СПОСОБ ДОСТОВЕРНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КОСМИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ Российский патент 2017 года по МПК G01V1/00 G01V8/00 

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано при создании глобальной системы геофизических наблюдений за сейсмоопасными регионами планеты.

Достоверный прогноз землетрясений возможен, если измерять ранние признаки-предвестники первопричин землетрясений. В качестве первопричин землетрясений рассматривают напряжения в верхней мантии Земли в виде потенциальной энергии сжатия породы. В поле механических напряжений возникают другие аномалии, такие как дегазация земной коры с передачей упругой энергии восходящего потока газов земной коре с образованием неустойчивой зоны подготавливаемого землетрясения. Факт эманации газов из земной коры в атмосферу накануне сейсмического удара (см. Патенты RU №2204852, 2003, №2275659, 2006, №2302020, 2007). 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].

В электростатическом поле «купола» возникают поляризационные аномалии восходящего излучения Земли. Известен поляризационный «Измеритель признака-предвестника землетрясений», Патент RU №2326415, G.01.V, 9/00 - аналог.

Измеритель устройства-аналога, 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 системы, аналогово-цифрового преобразователя и устройства записи, режим работы которых задает бортовой комплекс управления.

Недостатком устройства-аналога является невысокая чувствительность из-за малой поляризуемости сигнала собственного восходящего СВЧ-излучения Земли в электростатическом поле «купола».

Ближайшим аналогом к заявленному техническому решению является «Способ краткосрочного прогнозирования землетрясений», Патент RU №2423729, 2011 г., G.01.V, 9/00.

В способе ближайшего аналога размещают измеритель на космическом носителе, осуществляют измерения интенсивности свечения в спектральных полосах атмосферных газов по трассе полета носителя над зоной подготавливаемого землетрясения, прогнозируют параметры ожидаемого сейсмического удара по динамике функций получаемых регистрограмм, дополнительно свечение атмосферных газов измеряют в ультрафиолетовой полосе в диапазоне 100…300 нм, измерителем с регулируемым интервалом длительности и скважности дискретных отсчетов вдоль трассы полета носителя, численным интегрированием функций получаемых регистрограмм рассчитывают их длину L, координаты гипоцентра очага отождествляют с максимумом регистрограмм, рассчитывают постоянную времени сейсмического процесса (Т) из соотношения:

,

прогнозируют время удара t_y=4,7T и магнитуду (М) как lg t_у[сут]=0,77M-4,4, где L₀ - предельная длина дуги функции регистрограммы, равная:

,

где L₁, L₂, L₃ - длины дуг функций регистрограмм в моменты измерений t₁, t₂, t₃; Δt=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) - межвитковый интервал времени космического носителя, на котором проводят измерения.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- ограниченность применения только на теневом участке орбиты, поскольку фоновый уровень ультрафиолетового излучения (УФИ) Солнца на освещенном участке орбиты на несколько порядков выше слабого наведенного ультрафиолетового свечения в полосе Лаймана;

- при обработке сигнала используется только амплитудный канал и не используется такой интегральный признак-предвестник, как поляризуемость излучения над очагом землетрясения.

Задача, решаемая заявленным техническим решением, состоит в достоверном обнаружении сейсмического процесса и оценке его характеристик путем контрастирования поляризуемости излучения подстилающей поверхности в разнесенных по диапазону от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного участков спектра.

