ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано при создании сети геофизических наблюдений в сейсмоопасных регионах планеты.

Установлено (см., например, Гуфельд И.Л. «Сейсмический процесс. Физико-химические аспекты», Королев ЦНИИМАШ, РАН, ИФЗ им. О.Ю.Шмидта, 2007 г., стр.10-18), что первопричиной землетрясений следует считать общепланетарную дегазацию земной коры и ядра планеты. Эстафетный механизм передачи упругой энергии восходящего потока газов сопровождается накачкой земной коры дополнительной энергией и образованием неустойчивой зоны подготавливаемого землетрясения. Факт эманации газов из земной коры в атмосферу накануне сейсмического удара, см. патенты RU №2.204.852, 2003 г., №2.275659, 2006 г., №2.302020, 2007 г. Эманация ионизированных газов создает нескомпенсированный заряд кулоновского электричества в атмосфере, что приводит к возникновению электростатического поля над очагом землетрясения в виде «купола» с диаметром основания 100…150 км и напряженностью в несколько кВ/м (см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов» Сборник, Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, стр.27-28).

Существуют различные радиофизические методы измерения неоднородных электрических полей.

Известен способ перехвата сигналов радиолиний. Патент RU №2203.521, Н.04.В 1/10, Н.04.К, 3/10, 2003 г. - аналог.

В способе-аналоге генерируют гармонические колебания автогенератора в режиме затягивания и полосе захвата его частоты внешним сигналом, воздействуют электромагнитным полем автогенератора на частотно-избирательный элемент разведываемой радиолинии, выделяют модулирующую функцию разведываемого сигнала из сигнала автогенератора, воздействуют на интерференционное поле когерентного пучка электронов политрона по закону выделенной модулирующей функции, осуществляют регистрацию выделенного на нагрузке сигнала динамических изменений интерференционного поля когерентного пучка электронов.

Недостатком аналога является невозможность непосредственного применения для измерения поляризационного признака-предвестника землетрясений.

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является измеритель признака-предвестника землетрясений, Патент RU №2.326.415, G01.V, 9/00, 2008 г.

Измеритель, установленный на космическом носителе, включает каналы приема собственного восходящего излучения земли СВЧ-диапазона спиральными антеннами с вращающейся поляризацией, соответственно правого и левого направления вращения, одна из антенн подключена к первому входу фазового детектора, а вторая через фазовращатель ко второму его входу, 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, тракт передачи регистрируемой информации на наземные пункты и тракт ее программной обработки.

Недостатками ближайшею аналога являются:

- низкий уровень сигнала собственного излучения Земли в СВЧ-диапазоне по сравнению с шумами радиоприемного устройства, что снижает достоверность обнаружения полезного сигнала;

- необходимость априорного знания координат сейсмоопасного района наблюдения для включения бортовой аппаратуры зондирования;

- большая скважность сеансов видимости (сеансов измерений) из-за ухода орбит космического носителя от подстилающей поверхности обнаруженного очага землетрясений.

Задача, решаемая заявляемым измерителем, состоит в повышении чувствительности тракта измерений за счет активного зондирования, возникающего накануне сейсмического удара «купола» электростатического поля над очаговой зоной, автодинным генератором, и измерении разности поляризаций обыкновенной и необыкновенной электромагнитных волн, отраженных от «купола».

Технический результат достигается тем, что в поляризационный измеритель предвестника землетрясений, содержащий СВЧ-автогенератор, работающий в режиме затягивания и полосе захвата его частоты внешним сигналом, антенно-фидерный тракт, детектор сигнала, пороговое устройство, аналого-цифровой преобразователь, тракт обработки сигнала, блок управления, дополнительно используют два автодинных канала приема-передачи с взаимной полосой захвата сигналов и директорными антеннами взаимно ортогональной поляризации, разнесенные в пространстве на пеленгационной базе, антенна каждого канала размещена на поворотной платформе с возможностью синхронного сканирования сектора электростатического объема атмосферы, возникающего накануне сейсмического удара, для детектирования используют частотный детектор, у которого входным является сигнал одного, а опорным - сигнал второго канала приема-передачи.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема измерителя;

фиг.2 - функция электростатического потенциала, возникающего над очагом землетрясения;

фиг.3 - поляризационный эллипс обыкновенной и необыкновенной волн, отраженных от «купола»;

фиг.4 - выходная характеристика частотного детектора;

фиг.5 - семейство регистрограмм измерителя;

фиг.6 - динамика изменения сигнала предвестника.

Функциональная схема поляризационного измерителя предвестника землетрясений фиг.1 содержит два автодинных канала 1, 2 приема-передачи, разнесенные в пространстве на пеленгационной базе 3, каждый из которых включает СВЧ-автогенератор 4 в режиме затягивания частоты, фидерный тракт с аттенюатором 5 выбора рабочей точки на кривой затягивания, директорную антенну 6 в ортогональной поляризации относительно второго канала, установленную на сканирующей поворотной платформе 7, программно управляемой от блока управления 8, частотный детектор 9, пороговый элемент 10, аналого-цифровой преобразователь 11, буферное запоминающее устройство 12, тракт обработки сигнала на базе ПЭВМ 13 в составе процессора 14, оперативного запоминающего устройства 15, винчестера 16, дисплея 17, принтера 18, клавиатуры 19, программируемой от ПЭВМ схемы выборки измерений 20. Результаты обработки сигнала и оценки прогнозируемых параметров сейсмического удара выводятся на сайт 21 сети «Интернет».

