Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами



Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами
Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами
Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами
Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами
Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами
Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами
Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами
Способ достоверного обнаружения сейсмического процесса космическими средствами

 


Владельцы патента RU 2614183:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" (НИИ "АЭРОКОСМОС") (RU)

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.

 

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 ty=4,7T и магнитуду (М) как lg tу[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 Σαi на последовательных витках прохода космического носителя над зоной наблюдения, прогнозирование характеристик сейсмического удара: постоянной времени сейсмического процесса , времени удара tу=4,7T и магнитуды М как lg tу[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 Ni - концентрация в веществе вибраторов i-го сорта;

e - заряд электрона;

mi - масса вибратора i-го сорта;

λ0i - 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 li вычисляют по формуле:

а азимут по формуле:

где (xj, yj) и (xi, xj) - 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 tу=4,7Т.

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

lg tу[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 tу = 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.

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 Σi на последовательных витках прохода космического носителя над зоной наблюдения, прогнозирование характеристик сейсмического удара:

постоянной времени сейсмического процесса

,

времени удара ty=4,7T и магнитуды М: lgty[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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для контроля участков нарушения вечной мерзлоты в Арктической зоне. Сущность: система включает средства дистанционного зондирования подстилающей поверхности, размещенные на высокоширотном космическом носителе (1), Центр (10) тематической обработки, автономные измерители (14) приземной концентрации метана, центральный диспетчерский пункт (17).

Изобретение относится к области экологии и может найти применение при контроле состояния территорий вечной мерзлоты в целях раннего обнаружения критических состояний.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть применено для увеличения нефтеизвлечения и интенсификации добычи нефти. Способ включает первичное ГРП на скважинах, периодическое определение дебита и проведение повторного ГРП после прекращения влияния первичного.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе проведения микросейсмического мониторинга. Настоящее изобретение предусматривает волоконно-оптическую систему сейсмического мониторинга, включающую в себя источник света, который возбуждает оптическое волокно, расположенное в стволе скважины.

Изобретение относится к способам дистанционного изучения геологической среды. Сущность: проводят тепловизионную съемку геологической среды.

Способ предназначен для решения задачи дистанционного обнаружения предвестников чрезвычайных ситуаций на подземных магистральных трубопроводах. Способ осуществляют получением и анализом изображений по отраженным и собственным излучениям подстилающей поверхности трассы пролегания трубопровода.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана. Технический результат - повышение точности определения характеристик морской поверхности за счет разделения воздействия на отражённый от морской поверхности радиосигнал двух факторов, доминантных ветровых волн и мелкомасштабной ряби. Сущность: формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности и вертикально зондируют ими морскую поверхность, регистрируют отражённые радиоимпульсы и по их форме определяют характеристики морской поверхности, при этом дополнительно формируют более длинные радиоимпульсы и вертикально зондируют ими морскую поверхность, причем длительность дополнительно сформированных радиоимпульсов обеспечивает одновременное отражение от всей площади морской поверхности, освещаемой в пределах диаграммы направленности антенны, определяют амплитуду отраженных импульсов большей длительности, по ней определяют скорость ветра, и определяют характеристики морской поверхности с учетом скорости ветра.

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана. Технический результат - повышение точности определения асимметрии распределения возвышений морской поверхности. Сущность: формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности, зондируют ими морскую поверхность в надир и регистрируют отражённые радиоимпульсы.

Изобретение относится к области гидрофизических исследований и может быть использовано для исследований, проводимых в океане. Сущность: станция содержит плавучесть (1) из синтактика, внутри которой закреплены автономные модули (2, 3) с датчиками (4).
Способ относится к области океанографических измерений и может быть использован для контроля состояния открытых водоемов, вызванного их загрязнением, при проведении экологических и природоохранных мероприятий, а также для мониторинга гидрологических характеристик.

Изобретение относится к области космических исследований и может быть использовано для определения места готовящегося землетрясения. Сущность: регистрируют низкочастотное электромагнитное излучение.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для краткосрочного прогнозирования землетрясений. Сущность: определяют пространственное положение сейсмомагнитных меридианов.

Предлагаемое техническое решение представляет собой разработку структуры и принципов эксплуатации системы дальней (просветной) акустической томографии характеристик гидрофизических и геофизических полей среды и морского дна, а также контроль их пространственно-временной динамики.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для прогнозирования времени возникновения землетрясения. Сущность: ежесуточно забирают воду в глубинной воде Байкала и в двух самоизливающихся скважинах.

Изобретение относится к области сейсмологии и может быть использовано для прогнозирования возможности сейсмического события на материковых зонах субдукции и островах.

Изобретение относится к техническим средствам обнаружения человека, определения его местоположения в контролируемой зоне по создаваемым им сейсмическим колебаниям.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для исследования подземных структур. Раскрыт способ оценивания распределений температур по геологической среде на основании трехмерной модели теплопроводности для геологического пласта.

Изобретение относится к способу и схеме обнаружения и минимизации метановой опасности в районе очистной лавы. Техническим результатом является повышение эффективности обнаружения и минимизации метановой опасности в районе очистной лавы шахты.
Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при проведении сейсморазведочных работ. Предложен способ вибрационной сейсморазведки, основанный на возбуждении и регистрации вибрационных сейсмических колебаний и включающий в себя коррекцию возбуждаемых сигналов путем уменьшения относительной интенсивности компонент спектра для колебаний, не представляющих разведочного интереса.

Способ автоматического обнаружения морских животных, выполняемый с помощью устройства обнаружения: этап получения измерений (1) акустических сигналов, собранных с помощью, по меньшей мере, одного акустического датчика в подводной среде; по меньшей мере, одну из первой ветви (3) для обнаружения частотно-модулированных звуков и второй ветви (4) для обнаружения импульсных звуков; причем каждая ветвь содержит этап обнаружения звуков с помощью: реализации параллельно нескольких каналов обнаружения, каждый из которых имеет различное фиксированное значение, по меньшей мере, для одной степени свободы; выбора канала обнаружения, имеющего максимальное отношение сигнал/шум; и сравнения отношений сигнал/шум выбранного канала обнаружения с установленным порогом; этап (32, 42, 5) принятия решения о сигнале тревоги, указывающем на присутствие, по меньшей мере, одного морского животного, в зависимости от выходного сигнала первой ветви и/или выходного сигнала второй ветви.

Изобретение относится к области геофизических исследований скважин акустическим методом на отраженных волнах. Сущность изобретения заключается в том, что электронный блок устройства дополнительно оснащен Flash-картой памяти, каналом телеметрии, каналом гамма-каротажа и непрерывным инклинометром, а зондовая часть устройства разделена на «сухой» и маслонаполненный отсеки и дополнительно оснащена датчиком скорости ультразвука в жидкости, закрепленным с внешней стороны корпуса. В маслонаполненном отсеке размещены ультразвуковой датчик, бесконтактный коллектор и бесконтактный формирователь строчного импульса. Вращение ультразвукового датчика с элементами коллектора и формирователя строчного импульса осуществляется посредством бесконтактного электропривода вращения. Технический результат – повышение точности измерений и повышение надежности устройства. 5 ил.
Наверх