Регистратор предвестника землетрясения

 

Использование: в сейсмологии, в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений. Сущность: регистратор предвестника землетрясения, содержащий канал измерений из последовательно включенных функционального преобразователя - политрона и интегратора, выполнен из двух параллельных каналов измерений, разнесенных на протяженной измерительной базе, на входы которых подключены электростатические датчики, а выходы каналов подключены к дифференциальной мостовой схеме, выход которой соединен с последовательно включенными элементами: пороговой схемой, аналогово-цифровым преобразователем, буфером-накопителем и ПЭВМ, осуществляющей запись регистрируемого сигнала и синхронизацию работы перечисленных элементов через программируемую схему выборки измерений посредством закладки в нее программы измерений. Технический результат - повышение достоверности регистрации предвестника землетрясения и расширения функциональных возможностей устройства. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области сейсмологии и может найти применение в национальных системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений для прогнозирования землетрясений.

Существует множество статических признаков готовящегося землетрясения, регистрируемых системами наземных наблюдений, таких как деформации земной коры, изменение ориентации осей сжатия, изменение удельного сопротивления земной коры, величины теллурических токов, напряженности магнитного поля над очагом и другие. Систематизированный перечень известных признаков см., например, "Данные о предвестниках", в книге Т. Рикитаке "Предсказание землетрясений", перевод с английского, М.: Мир, 1979 г., табл. 15.13., с. 314-333.

Перечисленные признаки-предвестники имеют долговременный интервал существования, характеризуются широким диапазоном изменения параметров, но не позволяют достаточно точно предсказать время ожидаемого удара. Другой класс - динамические признаки-предвестники. Они появляются за несколько суток (часов) до ожидаемого удара, но в силу своей скрытности, "инерционности" во времени (период изменения десятки тысяч секунд) не могут быть зарегистрированы известными техническими средствами.

Достоверно установлено (см., например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов". Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, М., 1998 г., с. 30), что за несколько суток до сильного землетрясения, в области его подготовки, в атмосфере над поверхностью очага наблюдается сильное вертикальное электрическое поле величиной до нескольких кв. м. Размер области на Земле, над которой это поле существует, составляет порядка 100-150 км.

Для регистрации статических электрических полей используют электростатические датчики (см., например, "Электростатические датчики" в книге "Справочник по радиоэлектронике" под редакцией А.А. Куликовского, т. 2, М.: Энергия, 1968 г., с. 468, рис. 19-136, - аналог). В качестве чувствительного элемента в датчике-аналоге используют конденсатор, нагруженный на сопротивление, с особым видом поляризованного диэлектрика (электретом), помещенным между обкладками конденсатора. Одна из обкладок изолирована от поверхности земли, другая обкладка соединена с поверхностью земли либо корпусом контролируемого объекта.

К недостаткам аналога следует отнести невысокую чувствительность, невозможность регистрации медленно меняющихся электростатических полей. Поскольку ток заряда конденсатора пропорционален скорости изменения потенциала, то уровень выходного сигнала, снимаемого с датчика для медленно меняющегося электростатического поля, соизмерим с уровнем шумов.

Известно устройство (политрон), обеспечивающее выделение и классификацию сигналов, находящихся ниже уровня шумов (см., например, А.И. Ставицкий, А.Н. Никитин "На одном языке с природой", Санкт-Петербург: из-во "Итан", 1997 г., с. 61-64). В политроне использованы когерентные свойства объемного заряда интерференционного поля пучка электронов. Обладая исключительно высокой чувствительностью, устройство позволяет регистрировать пространственно-временные сигналы и выделять скрытую информацию процессов при уровнях сигнала ниже уровня шумов.

Ближайшим аналогом по отношению к заявляемому техническому решению является "Устройство для распознавания образов", авторское свидетельство СССР №625579, кл. G 06 К 9/00, 1979 г.).