Динамика взаимодействия элементов измерителя и физическая сущность измерений состоит в следующем. Накануне сейсмического удара наблюдается активная эманация ионизированных газов в атмосферу, образующих некомпенсированный заряд кулоновского электричества и создающих электростатическое поле Е над зоной подготавливаемого землетрясения. Возникающее электростатическое поле иллюстрируется фиг.2.

По закону Максвелла поток вектора электрической индукции D через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов Σq_i, заключенных внутри этой поверхности:

В системе СИ вектор электрической индукции равен D=ε₀ ε Е.

При значениях возникающего электростатического поля Е несколько кВ/м диэлектрической проницаемости вакуума ε₀=0,855*10^-11 [Ф/м], расчетная концентрация электрических зарядов в единице объема [м³] в куполе над зоной подготавливаемого землетрясения составит N_max=10¹¹ 1/м³. Такая концентрация соизмерима с электронной концентрацией слоя F2 ионосферы (см., например, Космонавтика. Энциклопедия. Издательство Сов. Энцикл, М., 1985 г., Ионосфера, стр.142-143).

При падении электромагнитной волны на гиротропную среду (ионосферу) наблюдаются явления ее преломления, отражения и расщепления на обыкновенную и необыкновенную. При этом отраженные от гиротропной среды обыкновенная и необыкновенная волны оказываются ортогонально поляризованными. Поляризационный эллипс отраженных обыкновенной и необыкновенной волн иллюстрируются фиг.3.

Для облучения электростатического купола электромагнитной волной используют два независимых автодинных канала приема-передачи (1, 2), выполненные на базе СВЧ-генераторов, работающих в режиме затягивания частоты (см., например «Справочник по радиолектронике», т.2, под редакцией А.А.Куликовского, М., Энергия, 1968 г., Затягивание частоты автогенераторов, стр.32-34, рис.12.50).

Существует так называемая критическая частота отражения электромагнитной волны от ионизированного слоя, определяемая соотношением , где θ - угол падения электромагнитной волны. Расчетная критическая частота отражения электромагнитных волн от купола ионизированного газа над зоной подготавливаемого землетрясения составит 20…40 МГц.

Воздействие собственного, отраженного от объекта сигнала и сигнала внешнего электромагнитного поля на автодинный генератор в некоторой полосе ΔF (называемой полосой захвата) приводит к зависимости генерируемой частоты (f) СВЧ-автогенератора от мощности отраженного сигнала:

где Δf - коэффициент затягивания частоты автогенератора (паспортная характеристика электронного прибора);

f₀ - частота колебаний, определяемая выбором рабочей точки на кривой затягивания;

p₀ - мощность генерируемых автоколебаний;

p_соб - мощность собственного, отраженного от объекта сигнала;

р_вн - мощность внешнего сигнала, попадающего в тракт приема-передачи.

Благодаря тому что возникающий электростатический «купол» облучается антеннами взаимно ортогональной поляризации, амплитуда отраженных собственных сигналов, а также амплитуды обыкновенных и необыкновенных волн перекрестных сигналов, попадающих в тракты приема-передачи, будут различны. Как следствие, генерируемые частоты СВЧ-автогенераторов (4) в каналах приема-передачи будут отличаться на несколько МГц. Разница частот преобразуется частотным детектором (9) в выходное напряжение результирующего сигнала. Зависимость амплитуды результирующего сигнала от разницы частот в каналах приема-передачи иллюстрируется фиг.4. Чем выше напряженность электростатического поля Е, тем больше разница амплитуд обыкновенной и необыкновенной волн, принимаемых антеннами (6) взаимно ортогональной поляризации, тем больше амплитуда результирующего сигнала на выходе частотного детектора.

Заявленный измеритель работает в двух функциональных режимах:

- обнаружение «купола» электростатического поля в атмосфере путем кругового обзора пространства в сейсмоопасной зоне;

- отслеживание динамики изменения напряженности электростатического поля «купола» по пространству и времени.

Функциональные режимы реализуют посредством поворотных платформ 7 и блока управления 8 на основе программ, закладываемых в него и формируемых на ПЭВМ 13. В первом программном режиме осуществляют круговой обзор пространства одной их антенн. При отсутствии «купола» атмосфера прозрачна для волн зондирования, отраженные сигналы в каналах приема-передачи отсутствуют. В этом режиме каждый автогенератор работает на несущей частоте f₀, сигнал на выходе частотного детектора равен нулю.

