Поляризационный датчик предвестника землетрясений

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано в национальных системах сейсмического контроля для краткосрочного предсказания землетрясений. Сущность: датчик содержит канал приема поляризованного светового потока, отраженного от подстилающей поверхности, и тракт обработки сигнала. В канал приема последовательно включены объектив, деполяризатор, усилитель, пиковый детектор, пороговое устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок буферной памяти, а также отдельный генератор пилообразного напряжения. Причем генератор пилообразного напряжения подключен к металлизированным обкладкам деполяризатора. Технический результат: повышение оперативности и достоверности обнаружения предвестника. 6 ил.

 

Изобретение относится к сейсмологии, в частности к мониторингу природных сред космическими средствами, и может быть использовано в национальных системах сейсмического контроля для краткосрочного предсказания землетрясений.

Одной из причин трудной предсказуемости землетрясений является отсутствие постоянно действующей глобальной системы измерений их устойчивых признаков-предвестников. Среди устойчивых признаков-предвестников известны такие, как эманация газов: водорода, гелия, метана, радона из разломов за несколько суток до землетрясения, создающих нескомпенсированный заряд кулоновского электричества в атмосфере. Как следствие, над эпицентральной областью очага возникает вертикальное электромагнитное поле напряженностью несколько кВ/м в виде купола, опирающегося на основание диаметром 150-200 км [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических, наземно-космических методов», Доклады конференции ОФИЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр.27-30].

Влажность нормальной атмосферы всегда составляет порядка 40...60%. Молекула воды Н₂O обладает постоянным, нескомпенсированным дипольным моментом. Под действием возникающего поля происходит поворот дипольных молекул в пространстве, и, вместо диффузного, наблюдается преимущественно-ориентированное их расположение в единице объема.

Согласно классическим представлениям [см., например, Преломление света, «Физический энциклопедический словарь под редакцией А.М.Прохорова», изд. Советская энциклопедия, М., 1983 г., стр.168] электроны и атомы под действием световой волны совершают вынужденные колебания. Наличие собственной частоты атомов и молекул приводит к зависимости коэффициента преломления и направленности переизлучаемого светового потока от концентрации вторичных излучателей в веществе и их ориентации. Взаимодействие падающего светового потока с ориентированными молекулами Н₂О над областью очага подготавливаемого землетрясения приводит к поляризации отраженного солнечного света. Известно техническое решение (Патент RU № 2.213.359, 2003 г. - аналог), в котором используется явление изменения поляризации волн отраженного светового потока в области подготавливаемого землетрясения.

Способ-аналог включает операции получения изображений подстилающей поверхности A₁(x, у); А₂(х, у) по двум взаимно ортогональным по поляризации каналам приема, формирование синтезированной матрицы путем попиксельного совмещения получаемых изображений с амплитудой сигнала в каждой точке, методами пространственного дифференцирования выделяют контуры на синтезированном изображении, проводят фрактальный и линеаментный анализ фрагментов изображений внутри выделенных контуров и формируют градиентное поле направлений линеаментов, идентифицируют очаг землетрясения на изображении по геометрии контура, фрактальной размерности и узору рисунка поля линеаментов, вычисляют средневзвешенную сумму азимутов линеаментов и отслеживают изменение этой функции по серии последовательных изображений идентифицированного очага, фиксируют момент появления периодических отклонений функции средневзвешенной суммы азимутов линеаментов, рассчитывают период (Т) и коэффициент (k) наклона касательных отслеживаемой функции, прогнозируют время удара отсчитываемое от начала периодических отклонений функции, и магнитуду удара из соотношения где U₀ - предельная величина сдвиговой деформации, при которой происходит разрыв земной коры. Устройство способа-аналога содержит космическую систему видовой разведки с установленными на каждом КА гиперспектрометром, осуществляющим съемку подстилающей поверхности в ортогональных по поляризации плоскостях, путем включения над заданным районом земного шара по программам, закладываемым в бортовой комплекс управления посредством радиолинии из центра управления полетом, с записью в бортовой видеомагнитофон отснятых кадров и последующего сброса кадров изображений на наземные пункты приема. Тематическую обработку изображений по операциям способа осуществляют в Геофизическом центре на персональных ЭВМ.

К недостаткам аналога следует отнести:

- априорную неизвестность места, где необходимо проводить съемку с борта космического носителя, при времени пролета очаговой зоны ≈30 сек;

- необходимость использования двух трактов независимого приема, что усложняет техническую реализуемость;

- сложные алгоритмы обработки, требующие специализированного программного обеспечения;

- неопределенность значений (U₀) для различных регионов планеты, ведущую к неточности расчета t_y.

