способ определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения

Формула изобретения

Способ определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения, основанный на преобразовании по частоте в измерительном канале принимаемого электромагнитного излучения, сдвиге по фазе на +90° напряжения гетеродина, использовании его для дополнительного преобразования по частоте принимаемого электромагнитного излучения, сдвиге по фазе на +90° дополнительно преобразованного по частоте электромагнитного излучения, суммировании его с основным преобразованным по частоте электромагнитным излучением, перемножении полученного суммарного электромагнитного излучения с принимаемым электромагнитным излучением, выделении напряжения на частоте гетеродина, детектировании его и использовании в качестве управляющего сигнала для разрешения дальнейшей обработки суммарного электромагнитного излучения, периодическом производстве в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, определении разностного сигнала двух последовательных измерений, интегрировании разностного сигнала, делении разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал, сравнении полученного значения с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения перемножении преобразованного по частоте электромагнитного излучения с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделении гармонических сигналов на частоте гетеродина, измерении между ними и напряжением гетеродина фазовых сдвигов, по которым определяют фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на эпицентр ожидаемого землетрясения, при этом приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещают в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну измерительного канала, отличающийся тем, что выделяют электромагнитные излучения в полосе частот f _П1=f₂-f₁, где f₁, f₂ - граничные частоты, расположенные слева от основной полосы частот f _П, попадание в которую двух или более электромагнитных излучений приводит к образованию интермодуляционных помех, сдвигают их по фазе на +180° и суммируют сдвинутые по фазе на +180° электромагнитные излучения с принимаемыми электромагнитными излучениями, выделяют электромагнитные излучения в полосе частот f _П2=f₄-f₃, где f₃, f₄ - граничные частоты, расположенной справа от основной полосы пропускания f _П, попадание в которую двух или более электромагнитных излучений приводит к образованию интермодуляционных помех, сдвигают их по фазе на +180° и суммируют сдвинутые по фазе на +180° электромагнитные излучения с принимаемыми электромагнитными излучениями.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ относится к геофизике и может быть использован для определения координат эпицентра ожидаемых землетрясений, горных ударов и контроля электромагнитной обстановки в сейсмоопасной зоне земной коры с борта летательного аппарата.

В прогнозировании землетрясений известны способы, основанные на использовании электромагнитных явлений, предшествующих и сопровождающих землетрясения (авт. свид. СССР №499.543, 913.311, 1.080.095, 1.171.737, 1.103.620; патенты РФ №1.806.334, 2.037.162, 2.106.001, 2.172.968; патенты США № 4.193.072, 4.884.030; патент ФРГ №1.548.490; Электромагнитные предвестники землетрясений. Под ред. М.А.Садовского. - М., 1982, с.6-80; Поиск электромагнитных предвестников землетрясений. - М., 1988, с.149-169 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является “Способ определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения” (патент РФ №2.172.968, G 01 V 9/00, 2000), который и выбран в качестве прототипа.

Известный способ использует фазовый метод пеленгации области возмущений электромагнитного поля с помощью пяти приемных антенн, расположенных в виде несимметричного геометрического креста. Способ инвариантен к частоте, так как пеленгация области возмущения электромагнитного поля осуществляется на стабильной частоте гетеродина. Кроме того, за счет использования неподвижных антенн значительно упрощается техническая реализация способа на борту летательного аппарата.

Известный способ обеспечивает подавление ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте f₃, по первому f_К1 и второму f_К2 комбинационным каналам.

Однако, кроме указанных дополнительных каналов приема при реализации известного способа, существуют еще и интермодуляционные каналы приема. Субъективно эти каналы образуются при появлении в свободном канале сразу двух ложных электромагнитных излучений (помех), наложенных друг на друга.

Природу интермодуляционных помех можно пояснить следующим образом. Если в эфире одновременно появляются два сигнала (излучения) большой амплитуды с частотами f1 и f2, то они образуют на любых нелинейных элементах ряд интермодуляционных частот:

mf₁± nf₂=f _mn.

Сумма (разность) коэффициентов m и n называется порядком, т.е. интермодуляционная частота f_mn называется частотой порядка m±n.