Поставленная задача решается тем, что способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами включает синхронную покадровую съемку подстилающей поверхности по двум независимым каналам в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном участках спектра, формирование синтезированных матриц изображений из попиксельных отношений ультрафиолетового снимка к инфракрасному снимку, расчет градиентного поля линеаментов синтезированной матрицы, вычисление средневзвешенной суммы азимутов линеаментов Σα_i на последовательных витках прохода космического носителя над зоной наблюдения, прогнозирование характеристик сейсмического удара: постоянной времени сейсмического процесса , времени удара t_у=4,7T и магнитуды М как lg t_у[сут]=0,54M-3,37,

где Σ₀ - предельное значение суммы азимутов линеаментов, равное

Σ₁, Σ₂, Σ₃ - суммы азимутов линеаментов в моменты измерений t₁, t₂, t₃;

Δt=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) - межвитковый интервал времени космического носителя, на которых проводят измерения.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - ориентация эллипса поляризации относительно оси сжатия;

фиг. 2 - зависимость коэффициента преломления от ионной концентрации и длины волны излучения;

фиг.3 - визуализация градиентного поля линеаментов сейсмического процесса;

фиг. 4 - динамика изменения средневзвешенной суммы азимутов линеаментов;

фиг. 5 - функциональная схема устройства, реализующая способ.

Техническая сущность изобретения состоит в следующем.

Известно «Явление возникновения поляризационных аномалий электромагнитного поля над очагом землетрясения» [см. Потоцкий В.В. Сборник научных открытий, РАЕН, 2008 г. Научное открытие №336, 2007 г.] Накануне землетрясения над очагом подготавливаемого землетрясения возникает электростатическое поле (Е) напряженностью несколько кВ/м, под воздействием которого происходит поворот дипольных молекул водяного пара в атмосфере. В результате вторичного переизлучения падающего светового потока дипольно-ориентированными молекулами водяного пара отраженный (восходящий) поток оказывается частично поляризованным. Годограф частично поляризованного отраженного потока представляет собой эллипс, главная ось которого совпадает с направлением оси сжатия земной коры, как это иллюстрируется фиг. 1. Поскольку максимальная напряженность (Е) электростатического поля приурочена к эпицентральной части очага и уменьшается к периферии, то и поляризуемость отраженного потока изменяется от участка к участку. Поляризуемость зависит от длины волны. Размер молекул водяного пара составляет порядка d=2,5⋅10^-8 см. Чем короче длина волны падающего солнечного потока, тем выше поляризуемость отраженного потока.

Согласно классическим представлениям [см., например, «Физический энциклопедический словарь»/ Под ред. A.M. Прохорова, М., Сов. Энциклопедия, 1983 г., стр. 168] электроны и атомы вещества под действием световой волны совершают вынужденные колебания. Наличие собственной частоты колебаний приводит к зависимости диэлектрической проницаемости вещества и коэффициента преломления (h) от концентрации вторичных излучателей в веществе и от соотношения длин волн:

где N_i - концентрация в веществе вибраторов i-го сорта;

e - заряд электрона;

m_i - масса вибратора i-го сорта;

λ_0i - собственная длина волны вибратора i-го сорта;

λ - длина волны падающего светового потока.

Следовательно, коэффициент преломления и поляризуемость отраженного потока в ультрафиолетовой области спектра (0,2…0,3 мкм) выше, чем в инфракрасной области (0,7…2,0 мкм), как это иллюстрируется фиг. 2. Для повышения чувствительности и достоверности способа используют контрастирование изображений, путем вычисления попиксельных отношений их матриц.

Установлено, что психологически опознавание образа человеком-оператором происходит на уровне контурного рисунка. Форма объекта, его образ, являются наиболее емкими информационными признаками [см., например, Дуда P.O., Харт П.Е. «Распознавание образов и анализ сцен», перев. с англ., М, Мир., 1976 г., стр. 287…288].

Для получения образа объекта-очага землетрясения формируют градиентное поле линеаментов. По определению [см., например, Пискунов Н.С. «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», учебник 5-е издание, М., Наука, 1954 г., стр. 264-267], векторное поле градиентов в каждой точке изображения I(x,y) вычисляют по зависимостям:

Возле каждого пикселя цифровой матрицы изображения расположено 8 смежных пикселей, поэтому, в принципе, производные каждой точки изображения могут вычисляться как минимум по 8 направлениям. За преимущественное направление принимается направление с максимальным градиентом. Само направление задается азимутом штриха-линеамента, длину которого l_i вычисляют по формуле:

а азимут по формуле:

где (x_j, y_j) и (x_i, x_j) - координаты верхнего и нижнего концов линеамента.

