Способ определения характеристик землетрясений

Изобретение относится к геофизике и может найти применение при развертывании космических систем глобального контроля землетрясений. Сущность: принимают восходящее СВЧ излучение Земли измерителем, установленным на космическом носителе, по двум взаимно ортогональным по поляризации каналам приема. Фиксируют начало изменения поляризации излучения в каналах приема и регистрируют его изменение по трассе полета. При этом прием осуществляют двумя спиральными антеннами левого и правого направления вращения поляризаций. Разность поляризаций в каналах приема выделяют фазовым детектором, опорным сигналом которого служит повернутый по фазе на π/2 сигнал второго канала приема. Отождествляют гипоцентр очага землетрясения с точкой максимальной кривизны регистрограмм. Отслеживают изменение длины кривой (l) регистрограмм на последовательных витках прохода носителя над зоной подготавливаемого землетрясения и определяют постоянную времени (l) скорости ее изменения. Прогнозируют ожидаемое время удара и магнитуду удара. Технический результат: повышение точности прогноза. 5 ил.

 

Изобретение относится к геофизике и может найти применение в сейсмологии при развертывании космических систем глобального контроля землетрясений.

На настоящий момент выявлено множество долгосрочных признаков-предвестников зоны подготавливаемого землетрясения [см., например, в кн. Т.Рикитаке «Предсказание землетрясений», перев. с англ., Мир, М., 1979 г., табл.15.13, стр.314-333]. Известные статические признаки имеют продолжительные интервалы (годы) существования, но не позволяют достаточно точно предсказать момент удара и его магнитуду. Другой класс - краткосрочные динамические признаки-предвестники. Они проявляются за несколько суток (часов) до удара, но, в силу отсутствия технических средств для их измерения, не могут быть своевременно обнаружены. Среди наиболее значимых краткосрочных динамических признаков-предвестников, измеренных средствами глобальной навигационной системы позиционирования (GPS, NAVSTAR), является раскачка очага землетрясения перед ударом. Раскачка сопровождается распространением от гипоцентра очага сверхдлинных (с периодом ˜10⁴ с) литосферных волн [см., например, «Способ предсказания землетрясений», Патент RU №2170446, G.01.V, 9/00, 2001].

В последнее время [см., например, Патенты RU №2181495, 2002 г., №2213359, 2003 г., №2254599, 2005 г., №2262125, 2005 г.] выявлен и такой динамический признак-предвестник, как аномальное изменение поляризации электромагнитного поля восходящего излучения Земли над очагом землетрясения накануне удара. Известен «Способ предсказания землетрясений». Патент RU №2213359, G.01.V, 9/00, 2003 г. - аналог.

В способе-аналоге получают изображение подстилающей поверхности A₁(x,y); А₂(х,у) по двум взаимно-ортогональным по поляризации каналам приема, формируют синтезированную матрицу 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 периодических отклонений средневзвешенной суммы азимутов линеаментов, рассчитывают период (Т) и коэффициент (k) наклона касательных отслеживаемой функции, прогнозируют время удара t_y=U₀·T/2πk, отсчитываемое от начала периодических отклонений функции, и магнитуду удара из соотношения lg t_y(сут)=0,54M-3,37, где U₀ - предельная величина сдвиговой деформации, при которой происходит разрыв земной коры.

Недостатками способа-аналога следует считать:

- сложность математических процедур извлечения скрытой информации из изображений подстилающей поверхности, затрудняющих практическую возможность технической реализации;

- в расчетное выражение прогнозируемого времени удара входит не измеряемый по операциям способа параметр U₀, что снижает достоверность прогноза;

- отсутствие (кроме визуальных) количественных числовых характеристик однозначной идентификации очага землетрясения на изображении;

- для реализации аналога необходимо знание координат очага, района зондирования, которые априорно неизвестны.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Способ прогнозирования землетрясений. Патент RU №2262125, 2005 г. Ближайший аналог включает получение ортогональных по поляризации изображений подстилающей поверхности собственного СВЧ излучения в виде зависимости амплитуды сигнала А(х,у) от пространственных координат многолучевой антенной с линейной поляризацией, формируют синтезированную матрицу из модулей попиксельных разностей изображений идентичных участков, получаемых на нисходящем и восходящем витках орбит космических аппаратов, в обработку включают те пиксели, где текущий модуль разности выше порогового, рассчитывают направляющий косинус текущего модуля разности: и суммарную длину вектора отслеживают изменение длины вектора L по серии формируемых синтезированных матриц и вычисляют постоянную Т отслеживаемого процесса из соотношения:

прогнозируют время удара t_y=4,7T и магнитуду: lg L₀=0,46M-0,35,

где n - количество пикселей синтезированной матрицы, поступающих в обработку;

Δt=t₂-t₁ - интервал времени между двумя формированиями синтезированной матрицы;

A_1i, A_2i - амплитуды идентичных пикселей изображений, получаемых на нисходящем и восходящем витках орбит;

L₁, L₂ - длина вектора поляризации в моменты t₁, t₂;

L₀ - длина вектора поляризации в установившемся значении.