Как видно из фиг. 5 и 6, два мощных ложных сигнала (помех) образуют множество интермодуляционных частот.

Наличие ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и точности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения путем подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам.

Поставленная задача решается тем, что в способе, основанном на преобразовании по частоте в измерительном канале принимаемого электромагнитного излучения, сдвиге по фазе на +90° напряжения гетеродина, использовании его для дополнительного преобразования по частоте принимаемого электромагнитного излучения, сдвиге по фазе на +90° дополнительно преобразованного по частоте электромагнитного излучения, суммировании его с основным преобразованным излучением, перемножении полученного суммарного электромагнитного излучения с принимаемым электромагнитным излучением, выделении напряжения на частоте гетеродина, детектировании его и использовании в качестве управляющего сигнала для разрешения дальнейшей обработки суммарного электромагнитного излучения, периодическом производстве в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, определении разностного сигнала двух последовательных измерений, интегрировании разностного сигнала, делении разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал. Сравнении полученного значения с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения перемножении преобразованного по частоте электромагнитного излучения с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделении гармонических сигналов на частоте гетеродина, измерении между ними и напряжением гетеродина фазовых сдвигов, по которым определяют фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на эпицентр ожидаемого землетрясения, при этом приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещают в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну измерительного канала, выделяют электромагнитные излучения в полосе частот

f_П1=f₂-f₁,

где f₁ и f₂ - граничные частоты расположенной слева от основной полосы пропускания f_П, попадание в которую двух и более электромагнитных излучений приводит к образованию интермодуляционных помех, сдвигают их по фазе на +180° и суммируют сдвинутые по фазе на +180° электромагнитные излучения с принимаемыми электромагнитными излучениями, выделяют электромагнитные излучения в полосе частот

f_П2=f₄-f_3,

где f₃ , f₄ - граничные частоты расположенной справа от основной полосы пропускания f_П, попадание в которую двух или более электромагнитных излучений приводит к образованию интермодуляционных помех. Сдвигают их по фазе на +180° и суммируют сдвинутые по фазе на +180° электромагнитные излучения с принимаемыми электромагнитными излучениями.

Для определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения используют фазовый метод пеленгации, которому свойственно противоречие между точностью и однозначностью определения угловых координат источника аномальных возмущений электромагнитного поля. С целью устранения этого противоречия в каждой плоскости используют две шкалы отсчета: большую - точную, но неоднозначную и малую - грубую, но однозначную.

Для подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте f_з, используют фазокомпенсационный метод, а для подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по комбинационным каналам на частотах f_К1 иf_K2, - метод узкополосной фильтрации.

Для подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам, используют фазокомпенсационный метод.

Данное техническое решение проиллюстрировано графическим материалом. На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг.2 изображено взаимное положение приемных антенн. На фиг.3 представлена геометрическая схема расположения приемных антенн на борту летательного аппарата. На фиг.4, 5, 6 показаны частотные диаграммы, поясняющие принцип образования дополнительных каналов приема.

Устройство содержит один измерительный и четыре пеленгационных канала.

Измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны, усилителя 2 высокой частоты, первого полосового фильтра 49, первого фазоинвертора 50, второго сумматора 51, второй вход которого соединен с выходом усилителя 2 высокой частоты, второго полосового фильтра 52, второго фазоинвертора 53, третьего сумматора 54, второй вход которого соединен с выходом сумматора 51, первого смесителя 3, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 4, первого усилителя 5 промежуточной частоты, первого сумматора 44, перемножителя 45, второй вход которого соединен с выходом сумматора 54, узкополосного фильтра 46, амплитудного детектора 47, ключа 48, второй вход которого соединен с выходом сумматора 44, измерителя 6 напряженности электромагнитного поля, линии задержки 7, блока 8 вычитания, второй вход которого соединен с выходом измерителя 6 напряженности электромагнитного поля, блока 9 интегрирования, блока 10 деления, второй вход которого соединен с выходом блока 8 вычитания, блока 11 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 12 формирования эталонного напряжения, вычислительного устройства 13 и блока 14 индикации. К выходу сумматора 54 последовательно подключены второй смеситель 41, второй вход которого через первый фазовращатель 40 на +90° соединен с вторым выходом гетеродина 4, второй усилитель 42 промежуточной частоты и второй фазовращатель 43 на +90°, выход которого соединен со вторым входом сумматора 44.

Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 15 (16-18), усилителя 19 (20-22) высокой частоты, перемножителя 23 (24-26), второй вход которого через ключ 27 соединен с выходами блока 11 сравнения и ключа 48, узкополосный фильтр 28 (29-31), фазового детектора 32 (33, 38, 39) и блока 34 (35-37) регистрации. Вторые входы фазовых детекторов 32 и 38 соединены с первым выходом гетеродина 4. Вторые входы фазовых детекторов 33 и 39 соединены с выходами узкополосных фильтров 28 и 30 соответственно.

Если в качестве летательного аппарата используется самолет, то приемные антенны 1, 15-17 располагаются на фюзеляже снизу, а приемная антенна 18 - на правом крыле (фиг.3,а).

Если в качестве летательного аппарата используется космический аппарат (объект), то используются специальные панели, аналогичные солнечным панелям, которые после вывода космического аппарата на орбиту раскрываются и располагаются по направлению к поверхности Земли (фиг.3, 6).

Приемные антенны 1, 15-18, поднятые над поверхностью Земли, например, с помощью летательного аппарата и размещенные в виде несимметричного геометрического креста (фиг.2), принимают электромагнитные излучения:

J₁(t)=Е_Сcos[2 (f_c± f)t+ ₁],

J₂(t)=Е_Ccos[2 (f_c± f)t+ ₂,

J₃(t)=Е_Сcos[2 (f_c± f)t+ ₃],

J₄(t)=Е_Сcos[2 (f_c± f)t+ ₄],

J₅(t)=Е_Ccos[2 (f_c± f)t+ ₅], где 0 t _C,

где e_c, f_C, _C, ₁- ₅ - амплитуды, частоты, длительность и начальные фазы электромагнитных излучений;

± f - нестабильность несущей частоты электромагнитных излучений, обусловленная различными дестабилизирующими факторами.

Электромагнитное излучение J₁(t) с выхода приемной антенны 1 через усилитель 2 высокой частоты, сумматоры 51 и 54, у которых работает только одно плечо, поступает на первые входы смесителей 3 и 41, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 4 соответственно:

u_г1(t)=U_г cos(2 f_гt+ _г),

u_г2=U_гcos(2 f_Ut+ _Г+90° ).

На выходах смесителей 3 и 41 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 5 и 42 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

u_пр1 =U_прcos[2 (f_пр± f)t+ _пр1],

u_пр2=U_прcos[2 (f_пр± f)t+ _пр1-90° )], 0 t _С

где

K₁ - коэффициент передачи смесителей,

_пр1= ₁- ₂;

f_пр=f_С-f_Г - промежуточная частота.

Напряжение u_пр2(t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 43 на +90° , на выходе которого образуется напряжение

u_пр3(t)=U_прcos[2 (f_пр± f)t+ _пр1-90° +90° ]=

=U_пpcos[2 (f_пр± f)t+ _пр1], 0 t _С.

Напряжения u_пр1(t) и u_пр3 (t) поступают на два входа сумматора 44, на выходе которого образуется суммарное напряжение

u (t)=U cos[2 (f_пp± f)t+ _пр1], 0 t _C,

где U =2U_пp.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 45, на первый вход которого поступает электромагнитное излучение J₁(t) с выхода усилителя 2 высокой частоты. На выходе перемножителя 45 образуется гармоническое напряжение на частоте f_г гетеродина

u_Г3(t)=U _Г3cos(2 f_Гt+ _Г), 0 t _С,

где

К₂ - коэффициент передачи перемножителя.

Так как частота настройки f_Н узкополосного фильтра 46 выбирается равной частоте гетеродина f_г (f _Н=f_г), то напряжение u_Г3(t) выделяется узкополосным фильтром 46, детектируется амплитудным детектором 47 и поступает на управляющий вход ключа 48, открывая его. В исходном состоянии ключ 48 всегда закрыт.

