способ определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения

Формула изобретения

Способ определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения, основанный на преобразовании по частоте в измерительном канале принимаемого электромагнитного изучения, сдвиге по фазе на +90° напряжения гетеродина, использовании его дополнительного преобразования по частоте принимаемого электромагнитного излучения, сдвиге по фазе на +90° дополнительно преобразованного по частоте электромагнитного излучения, суммировании его с основным преобразованным по частоте электромагнитным излучением, перемножении полученного суммарного электромагнитного излучения с принимаемым электромагнитным излучением, выделении напряжения на частоте гетеродина, детектировании его и использовании в качестве управляющего сигнала для разрешения дальнейшей обработки суммарного электромагнитного излучения, периодическом производстве в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, определении разностного сигнала двух последовательных измерений, интегрировании разностного сигнала, делении разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал, сравнении полученного значения с заданным пороговым значением и, в случае превышения заданного порогового значения, перемножении преобразованного по частоте электромагнитного излучения с принимаемым в четырех пеленгационных каналах электромагнитным излучением, выделении гармонических сигналов на частоте гетеродина, измерении между ними и напряжением гетеродина фазовых сдвигов, по которым определяют фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на эпицентр ожидаемого землетрясения, при этом приемные антенны измерительного и пеленгационных каналов размещают в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну измерительного канала, отличающийся тем, что формируют калибровочный гармонический сигнал, частота f_к которого отличается от промежуточной частоты f _пp на незначительную величину f, пропускают его по двум приемным трактам, выделяют узкополосной фильтрацией калибровочные сигналы, прошедшие через указанные тракты, измеряют разность амплитуд выходных калибровочных сигналов и используют ее для управления модулем коэффициента передачи усилителей промежуточной частоты приемных трактов, измеряют разность фаз выходных калибровочных сигналов и используют ее для управления фазовым сдвигом в усилителях промежуточной частоты приемных трактов.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемый способ относится к геофизике и может быть использован для определения координат эпицентра ожидаемых землетрясений, горных ударов и контроля электромагнитной обстановки в сейсмоопасной зоне земной коры с борта летательного аппарата.

В прогнозировании землетрясений известны способы, основанные на использовании электромагнитных явлений, предшествующих и сопровождающих землетрясения (авт. свид. СССР №№ 499543, 913311, 1080095, 1171737, 1193620; патенты РФ №№ 1806334, 2037162, 2106001, 2172968; патенты США №№ 4193072, 4884030; патент ФРГ № 1548490; Электромагнитные предвестники землетрясений. Под ред. М.А.Садовского. - М., 1982. - С. 60-80; Поиск электромагнитных предвестников землетрясений. - М., 1988. - С 149-169 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является "Способ определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения" (патент РФ № 2172968, G 01 V 9/00, 2000), который и выбран в качестве прототипа.

Известный способ использует фазовый метод пеленгации области возмущения электромагнитного поля с помощью пяти приемных антенн, расположенных в виде несимметричного геометрического креста. Способ инвариантен к нестабильности частоты, так как пеленгация области возмущения электромагнитного поля осуществляется на стабильной частоте гетеродина. Кроме того, за счет использования неподвижных антенн значительно упрощается техническая реализация способа на борту летательного аппарата.

Известный способ также обеспечивает подавление ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

Подавление ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте f_з, основано на использовании двух трактов, в которых ложные электромагнитные излучения (помехи) преобразуются в более низкую одинаковую для обоих трактов промежуточную частоту f _пр, усиливаются, а затем суммируются. Причем в одном из трактов принимаемое электромагнитное излучение сдвигается по фазе на +90° как на высокой частоте, так и на промежуточной частоте. Это приводит к тому, что ложные электромагнитные излучения (помехи), принимаемые по зеркальному и первому комбинационному каналам, на выходе сумматора оказываются в противофазах. Следовательно, при суммировании указанные излучения подавляются.

