система измерений предвестника землетрясений

Формула изобретения

Система измерений предвестника землетрясения, содержащая измерительный канал из генератора оптического излучения, подсоединенного через чувствительный элемент к фотоприемнику, который подключен к последовательно соединенным пороговому устройству, аналого-цифровому преобразователю и буферу-накопителю, а также программируемую схему выборки, подключенную к пороговому устройству, аналого-цифровому преобразователю и буферу накопителю, отличающаяся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого оптического волокна, частота модуляции светового потока которого пропорциональна концентрации водорода в атмосфере воздуха, а буфер-накопитель и программируемая схема выборки подключены на соответствующие входы-выходы абонентского телефона передачи адресного сигнала на узел сотовой связи международной сети телекоммуникаций.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сейсмологии и может найти применение в системах наблюдения и обработки данных геофизических измерений сейсмоопасных регионов планеты для прогнозирования землетрясений.

За последние годы выявлено несколько новых, ранее недоступных для наблюдения признаков-предвестников. Среди них такие как эманация газов из земной коры в атмосферу, образование над эпицентральной областью очага землетрясения в атмосфере вертикального электростатического поля, напряженностью несколько кВ/м и др. (см., например, "Краткосрочный прогноз катастрофических землетрясений с помощью радиофизических наземно-космических методов". Доклады конференции, ШФЗ им. О.Ю.Шмидта, РАН, М., 1998 г., стр.27, рис.1).

Эманация легких газов, таких как водород, гелий, приводит к падению, на несколько десятков мм рт.ст., атмосферного давления в локальных областях атмосферы непосредственно над очагом накануне землетрясения (см., например, Давыдов В.Ф. "Землетрясения. Телеметрия предвестников", монография, МГУЛ, М., 2001 г., стр.20, рис.10).

Однако изменение атмосферного давления может происходить и при изменении метеоусловий, что не позволяет однозначно интерпретировать результаты измерений данного признака. Поэтому, целесообразно использовать средства непосредственного измерения концентрации водорода в атмосфере, в местах тектонических разломов земной коры. Известно, что газы имеет различную теплоемкость (см., например, Г.А.Зисман, О.М.Тедес "Курс общей физики", т.1, М., Наука, 1964 г., Теплоемкости газов, стр.159-165). Это используют в средствах экспресс-анализа газовой среды, выполненных на основе оксидных полупроводниковых пленок в качестве чувствительного элемента, реагирующего на присутствие газов и паров изменением электропроводимости (см., например, "Чувствительный элемент газового датчика", патент РФ №2011985, кл. G 01 N 27/12, 1994 г. - аналог).

Устройство-аналог содержит на диэлектрической подложке оксидную полупроводниковую пленку с примесями металлов, расположенных только в приповерхностном слое на глубине 5-35% ее толщины, с резистивным подогревным слоем на другой стороне подложки. При изменении рабочей температуры подогрева оксидная полупроводниковая пленка проявляет различную адсорбционную активность к детектируемым газам, что проявляется в изменении проводимости полупроводникового слоя.

Недостатками аналога является:

низкая избирательность газовых датчиков к детектируемому газу по отношению к смежным газам;

ограниченный интервал линейности выходной характеристики, быстрое насыщение датчика при больших концентрациях измеряемого газового компонента.

Ближайшим аналогом по технической сущности - прототипом является система измерений предвестника землетрясения, патент РФ №2205432, МПК: G 01 V 9/00, 27.05.2003 г.

Измеритель предвестника землетрясения - прототип содержит два параллельных измерительных канала, разнесенных на измерительной базе с симметричной запиткой каналов через волоконно-оптические линии от единого генератора оптического излучения и содержащих чувствительный элемент, подключенный к фотоприемнику, выходы фотоприемников нагружены на дифференциальную мостовую схему, вторая диагональ которой подключена к цепочке последовательно соединенных порогового элемента, АЦП, буфера-накопителя, компьютера обработки регистрируемого сигнала и синхронизации работы элементов измерителя посредством программ, закладываемых в программируемую схему выборки, чувствительные элементы - электрооптические датчики помещены между обкладками конденсатора, а пороговый элемент подключен к программируемой схеме выборки.

