RU2037162C1 - Способ радиоволнового прогноза землетрясений и устройство для его осуществления - Google Patents

Abstract

Использование: для краткосрочного прогноза сильнейших коровых землетрясений с магнитудой более 5,5 на основе радиоволнового обнаружения и локации областей сейсмоионосферных взаимодействий в районах сейсмических зон Земли. Сущность изобретения: в сейсмоопасном районе создают пересекающиеся трассы передатчик-приемник, одновременно передают и принимают не менее трех разночастотных сигналов в диапазоне 3 - 30 кГц, содержащих целое число фазовых циклов и синхронизированных по фазе и времени, выделяют трассы с аномальным фазовым отклонением, имеющие не менее двух пересечений с трассами, на которых зарегистрированы аномальные фазовые отклонения, при наличии последовательного уменьшения временных интервалов на выделенных пересекающихся трассах между тремя и более аномальными фазовыми отклонениями определяют район готовящегося землетрясения по максимальной корреляции аномальных фазовых отклонений, определяют дату землетрясения согласно установленной зависимости с точностью до одних - трех суток. Устройство содержит не менее двух радиопередатчиков и не менее трех радиоприемных измерительно-вычислительных комплексов (РП - ИВК), разнесенных в дальней зоне радиоприема от границ сейсмоопасного района, сеть каналов связи между РП - ИВК и Центром прогноза землетрясений, включающем последовательно соединенные приемо - регистратор и блок управления и обработки информации. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к геофизике и предназначено для краткосрочного прогноза места и времени сильнейших коровых землетрясений с магнитудой М более 5,5 в сейсмоактивных регионах на основе радиоволнового обнаружения и локации областей сейсмо-ионосферных взаимодействий в районах потенциально опасных сейсмических зон сейсмоактивных регионов Земли.

Известен способ [1] прогнозирования землетрясений, при котором осуществляют ряд разнесенных во времени последовательных серий одновременных измерений магнитной и электрической компонент поля низкочастотных излучений околоземной плазмы в движении на высотах верхней атмосферы, последующее исключение из рассмотрения области внутренней границы внешнего радиационного пояса и примыкающей к нему части зазора между радиационными поясами, а также искусственного излучения, о существовании сейсмоопасных источников судят по наличию зон устойчивого наблюдения индуцированных излучений ионосферной плазмы, превышающих не менее чем на 10-20 дБ уровень фона естественных излучений.

Устройство, соответствующее этому способу, содержит размещенные на искусственном спутнике Земли (ИСЗ) стандартные спектроанализаторы низких частот, запоминающее устройство штатной телеметрии, размещенные в пункте управления движением ИСЗ регистратор и вычислительный комплекс, а также каналы обмена данными между приемо-передатчиками ИСЗ и вычислительного комплекса.

Известный способ обладает низкой, а при приеме в окрестностях потенциальной опасной зоны никак не оцениваемой достоверностью прогноза землетрясения, так как не учитывает в полной мере подтвержденных экспериментально механизмов сейсмо-электрических и сейсмо-ионосферных взаимодействий в процессах подготовки землетрясений.

Недостатки известного устройства слабая помехозащищенность от искусственных излучений и низкая чувствительность к сейсмо-ионосферным взаимодействиям.

Наиболее близким к предложенному является способ [2] радиоволнового прогноза землетрясений, включающий создание в сейсмоопасном районе трасс передатчик-приемник, передачу и прием радиосигналов в СДВ диапазоне, выделение отклонений фаз принятых сигналов и определение по ним района и времени готовящегося землетрясения.

Устройство, соответствующее этому способу, содержит передатчик и радиоприемный измерительно-вычислительный комплекс (РП-ИВК) СДВ диапазона.

Известный способ характеризуется невысокой, а при приеме сигналов в ближней зоне радиоприема от границ сейсмоопасного района никак не оцениваемой достоверностью прогноза и низкой точностью определения района готовящегося землетрясения.