Однако их полное подавление возможно только при идентичности приемных трактов. Реальные усилители промежуточной частоты, входящие в состав приемных трактов, имеют отличающиеся характеристики. Различия увеличиваются за счет других элементов, входящих в состав приемных трактов.

Для устранения неидентичности приемных трактов используется метод комплексной (амплитудно-фазовой) идентификации, который использует гармонический калибровочный сигнал, получаемый от отдельного генератора, частота f_к которого отличается от промежуточной частоты f_пр на некоторую величину f (фиг.4). При малой f калибровочный сигнал несет информацию о идентичности приемных трактов на промежуточной частоте в силу корреляции близких значений частотных характеристик.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения путем полного подавления ложных электромагнитных излучений, принимаемых по дополнительным каналам.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения, обоснованном на преобразовании по частоте в измерительном канале принимаемого электромагнитного излучения, сдвиги по фазе на +90° напряжения гетеродина, использовании его для дополнительного преобразования по частоте принимаемого электромагнитного излучения, сдвиге по фазе на +90° дополнительно преобразованного по частоте электромагнитного излучения, суммировании его с основным преобразованным по частоте электромагнитным излучением, перемножением полученного суммарного электромагнитного излучения с принимаемым электромагнитным излучением, выделении напряжения на частоте гетеродина, детектировании его и использовании в качестве управляющего сигнала для разрешения дальнейшей обработки суммарного электромагнитного излучения, периодическом производстве в точке наблюдения не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля, определении разностного сигнала двух последовательных измерений, интегрировании разностного сигнала, делении разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал, сравнении полученного значения с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения перемножении преобразованного по частоте электромагнитного излучения с принимаемыми в четырех пеленгационных каналах электромагнитными излучениями, выделении гармонических сигналов на частоте гетеродина, измерении между ними и напряжением гетеродина фазовых сдвигов, по которым определяют фазовым методом в двух взаимно перпендикулярных плоскостях направления на эпицентр ожидаемого землетрясения, при этом приемные антенны измерительного и пеленгационного каналов размещают в виде несимметричного геометрического креста, в пересечении которого помещают приемную антенну измерительного канала. Формируют калибровочный гармонический сигнал, частота f_к которого отличается от промежуточной частоты f_пр на незначительную величину f, пропускают его по двум приемным трактам, выделяют узкополосный фильтрацией калибровочные сигналы, прошедшие через указанные тракты, измеряют разность амплитуд выходных калибровочных сигналов и используют ее для управления модулем коэффициента передачи усилителей промежуточной частоты приемных трактов, измеряют разность фаз выходных калибровочных сигналов и используют ее для управления фазовым сдвигом в усилителях промежуточной частоты приемных трактов.

Для определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения используют фазовый метод пеленгации, которому свойственно противоречие между точностью и однозначностью определения угловых координат источника аномальных возмущений электромагнитного поля. С целью устранения этого противоречия в каждой плоскости используют две шкалы отсчета: большую - точную, но неоднозначную, и малую - грубую, но однозначную.

Для подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по зеркальному каналу и первому комбинационному каналу, используют фазокомпенсационный метод, а для подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по второму комбинационному каналу - метод узкополосной фильтрации.

Для устранения неоднозначности приемных трактов используют метод комплексной (амплитудно-фазовый) идентификации.

Данное техническое решение проиллюстрировано графическим материалом. На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг.2 изображено взаимное положение приемных антенн. На фиг.3 представлена геометрическая схема расположения приемных антенн на борту летательного аппарата. На фиг.4 показана частотная диаграмма, поясняющая принцип образования дополнительных каналов приема.

Устройство содержит один измерительный и четыре пеленгационных канала.