Устройство для распознавания образов содержит последовательно включенные функциональный преобразователь-политрон, интегратор и индикатор, а также пассивные реактивные элементы, выходы которых соединены с функциональными пластинами политрона, а входы соединены с блоком коммутации, подключенным к интегратору; вход коммутатора соединен со входом устройства.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- невозможность непосредственного применения для регистрации электростатических полей;

- накопление систематических ошибок измерений на выходе интегратора,

- функциональная ограниченность устройства.

Задача, решаемая заявленным изобретением, заключается в достоверной регистрации признака-предвестника землетрясения в виде временной функции изменения вертикального электростатического поля над очагом и расширения функциональных возможностей устройства путем программируемой от компьютера выборки измерений регистрируемого сигнала.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что регистратор предвестника землетрясения, содержащий канал измерений из последовательно включенных функционального преобразователя-политрона и интегратора, выполнен из двух параллельных каналов измерений, разнесенных на протяженной измерительной базе, на входы которых подключены электростатические датчики, а выходы каналов подключены к дифференциальной мостовой схеме, выход которой соединен с последовательно включенными элементами: пороговой схемой, аналогово-цифровым преобразователем, буфером-накопителем и ПЭВМ, осуществляющей запись регистрируемого сигнала и синхронизацию работы перечисленных элементов через программируемую схему выборки измерений посредством закладки в нее программы измерений.

Вновь введенные элементы и связи позволяют реализовать такие новые свойства заявленного технического решения как:

- возможность регистрации медленно изменяющихся процессов;

- извлечение скрытой информации путем использования свойств когерентного объемного заряда электронов,

- достоверность и устойчивость регистрации за счет использования дифференциальной схемы и порогового устройства;

- расширение функциональных возможностей устройства путем адаптации к измеряемому процессу за счет изменяемой на ПЭВМ программы измерений.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о наличии существенных отличительных признаков в заявляемом техническом решении и 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 измерений.

Регистратор предвестника землетрясений (фиг.1) содержит два параллельных канала измерений 1, разнесенных на измерительной базе 2, в составе последовательно соединенных функционального преобразователя-политрона 3 и интегратора 4. На входы измерительных каналов 1 подключены электростатические датчики 5, а выходы каналов нагружены на дифференциальную мостовую схему 6, выход которой подключен к последовательной цепочке элементов из пороговой схемы 7, аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) 8, буфера-накопителя 9 и ПЭВМ 10 в стандартном наборе элементов: процессора 11, оперативного запоминающего устройства 12, винчестера 13, дисплея 14, принтера 15, клавиатуры 16. Процессор 11 ПЭВМ 10 подключен к программируемой схеме выборки измерений 17, синхронизирующей работу пороговой схемы 7, АЦП 8 и буфера-накопителя 9.

Регистратор предвестника землетрясений размещают в сейсмоопасном регионе, а измерительные каналы 1 разносят друг от друга на расстояние (базу 2), превышающее размеры зоны подготавливаемого землетрясения. Осуществляют балансировку дифференциальной мостовой схемы 6 таким образом, чтобы ее выходное напряжение было близким к нулю и не превышало напряжения установленного порога пороговой схемы 7. При возникновении сильного электростатического поля накануне землетрясения его величина в точках размещения разнесенных измерителей будет существенно отличаться. В результате усиления в политроне 3 и интегрирования 4 сигналов различного уровня, снимаемых с электростатических датчиков 5, баланс дифференциальной мостовой схемы 6 нарушается. Через некоторое время выходное напряжение схемы 6 превысит пороговое напряжение схемы 7, задаваемое программой от программируемой схемы выборки измерений 17.