Недостатками ближайшего аналога являются:

- неодновременность получения ортогональных по поляризации снимков антенной с линейной поляризацией на восходящем и нисходящем витках, что ведет к неадекватности обрабатываемых изображений и снижает достоверность прогноза;

- для программного включения измерительного комплекса необходимо априорное знание координат очага землетрясения;

- большие массивы информации, подлежащие передаче и обработке, сложность алгоритмов, что приводит к неоправданным затратам ресурсов и уменьшению интервала времени упреждающего прогноза;

- некорректность алгоритма формирования синтезированных матриц.

Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в адекватном преобразовании поляризационного признака-предвестника в электрический сигнал, по пространственной кривизне регистрограммы которого идентифицируют очаг землетрясения, а по динамике изменения амплитуды сигнала во времени однозначно прогнозируют время и магнитуду удара.

Технический результат достигается тем, что в способе определения характеристик землетрясения, включающем прием восходящего СВЧ излучения Земли измерителем, установленным на космическом носителе, по двум взаимно-ортогональным по поляризации каналам приема, фиксацию начала изменения поляризации излучения в каналах приема и регистрацию его изменения по трассе полета, дополнительно прием осуществляют двумя спиральными антеннами левого и правого направления вращения поляризаций, разность поляризаций в каналах приема выделяют фазовым детектором, опорным сигналом которого служит повернутый по фазе на π/2 сигнал второго канала приема, отождествляют гипоцентр очага землетрясения с точкой максимальной кривизны регистрограмм, отслеживают изменение длины кривой (l) регистрограмм на последовательных витках прохода носителя над зоной подготавливаемого землетрясения и определяют постоянную времени (Т) скорости ее изменения, прогнозируют ожидаемое время удара t_y=4,7T и магнитуду удара М из соотношения lg t_y(сут)=0,77M-4,4.

Изобретение поясняется чертежами,

где фиг.1 - изменение годографа вектора поляризации восходящего излучения над очаговой зоной накануне удара;

фиг.2 - выходная характеристика фазового детектора;

фиг.3 - регистрограммы поляризационных аномалий над очаговой зоной;

фиг.4 - динамика изменения длины регистрограмм во времени;

фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ.

Техническая сущность способа состоит в следующем.

Зона подготавливаемого землетрясения характеризуется ростом механических напряжений земной коры. В областях сжатия, как правило, вдоль линий разлома, удельное сопротивление земной коры меньше, следовательно, плотность теллурических токов выше. Направление протекания вектора плотности тока определяет поляризацию излучения. В результате, собственное восходящее излучение Земли над очаговой зоной приобретает, преимущественно, эллиптическую поляризацию. Эллиптически поляризованную волну можно трактовать:

- либо как результат интерференции двух линейно поляризованных взаимно перпендикулярных полей одинаковой частоты, но сдвинутых по фазе;

- либо как результат интерференции двух полей круговой поляризации, но с противоположными направлениями вращения и с разными амплитудами

[см., например, А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко «Антенно-фидерные устройства», учебник. Сов. Радио, М., 1961 г., стр.677, раздел: Антенны с вращающейся поляризацией, спиральные антенны]. Известно также, что фазовые скорости электромагнитных волн круговой поляризации разного направления вращения, распространяющихся в намагниченном феррите, различны [см. там же, стр.739]. Таким образом, поляризационный признак-предвестник технически может быть выделен посредством детектирования на фазовом детекторе двух волн правого и левого направления вращения, одна из которых сдвинута по фазе относительно другой на π/2. Прием волн противоположного направления вращения реализуют спиральными антеннами противоположной навивки спиралей. Сигнал на выходе фазового детектора определяется соотношением:

где U₁, U₂ - амплитуды сигналов в антеннах, соответственно;

k_д - коэффициент усиления (детектирования) электронной схемы;

ϕ - разность фаз между волнами.

Выходная характеристика фазового детектора иллюстрируется фиг.2. Если восходящее излучение не поляризовано (при круговой поляризации), то при постоянном фазовом сдвиге между волнами π/2 сигнал на выходе фазового детектора равен нулю.