Измерительный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 1, усилителя 2 высокой частоты, первого смесителя 3, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 4, первого регулируемого фазовращателя 50, второй вход которого соединен с выходом калибратора 49, первого усилителя 5 промежуточной частоты, сумматора 44, перемножителя 45, второй вход которого соединен с выходом усилителя 2 высокой частоты, первого узкополосного фильтра 46, первого амплитудного детектора 47, ключа 48, второй вход которого соединен с выходом сумматора 44, измерителя 6 напряженности электромагнитного поля, линии задержки 7, первого блока 8 вычитания, второй вход которого соединен с выходом измерителя напряженности 6 электромагнитного поля, блока 9 интегрирования, блока 10 деления, второй вход которого соединен с выходом первого блока 8 вычитания, блока 11 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 12 формирования эталонного напряжения, вычислительного устройства 13 и блока 14 индикации. К выходу усилителя 2 высокой частоты последовательно подключены второй смеситель 41, второй вход которого через первый фазовращатель 40 на +90° соединен с вторым выходом гетеродина 4, второй регулируемый фазовращатель 51, второй усилитель 42 промежуточной частоты и второй фазовращатель 43 на +90° , выход которого соединен со вторым входом сумматора 44. К выходу усилителя 5 промежуточной частоты последовательно подключены второй узкополосный фильтр 52, второй амплитудный детектор 54, второй блок 56 вычитания, второй вход которого через последовательно включенные третий узкополосный фильтр 53 и третий амплитудный детектор 55 соединен с выходом усилителя 42 промежуточной частоты, первый фильтр 57 нижних частот и первый инверсный усилитель 58, два выхода которого соединены с вторыми входами усилителей 5 и 42 промежуточной частоты. К выходу второго узкополосного фильтра 52 последовательно подключены пятый фазовый детектор 59, второй вход которого соединен с выходом третьего узкополосного фильтра 53, второй фильтр 60 нижних частот и второй инверсный усилитель 61, два выхода которого соединены с третьими входами регулируемых фазовращателей 50 и 51.

Каждый пеленгационный канал состоит из последовательно включенных приемной антенны 5 (16-18), усилителя 19 (20-22) высокой частоты, перемножителя 23 (24-26), второй вход которого соединен с выходом ключа 27, узкополосного фильтра 28 (29-31), фазового детектора 32 (33, 38, 39) и блока 34 (35-37) регистрации. Вторые входы фазовых детекторов 32 и 38 соединены с первым выходом гетеродина 4. Вторые входы фазовых детекторов 33 и 39 соединены с выходами узкополосных фильтров 28 и 30 соответственно.

Если в качестве летательного аппарата используется самолет, то приемные антенны 1, 15-17 располагаются на фюзеляже снизу, а приемная антенна 18 - на правом крыле (фиг.3, а).

Если в качестве летательного аппарата используется космический аппарат (объект), то используются специальные панели, аналогичные солнечным панелям, которые после вывода космического аппарата на орбиту раскрываются и располагаются по направлению к поверхности земли (фиг.3, б).

Приемные антенны 1, 15-18, поднятые над поверхностью Земли, например, с помощью летательного аппарата и размещенные в виде несимметричного геометрического креста (фиг.2), принимают электромагнитные излучения:

J₁(t)=E_c cos[2 (f_c± f)t+ ₁],

J₂(t)=E_ccos[2 (f_c± f)t+ ₂],

J₃(t)=E_ccos[2 (f_c± f)t+ ₃],

J₄(t)=E_ccos[2 (f_c± f)t+ ₄],

J₅(t)=E_ccos[2 (f_c± f)t+ ₅], 0 t _c,

где E_c, f_c, ₁- ₅, _c - амплитуда, частота, начальные фазы и длительность электромагнитных излучений;

± f - нестабильность несущей частоты электромагнитных излучений, обусловленная различными дестабилизирующими факторами.

Электромагнитное излучение J₁(t) с выхода приемной антенны 1 через усилитель 2 высокой частоты поступает на первые входы смесителей 3 и 41, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 4 соответственно:

u_Г1(t)=U_Г cos(2 f_Гt+ _Г),

u_Г2(t)=U_Гcos(2 f_Гt+ _Г+90° ).

