измеритель предвестника землетрясения
Классы МПК: | G01V9/00 Разведка или обнаружение способами, не отнесенными к группам 1/00 |
Автор(ы): | Давыдов В.Ф., Корольков А.В., Никитин А.Н., Бурков В.Д., Галкин Ю.С. |
Патентообладатель(и): | Московский государственный университет леса |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-03-25 публикация патента:
27.05.2003 |
Использование: в сейсмологии, в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность: измерительные каналы разносят друг от друга на расстояние, соизмеримое с размерами зоны землетрясения. Осуществляют балансировку дифференциальной мостовой схемы таким образом, чтобы ее выходное напряжение в отсутствие сигнала предвестника было близким к нулю и не превышало напряжения установленного порога порогового элемента. При возникновении сильного электростатического поля его величина в точках размещения разнесенных измерителей будет существенно отличаться. Световой сигнал от генератора оптического излучения по волоконно-оптическим линиям передается к чувствительным элементам электрооптических датчиков. Промодулированный световой поток по волоконно-оптической линии передается на фотоприемник, который преобразует оптический сигнал в электрический. Появление признака-предвестника в виде сильного электростатического поля приведет к разбалансировке дифференциальной мостовой схемы. Через некоторое время выходное напряжение схемы превысит пороговое напряжение элемента, задаваемое от программируемой схемы выборки. Срабатывание порогового элемента определяется сервисной программой. Технический результат: повышение точности, достоверности, оперативности. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Формула изобретения
Измеритель предвестника землетрясения, содержащий первичные датчики электростатического поля, последовательно подключенные аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), буфер-накопитель, компьютер обработки регистрируемого сигнала и синхронизации работы элементов измерителя посредством сервисных программ, закладываемых в программируемую схему выборки, отличающийся тем, что измеритель выполнен из двух параллельных каналов, разнесенных на измерительной базе с симметричной запиткой каналов через волоконно-оптические линии от единого генератора оптического излучения и содержащих последовательно подключенные электрооптический датчик, фотоприемник, выходы фотоприемников нагружены на дифференциальную мостовую схему, вторая диагональ которой подключена к пороговому элементу, выход которого подключен на вход АЦП, электрооптические датчики помещены между обкладками конденсаторов первичных датчиков, а пороговый элемент дополнительно подключен к программируемой схеме выборки.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Существует множество долговременных признаков готовящегося землетрясения, регистрируемых системами наземных наблюдений. Систематизированный перечень известных признаков см., например, Данные о предвестниках. - В кн: Т. Рикитаке. Предсказание землетрясений/ Пер. с англ. - М.: Мир, 1979, табл. 15.13, с.314-333. Известные признаки имеют продолжительные интервалы существования (годы), но не позволяют достаточно точно предсказать момент удара. Другой класс - краткосрочные признаки-предвестники. Они появляются за несколько суток (часов) до удара, но в силу своей скрытности не могут быть зарегистрированы существующими техническими средствами. Среди краткосрочных признаков-предвестников наиболее значимым является раскачка очага землетрясения перед ударом, сопровождаемая распространением от него сверхнизких литосферных волн, с периодом 3,2-4,5 час. (см., например, Давыдов В.Ф. Землетрясения. Телеметрия предвестников, монография. - М.: МГУЛ, 2001, с.30, рис.17). Непосредственная регистрация таких медленно меняющихся процессов с частотами


- невозможность непосредственного измерения электростатического поля;
- трудность практической реализации измерительного полигона с длиной строки, столбца равной длине инфранизких сейсмоволн, которая при периоде 3,2...4,5 часа составляет