При этом напряжение u (t) с выхода сумматора 44 через открытый ключ 48 поступает на вход измерителя 6 напряженности электромагнитного поля, в качестве которого может быть использован амплитудный детектор. В каждой точке наблюдения производят не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля. Затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого сигнал, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 7 задержки до момента сравнения его с последующим сигналом в блоке 8 вычитания. Операции интегрирования разностного сигнала и деления разностного на проинтегрированный разностный сигнал производится в блоке 9 и 10. В блоке 11 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемого блоком 12. В вычитательном устройстве 13 осуществляется обработка результатов измерения, а их индикация осуществляется блоком 14. Сигнал с выхода блока 11 сравнения одновременно поступает на управляющий вход ключа 27, открывая его. В исходном состоянии ключ 27 всегда закрыт.

Электромагнитные излучения J ₂(t)-J₅(t) с выходов усилителей 19-22 высокой частоты поступают на первые входы перемножителей 23-27 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение u (t) с выхода сумматора 44 через открытый ключ 27. На выходах перемножителей 23-26 образуются следующие гармонические колебания:

u₁(t)=U₁cos(2 f_Гt+ _Г+ ₁),

u₂(t)=U₁cos(2 f_Гt+ _Г- ₂),

u₃(t)=U₁cos(2 f_Гt+ _Г+ ₃),

u₄(t)=U₁cos(2 f_Гt+ _Г- ₄), 0 t _С,

где

где , - угловые координаты эпицентра ожидаемого землетрясения (азимут и угол места), которые выделяются узкополосными фильтрами 28 - 31 и поступают на первые входы фазовых детекторов 32, 33, 38 и 39 соответственно. На вторые входы фазовых детекторов 32 и 38 подается напряжение u_Г1(t) гетеродина 4. На вторые входы фазовых детекторов 33 и 39 подаются напряжения u₁ (t) и u₃(t) с выходов узкополосных фильтров 28 и 30 соответственно. Знаки "+" и "-" перед фазовыми сдвигами ₂ и ₄ соответствуют диаметрально противоположным положениям антенн 15 и 16, 17 и 18 относительно антенны 1. На выходах фазовых детекторов 32, 33, 38 и 39 образуются постоянные напряжения:

u_н1( )=u_H1· cos ₁,

u_H1( )=U_H1cos ₅,

u_H3( )=U_H3cos ₃,

u_H4( )=U_Н2cos ₆

где

К₃ - коэффициент передачи фазовых детекторов;

;

которые фиксируются блоками 34-37 регистрации.

Приемные антенны размещают таким образом, что измерительные базы образуют несимметричный геометрический крест, в пересечении которого помещают приемную антенну 1 измерительного канала (фиг.2). При этом меньшие базы d1 и d2, образуют грубые, а большие базы d₅ и d₆ - точные, но неоднозначные шкалы пеленгации:

Зная высоту h полета летательного аппарата и измерив координаты и , можно точно и однозначно определить координаты эпицентра ожидаемого землетрясения.

Так, предполагается использовать фазовый метод пеленгации области возмущения электромагнитного поля с помощью пяти приемных антенн, расположенных в виде несимметричного креста. Способ инвариантен к нестабильности частоты электромагнитного излучения, так как пеленгацию области возмущения электромагнитного поля осуществляют на стабильной частоте гетеродина. Кроме того, за счет использования неподвижных антенн значительно упрощается техническая реализация способа на борту летательного аппарата.

Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует случаю приема электромагнитного излучения по основному каналу на частоте f_c (фиг.4).

Если ложное электромагнитное излучение (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте f_З

u_З(t)=U _Зcos(2 f_Зt+ _З), 0 t _З,

то в смесителях 3 и 41 оно преобразуется в следующие напряжения промежуточной частоты:

u_пр4 (t)=U_пр4cos(2 f_прt+ _пр4),

u_пр5(t)=U_пр4cos(2 f_прt+ _пр4+90° ), 0 t _З

где f_пр=f_Г-f_З - промежуточная частота;

_пр= _Г- _З.

Напряжение u_пр5(t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 43 на 90° , на выходе которого образуется напряжение

u _пр6(t)=U_пр4· cos(2 f_прt+ _пр4+90° +90° )=

=-U_пр4cos(2 f_прt+ _пр4), 0 t _З.