При отклонении поляризации восходящего излучения от круговой на выходе фазового детектора появляется сигнал, амплитуда которого пропорциональна степени вытянутости эллипса поляризации.

Сам факт появления сигнала поляризационного признака-предвестника свидетельствует об обнаружении очаговой зоны землетрясения. Для исключения ложной тревоги, при шумовых флуктуациях сигнала используют пороговый режим. Величина установленного порога определяет достоверность обнаружения очаговой зоны землетрясения.

Серия получаемых регистрограмм измерений при неоднократном пролете космического носителя над очаговой зоной иллюстрируется фиг.3. В зарегистрированных таким образом измерениях содержится вся информация о характеристиках предстоящего землетрясения. Селектируемыми признаками регистрограммы являются: координаты появления сигнала по трассе полета носителя, амплитуда сигнала, кривизна регистрограммы, интеграл длины кривой регистрограммы. Максимальные напряжения земной коры зоны подготавливаемого землетрясения соответствуют гипоцентру очага. Этим напряжениям пропорциональна и максимальная амплитуда регистрируемого сигнала. Математической процедурой, характеризующей форму кривых, является вычисление их кривизны [см., например, Н.С.Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», учебник, т.1, 5-е издание. Наука, М., 1964 г., стр.196-198]. Кривизна кривой задается выражением:

Поскольку аналитическое выражение функций регистрограмм отсутствует, а массивы зарегистрированной информации в современных телеметрических системах представляются в цифровой форме, кривизна регистрограмм может быть определена только численными методами. Определение областей максимальной кривизны регистрограмм осуществляют специализированной математической программой.

Область максимальной кривизны регистрограмм отождествляют с координатами очага землетрясения. После идентификации очага землетрясения осуществляют прогноз ожидаемых характеристик землетрясения. Известно соотношение Гутенберга-Рихтера [см., например, «Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов». Доклады конференции, ОИФЗ им. О.Ю. Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр.10], связывающее время существования предвестника (сутках) и ожидаемую магнитуду удара. В частности, по эмпирическим данным (более 1000 наблюдений) это соотношение, связывающее размеры деформаций очаговой зоны с магнитудой, имеет вид: lg t_y(сут)≈0,77M-4,4.

Очевидно (фиг.3), что интегральной оценкой размеров деформаций очаговой зоны и степени действующих в ней напряжений земной коры может служить длина (l) кривой регистрограммы. Накануне удара наблюдается как увеличение размеров зоны подготавливаемого землетрясения, так и нарастание действующих в ней напряжений. Динамика переходного к удару процесса характеризуется скоростью изменения длины l регистрограммы. Из математики известно [см., например, Н.С.Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», учебник, т.1, 5-е издание, Наука, М., 1964 г., стр.457-458], что сама функция и скорость ее изменения описываются дифференциальным уравнением первого порядка, общим решением которого является экспонента. Решение дифференциального уравнения (для граничных условий t=0, l=0 и t→∞, l→l₀) иллюстрируется фиг.4. Если поляризационный признак-предвестник отсутствует, то l=0, т.е. график экспоненты переходного процесса начинается с нуля.

Экспоненциальная зависимость обладает тем свойством, что по ее трем дискретным отсчетам можно восстановить всю функцию и определить постоянную времени (Т) динамического процесса:

где Δt=t₂-t₁ - интервал времени между смежными определениями длин l₁, l₂;

l₁, l₂, l₃ - три дискретных отсчета измеряемой функции;

l₀ - предельное значение функции, рассчитываемое как

Длина кривой, заданной в декартовых координатах, вычисляется через интеграл:

[см., например, Н.С.Пискунов «Дифференциальное и интегральное исчисления для ВТУЗов», учебник, т.1, 5-е издание, Наука, М., 1964 г., стр.419]. Поскольку сама функция представляется последовательностью цифровых дискретных отсчетов, то вычисление интеграла проводят по специализированной математической программе.

Располагая функцией переходного процесса, прогнозируют характеристики ожидаемого удара: время удара t_y=4,7T, за которое функция, с вероятностью 0,999, достигает своего максимального значения l₀ и магнитуду удара: lg[t_y=4,7T, (сут)]=0,77М - 4,4.

Пример реализации способа.