На выходах смесителей 3 и 41 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 5 и 42 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

u_пр1 (t)=U_пр1cos[2 (f_пр± f)t+ _пр1),

u_пр2(t)=U_пр2cos[2 (f_пр± f)t+ _пр1-90° ), 0 t _c,

где ; ;

К₁, К₂ - коэффициенты передачи смесителей;

f_пр=f_С-f_Г - промежуточная частота;

_пр1= ₁- _Г.

На входе усилителей 5 и 42 промежуточной частоты через регулируемые фазовращатели 50 и 51 соответственно с выхода калибратора 49 поступает калибровочный гармонический сигнал

u_k(t)=U_Кcos(2 f_Кt+ _К),

частота f_К которого отличается от промежуточной частоты f_пр на незначительную величину f (фиг.4). На выходе усилителей 5 и 42 промежуточной частоты калибровочные сигналы выделяются узкополосными фильтрами 52 и 53 и после детектирования в амплитудных детекторах 54 и 55 поступают на блок 56 вычитания системы амплитудной идентификации. При неравенстве модулей коэффициентов передачи приемных трактов (K₁ К₂) на частоте f_К на выходе блока 56 вычитания появляется напряжение (положительное или отрицательное), которое через фильтр 57 нижних частот и инверсный усилитель 58 воздействует на управляющие входы усилителей 5 и 42 промежуточной частоты, изменяя их коэффициенты передачи таким образом, что напряжение на выходе блока 56 вычитания стремится к нулю. При этом коэффициенты передачи усилителей 5 и 42 промежуточной частоты оказываются практически одинаковыми на частоте f_К калибровочного сигнала.

С выходов узкополосных фильтров 52 и 53 калибровочные сигналы поступают на систему фазовой идентификации, состоящую из фазового детектора 59, фильтра 60 нижних частот, инверсного усилителя 61 и двух регулируемых фазовращателей 50 и 51.

При наличии фазовой идентичности приемных трактов на выходе фазового детектора 59 появляется напряжение (положительное или отрицательное), которое через фильтр 60 нижних частот и инверсный усилитель 61 воздействует на управляющие входы регулируемых фазовращателей 50 и 51, изменяя фазовые сдвиги калибровочных сигналов так, что выходное напряжение фазового детектора 59 стремится к нулю. Так достигается фазовая идентификация приемных трактов.

Наличие сильной корреляции между модулями коэффициентов передачи и между их аргументами на частотах информационного электромагнитного излучения f_пр и калибровочного сигнала f_К позволяет утверждать практическое равенство модулей коэффициентов передачи и равенство их аргументов на промежуточной частоте f _ПР.

Следовательно, на выходах усилителей 5 и 42 промежуточной частоты образуются следующие напряжения:

u_пр3(t)=U_прcos[2 (f_пр± f)t+ _пр1),

u_пр4(t)=U_прcos[2 (f_пр± f)t+ _пр1-90° ), 0 t _c,

где ; К=К₁=К₂.

Напряжение u_пр4 (t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 43 на +90° , на выходе которого образуется напряжение

u_пр5(t)=U_прcos[2 (f_пр± f)t+ _пр1-90° +90° )=

=U_прcos[2 (f_пр± f)t+ _пр1], 0 t _c.

Напряжения u_пр3(t) и u_пр5 (t) поступают на два входа сумматора 44, на выходе которого образуется суммарное напряжение

u =U cos[2 (f_пр±f)t+ _пр1], 0 t _с,

где U =2U_пр.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 45, на первый вход которого поступает электромагнитное излучение J₁(t) с выхода усилителя 2 высокой частоты.

На выходе перемножителя 45 образуется гармоническое напряжение на частоте f_Г гетеродина 4

u_Г3(t)=U _Г3cos(2 f_Гt+ _Г), 0 t _c,

где ;

К₃ - коэффициент передачи перемножителя.