Напряжения u_пр4(t) и u_пр6 (t), поступающие на два входа сумматора 44, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложное электромагнитное излучение (помеха), принимаемое по зеркальному каналу на частоте f_З, подавляется. Для этого используется фазокомпенсационный метод.

По аналогичной причине подавляется и ложное электромагнитное излучение (помеха), принимаемое по первому комбинационному каналу на частоте f_K1.

Если ложное электромагнитное излучение (помеха) принимается по второму комбинационному каналу

u_k2(t)=U_k2cos(2 f_k2t+ _k2), 0 t _k2,

то в смесителях 3 и 41 оно преобразуется в следующие напряжения промежуточной частоты:

u_пр7 (t)=U_пр7cos(2 f_прt+ _пр7),

u_пр8(t)=U_пр7cos(2 f_прt+ _пр7-90° ), 0 t _k2,

где

f_пр=f_k2-2f_Г промежуточная частота;

_пр7= _к2- _Г.

Напряжение u_пр8(t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазоваращателя 43 на +90° , на выходе которого образуется напряжение

u_пр9(t)=U_пр7cos(2 f_прt+ _пр7-90° +90° )=

=U_пр7cos(2 f_прt+ _пр7), 0 t _k2.

Напряжения u_пр7(t) и u_пр9 (t) поступают на два входа сумматора 44 на выходе которого образуется суммарное напряжение

u ₁(t)=U ₁cos(2 f_прt+ _пр7), 0 t _k2,

где U ₁=2U_пр7.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 45, на первый вход которого поступает ложное электромагнитное излучение (помеха) u_k2(t) с выхода усилителя 2 высокой частоты. На выходе перемножителя 45 образуется гармоническое напряжение на второй гармонике 2f _Г гетеродина 4

u_Г(t)=U_Г cos(4 f_Гt+ _Г), 0 t _k2,

где

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 46. Ключ 48 не открывается и ложное электромагнитное излучение (помеха), принимаемое по второму комбинационному каналу на частоте f_K2, подавляется. Для этого используется метод узкополосной фильтрации.

Подавление ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам в полосе частот f_п1, обеспечивается фильтром-пробкой, состоящим из полосового фильтра 49, фазоинвертора 50, сумматора 51, и реализуется фазокомпенсационным методом (фиг.5). Частота настройки f _н1 и полоса пропускания f_п1 полосового фильтра 49 выбирается следующим образом:

где f₁, f₂ - гармонические частоты, определяющие полосу частот f_п1, расположенную слева от основной полосы пропускания f_п, попадание в которую двух или более электромагнитных излучений приводит к образованию интермодуляционных помех.

Указанные электромагнитные излучения поступают на первый вход сумматора 51, выделяются полосовым фильтром 49, инвертируются по фазе на +180° в фазоинверторе 50 и подаются на второй вход сумматора 51, на выходе которого они компенсируются.

Следовательно, ложные электромагнитные излучения (помехи), принимаемые по интермодуляционным каналам в полосе частот f_п1, подавляются.

Подавление ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по интермодуляционным каналам в полосе частот f_п2 (фиг.6), обеспечивается фильтром-пробкой, состоящим из полосового фильтра 52, фазоинвертора 53, сумматора 54 и реализующим фазокомпенсационный метод.

Частота настройки f_Н2 и полоса пропускания f_п2 полосового фильтра 52 выбираются следующим образом:

где f₃, f₄ - гармоничные частоты, определяющие полосу частот f_п2, попадание в которую двух или более электромагнитных излучений приводит к образованию интермодуляционных помех.

Указанные электромагнитные излучения поступают на первый вход сумматора 54, выделяются полосовым фильтром 52, инвертируются по фазе на +180° в фазоинверторе 53 и подаются на второй вход сумматора 54, на выходе которого они компенсируются.

Следовательно, ложные электромагнитные излучения (помехи), принимаемые по интермодуляционным каналам в полосе частот f_п2, подавляются.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает подавление ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых не только по зеркальному каналу на частоте f_З, по комбинационным каналам на частотах f_К1 и f_K2, но и по интермодуляционным каналам в полосах частот f_п1 и f_п2, расположенных слева и справа от основной полосы пропускания f_п. Тем самым обеспечивается повышение помехоустойчивости и точности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения.