НАШЛЕМНАЯ СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДВЕСТНИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Российский патент 2012 года по МПК G02B27/01 G01V9/00 

Изобретение относится к сейсмологии, в частности к дистанционному зондированию Земли космическими средствами, и может найти применение при создании национальных систем контроля геофизических полей Земли. В областях подготовки землетрясений наблюдаются аномалии различных геофизических полей, проявляющих себя в виде признаков-предвестников, которые могут быть обнаружены при наблюдениях из космоса. 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. Нашлемные системы целеуказаний и индикации являются непременной принадлежностью оборудования современных самолетов и вертолетов [см., например, «Нашлемная система круглосуточного видения ценуказаний и индикаций, 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, А.А.Солдатенков, С.С.Рязанов - аналог. Система целеуказания и индикации содержит каску шлема, откидное забрало в виде защитного, прозрачного лексигласа в оправе, нашлемный модуль микромеханической бесплатформенной системы ориентации, радиоинтерфейс передачи углов визирования шлема в бортовой микропроцессор, кнопку фиксатор направления на цель. К недостаткам аналога следует отнести невозможность непосредственного применения для регистрации сигнала признака-предвестника землетрясений.

Ближайшим аналогом является «Поляризационный датчик предвестника землетрясения». Патент RU №2.343.507, 2009. Поляризационный датчик установлен на космическом носителе, содержит канал приема поляризованного светового потока, отраженного от подстилающей поверхности, в 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:

- косвенность измеряемого признака-предвестника, который появляется с задержкой после возникновения электростатического поля под «куполом» подготавливаемого землетрясения вследствие ионизации газовых молекул атмосферы из-за радиоактивного распада радона, период полураспада которого 3,81 суток;

- априорная неизвестность координат разведываемой аномалии, что при скорости полета носителя ~8 км/с и времени полета над целью ~30 с не позволяет обеспечить обзор горизонта за те же 30 с в автоматическом режиме сканирования.

Задача, решаемая заявленным устройством, состоит в оперативном обнаружении и измерении устойчивого предвестника в виде избыточной концентрации водорода над зоной подготавливаемого землетрясения путем сравнения затухания светового луча, дважды прошедшего атмосферу в полосе поглощения кислорода О₂, концентрация которго считается известной, и полосе поглощения водорода Н₂, динамика изменения концентрации которого содержит информацию о параметрах ожидаемого сейсмического удара.

Техническая реализуемость достигается тем, что нашлемная система оперативного обнаружения предвестника землетрясений, входящая в состав оборудования рабочего места космонавта орбитальной станции, содержит каску шлема, откидное забрало из монокристалла-анализатора поляризации светового потока с направления визирования шлема, нашлемный модуль микромеханической бесплатформенной системы ориентации, радиоинтерфейс передачи данных углового положения шлема в ноутбук, канал приема светового потока, отраженного от поверхности Земли и дважды прошедшего атмосферу в составе светофильтра, в виде напыленного слоя на светособирающую линзу фокусирующей системы ввода светового потока в оптическое волокно, разветвителя оптического волокна, двух параллельных трактов обработки сигналов с λ₁~660 нм и λ₂~760 нм, в каждом из которых последовательно подключены акустооптический фильтр, фотодиодный умножитель, аналогово-цифровой преобразователь, выходы которых подключены к блоку буферного запоминающего устройства записи текущих значений измеряемых сигналов, подключенному к радиоинтерфейсу передачи регистрограмм сигналов в ноутбук, требуемую полосу избирательности каждого из акустооптических фильтров задает соответствующий ему высокочастотный генератор накачки.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема нашлемной системы;

фиг.2 - эталонный, по Планку, солнечный спектр, нормированный относительно максимума интенсивности;

фиг.3 - динамика изменения содержания атмосферных газов O₂ и H₂ над зоной подготавливаемого землетрясения;

фиг.4 - амплитудно-частотные характеристики акустооптических фильтров в полосах поглощения водорода и кислорода;

фиг.5 - полоса поглощения кислорода (λ≈760 нм), измеренная в лабораторных условиях;

фиг.6 - полоса поглощения водорода (λ≈660 нм), измеренная в лабораторных условиях;

фиг.7 - регистрограммы измерений концентрации водорода над зоной подготавливаемого землетрясения по трассе полета носителя;

фиг.8 - динамика изменения максимальной амплитуды предвестника во времени.