Измеритель предвестника землетрясения - прототип предназначен для измерения вертикального электростатического поля, возникающего в атмосфере над очагом накануне землетрясения и выделения из регистрируемого сигнала модулирующей функции переходного процесса раскачки очага землетрясения. Время релаксации газовых ионов в турбулентной атмосфере составляет несколько минут. Поэтому при малых концентрациях контролируемого газа, на начальном этапе появления признака-предвестника, устройство ближайшего аналога имеет большой участок (длительный по времени) нечувствительности. Указанный недостаток снижает интервал времени упреждающего прогнозирования ожидаемого события.

Задачей заявляемой системы является повышение чувствительности и обеспечение линейности рабочей характеристики в широком диапазоне изменения концентрации водорода в атмосферном воздухе и передача адресного сигнала предупреждения о превышении концентрации водорода порогового уровня.

Технический результат достигается тем, что в системе измерений предвестника землетрясения, содержащей измерительный канал из соединенных генератора оптического излучения, чувствительного элемента, фотоприемника, порогового устройства, аналогово-цифрового преобразователя, буфера-накопителя, а также программируемую схему выборки, подключенную к пороговому устройству, аналогово-цифровому преобразователю и буферу-накопителю, в отличие от известной, в ней чувствительный элемент выполнен в виде электрооптического модулятора на отрезке дырчатого оптического волокна, частота модуляции светового потока которого пропорциональна концентрации водорода в атмосфере воздуха, а буфер-накопитель и программируемая схема выборки подключены на соответствующие входы-выходы абонентского телефона передачи адресного сигнала на узел сотовой связи международной сети телекоммуникаций, в качестве которой предлагается подключить узел сотовой связи международной сети телекоммуникаций AVL.

Изобретение поясняется чертежами, где:

фиг.1 - функциональная схема предлагаемой системы;

фиг.2 - сечение отрезка дырчатого оптического волокна электрооптического модулятора;

фиг.3 - изменение атмосферного давления над очагом при эманации газов накануне землетрясения;

фиг.4 - изменение электростатического потенциала над очагом при эманации газов в атмосферу накануне землетрясения;

фиг.5 - последовательность импульсов светового потока на выходе электрооптического модулятора в функции частоты модуляции Р, ГГц;

фиг.6 - зависимость величины фототока от концентрации водорода в атмосфере, %.

Система измерений предвестника землетрясения, фиг.1, содержит измерительный канал 1 в составе генератора оптического излучения 2, чувствительного элемента - электрооптического модулятора 3, фотоприемника 4, порогового устройства 5, аналогово-цифрового преобразователя 6, буфера-накопителя 7, программируемой схемы выборки 8, управляющей работой порогового устройства 5, аналогово-цифрового преобразователя 6, буфера-накопителя 7, и канала передачи 9 адресного сигнала результатов измерений в составе абонентского телефона 10 регионального узла 11 сотовой связи международной сети телекоммуникаций AVL 12. Чувствительный элемент - электрооптический модулятор 3 выполнен на отрезке дырчатого волокна 13 длиной 1 мм и диаметром 20 мкм с продольным срезом и металлическим напылением с обеих сторон. Сечение чувствительного элемента иллюстрируется на фиг.2. Сердцевина оптических волокон 1 представляет собой брегговские решетки 15, показатель преломления которых изменяется по длине волокна с периодом, в два раза большим длины волны излучения генератора оптического излучения.