Функциональная схема устройства, реализующая способ, представлена на фиг.5. Схема устройства содержит космический носитель 1 с установленным на нем измерителем 2 поляризационных аномалий в составе двух спиральных антенн 3, 4, правого и левого направления вращения поляризаций, фазовращатель 5, фазовый детектор 6, пороговый элемент 7, аналогово-цифровой преобразователь 8, устройство записи сигнала 9, бортовой комплекс управления 10 космического носителя, радиолинию управления 11, центр управления полетом 12, автономную телеметрическую систему 13, радиолинию сброса телеметрической информации 14, наземный пункт приема 15, Геофизический Центр тематической обработки информации 16 в составе: архива данных 17, персонального компьютера 18 в комплектации: процессор 19, оперативное ЗУ 20, винчестер 21, дисплей 22, принтер 23, клавиатура 24, сервер сети «Интернет» 25. Динамика взаимодействия элементов устройства состоит в следующем. Измеритель поляризационного признака-предвестника работает по суточной программе, закладываемой в бортовой комплекс управления 10 по радиолинии управления 11 из ЦУПа 12. Функционально, программа представляет собой массив 64-разрядных слов. Каждое слово программы имеет временную часть и исполнительную. Во временную часть слова поступают метки бортового времени. При совпадении записанного числа разрядов временной части с бортовым временем измеритель переводится в дежурный режим над запланированным для измерений регионом планеты. Одновременно, по временной части витка полета носителя, устанавливаются, в последующем, координаты района зондирования и гипоцентр обнаруженной поляризационной аномалии. Восходящее излучение принимается двумя спиральными антеннами с противоположными направлениями вращения поляризаций. Для регулирования фазовых соотношений между электромагнитными волнами, принимаемыми антеннами 3, 4, введен фазовращатель 5, выполненный на основе поперечно намагниченного феррита. Сигнал второй антенны, повернутый по фазе на π/2, служит опорным для фазового детектора 6. При превышении выходным сигналом детектора порогового уровня, установленного в пороговом элементе 7, исполнительной частью программы реализуется режим непрерывных измерений по трассе полета носителя. Посредством аналогово-цифрового преобразователя 8 уровень сигнала квантуется в стандартной шкале 0...256 и осуществляется его запись в записывающее устройство 9. В сеансах видимости космического носителя с наземных пунктов записанная информация сбрасывается по телеметрическому каналу (13, 14, 15), откуда поступает в Геофизический Центр обработки информации по заявленным операциям способа.

Известно, что касательная к экспоненте в любой ее точке отсекает от оси абсцисс отрезок, равный постоянной времени. Тангенс угла наклона (равный производной функции) находят через приращения: tgα=Δl/Δt. Определение постоянной времени (Т) переходного процесса через приращения иллюстрируется фиг.4. По массиву регистрограмм, полученных при неоднократном проходе носителя над очаговой зоной, определяют радиус максимальной кривизны и отождествляют данную точку регистрограммы с гипоцентром очага. По расчетному значению Т прогнозируют время и магнитуду удара.

Все элементы измерителя выполнены по известным электронным схемам и на существующей элементной базе:

Спиральные антенны, фазовращатель [см., например, А.Л.Драбкин, В.Л.Зузенко «Антенно-фидерные устройства», учебник. Сов. Радио, М., 1961 г., стр.688-694, стр.744],

Фазовый детектор [см. «Радиоприемные устройства». Сборник задач и упражнений по курсу, учебное пособие под редакцией Сифорова В.И., Радио и Связь, М., 1984 г., стр.51],

Пороговое устройство [см. Справочник по электронным устройствам, т.1 под редакцией А.А.Куликовского, М.: Энергия, 1978 г., стр.339-346], АЦП, стандартная плата типа ЛА-20, выполненная в виде контроллера, совместимого по стандартным сечениям с БЦВМ БКУ.

Благодаря адекватному преобразованию поляризационного признака-предвестника в электрический сигнал достигается высокая достоверность обнаружения и идентификация очагов землетрясений, а использование фазового различителя обеспечивает высокую точность измерения и прогноза параметров землетрясения.

Способ определения характеристик землетрясения, включающий прием восходящего СВЧ-излучения Земли измерителем, установленным на космическом носителе, по двум взаимно ортогональным по поляризации каналам приема, фиксацию начала изменения поляризации излучения в каналах приема и регистрацию его изменения по трассе полета, отличающийся тем, что прием осуществляют двумя спиральными антеннами левого и правого направлений вращения поляризаций, разность поляризаций в каналах приема выделяют фазовым детектором, опорным сигналом которого служит повернутый по фазе на π/2 сигнал второго канала приема, отождествляют гипоцентр очага землетрясения с точкой максимальной кривизны регистрограмм, отслеживают изменение длины кривой (l) регистрограмм на последовательных витках прохода носителя над зоной подготавливаемого землетрясения и определяют постоянную времени (Т) скорости ее изменения, прогнозируют ожидаемое время удара t_y=4,7T и магнитуду удара М из соотношения lg t_y(сут)=0,77M-4,4.