Известное устройство характеризуется слабой помехозащищенностью и невысокой чувствительностью к фазовым изменениям радиосигналов, обусловленным локальными и масштабным сейсмо-ионосферным взаимодействием в сейсмоопасном районе.

Для повышения достоверности и точности прогноза времени и места сильнейших землетрясений с магнитудой М более 5,5 в известном способе создают сеть пересекающихся трасс передатчик-приемник, передают одновременно не менее трех разночастотных радиосигналов в диапазоне 3-30 кГц, содержащих целое число фазовых циклов и синхронизированных по времени и фазе, дополнительно регистрируют времена аномальных отклонений фаз принимаемых радиосигналов, выделяют трассы с аномальным отклонением фазы, имеющие не менее двух пересечений с трассами, на которых зарегистрированы аномальные отклонения фазы, а при наличии последовательного уменьшения временных интервалов между по крайней мере тремя аномальными отклонениями фаз, зарегистрированными на выделенных трассах, судят о готовящемся землетрясении, рассчитывают коэффициенты корреляции фазовых отклонений на выделенных пересекающихся трассах, по максимальным значениям которых определяют район готовящегося землетрясения с магнитудой М более 5,5, а время землетрясения определяют по установленной зависимости:
τ τ_3,2 ²/(τ_2,1 τ_3,2), где τ интервал времени от третьего зарегистрированного аномального отклонения фазы до землетрясения, τ_2,1, τ_3,2 интервалы времени соответственно между вторым и первым и между третьим и вторым зарегистрированными отклонениями фаз.

Для повышения чувствительности к масштабным сеймо-ионосферным взаимодействиям известное устройство радиоволнового прогноза землетрясений, содержащее радиопередатчик и РП-ИВК CДВ диапазона, содержит не менее двух радиопередатчиков и не менее трех РП-ИВК, объединенных в сеть каналами связи с центром радиоволнового прогноза землетрясений (ЦРПЗ), включающим приеморегистратор и блок управления и обработки информации, соединенные последовательно, при этом сигнальные входы приеморегистратора являются сигнальными входами ЦРПЗ, расстояние между радиопередатчиками составляет 8-10 тыс. км, и РП-ИВК расположены в дальней зоне радиоприема от границ сейсмоопасного района.

Изобретение поясняется структурной схемой устройства для осуществления способа.

Устройство содержит не менее двух синхронизированных по фазе радиопередатчиков 1 и не менее трех РП-ИВК 2 СДВ диапазона, которые объединены в сеть каналами связи 3 с ЦРПЗ 4, включающим последовательно соединенные приеморегистратор 5, сигнальные входы которого являются входами ЦРПЗ, и блок управления и обработки информации 6.

Сущность способа заключается в том, что созданием пересекающихся в пределах сейсмоопасного района трасс передатчик-приемник, каждая из которых имеет, как минимум, два пересечения с другими трасcами, проходящими через сейсмоопасный район, и последующим выделением трасc с аномальными фазовыми отклонениями по признаку их пересечения не менее двумя другими трассами, на которых зарегистрированы аномальные отклонения фазы, обеспечиваются не только необходимые предпосылки к грубому определению местоположения эпицентральной зоны для готовящегося землетрясения, например, путем выбора из двух и более альтернатив, но и достаточные условия к оптимизации процедуры определения эпицентра по критерию максимальной корреляции фазовых отклонений на выделенных трасс, тем самым повышается точность определения места землетрясения. Одновременно передача и прием не менее трех разночастотных сигналов в диапазоне 3-30 кГц, содержащих целое число фазовых циклов и синхронизированных по времени и фазе, позволяет при приеме конкретным приемником однозначно идентифицировать разные трассы передатчик-приемник, а также обеспечивает в реальном времени возможность для выявления закономерности аномальных фазовых отклонений в функции (несущей) частоты радиосигналов и последующего использования закономерности в выборе по каждой трассе радиосигналов передачи, наиболее чувствительных к сейсмо-ионосферным взаимодействиям; тем самым повышается чувствительность способа к сейсмо-ионосферным взаимодействиям. Определение времени готовящегося землетрясения по признаку последовательного уменьшения временных интервалов между тремя и более аномальными отклонениями фаз, зарегистрированными на выделенных трассах, подтверждено экспериментально на ряде локальных трасс. Использование этого признака позволяет смоделировать многообразие реальных сейсмо-ионосферных взаимодействий, различных для разных сейсмоактивных регионов, и тем самым выработать правдоподобные суждения как о самом механизме этих взаимодействий, так и по закономерностям проявления землетрясений в разных регионах.