Ближайшим аналогом по технической сущности с заявляемым решением является «Система измерений предвестника землетрясений», Патент RU № 2.239.852, 2004 г., в котором измеряют электрическое поле в атмосфере над очаговой зоной. Устройство ближайшего аналога содержит множество первичных датчиков, включенных в глобальную телекоммуникационную сеть передачи информации от них на центральный диспетчерский пункт и рассредоточенных по сейсмоопасным регионам планеты на расстояниях менее диаметра зоны подготавливаемого землетрясения, с адресом географических координат, записанных в формирователь сообщений датчика, а каждый датчик представляет собой оптоволоконное устройство, содержащее последовательно подключенные источник оптического излучения, градиентную линзу, поляризатор, фазовую пластинку, электрический поляризационный модулятор, взаимодействующий с чувствительным элементом, анализатор, фотоприемную матрицу, пороговый элемент, аналого-цифровой преобразователь и формирователь сообщений, синхронизирующий работу порогового элемента, аналого-цифрового преобразователя и приемо-передатчика абонента регионального узла сотовой связи телекоммуникационной сети путем циклически воспроизводимой программы, записанной в нем.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- трудность перекрытия датчиками всех сейсмоопасных регионов, ограничения по ресурсу, поскольку датчики должны находиться постоянно во включенном состоянии;

- возможность ложных срабатываний при грозовых явлениях;

- громоздкость системы и дороговизну реализации;

- недостаточную достоверность ввиду точечности измерений в локальной точке, а не по всей площади зоны подготавливаемого землетрясения.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, состоит в оперативном обнаружении по трассе полета носителя поляризационных аномалий светового потока, отраженного от области подготавливаемого землетрясения и отслеживания динамики изменения обнаруженных поляризационных аномалий во времени.

Технический результат достигается тем, что поляризационный датчик предвестника землетрясений, установленный на космическом носителе и содержащий канал приема поляризованного светового потока, отраженного от подстилающей поверхности, тракт обработки сигнала, дополнительно в канал приема последовательно включены объектив, деполяризатор, усилитель, пиковый детектор, пороговое устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок буферной памяти, а также отдельный генератор пилообразного напряжения, подключенный к металлизированным обкладкам деполяризатора.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема поляризационного датчика;

фиг.2 - функция электростатического поля, возникающего над эпицентральной областью накануне удара;

фиг.3 - изменение круговой поляризации естественного света на эллиптическую;

фиг.4 - фазовая характеристика деполяризатора в функции пилообразного напряжения;

фиг.5 - вид амплитудно-модулированного сигнала на выходе деполяризатора;

фиг.6 - динамика изменения отслеживаемой поляризационной аномалии (сигнала) на смежных витках.

Функциональная схема поляризационного датчика, фиг.1, установленного на космическом носителе 1, содержит канал приема 2 в составе последовательно подключенных объектива 3, деполяризатора 4, усилителя 5, пикового детектора 6, порогового устройства 7, аналого-цифрового преобразователя 8, блока буферного памяти 9, а также отдельного генератора пилообразного напряжения 10, подключенного к металлизированным обкладкам деполяризатора 4. Включение датчика в режим измерений над сейсмоопасными регионами планеты осуществляют по программам или разовым командам, закладываемым в бортовой комплекс управления 11 посредством радиолинии 12 из центра управления 13. Записанный в блоке буферной памяти массив измерений передают телеметрической системой 14 (типа БИТС-2) по автономному радиоканалу 15 на наземные пункты приема 16. После выделения служебных признаков массивы измерений поступают в тракт обработки 17, где по характеристикам сигнала зарегистрированных аномалий осуществляют расчет параметров ожидаемого землетрясения.

Динамика работы датчика и взаимодействия элементов состоит в следующем. Накануне землетрясения в разломной зоне происходит дегазация земной коры с обильным выделением легких газов (Н₂, Не) и радона в атмосферу. Эманация радона (период полураспада 3,8 суток) сопровождается γ-излучением и ионизацией молекул водяного пара и аэрозолей в воздухе. Ионизация молекул воздушной среды образует нескомпенсированный заряд кулоновского электричества и, как следствие, возникновение вертикального электростатического поля в атмосфере над очаговой зоной. Возникающее электростатическое поле иллюстрируется фиг.2.