Так как частота настройки f_Н узкополосного фильтра 46 выбирается равной частоте f_Г гетеродина 4 (f _Н=f_Г), то напряжение u_Г3(t) выделяется узкополосным фильтром 46, детектируется амплитудным детектором 47 и поступает на управляющий вход ключа 48, открывая его. В исходном состоянии ключ 48 всегда закрыт.

При этом напряжение u (t) с выхода сумматора 44 через открытый ключ 48 поступает на вход измерителя 6 напряженности электромагнитного поля, в качестве которого может быть использован амплитудный детектор.

В каждой точке наблюдения производят не менее двух последовательных измерений напряженности электромагнитного поля Земли, затем производится операция вычитания двух последовательных измерений. Для этого сигнал, соответствующий предшествующему измерению, задерживается линией 7 задержки до момента сравнения его с поступающим сигналом в блоке 8 вычитания. Операции интегрирования разностного сигнала и деления разностного сигнала на проинтегрированный разностный сигнал производится в блоках 9 и 10.

В блоке 11 осуществляется сравнение нормированного сигнала с пороговым значением сигнала, задаваемого блоком 12. В вычислительном устройстве 13 осуществляется обработка результатов измерения, а их индикация осуществляется блоком 14.

Сигнал с выхода блока 11 сравнения одновременно поступает на управляющий вход ключа 27, открывая его. В исходном состоянии ключ 27 всегда закрыт.

Электромагнитные излучения J₂(t)-J₅(t) с выходов усилителей 19-22 поступают на первые входы перемножителей 23-26 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение u (t) с выхода сумматора 44 через открытый ключ 27. На выходах перемножителей 23-26 образуются следующие гармонические колебания:

u₁(t)=U₁cos(2 f_Гt+ _Г+ ₁),

u₂(t)=U₁cos(2 f_Гt+ _Г- ₂),

u₃(t)=U₁cos(2 f_Гt+ _Г+ ₃),

u₄(t)=U₁cos(2 f_Гt+ _Г- ₄), 0 t _c,

где ;

₁= ₂- ₁=2 · cos ;

₂= ₃- ₁=2 · cos ;

₃= ₄- ₁=2 · cos ;

₄= ₅- ₁=2 · cos ,

где , - угловые координаты эпицентра ожидаемого землетрясения (азимут и угол места),

которые выделяются узкополосными фильтрами 28-31 и поступают на первые входы фазовых детекторов 32, 33, 38 и 39 соответственно. На вторые входы фазовых детекторов 32 и 38 подается напряжение гетеродина 4. На вторые входы фазовых детекторов 33 и 39 подаются напряжения u₁(t) и u ₃(t) с выходов узкополосных фильтров 28 и 30 соответственно. Знаки "+" и "-" перед фазовыми сдвигами f₂ и f₄ соответствуют диаметрально противоположным положениям антенн 15 и 16, 17 и 18 относительно антенны 1. На выходе фазовых детекторов 32, 33, 38 и 39 образуются постоянные напряжения:

u_H1( )=U_H1cos ₁,

u_H2( )=U_H2cos ₅,

u_H3( )=U_H1cos ₃,

u_H4( )=U_H2cos ₆,

;

;

где ₅= ₁+ ₂=2 · cos ; d₅=d₁+d₂;

₆= ₃+ ₄=2 · cos ; d₆=d₃+d₄,

которые фиксируются блоками 34-37 регистрации.

Приемные антенны 15-18 размещают таким образом, что измерительные базы образуют несимметричный геометрический крест, в пересечении которого помещают приемную антенну 1 измерительного канала (фиг.2). При этом меньшие базы d₁ и d₃ образуют грубые, но однозначные шкалы пеленгации, а большие базы d₅ и d₆ - точные, но неоднозначные шкалы пеленгации:

, .

Зная высоту h полета летательного аппарата и измерив угловые координаты и , можно точно и однозначно определить координаты эпицентра ожидаемого землетрясения.