На фиг. 3 представлено линеаментное поле синтезированной матрицы изображения очага землетрясения. Программа обработки для получения линеаментного поля градиентов синтезированного изображения представлена в примере реализации. Длина штриха каждого линеамента устанавливается во входных параметрах программы. Возникающий накануне сейсмического удара переходный колебательный процесс изменяет картину механических напряжений по пространству очага, а следовательно, и поляризационную картину градиентного поля линеаментов. В качестве интегрального признака-предвестника сейсмического удара выбирают средневзвешенную сумму азимутов линеаментов, определенную как:

Интегральным он является потому, что аккумулирует в себе промежуточные предвестники как механические напряжения, дегазацию земной коры, ионизацию молекул воздуха, возникновение нескомпенсированного заряда кулоновского электричества, электростатическое поле (Е) в виде «купола» и, как следствие, поляризационные изменения восходящего (отраженного) потока излучения подстилающей поверхности (очага землетрясения).

Идентификацию очага землетрясения проводят по полученному массиву изображений.

Из математики известно [см., например, Пискунов Н.С. «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», учебник 5-е издание, М., Наука, 1954 г., стр. 458], что сама функция и скорость ее изменения связаны дифференциальным уравнением первой степени, общим решением которого является экспоненциальная функция. На фиг. 4 представлено решение дифференциального уравнения в виде экспоненциальной функции

α(t)=1-exp(-t/T),

где Т - постоянная времени экспоненты, которая характеризует переходной процесс зоны подготавливаемого землетрясения к сейсмическому удару. Постоянная времени Т переходного к сейсмическому удару процесса зависит от геофизических условий земной коры подготавливаемого землетрясения. Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по трем ее дискретным измерениям в моменты t₁, t₂, t₃ может быть восстановлена вся функция:

где Δt - интервал времени между двумя измерениями Δt=(t₂-t₁). Обычно - это межвитковый интервал измерений, равный ≈1,5 часа;

Σ₀ - предельное (установившееся) значение экспоненты рассчитывается по трем измерениям

За ожидаемое время сейсмического удара принимают промежуток, за который экспонента переходного процесса достигает значения 0,99Σ₀, это время t_у=4,7Т.

По эмпирическим данным (более 1000 наблюдений) известно соотношение, связывающее динамический признак-предвестник с магнитудой:

lg t_у[сут]≈0,54M-3,37

[см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов», сборник, Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, стр. 10]

Пример реализации способа

Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг. 5. Функциональная схема содержит космический аппарат (1) (типа «Ресурс») с установленными на нем цифровой видеокамерой (2) ультрафиолетового диапазона (типа «Фиалка MB - Космос») и сканирующим устройством (3) ИК-диапазона (типа МСУ-К). Трассовую съемку запланированных регионов в полосе сканирования (4) осуществляют командами от бортового комплекса управления (5) на основе суточных программ, закладываемых в БКУ из центра управления полетом КА (6) по командной радиолинии (7). Результаты измерений записывают в буферное запоминающее устройство (8) и, в зонах радиовидимости, КА с наземных пунктов, передают по специальной радиолинии (9) на пункты приема информации ППИ (10). После предварительной обработки информации по служебным признакам (номер витка, время съемки, координаты) на ППИ (10) информацию передают на сервер хранения данных (11). Тематическую обработку изображений осуществляют в центре обработки (12), где через устройство ввода и передачи (13) информация из сервера хранения поступает в электронно-вычислительную машину (14) со стандартным набором периферийных устройств: процессор (15), оперативное запоминающее устройство (16), накопитель на магнитных дисках (17), устройство отображения информации (18), печатающее устройство (19), клавиатура (20). Предварительно, в оперативное запоминающее устройство (16) записывают программу специализированного программного обеспечения MATH CAD. Затем формируют кадры синтезированных матриц из попиксельных отношений цифровых сигналов видеокамеры и сканирующего устройства. Данная операция реализуется использованием специализированного программного обеспечения [см., например, MATH CAD.7.0 PLVS, издание 3-е стереотипное, «Информационно-издательский дом «ФИЛИНЪ», 1998 г., стр. 211, Векторизация элементов матрицы]. После этого осуществляют нормирование функции сигнала синтезированной матрицы в стандартной шкале 0…255 уровней квантования.