Нашлемная система оперативного обнаружения предвестника землетрясений входит в состав оборудования рабочего места 1 космонавта орбитальной станции и содержит каску шлема 2, откидное забрало 3 из монокристалла-анализатора поляризации светового потока с направления визирования шлема, нашлемного модуля 4 микромеханической бесплатформенной системы ориентации, радиоинтерфейса 5 передачи данных углового положения шлема в ноутбук 6, канал приема светового потока, отраженного от поверхности Земли и дважды прошедшего атмосферу в составе последовательно подключенных светофильтра 7 в виде напыленного слоя на светособирающую линзу 8 фокусирующей системы ввода светового потока в оптическое волокно 9, разветвителя оптического волокна 10 и двух параллельных трактов обработки сигналов, каждый в последовательном соединении акустооптического фильтра 11, 12 соответственно для приема сигнала в полосе поглощения водорода (λ≈660 нм) и полосе поглощения кислорода (λ≈760 нм), фотодного умножителя 13, 14, аналогово-цифрового преобразователя 15, 16, подключенных к блоку буферного запоминающего устройства 17, записи текущих значений измеряемых сигналов и радиоинтерфейса 18 передачи регистограмм измерений в ноутбук 6. Требуемую полосу избирательности акустооптических фильтров задают высокочастотные генераторы накачки 19, 20, подключенные к акустооптическим фильтрам соответственно 11, 12. Включение устройства в работу осуществляется космонавтом через кнопку-фиксатор 21 визирования направления на обнаруженную аномалию. Динамика взаимодействия элементов заключается в следующем. Накануне сейсмического удара в зоне подготавливаемого землетрясения наблюдается активная эманация газов (Н₂, Не) из земной коры в атмосферу, приводящая к возникновению электростатического поля, напряженностью нескольких кВ/м и избыточной концентрации водорода в несколько процентов. За счет поворота дипольных молекул водяного пара в атмосфере по полю вектора напряженности изменяется поляризация отраженного светового потока [см, ближайший аналог]. При этом уменьшение интенсивности отраженного светового потока вертикально вверх (в сторону орбитальной станции) настолько существенно, что при наблюдении сверху может быть обнаружено космонавтом визуально. Дополнительную достоверность обнаружения обеспечивают введением в устройство монокристалла анализатора, пропускающего только горизонтальную поляризованную волну. Установлено, что наиболее устойчивым предвестником землетрясений является избыточная концентрация водорода в атмосфере воздуха над зоной подготавливаемого землетрясения [см, например. Научное открытие №365, «Явление раскачки очага землетрясения перед сейсмическим ударом», М.МААНОИ, 2009 г.].

Отселектированный по направлению космонавтом, по поляризации анализатором, по частоте светофильтром, световой поток через светособирающую линзу вводят в канал обработки для количественного измерения избыточной концентрации водорода и динамики ее изменения.

Из опытов Кирхгофа известно, что непрерывный солнечный спектр, проходя через газовую среду, становится линейчатым, в нем появляются темные линии или полосы поглощения.

Одноатомные газы имеют линейчатый спектр поглощения, совпадающий по положению спектральных линий со спектром испускания. При этом интенсивность поглощения пропорциональна концентрации газа. Принцип измерений основан на сравнении затухания светового потока в спектральной полосе измеряемого газа (H₂ в окрестности λ≈660 нм) с его затуханием в спектральной полосе кислорода (в окрестности λ≈760 нм), концентрация которого в атмосфере [O₂=21%] известна.

Избыточную концентрацию водорода измеряют методом отношений в соответствии с зависимостью: где Δw(H₂), Δw(O₂) - затухание светового потока в полосе поглощения водорода и соответственно в полосе поглощения кислорода, равное разности эталонной (по Планку) интенсивности солнечного спектра и энергии регистрируемых сигналов в тех же полосах:

Δw(H₂)=w_эталон(H₂)-w(H₂); Δw(O₂)=w_эталон(O₂)-w(O₂).

Эталонная (по Планку) интенсивность солнечного спектра иллюстрируется графиком фиг.2. Диапазон концентрации газов O₂ и H₂ иллюстрируется графиком фиг.3. Для обеспечения точности измерений используют один и тот же канал (с одинаковой апертурой в трактах) и равными полосами поглощения сигналов порядка ≈10 нм. Полосы поглощения атмосферных газов O₂ и H₂ иллюстрируются графиками фиг.5 и 6.

Равные полосы поглощения в измерительных трактах обеспечивают соответствующими амплитудно-частотными характеристиками (АЧХ) акустооптических фильтров.

Акустооптический фильтр представляет собой кристалл (пьезоэлектрик), в котором под воздействием СВЧ-генератора накачки в диапазоне 60-70 МГц наблюдается анизотропная дифракция Брегга, т.е. формируется дифракционная решетка с изменяющимся показателем преломления, благодаря чему достигается перестраиваемая фильтрация.

Спектр видимого диапазона посредством светособирающей линзы (8) преобразуют в световой пучок диаметром порядка 5 мм для ввода в перестраиваемый акустооптический фильтр (11, 12) типа (промышленные разработки) и СВ FOTF (Aurora), LAOTF (Bellcore) с полосой пропускания на уровне 3 дБ (3…6 нм) [см., например «Иванов А.Б. «Волоконная оптика: компоненты системы передачи, измерения», М.: Компания Сайрус Системс, 1999, с.179-182].

После акустооптического фильтра в каждом тракте измерений сигнал усиливают посредством лавинного фотодиодного умножителя (13, 14), преобразуют в цифровую форму посредством АЦП (15, 16) и записывают в блок буферной памяти (17) для последующей передачи через радиоинтерфейс (18) в ноутбук (6).