Динамика взаимодействия элементов системы состоит в следующем. Накануне землетрясения (одна из перспективных гипотез причины их возникновения) происходит активное проникновение водорода из глубины Земли через разломы в земной коре. Считается, что все процессы, связанные с возникновением землетрясений, носят колебательный характер. Проникновение водорода изменяет характер нелинейных связей между слоями земной коры, в результате чего возникает структурная неустойчивость. Активная эманация водорода в атмосферу изменяет процентное соотношение между компонентами воздуха. Нормальное соотношение: ˜78% азота, - 21% кислорода и - 1% благородные газы, создает нормальное атмосферное давление ˜748 мм рт.ст. или 5:26 мм рт.ст. на один средний моль воздуха. Присутствие в воздухе легкого водорода при его концентрации в 1% должно понизить расчетное атмосферное давление на - 5%. Фиг.3 иллюстрирует изменение атмосферного давления, зарегистрированное на полигоне МЧС (Кавказские Минеральные Воды) перед землетрясением, имевшим месте в районе ст. Лысогорская 21.12.1995 г. Одновременно, эманация легких газов в атмосферу образует нескомпенсированный заряд кулоновского электричества, создающего электростатическое поле над очагом, напряженностью несколько кВ/м. Пример регистрации такого поля иллюстрируется графиком фиг.4.

Итак, избыточная концентрация водорода в воздухе существенно изменяет средний молярный вес (инерционность) и теплоемкость воздушной среды. В качестве чувствительного элемента 3, реагирующего на эти изменения, использован электрооптический резонатор, выполненный на отрезке дырчатого волокна 13. Пока период изменения показателя преломления оптического волокна 14 равен удвоенной длине волны генератора накачки 2, излучение лазера испытывает полное внутреннее отражение (см., например, Условие Вульф-Брегга, "Советский энциклопедический словарь" под редакцией А.М.Прохорова, 4-е изд., М., Советская энциклопедия, 1989 г., стр.172). При этом часть энергии излучения тратится на нагрев металлической пленки, осажденной на продольный срез волокна. В результате линейного расширения пленки отрезок волокна изгибается, изменяется период брегговской решетки 15 и она становится прозрачной для данной длины волны. Далее металлическая пленка охлаждается воздушной средой, и отрезок волокна за счет внутренней жесткости принимает исходную форму. Варьируя мощностью тока оптического генератора, частоту колебаний отрезка волокна можно приблизить к его резонансной частоте и нести 1 резонанс. В системе: оптический лазер - чувствительный элемент, возникают устойчивые колебания на частоте колебаний отрезка волокна. О возможности генерации таких процессов (см., например, Желтиков А.М. "Дырчатые волноводы", журнал "Успехи физических наук", том 170, №2, ноябрь, 2000 г., а также "Брегговские решетки в оптических системах передачи", Интернет, www, - tt@tt.ru.).

Частота собственных колебаний отрезка волокна непосредственно зависит от концентрации водорода в воздухе. Чем больше концентрация, тем меньше инерционность среды и тем выше частота. Изменение частоты собственных колебаний при концентрации водорода % достигает 0,1 ГГц/процент. Изменение частоты повторения световых импульсов на выходе электрооптического модулятора 3 иллюстрируется графиками фиг.5. Увеличение концентрации водорода приводит к увеличению среднего тока фотоприемника 4. Зависимость изменения фототока от концентрации водорода в атмосфере иллюстрируется графиком фиг.6. Поскольку собственное излучение эрбиевого лазера Л=1,55 мкм, а изменение модулирующей частоты составляет ед. ГГц, система измерений обладает широким диапазоном линейности рабочей характеристики, от десятых долей до единиц процентов концентрации водорода в атмосфере воздуха.

Одной из причин непредсказуемости землетрясений является отсутствие постоянно действующей и развитой глобальной системы измерений устойчивых признаков-предвестников. Одним из таких признаков является выделение водорода над разломами в земной коре накануне грядущих ударов.