Таким образом, использование совокупности признаков, содержащихся в п.1 формулы (изобретения), обеспечивает повышение чувствительности способа к сейсмо-ионосферным взаимодействиям, точности определения местоположения эпицентральной зоны и достоверности прогноза времени готовящегося землетрясения.

Сущность устройства для осуществления способа состоит в том, что выполнением устройства в составе не менее двух передатчиков и не менее трех РП-ИВК, объединенных в сеть каналами связи с ЦРПЗ, обеспечивается возможность создания пересекающихся трасс передатчик-приемник, сбора и получения данных как о локальных, так и крупномасштабных сейсмо-ионосферных взаимодействий в пределах и вне границ сейсмоопасного района; тем самым создаются условия для выработки в ЦПРЗ правдоподобного прогноза места и времени землетрясений. Расположением передатчиков на расстояниях между ними в пределах 1-10 тыс.км и РП-ИВК в дальней зоне радиоприема от границ сейсмоопасного района обеспечивается по каждой трассе передатчик-приемник независимость фазовых отклонений радиосигналов, вызванных изменением локальных условий распространения сигналов и разного рода возмущениями ионосферы (например, промышленными взрывами), не связанными с сейсмогенными явлениями, благодаря этому улучшается помехозащищенность устройства и чувствительность приемника к аномальным фазовым отклонениям, обусловленным сейсмо-ионосферными процессами, создаются условия для оптимизации процедур обнаружения и точности оценивания аномальных фазовых отклонений, и, следовательно, для увеличения крутизны рабочих характеристик достоверного прогноза места и времени землетрясения.

Использование совокупности признаков, содержащихся в п. 2 формулы, обеспечивает, таким образом, получение технического результата, выражающегося в повышении чувствительности устройства к аномальным фазовым отклонениям радиосигналов, обусловленным локальными и крупномасштабным сейсмо-ионосферными взаимодействиями в период подготовки землетрясений, а также в увеличении крутизны рабочих характеристик достоверного прогноза места и времени землетрясений.

Способ реализуют следующим образом.

С помощью не менее двух радиопередатчиков, разнесенных на земной поверхности вне границ сейсмоопасного района на расстоянии 7 тыс.км, и не менее трех РП-ИВК СДВ диапазона, создают пересекающиеся трассы передатчик-приемник таким образом, что каждая из них в пределах сейсмоопасного района имеет не менее двух пересечений с другими трассами, проходящими через сейсмоопасный район. Радиопередатчиками в радиоволноводе Земля-ионосфера возбуждают одновременно не менее трех разночастотных радиосигналов в диапазоне 3-30 кГц, содержащих целое число фазовых циклов и синхронизированных по времени и фазе. Прием переданных радиосигналов и измерение их фаз осуществляют по каждой трассе на всех частотах приемниками каждого РП-ИВК, по результатам измерений определяют и регистрируют среднеквадратическое среднечасовое отклонение фазы по каждой частоте для каждого часа различных суток.