Вычисление производных по направлению проводят в режиме «сканирующего» окна, программным методом. Затем осуществляют генерализацию распределения линеаментов по азимутальным направлениям в виде «розы-диаграмм» преимущественных направлений, совпадающих с векторным полем направлений сжатия земной коры, как это иллюстрируется фиг. 3.

Текст программы расчета векторного поля линеаментов

Программа расчета среднего азимута линеаментов

Располагая расчетными значениями средних азимутов линеаментов «роза-диаграмм» Σ₁, Σ₂, Σ₃ для синтезированных изображений, получаемых на последовательных витках в моменты времени t₁, t₂, t₃ при межвитковом интервале времени Δt≈1,5 час, рассчитывают постоянную времени Т сейсмического процесса. В частности, для последовательности роза-диаграмм фиг. 4 расчетные значения составили:

Σ₁=8° Σ₂=26° Σ₃=37°

Предельное значение Σ₀ установившегося процесса составит 53°.

Постоянная Т сейсмического процесса 3,8 час.

Ожидаемое время сейсмического удара t_у = 18 час = 0,75 суток.

Ожидаемая магнитуда сейсмического удара М=6,1.

Все элементы системы измерений выполнены на существующей технической базе. В качестве ультрафиолетового измерителя может быть использована камера «Фиалка - MB - КОСМОС» [см., Комплект оборудования для космического эксперимента, шифр «Землетрясение», Приложение 2 к Техническому заданию «Измерение краткосрочных динамических предвестников землетрясений средствами PC МКС» РОСКОСМОС, ЦНИИМАШ, 2009 г.]

Эффективность заявленного способа характеризуется оперативностью, глобальностью и высокой достоверностью, поскольку используемый поляризационный признак-предвестник аккумулирует в себе все предшествующие первопричинные признаки.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для обнаружения сейсмического процесса. Сущность: выполняют синхронную покадровую съемку подстилающей поверхности по двум независимым каналам в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном участках спектра. Формируют синтезированные матрицы изображений из попиксельных отношений ультрафиолетового снимка к инфракрасному снимку. Рассчитывают градиентное поле линеаментов синтезированной матрицы. Вычисляют средневзвешенную сумму азимутов линеаментов на последовательных витках прохода космического носителя над зоной наблюдения. Прогнозируют характеристики сейсмического удара. Технический результат: повышение достоверности и оперативности обнаружения сейсмического процесса. 5 ил.

Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами, включающий синхронную покадровую съемку подстилающей поверхности по двум независимым каналам в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном участках спектра, формирование синтезированных матриц изображений из попиксельных отношений ультрафиолетового снимка к инфракрасному снимку, расчет градиентного поля линеаментов синтезированной матрицы, вычисление средневзвешенной суммы азимутов линеаментов Σ_i на последовательных витках прохода космического носителя над зоной наблюдения, прогнозирование характеристик сейсмического удара:

постоянной времени сейсмического процесса

,

времени удара t_y=4,7T и магнитуды М: lgt_y[сут]=0,54M-3,37,

где Σ₀ - предельное значение суммы азимутов линеаментов, ,

Σ₁, Σ₂, Σ₃ - суммы азимутов линеаментов в моменты измерений t₁, t₂, t₃,

Δt=(t₂-t₁)=(t₃-t₂) - межвитковый интервал времени между двумя измерениями.