текущего бортового времени пилотируемой станции. Поскольку координаты орбитальной станции при полете по детерминированной орбите известны в любой момент бортового времени, то по синхронной записи углов визирования шлема относительно траверзы (тригонометрическим методом) решается задача определения координат выявленной аномалии. По серии проходов орбитальной станции над обнаруженной аномалией получают серию регистрограмм измерений, иллюстрированную графиками фиг.5. Расчет характеристик ожидаемого сейсмического удара осуществляют по операциям ближайшего аналога. Известно соотношение Гуттенберга-Рихтера [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов. Доклады конференции ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., РАН, 1998 г., стр.10], связывающее время существования признака-предвестника (t_у) и магнитуду (М) сейсмического удара: lg t_у[cyт]=0,54M-3,37. Чем больше напряженность электростатического поля (Е), тем выше поляризуемость молекул и тем меньше интенсивность отраженного от аномалии светового потока горизонтальной поляризации, т.е. амплитуда регистрируемого сигнала при наблюдениях в надире минимальна.

В серии регистрограмм (фиг.5) содержится вся информация о характеристиках ожидаемого сейсмического удара. Информационным параметром регистрограмм является скорость изменения амплитуды сигнала во времени. Из математики известно [см., например, Н.С.Пискунов, Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов, учебник, 5-е изд., М., Наука, 1964 г., стр.457-458], что сама функция и скорость ее изменения описывается дифференциальным уравнением первой степени, общим решением которого является экспонента. Начальные условия для решения дифференциального уравнения получают из регистрограмм. Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по трем ее дискретным измерениям можно восстановить всю функцию. График переходного к сейсмическому удару процесса в виде экспоненты иллюстрируется фиг.6. Вначале рассчитывают постоянную времени экспоненты Т из соотношения где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между измерениями на смежных витках, для орбитальной станции он равен времени одного витка ≈1,5 ч, А₀ - установившееся значение амплитуды сигнала (для регистрограмм фиг.5 это минимальная величина амплитуды сигнала), определяется расчетным путем: А₀=А₂ ²-A₁A₃/2A₂-A₁-А₃, где A₁, А₂, А₃ - амплитуда сигнала в момент измерений t₁, t₂, t₃. По расчетной величине постоянной времени Т прогнозируют ожидаемое время удара t_уд≅4,7Т. В частности, для регистрограмм измерений (фиг.5) и графика переходного процесса (фиг.6) Т=3,5 ч, ожидаемое время удара t_уд составило 16,5 ч, а магнитуда М=5,7 баллов.

Все элементы устройства выполнены на существующей технической базе и по известным электронным схемам. Новыми элементами устройства по сравнению с аналогами являются:

- микромеханический твердотельный акселерометр, марка ADXL, микромеханический гироскоп, марка ADXRS.300.AQC [см. «Физико-теоретические основы элементов систем управления движением и навигации», В.М.Ачильдиев, В.А.Есаков, Учебно-методическое пособие, М., ГОУ ВПО МГУЛ, 2007 г., стр.4-5, 8-10];

- фотодиодный умножитель, лавинный фотодиод, марка АРД, чувствительность относительно темнового тока 10^-15 [см. Иванов А.Б. «Волоконная оптика, компоненты, системы передачи, измерения», М., Компания Сайрус Системс, 1999 г.];

- светофильтр полосы 550-659 нм [см., Физический энциклопедический словарь под ред. A.M.Прохорова, М., Сов. Энциклопедия, 1993 г., светофильтры].

Благодаря адекватному преобразованию поляризационного признака-предвестника в электрический сигнал достигается высокая достоверность обнаружения и идентификации очагов землетрясений, а задействование человека-оператора в процессе селектирования аномалий обеспечивает требуемую оперативность.

Шлем входит в комплект оборудования рабочего места орбитальной станции, содержащего бортовой ноутбук, каску шлема, нашлемный модуль микромеханической бесплатформенной системы ориентации шлема, прозрачное откидное забрало и тракт приема поляризованного светового потока, отраженного от подстилающей поверхности. Тракт приема выполнен в виде нашлемного модуля для приема сигнала с линии визирования шлема. Прозрачное откидное забрало выполнено из монокристалла-анализатора для пропуска светового потока горизонтальной поляризации, с напылением на него пленки светофильтра с полосой пропускания 550-650 нм. Под каской шлема вмонтированы и последовательно подключены элементы приемного модуля: светособирающий объектив, фотодиодный умножитель, аналогово-цифровой преобразователь, флэш-память, радиоинтерфейс передачи данных синхронно регистрируемого с угловыми положениями шлема поляризационного сигнала выявленной аномалии. Технический результат - повышение оперативности и достоверности обнаружения и идентификации очагов землетрясений и прогноза параметров ожидаемого сейсмического удара. 6 ил.

Шлем космонавта визуального наблюдения предвестника землетрясений, входящий в состав оборудования рабочего места орбитальной станции в комплекте бортового ноутбука, каски шлема, прозрачного откидного забрала, нашлемного модуля микромеханической бесплатформенной системы ориентации, радиоинтерфейса передачи данных углового положения шлема в ноутбук, тракта приема поляризованного светового потока, отраженного от подстилающей поверхности, отличающийся тем, что тракт приема выполнен в виде нашлемного модуля для приема сигнала с линии визирования шлема, откидное забрало выполнено из монокристалла-анализатора для пропуска светового потока горизонтальной поляризации, на внутреннюю поверхность монокристалла-анализатора напылением нанесена пленка светофильтра с полосой пропускания 550-650 нм, под каской шлема вмонтированы и последовательно подключены элементы приемного модуля: светособирающий объектив, фотодиодный умножитель, аналогово-цифровой преобразователь, флэш-память, радиоинтерфейс передачи данных синхронно регистрируемого с угловыми положениями шлема поляризационного сигнала выявленной аномалии.