Вследствие сейсмо-ионосферных взаимодействий в нижней ионосфере появляются области повышенной ионизации и, как следствие, изменяются условия распространения радиосигналов, приводящие к изменению фазовых скоростей и соответствующих фаз радиосигналов, различным для разных частот. Поэтому при приеме измеренное текущее значение фазы по каждой частоте сравнивают с заданным пороговым значением, разным для каждого часа различных суток. Данные об аномальных фазовых отклонениях, превышающих заданные пороги, и времена аномальных отклонений по каждой трассе регистрируют. Выделяют трассы с аномальным отклонением фазы, имеющие не менее двух пересечений с другими трассами, на которых зарегистрированы аномальные отклонения фаз. При наличии последовательного уменьшения временных интервалов на выделенных пересекающихся трассах между по крайней мере тремя аномальными отклонениями фаз, зарегистрированными на выделенных трассах, судят о готовящемся землетрясении. Рассчитывают коэффициент корреляции фазовых отклонений на выделенных пересекающихся трассах, по максимальному значению которого определяют район готовящегося землетрясения.

Время землетрясения для района готовящегося землетрясения определяют (согласно установленной в п.1 формулы изобретения) в двумерной ортогональной системе координат, осями абсцисс и ординат которой служат соответственно текущее время и значения временных интервалов в сутках между двумя последовательными возмущениями зарегистрированными аномальными отклонениями фаз на выделенных пересекающихся трассах, причем за начало координат принимают дату первого возмущения, наступившего после обычного фонового состояния, характерного для приема радиосигналов в отсутствие сейсмо-ионосферных взаимодействий. Второе возмущение отображают в системе координат точкой, абсциссой которой является дата второго возмущения, а ординатой временной интервал между вторым и первым возмущениями. Переход выделенных пересекающихся трасс из обычного состояния в третье возмущенное состояния отображают второй точкой, абсцисса которой это дата третьего возмущения, а ордината временной интервал между третьим и вторым возмущениями. Пересечением прямой, проведенной через первую и вторую точки, отображенные в системе координат, оси абсцисс определяют дату готовящегося землетрясения с точностью до одних-трех суток. Последующий переход выделенных пересекающихся трасс из обычного состояния в новое возмущенное состояние отображают следующей точкой, абсцисса которой это дата нового возмущения, а ордината временной интервал между последним и предшествующим ему возмущениями. Если ордината последнего возмущения превышает 1 сут, то пересечением прямой, проходящей через две последние точки, оси абсцисс уточняют дату землетрясения.

Устройство, реализующее способ (фиг.1), функционирует следующим образом.

С помощью не менее двух радиопередатчиков 1 фазовой радионавигационной системы (ФРНС) "Омега" или отечественной аналогичной системы "Маршрут", размещенными вне границ сейсмоопасного района на земной поверхности с базовыми расстояниями 1-10 тыс.км, и не менее трех РП-ИВК 2 либо серийно выпускаемых ВПК РФ приемоиндикаторов РСДН-85 СДВ диапазона, разнесенными в пространстве в дальней зоне радиоприема от границ сейсмоопасного района, создают пересекающиеся трассы передатчик-приемник таким образом, что каждая трасса в пределах сейсмоопасного района имеет не менее двух пересечений с другими трассами, проходящими через сейсмоопасный район. Радиопередатчиками в радиоволноводе Земля-ионосфера возбуждают по сигналам единого времени одновременно не менее трех разночастотных сигналов, например, на рабочих частотах 10,2, 13,6 и 11,33 кГц (ФРНС "Омега"), содержащих целое число фазовых циклов и синхронизированных по времени и фазе. Прием радиосигналов осуществляют по каждой трассе на всех частотах приемниками каждого РП-ИВК 2 (РСДН-85), причем прием включает процедуры предварительного усиления суперпозиции поступивших с выхода (штыревой либо рамочной) антенны сигналов, компенсацию разного рода помех и шумовых излучений, не связанных с сейсмо-ионосферными явлениями, частотно-временную селекцию сигналов и последующее детектирование-измерение их фаз относительно заданных пороговых значений, различных в общем случае для разных часов суток. По результатам измерений определяют и регистрируют среднеквадратическое среднечасовое отклонение фаз по каждой частоте для каждого часа различных суток.