- трудности последующей калибровки измерительного тракта, связанные с потерями энергии световых волн в волоконно-оптических линиях на протяженных трассах размещения датчиков-измерителей. Задача, решаемая заявленным устройством, заключается в достоверной регистрации признака-предвестника землетрясения в виде временной функции изменения вертикального электростатического поля над очагом и краткосрочного прогнозирования ожидаемого удара по параметрам зарегистрированной функции. Решение поставленной задачи заключается в том, что измеритель предвестника землетрясения, содержащий первичные датчики электростатического поля, последовательно подключенные аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), буфер-накопитель, компьютер обработки регистрируемого сигнала и синхронизации работы элементов измерителя посредством сервисных программ, закладываемых в программируемую схему выборки, измеритель выполнен из двух параллельных каналов, разнесенных на измерительной базе с симметричной запиткой каналов через волоконно-оптические линии от единого генератора оптического излучения и содержащих последовательно подключенные электрооптический датчик, фотоприемник, выходы фотоприемников нагружены на дифференциальную мостовую схему, вторая диагональ которой подключена к пороговому элементу, выход которого подключен на вход АЦП, электрооптические датчики помещены между обкладками конденсаторов первичных датчиков, а пороговый элемент дополнительно подключен к программируемой схеме выборки. Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие качественные свойства заявляемого решения как:
- возможность регистрации медленно меняющихся процессов;
- достоверность и устойчивость обнаружения признака-предвестника за счет введения дифференциальной схемы и порогового устройства;
- априорное прогнозирование параметров ожидаемого удара путем программной обработки сигнала предвестника;
- простота аппаратурной реализации, высокая чувствительность и надежность оптоволоконных датчиков. Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о наличии существенных отличительных признаков в заявленном техническом решении и о соответствии последнего критерию "изобретательский уровень". Изобретение поясняется чертежами, где
фиг.1 - функциональная схема устройства;
фиг. 2 - функция изменения электростатического поля над очагом накануне землетрясения;
фиг.3 - регистрограмма сигнала признака-предвестника. Измеритель предвестника землетрясения (фиг.1) содержит два параллельных канала измерений 1, разнесенных на измерительной базе 2 в составе первичных датчиков электростатического поля 3, с помещенными между обкладками их конденсаторов электрооптическими датчиками 4, запитываемых от генератора оптического излучения 5 через симметричные плечи волоконно-оптических линий 6. Промодулированный в электрооптических датчиках 4 световой поток воспринимается фотоприемниками 7, нагруженными на дифференциальную мостовую схему 8, выход которой подключен к последовательной цепочке из порогового элемента 9, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 10, буфера-накопителя 11 и компьютера (персональной электронно-вычислительной машины ПЭВМ) 12 в стандартном наборе элементов: процессора 13, оперативно запоминающего устройства 14, винчестера (постоянного ЗУ) 15, дисплея 16, принтера 17, клавиатуры 18. Процессор 13 ПЭВМ 12 подключен к программируемой схеме выборки 19, синхронизующей работу порогового элемента 9, АЦП 10 и буфера-накопителя 11. Измеритель предвестника землетрясения размещают в сейсмоопасном регионе, а измерительные каналы 1 разносят друг от друга на расстояние (базу 2), соизмеримое с размерами зоны подготавливаемого землетрясения (несколько десятков км). Осуществляют балансировку дифференциальной мостовой схемы таким образом, чтобы ее выходное напряжение, в отсутствие сигнала предвестника, было близким к нулю и не превышало напряжения установленного порога порогового элемента 9. При возникновении сильного электростатического поля накануне землетрясения, его величина в точках размещения разнесенных измерителей будет существенно отличаться. Световой сигнал от генератора оптического излучения 5 по волоконно-оптическим линиям 6 передается к чувствительным элементам электрооптических датчиков 4. Электрооптические датчики 4 выполнены на основе кристалла типа Bi12SiO20 в виде параллелепипеда, на противоположные грани которого нанесены напылением металлизированные контакты для подачи напряжения. Электрооптические датчики размещены между обкладками конденсаторов (С) первичных датчиков электростатического поля 3. Под действием электрического поля изменяется характер поляризации оптического излучения. Выходной поляризатор (анализатор) электрооптического датчика установлен таким образом, что плоскость его поляризации перпендикулярна плоскости поляризации падающего на кристалл света. В результате интенсивность светового пучка на выходе электрооптического датчика изменяется по закону

где Г(Е) - функция зависимости угла поворота поляризации света от напряженности электростатического поля Е. Промодулированный таким образом световой поток по волоконно-оптической линии передается на фотоприемник, который преобразует оптический сигнал в электрический. Поскольку модуляция световых потоков в разнесенных по пространству на базу 2 измерительных каналов 1 различна, то появление признака предвестника в виде сильного электростатического поля (Е) приведет к разбалансировке дифференциальной мостовой схемы 8. Через некоторое время выходное напряжение схемы 8 превысит пороговое напряжение элемента 9, задаваемое от программируемой схемы выборки 19. Срабатывание порогового элемента определяется сервисной программой. Программа, предварительно сформированная на ПЭВМ 12 и заложенная в программируемую схему выборки 19, запускает АЦП 10, осуществляющий квантование амплитуды поступающего разностного сигнала со схемы 8 и его дискретизацию во времени. Поток цифровых данных с выхода АЦП 10 заполняет буфер-накопитель 11 и по достижении заданного программой объема файла пересылается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 14 ПЭВМ 12. В ОЗУ 14 формируются кадры информации, подлежащие последующей обработке. Шкала квантования сигнала по амплитуде, длительность одного импульса, длительность цикла измерений, объемы файла и кадров определяются программой, формируемой на ПЭВМ 12. После формирования измерительного файла программа циклически воспроизводится программируемой схемой выборки измерений. Имеется возможность адаптации к измеряемому процессу путем изменения заданной программы. Достоверность обнаружения признака-предвестника зависит от величины устанавливаемого порогового напряжения схемы 9. При малой величине установленного порога велика вероятность ложной тревоги. При большой величине установленного порога возможен пропуск ожидаемого события. На величину выбираемого порога влияют и размеры измерительной базы. Существуют методы выбора оптимального порога, обеспечивающие высокую вероятность и достоверность обнаружения ожидаемого события (см., например, Критерии риска. - В кн.: С.А. Вакин, Л.Н. Шустов. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. - М.: Сов. радио, 1968, с.20-29). Использование того или иного критерия, минимизирующего средний риск, легко реализуется программой, формируемой на ПЭВМ. На фиг. 2 воспроизведена функция изменения вертикального электростатического поля в области очага накануне землетрясения (см., например, Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов. Доклады конференции. ИОФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН. М., 1998, с.27). Известно, что атмосферное электрическое поле, как часть глобальной электрической цепи Земля - ионосфера, может меняться на поверхности земли в пределах от 50 до 200 В/м в зависимости от географических координат. В присутствии источника ионизации, каковым является эманация радона в сейсмоактивной области, величина аномального электростатического поля достигает

- Аппроксимируют модулирующую функция синусоидой вида
Е=Е





...

- Вычисляют отношения

при









- Поскольку

то, имея последовательный ряд дискретных отсчетов программным методом, рассчитывают период Т модулирующей функции. Аппроксимация функций, заданных в цифровом виде некоторым участком дискретных отсчетов, представляется стандартной математической операцией, входящей в комплект специального математического обеспечения MATH САД (см., например, Справочник по MATH САД, Использование функциии предсказания, Predict, с.242). Результат программного расчета иллюстрируется фиг.3. По расчетному периоду Т0 модулирующей функции прогнозируют параметры ожидаемого удара по известным регрессионным зависимостям магнитуды М=


Класс G01V9/00 Разведка или обнаружение способами, не отнесенными к группам 1/00