Для повышения достоверности обнаружения истинного события и снижения вероятности ложной тревоги в системе измерений применено два режима:

а) сигнальный режим с высоким уровнем порога, в 3-4 раза превышающим фоновый уровень содержания водорода в атмосфере;

б) режим последующих непрерывных измерений концентрации водорода, превышающий пороговый.

Сигнальный режим реализуется пороговым элементом 5. Режим последующих непрерывных измерений реализуется аналогово-цифровым преобразователем 6, буфером-накопителем 7, управляемыми программируемой схемой выборки 8. Пороговый уровень напряжения элемента 5, а также синхронизация работы элементов 7, 8 осуществляется программой, записанной в постоянном запоминающем устройстве схемы выборки 8, которая содержит файлы режимов функционирования и файл с индивидуальным адресом системы измерений, размещенной в данном географическом районе. Буфер-накопитель 7 служит для размещения цифровой бинарной последовательности текущей выборки измерений. При превышении концентрации водорода порогового уровня, задаваемого программой измерений от схемы выборки 8, срабатывает пороговый элемент 5, и сигнал поступает на аналогово-цифровой преобразователь 6. Текущая амплитуда сигнала квантуется аналогово-цифровым преобразователем в стандартной шкале 0...256 уровней, задаваемой программой режимов измерений. По заполнении буфера-накопителя 7 измерительный файл пересылается программой в постоянное ЗУ сотового телефона 10, от которого идет вызов в региональный узел связи 11. После приема вызова формирователь сотового телефона передает сообщение из адреса измерителя и текущей выборки измерений. Синхронизацию работы элементов системы осуществляют посредством программируемой схемы выборки 8. Конструктивно схема 8 представляет собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в которое записывают программу в виде 32-х или 64-х разрядных слов. Каждое слово программы содержит временную часть и исполнительную часть. Во временную часть слова, записанного в ПЗУ, поступают метки времени таймера сотового телефона. При совпадении записанного числа разрядов временной части со временем таймера реализуется исполнительная часть слов программы, задающей периодичность включения измерителя и режимы его работы. Схема выборки, АЦП, буфер-накопитель выполнены на стандартных интегральных платах, совместимых с контроллерами IBM PC/AT: например, на платах ЛА-TMS-31, плате ЛА-20 [см., например, Якубовский Б.И. др. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. М.: Радио и связь, 1990]. Технические характеристики существующих сотовых абонентов позволяют реализовать перечисленные функции без каких-либо доработок [см., Интернет, htt://Motorola/ru/products/personal-communication/celluras-communication, -pdf/Data-connectiviti.Psf.].

Известна глобальная система AVL (Automatic Vehiele Location) [см. Интернет, URL: - http://www.globaltel.ru, http://www.globalstar/com], используемая для тракинга (определения координат, контроля состояния, перемещения транспортных средств). Система включает множество автономных модулей, устанавливаемых на объекты-абоненты, коммуникационную сеть передачи информации на диспетчерский пункт, оборудованный средствами анализа и отображения состояния каждого абонента сети.

Представляется целесообразным использовать существующий аналог глобальной сети передачи информации для трансляции сигналов оповещения о предстоящем землетрясении. Имеется возможность оперативно, по командам с Центрального диспетчерского пункта сети AVL изменять режимы функционирования и цикличность измерений каждого абонента путем перезакладки программы в программируемую схему выборки 8 посредством приемопередатчика сотового абонента 10.

Осуществляя принудительный вызов смежных с отозвавшимся измерителей, получают дополнительные выборки измерений из нескольких точек сейсмоопасного региона.

Точность, надежность, долговечность и ресурс работы измерителя обеспечиваются выбором оптоэлектронной базы. При этом размеры измерителя не превосходят размеры сотового телефона и могут быть изготовлены в массовом производстве, по доступной цене, что создает предпосылки размещения предлагаемой системы во всех сейсмоопасных регионах планеты с необходимой плотностью в пространстве.