При возникновении «купола» появляется отраженный сигнал в одном из каналов, который изменяет частоту генерации f=f₀±Δf. Появление сигнала на выходе частотного детектора отождествляют с началом сейсмического процесса в контролируемой зоне. Путем пеленгации с двух пунктов осуществляют засечку «купола», точку пересечения пеленгов отождествляют с гипоцентром очага землетрясения.

Во втором программном режиме осуществляю синхронное сканирование обнаруженного «купола» обоими антеннами с получением регистрограмм измерений по пространству и времени. Семейство получаемых регистограмм иллюстрируются графиком фиг.5.

По мере развития сейсмического процесса увеличивается объем ионизированного газа, поступающего из разлома в атмосферу, сопровождаемый увеличением размеров (радиуса R) электростатического «купола».

Известна статистическая зависимость ожидаемой магнитуды сейсмического удара от размера зоны подготавливаемого землетрясения (см., например, Моргунов В.А. «Электрические явления, предшествующие Шикотанскому землетрясению и его афтершокам», Д.А.Н, 1998. т.359, стр. 102-105)

Отчет радиуса размеров купола осуществляют непосредственно из семейства регистограмм. Время ожидаемого удара прогнозируют по операциям ближайшего аналога и экстремуму амплитуды регистрограмм. Изменение максимальной амплитуды сигнала во времени над очаговой зоной имеет экспоненциальный характер и иллюстрируется графиками функций фиг.6.

Из семейства регистограмм определяют постоянную времени сейсмического процесса:

где Δt=t₂-t₁=t₃-t₂ - интервал времени между двумя соседними измерениями; Д₁ Д₂, Д₃ - значения амплитуд сигнала, соответствующие моментам измерений t₁, t₂, t₃; Д₀ - амплитуда сигнала в установившемся режиме, Д₀=Д₂ ²-Д₁Д₂/2Д₂-Д₁-Д₃.

По расчетной величине Т ожидаемое время удара t_уд≈4,7Т.

Для повышения достоверности прогноза и исключения ложных тревог устанавливают пороговую величину результирующего сигнала в пороговом элементе 10. Режим работы порогового устройства и обработки сигнала задает схема выборки измерений 20 на основе закладки в нее программ, формируемых на ПЭВМ 13.

Все элементы измерителя выполнены на существующей элементной базе и известных электронных схемах.

Новыми элементами измерителя по сравнению с аналогами являются частотный детектор, директорные антенны, поворотная платформа, программируемая схема выборки измерений. Они выполнены по схемам:

Частотный детектор, см. «Справочник по радиоэлектронике», т.2 / Под редакцией А.А.Куликовского, Энергия, М., 1968 г., стр 138-139.

Директорные антенны, см. «Антенно-фидерные устройства» А.Д.Драбкин, В.Л.Зузенко, Сов. Радио, М., 1964 г., стр.325.

Поворотные платформы, см. «Теоретические основы радиолокации» В.Е.Дулевич и др., Сов. Радио, М., 1964 г., стр.62-65. Радиолокационные станции растрового обзора с механическим сканированием.

Программируемая схема выборки измерений, см. Якубовский Б. и др. «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы», Справочник, Радио и связь, М., 1990 г. Микросхема, плата ЛА-20.

Эффективность заявленного устройства характеризуется повышением достоверности обнаружения и точности прогнозируемых параметров на основе повышения чувствительности каналов приема-передачи за счет большей помехоустойчивости используемых частотно-модулированных сигналов по сравнению с сигналами с амплитудной модуляцией ближайшего аналога.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при создании сети сейсмологических наблюдений. Сущность изобретения: устройство содержит два автодинных канала приема-передачи (1, 2), разнесенные в пространстве на пеленгационной базе (3). Каждый из каналов включает СВЧ-автогенератор (4), фидерный тракт с аттенюатором (5), директорную антенну (6) ортогональной поляризации относительно второго канала, установленную на программно-управляемой поворотной платформе (7). Также устройство содержит частотный детектор (9), у которого входным является сигнал одного, а опорным - сигнал второго канала; пороговый элемент (10), аналогово-цифровой преобразователь (11), буферное запоминающее устройство (12) и тракт обработки сигнала на базе ПЭВМ (13), синхронизирующий работу блока управления и программируемой схемы выборки измерений. Технический результат: повышение чувствительности устройства. 6 ил.

Поляризационный измеритель предвестника землетрясений, содержащий СВЧ-автогенератор, работающий в режиме затягивания и полосе захвата его частоты внешним сигналом, антенно-фидерный тракт, детектор сигнала, пороговое устройство, аналого-цифровой преобразователь, тракт обработки сигнала, блок управления, отличающийся тем, что используют два автодинных канала приема-передачи со взаимной полосой захвата сигналов и директорными антеннами взаимно ортогональной поляризации, разнесенные в пространстве на пеленгационной базе, антенна каждого канала размещена на поворотной платформе с возможностью синхронного сканирования сектора электростатического объема атмосферы, возникающего накануне сейсмического удара, для детектирования используют частотный детектор, у которого входным является сигнал одного, а опорным - сигнал второго канала приема-передачи.