Программа, предварительно сформированная на ПЭВМ 10 и заложенная в программируемую схему выборки 17, запускает АЦП 8, осуществляющий квантование амплитуды поступающего разностного сигнала со схемы 6 и его дискретизацию во времени. Поток цифровых данных с выхода АЦП 8 заполняет буфер-накопитель 9 и по достижении заданного программой объема файла пересылается в оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 12 ПЭВМ 10. В ОЗУ 12 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 10. 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 7. 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 книге С.А. Вакин, Л.Н. Шустов "Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки". М.: Сов. радио, 1968 г., с. 20-29). Использование того или иного критерия, минимизирующего средний риск, легко реализуется программой, формируемой на ПЭВМ.

На фиг.2 воспроизведена зарегистрированная функция изменения вертикального электростатического поля в области очага накануне землетрясения (см., например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов". Доклады конференции, РАН, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, М., 1998 г., 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 ионозации, каковым является эманация радона в сейсмоактивной области, величина аномального электростатического поля достигает ~1 кВ/м. Следовательно, селектируемыми параметрами признака-предвестника, представленного функцией фиг.2, являются момент возникновения, скорость нарастания и амплитуда регистрируемого сигнала.

На фиг.3 представлен вид регистрограммы сигнала предвестника (распечатка с принтера ПЭВМ). Очевидно, что кроме перечисленных визуальных признаков регистрограмма содержит и скрытую информацию о параметрах предстоящего землетрясения. Размещая в сейсмоопасном регионе систему заявленных регистраторов и осуществляя совместную обработку регистрограмм (фиг.3), на ПЭВМ можно будет достоверно судить о предстоящем землетрясении.

Элементы измерителя выполнены по стандартным электронным схемам и могут быть реализованы на существующей элементной базе. В качестве ПЭВМ используется IBM PC/AT 486/487. Программируемая схема выборки, аналогово-цифровой преобразователь, буфер-накопитель выполнены на стандартных интегральных платах, совместимых с контроллерами IBM PC/AT. Программируемая схема выборки выполнена на плате ЛА-TMS-31, АЦП и буфер-накопитель выполнены на плате ЛА-20 (см., например, Якубовский Б. и др. "Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы". Справочник, М.: Радио и связь, 1990 г.). Интегратор выполнен на базе операционного усилителя в режиме интегрирования. Политрон - серийно выпускаемый электронный прибор ЛФ 9П. В регистраторе использованы стандартные дифференциальная мостовая и пороговая (ключевая) схемы (см., например, "Справочник по радиоэлектронике", т. 2, под редакцией А.А. Куликовского, М.: Энергия, 1968 г., с. 484, рис. 19-26 - дифференциальная схема, а также "Справочник по радиоэлектронным устройствам", т. 1, справочник под редакцией А.А. Куликовского, М.: Энергия, 1976 г., § 4.3 Электронные ключи, с. 339-346).

Эффективность регистратора определяется такими показателями, как достоверность, точность, оперативность. Тактовая частота использованных интегральных микросхем ≈2,5 МГц, что при 8-разрядном стандартном (0...256)уровне квантования отсчетов обеспечивает время одного цикла 0,03 мс. Последнее не накладывает ограничений на быстродействие регистратора и позволяет дополнительно извлекать скрытую информацию в виде скорости нарастания электростатического потенциала отслеживаемого процесса. Обработка результатов, визуализация и расчет параметров признака-предвестника, благодаря ПЭВМ, может осуществляться в темпе наблюдений.

Формула изобретения

Регистратор предвестника землетрясения, содержащий канал измерений из последовательно включенных функционального преобразователя - политрона и интегратора, отличающийся тем, что регистратор выполнен из двух параллельных каналов измерений, разнесенных на протяженной измерительной базе, на входы которых подключены электростатические датчики, а выходы каналов подключены к дифференциальной мостовой схеме, выход которой соединен с последовательно включенными элементами: пороговой схемой, аналого-цифровым преобразователем, буфером-накопителем и ПЭВМ, осуществляющей запись регистрируемого сигнала и синхронизацию работы перечисленных элементов через программируемую схему выборки посредством закладки в нее программы измерений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3