Данные об аномальных фазовых отклонениях и времена этих отклонений по каждой трассе передают с каждого РП-ИВК 2 по каналам связи 3 в ЦРПЗ 4. В приеморегистраторе 5, аналогом которого является модификация РСДН-85, сигнальные входы которого служат соответствующими входами ЦРПЗ 4, осуществляют регистрацию, накопление и классификацию данных об аномальных фазовых отклонениях сигналов и временах их обнаружения по всем частотам и всем трассам передатчик-приемник.

В блоке управления и обработки информации 6 (аналогом которого является современная РС IBМ), подсоединенного к выходам приеморегистратора 5, анализируют данные об аномальных фазовых отклонениях радиосигналов; выделяют трассы с аномальным фазовым отклонением, имеющие не менее двух пересечений с другими трассами, на которых зарегистрированы аномальные отклонения фаз. При наличии последовательного уменьшения временных интервалов на выделенных пересекающихся трассах между по крайней мере тремя аномальными отклонениями фаз, зарегистрированными на выделенных трассах, выделенные трассы отображают на мониторе РС IBМ блока управления и обработки информации 6. Рассчитывают коэффициент корреляции фазовых отклонений на выделенных пересекающихся трассах, по максимальному значению которого определяют район сейсмической опасности. Одновременно определяют согласно п.1 формулы изобретения время готовящегося землетрясения, для которого дают на экране монитора соответствующую графическую интерпретацию.

В настоящее время согласно Постановлению Правительства РФ от 11.05.1993 г. N 1346 разрабатывается Международная радиоволновая информационная система прогнозирования землетрясения, основывающаяся на предложенной формуле изобретения с использованием технических средств систем автоматизированного управления, созданных предприятиями ВПК, с незначительными доработками российской аппаратуры глобальной радионавигации в сочетании с аппаратурой ФРНС "Омега".

Claims (2)

1. Способ радиоволнового прогноза землетрясений, включающий создание в сейсмоопасном районе трасс передатчик-приемник, передачу и прием радиосигналов в СВД диапазоне, выделение трасс с отклонениями фаз принятых сигналов и определение по ним района и времени готовящегося землетрясения, отличающийся тем, что в сейсмоопасном районе создают пересекающиеся трассы передатчик-приемник, передают одновременно не менее трех разночастотных радиосигналов в диапазоне 3 30 кГц, содержащих целое число фазовых циклов и синхронизированных по времени и фазе, дополнительно регистрируют времена аномальных отклонений фаз принимаемых радиосигналов, выделяют трассы с аномальным отклонением фазы, имеющие не менее двух пересечений с другими трассами, на которых зарегистрированы аномальные отклонения фазы, и при наличии последовательного уменьшения временных интервалов между по крайней мере тремя аномальными отклонениями фаз, зарегистрированными на выделенных трассах, судят о готовящемся землетрясении, рассчитывают коэффициенты корреляции фазовых отклонений на выделенных пересекающихся трассах, по максимальным значениям которых определяют район готовящегося землетрясения с магнитудой М более 5,5, а время землетрясения определяют по установленной зависимости:
τ=τ $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{2}}{\text{3}}$ _,2/(τ_2,1-τ_3,2),
где τ интервал времени от третьего зарегистрированного аномального отклонения фазы до землетрясения,
t_2,1, τ_3,2 интервалы времени между первым и вторым и между вторым и третьим зарегистрированными аномальными отклонениями фаз соответственно.

2. Устройство для радиоволнового прогноза землетрясений, содержащее радиопередатчик и радиоприемный измерительно-вычислительный комплекс (РП-ИВК) СДВ-диапазона, отличающееся тем, что устройство содержит не менее двух радиопередатчиков и не менее трех РП-ИВК, объединенных в сеть каналами связи с центром радиоволнового прогноза землетрясений (ЦРПЗ), включающимй приеморегистратор и блок управления и обработки информации, соединенные последовательно, при этом сигнальные входы приеморегистратора являются входами ЦРПЗ, расстояние между радиопередатчиками составляет (1 10) · 10⁶ м, а РП-ИВК расположены в дальней зоне радиоприема.