Естественный солнечный свет не поляризован. Луч считается естественно поляризованным, если в плоскости, перпендикулярной его распространению, вектор Е имеет всевозможные направления, а годограф вектора представляет окружность, как это иллюстрируется фиг.3,а. Возникающие электростатические поля вызывают поворот дипольных молекул водяного пара в атмосфере. Взаимодействие естественного солнечного света с преимущественно ориентированными дипольными молекулами вызывает частичную поляризацию светового потока. Годограф частично поляризованного светового луча представляет собой эллипс. Эллиптически поляризованный световой луч иллюстрируется фиг.3,б. Чем больше напряженность возникающего электростатического поля, тем эллипс поляризации более «вытянут». Для измерения и регистрации эллиптически поляризованного луча в датчике используют оптически-фокусирующую систему (объектив) 3 канализации луча в деполяризатор 4, выполненный на основе оптоэлектронных технологий. В соответствии с эффектом Поккельса [см., например, "Советский энциклопедический словарь под редакцией А.М.Прохорова", изд. Советская энциклопедия, М., 1989 г., стр.1036, Поккельса эффект], при приложении к кристаллу электрического поля, последний становится анизотропным. При прохождении луча через анизотропную среду наблюдаются эффекты двойного лучепреломления, поляризации, дихроизма. Электрические деполяризаторы представляют собой серийные промышленные разработки, выполненные по схемам [см., например, Окоси Т. «Волоконно-оптические датчики», пер. с японского, Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1991 г., Электрооптические модуляторы, стр.119]. Электрооптический деполяризатор выполнен на основе кристалла Bi₁₂SiO₂₀, противоположные грани которого металлизированы напылением. Выбирая длину кристалла (l) и расстояние между противоположными гранями (d) обеспечивают при приложении к противоположным граням пилообразного напряжения (U) от генератора 10 круговой поворот поляризационной характеристики деполяризатора. Фазовая характеристика пропускания деполяризатора в функции величины приложенного напряжения к противоположным граням иллюстрируется фиг.4. В деполяризаторе реализуют режим биений, максимум сигнала на выходе наблюдается в моменты совпадения поляризации входящего потока с углом поворота фазы в деполяризаторе. После прохождения деполяризатора поляризовано модулированный сигнал становится амплитудно-модулированным, причем глубина амплитудной модуляции пропорциональна длине диагонали эллиптически поляризованного луча. Амплитудно-модулированный сигнал с выхода деполяризатора иллюстрируется фиг.5. Амплитудно-модулированный сигнал усиливают в усилителе 5 и детектируют пиковым детектором 6. Для исключения ложных срабатываний датчика от шумовых всплесков сигнала и повышения достоверности обнаружения поляризационных аномалий введено пороговое устройство 7. Поскольку в космических радиолиниях используют цифровые методы передачи данных, аналоговый сигнал с пикового детектора преобразуют в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем 8 и записывают в буферное устройство памяти 9. Записанный массив измерений с буфера 9 считывают телеметрической системой 14 и в сеансах связи сбрасывают на наземные пункты приема информации 16. Выборка измерений считается репрезентативной, если она содержит не менее 600 отсчетов измеряемой величины. Протяженность очаговой зоны 150-200 км, что при скорости полета носителя ≈ 8 км/с составляет временной интервал ≤25 сек. Отсюда дискретность измерений должна составлять (600/25) 24 отсчета в секунду. Следовательно, частота пилообразного напряжения, подаваемого на деполяризатор, должна составлять не ниже 24 Гц, а пространственное разрешение объектива порядка 250 м. В тракте обработки 17 по динамике изменения характеристик сигнала обнаруженной аномалии рассчитывают постоянную времени Т переходного процесса [см., например, Патент RU № 2.255.356, 2005 г. «Способ прогнозирования параметров землетрясения»] и прогнозируют параметры землетрясения по зависимостям: время удара t_y˜4,7 T; магнитуда удара как

Дополнительными элементами датчика по сравнению с аналогами являются усилитель, пиковый детектор, блок буферной памяти, генератор пилообразного напряжения. Все они выполнены на существующей элементной базе по типовым схемам. Усилитель может быть выполнен на лавинном фотодиоде [см., например, «Основы оптоэлектроники», пер. с японского под редакцией К.М.Голанта, М., Мир, 1998 г., стр.46-47], пиковый детектор и генератор пилообразного напряжения - по схеме [см., например, «Справочник по радиоэлектронике», т. 2, под редакцией А.А.Куликовского, М., Энергия, 1968 г., стр. 136, пиковый детектор, стр.238, генератор строчной развертки], а блок памяти - на стандартной интегральной схеме типа ЛА-20.

Эффективность датчика характеризуется такими параметрами, как оперативность, достоверность, надежность. При использовании оптоэлектронных технологий ресурс датчика превысит сроки службы носителя, а для обеспечения достоверности прогноза землетрясений датчик может быть установлен практически на любой космический аппарат независимо от его основного целевого назначения.

Поляризационный датчик предвестника землетрясений, установленный на космическом носителе и содержащий канал приема поляризованного светового потока, отраженного от подстилающей поверхности, тракт обработки сигнала, отличающийся тем, что в канал приема последовательно включены объектив, деполяризатор, усилитель, пиковый детектор, пороговое устройство, аналого-цифровой преобразователь, блок буферной памяти, а также отдельный генератор пилообразного напряжения, подключенный к металлизированным обкладкам деполяризатора.