Так, предлагается использовать фазовый метод пеленгации области возмущения электромагнитного поля с помощью пяти приемных антенн, расположенных в виде несимметричного креста. Способ инвариантен к нестабильности несущей частоты электромагнитного излучения, так как пеленгацию области возмущения электромагнитного поля осуществляют на стабильной частоте f_Г гетеродина 4.

Кроме того, за счет использования неподвижных антенн значительно упрощается техническая реализация способа на борту летательного аппарата.

Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует случаю приема электромагнитного излучения по основному каналу на частоте f _С (фиг.4).

Если ложное электромагнитное излучение (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте f_З

u_З(t)=U_Зcos(2 f_Зt+ _З), 0 t _З,

то в смесителях 3 и 41 оно преобразуется в следующие напряжения промежуточной частоты:

u_пр6 (t)=U_пр6cos(2 f_прt+ _пр6),

u_пр7(t)=U_пр6cos(2 f_прt+ _пр6+90° ),

где ;

fпр=f_Г-f_З - промежуточная частота;

_пр6= _Г- _З.

Напряжение u_пр7(t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 43 на 90° , на выходе которого образуется напряжение

u _пр8(t)=U_пр6cos(2 f_прt+ _пр6+90° +90° )=

=-U_пр6cos(2 f_прt+ _пр6), 0 t _З.

Напряжения u_пр6(t) и u_пр8 (t), поступающие на два входа сумматора 44, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложное электромагнитное излучение (помеха), принимаемое по зеркальному каналу на частоте f_З, подавляется. Для этого используется фазокомпенсационный метод.

По аналогичной причине подавляется и ложное электромагнитное излучение (помеха), принимаемое по первому комбинационному каналу на частоте f_К1 (фиг.4).

Если ложное электромагнитное излучение (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте f_k2

u_k1(t)=U_k2 cos(2 f_Г2t+ _k2), 0 t _k2,

то в смесителях 3 и 41 оно преобразуется в следующие напряжения промежуточной частоты:

u_пр9 (t)=U_пр9cos(2 f_прt+ _пр9),

u_пр10(t)=U_пр9cos(2 f_прt+ _пр9-90° ), 0 t _k2,

где ;

f_пр=f_k2-2f_Г - промежуточная частота;

_пр9= _к2- _Г.

Напряжение u_пр10(t) с выхода усилителя 42 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 43 на +90° , на выходе которого образуется напряжение

u _пр11(t)=U_пр9cos(2 f_прt+ _пр9-90° +90° )=

=U_прcos(2 f_прt+ _пр9), 0 t _k2.

Напряжения u_пр9(t) и u_пр11 (t) поступают на два входа сумматора, на выходе которого образуется суммарное напряжение

u ₁(t)=U ₁cos(2 f_прt+ _пр9), 0 t _k2,

где U ₁=2U_пр9.

Это напряжение подается на второй вход перемножителя 45, на первый вход которого поступает ложное электромагнитное излучение (помеха) u_k2(t) с выхода усилителя 2 высокой частоты.

На выходе перемножителя 45 образуется гармоническое напряжение на второй гармонике частоты гетеродина

u_Г(t)=U_Гcos(4 f_Гt+ _Г), 0 t _k2,

где ;

которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 46. Ключ 48 не открывается, и ложное электромагнитное излучение (помеха), принимаемое по второму комбинационному каналу на частоте f_К2, подавляется. Для этого используется метод узкополосной фильтрации.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет повысить помехоустойчивость и точность определения координат эпицентра ожидаемого землетрясения. Это достигается путем полного подавления ложных электромагнитных излучений (помех), принимаемых по дополнительным каналам, за счет использования метода комплексной (амплитудно-фазовой) идентификации. Данный метод использует гармонический калибровочный сигнал, получаемый от отдельного генератора, частота f_к которого отличается от промежуточной частоты f_пр на некоторую величину f. При малой величине f калибровочный сигнал несет информацию о неидентичности приемных трактов на промежуточной частоте f_пр в силу корреляции близких значений частотных характеристик.