Все элементы устройства выполнены на серийных промышленных разработках:

- лавинный фотодиод типа APD, оптическое волокно [см., там же, Иванов А.Б. «Волоконная оптика: компоненты системы передачи, измерения», М.: Компания Сайрус Системс, 1999, с.154-155].

- аналого-цифровой преобразователь, микросборка П-267; блок буферной памяти, микросборка ПЛ-20 [см., Якубовский Б. и др. «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы», Справочник, М.: Радио и связь, 1990 г.];

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

- светофильтр полосы 660-760 нм, [см., физический энциклопедический словарь под ред. A.M.Прохорова, Сов. энциклопедия, 1993 г., светофильтры.]. Путем программной обработки сигналов в ноутбуке (6) получают функцию изменения зарегистрированной концентрации водорода от координат орбитальной станции, относительно траверзы обнаруженной аномалии. Пересчет координат относительно траверзы осуществляют по измеренным углам визирования нашлемной системы.

Семейство регистограмм измерений иллюстрируется графиками фиг.7.

Существует регрессионная зависимость, связывающая размеры зоны подготавливаемого землетрясения и магнитуду (М) сейсмического удара:

lg R [км]≈0,46М-0,35; где R, км - максимальное эпицентральное расстояние зоны [см., например «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю.Шмидта, М., 1998 г., с.13].

В серии регистрогамм (фиг.7) содержится вся информация о характеристиках ожидаемого сейсмического удара. Информационным параметром регистограмм является скорость изменения амплитуды сигнала во времени. Из математики известно [см., например «Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУ3-ов, учебник, 5-е издание. Наука, М., 1964 г., с.457-458], что сама функция и скорость ее изменения связаны дифференциальным уравнением первой степени, общим решением которого является экспонента. Начальные условия для решения дифференциального уравнения получают из регистограмм.

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.8.

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 час,

A₀ - установившееся значение амплитуды сигнала:

, где A₁, A₂, А₃ - амплитуда сигнала в момент измерений t₁, t₂, t₃.

По расчетной величине постоянной времени Т прогнозируют ожидаемое время удара t_у≈4,7Т. В частности, для регистограмм измерений, фиг.7, 8, ожидаемая магнитуда удара (для эпицентрального расстояния R≈75 км) М=5,1 балла, постоянная времени переходного процесса Т=2,3 час, ожидаемое время удара t_y≈11 час.

Благодаря непосредственному измерению устойчивого предвестника землетрясения в виде избыточной концентрации водорода в атмосфере над зоной подготавливаемого землетрясения достигается высокая достоверность обнаружения и идентификации очагов землетрясений, а задействование человека-оператора в процессе селектирования аномалий обеспечивает требуемую оперативность.

Система входит в состав оборудования рабочего места космонавта орбитальной станции. Система содержит каску шлема, откидное забрало из монокристалла-анализатора поляризации светового потока с направления визирования шлема, нашлемный модуль микромеханической бесплатформенной системы ориентации, радиоинтерфейс передачи данных углового положения шлема в ноутбук, канал приема светового потока. Канал приема светового потока содержит светофильтр в виде напыленного слоя на светособирающую линзу фокусирующей системы ввода светового потока в оптическое волокно, разветвителя оптического волокна и двух параллельных трактов обработки сигналов с λ₁~660 нм и λ₂~760 нм. К каждому из трактов обработки сигналов последовательно подключены акустооптический фильтр, фотодиодный умножитель, аналогово-цифровой преобразователь. Выходы АЦП подключены к блоку буферного запоминающего устройства записи текущих значений измеряемых сигналов. Блок буферного запоминающего устройства записи подключен к радиоинтерфейсу передачи регистрограмм сигналов в ноутбук. Требуемую полосу избирательности каждого из акустооптических фильтров задает соответствующий ему высокочастотный генератор накачки. Технический результат: повышение оперативности и достоверности прогноза параметров сейсмического удара. 8 ил.

Нашлемная система оперативного обнаружения предвестника землетрясений, входящая в состав оборудования рабочего места космонавта орбитальной станции, содержит каску шлема, откидное забрало из монокристалла-анализатора поляризации светового потока с направления визирования шлема, нашлемный модуль микромеханической бесплатформенной системы ориентации, радиоинтерфейс передачи данных углового положения шлема в ноутбук, канал приема светового потока, отраженного от поверхности Земли и дважды прошедшего атмосферу, в составе светофильтра в виде напыленного слоя на светособирающую линзу фокусирующей системы ввода светового потока в оптическое волокно, разветвителя оптического волокна, двух параллельных трактов обработки сигналов с λ₁~660 нм и λ₂~760 нм, в каждом из которых последовательно подключены акустооптический фильтр, фотодиодный умножитель, аналого-цифровой преобразователь, выходы которых подключены к блоку буферного запоминающего устройства записи текущих значений измеряемых сигналов, подключенному к радиоинтерфейсу передачи регистрограмм сигналов в ноутбук, требуемую полосу избирательности каждого из акустооптических фильтров задает соответствующий ему высокочастотный генератор накачки.