Устройство для прогноза землетрясения

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ(71) Заявитель Учреждение образования Военная академия Республики Беларусь(72) Авторы Воинов Валерий Васильевич Мокринский Владимир Валерьевич Белько Валерий Михайлович(73) Патентообладатель Учреждение образования Военная академия Республики Беларусь(57) Устройство для прогноза землетрясения, содержащее источник сигнала, функционально связанный с ним приемник этого сигнала, определяющий координаты места приема, источник эталонных напряжений, дифференциальный усилитель, первое и второе пороговые устройства, индикатор, отличающееся тем, что в него включены согласующее устройство, первый и второй триггеры, генератор прямоугольных импульсов, счетчик импульсов, первая и вторая схемы И, датчик сейсмических волн, усилитель, схема ИЛИ, первая и вторая схемы НЕ, причем выход приемника сигнала соединен с входом согласующего устройства, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с первым выходом источника эталонных напряжений, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом первого порогового устройства, второй вход которого соединен со вторым выходом источника эталонных напряжений, выход первого порогового устройства соединен с первым (тактовым) входом первого триггера, второй (информационный) вход которого соединен с четвертым выходом источника эталонных напряжений, а третий (асинхронный) вход - с выходом второй схемы НЕ, выход первого триггера соединен со 23142005.12.30 вторым входом второй схемы И, первый вход которой соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, выход второй схемы И соединен с первым входом первой схемы И,второй вход которой соединен с выходом второго триггера, выход первой схемы И соединен с первым (счетным) входом счетчика импульсов, второй вход (установки нуля) счетчика соединен с выходом схемы ИЛИ, выходы счетчика импульсов соединены с входами индикатора, а сигнальный выход счетчика соединен с первым входом схемы ИЛИ, второй вход которой через нормально разомкнутые контакты кнопочного переключателя соединен с четвертым выходом источника эталонных напряжений, выход схемы ИЛИ соединен также с входом второй схемы НЕ, выход датчика сейсмических волн соединен с входом усилителя, выход которого соединен с первым входом второго порогового устройства, второй вход которого соединен с третьим выходом источника эталонных напряжений, выход второго порогового устройства соединен с первым (тактовым) входом второго триггера, второй (информационный) вход которого соединен с выходом первой схемы НЕ, а третий (асинхронный) вход с выходом второй схемы НЕ, вход первой схемы НЕ соединен с четвертым выходом источника эталонных напряжений.(56) 1. Гуфельд И.Л., Маренко В.Ф., Пономарев Е.А. и др. Исследование Д-области ионосферы методом наклонного зондирования на сверхдлинных волнах // Поиск электромагнитных предвестников землетрясений Сб. ст. / Под ред .Б. Гохберга. - . АН СССР,ордена Ленина Институт физики Земли имени О.Ю. Шмидта, 1988. - С. 151. 2. Патент 6565, МПК 01 3/12, 2004. 3. Никонов А.А. Землетрясения. - . Знание, 1984. - С. 16. 4. Воинов В.В., Демьяненко А.В., Ледовской И.С. и др. Применение сети контрольнокорректирующих станций для сейсмического мониторинга Земли Сборник трудовМеждународной конференции Планирование глобальной радионавигации. - М., 2000.- С. 47-56. Полезная модель относится к геофизике и может быть использована для оценки состояния сейсмической активности земной коры, определения дальности до эпицентрального района и оконтуривания эпицентрального района прогнозируемого землетрясения. Известно устройство для прогноза землетрясения 1, содержащее передатчик фазовой радионавигационной системы типа Омега, передатчик сигналов точного времени, приемник сигналов фазовой радионавигационной системы и сигналов точного времени, групповой атомный стандарт частоты и времени, микро-ЭВМ Электроника-60, устройство внешней памяти на магнитной ленте СМ 5300.01. Недостатком известного устройства является низкая точность определения координат эпицентрального района землетрясения. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому устройству является устройство, реализующее способ прогноза землетрясения 2, содержащее источник сигнала, функционально связанную с ним станцию приема этого сигнала и определения ошибки измерения дальности, блок эталонов, блок сравнения, индикатор, в котором выходы станции и блока эталонов подключены к входам блока сравнения, а его выход подключен к индикатору. Недостатком этого устройства является низкая точность определения положения эпицентрального района из-за наличия многочисленных возмущений верхней атмосферы на границах эпицентрального района в период подготовки землетрясения. Задачей полезной модели является повышение точности определения координат эпицентрального района готовящегося землетрясения. 23142005.12.30 Техническим результатом осуществления полезной модели является повышение точности определения положения эпицентрального района готовящегося землетрясения в 68 раз. Поставленная задача решается тем, что в устройство для прогноза землетрясения, содержащее источник сигнала, функционально связанный с ним приемник этого сигнала,определяющий координаты места приема, источник эталонных напряжений, дифференциальный усилитель, первое и второе пороговые устройства, индикатор, введены согласующее устройство, первый и второй триггеры, генератор прямоугольных импульсов,счетчик импульсов, первая и вторая схемы И, датчик сейсмических волн, усилитель, схема ИЛИ, первая и вторая схемы НЕ, причем выход приемника сигнала соединен с входом согласующего устройства, выход которого соединен с первым входом дифференциального усилителя, второй вход которого соединен с первым выходом источника эталонных напряжений, выход дифференциального усилителя соединен с первым входом первого порогового устройства, второй вход которого соединен со вторым выходом источника эталонных напряжений, выход первого порогового устройства соединен с первым (тактовым) входом первого триггера, второй (информационный) вход которого соединен с четвертым выходом источника эталонных напряжений, а третий (асинхронный) вход - с выходом второй схемы НЕ, выход первого триггера соединен со вторым входом второй схемы И,первый вход которой соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, выход второй схемы И соединен с первым входом первой схемы И, второй вход которой соединен с выходом второго триггера, выход первой схемы И соединен с первым (счетным) входом счетчика импульсов, второй вход (установки нуля) счетчика соединен с выходом схемы ИЛИ, выходы счетчика импульсов соединены с входами индикатора, а сигнальный выход счетчика соединен с первым входом схемы ИЛИ, второй вход которой через нормально разомкнутые контакты кнопочного переключателя соединен с четвертым выходом источника эталонных напряжений, выход схемы ИЛИ соединен также с входом второй схемы НЕ, выход датчика сейсмических волн соединен с входом усилителя, выход которого соединен с первым входом второго порогового устройства, второй вход которого соединен с третьим выходом источника эталонных напряжений, выход второго порогового устройства соединен с первым (тактовым) входом второго триггера, второй (информационный) вход которого соединен с выходом первой схемы НЕ, а третий (асинхронный) вход с выходом второй схемы НЕ, вход первой схемы НЕ соединен с четвертым выходом источника эталонных напряжений. На фиг. 1 показано взаимное расположение спутников радионавигационной системы,возмущенной области верхней атмосферы, эпицентрального района и точки измерения. На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства. На фиг. 3 показана одна из реализаций зависимости интенсивности отраженного от возмущенной области верхней атмосферы радиолокационного сигнала от дальности до возмущенной области и угла азимута в период форшоковой активности при подготовке землетрясения в районе города Спитак 7 декабря 1988 года. На фиг. 4 показана одна из реализаций зависимости интенсивности отраженного от возмущенной области верхней атмосферы радиолокационного сигнала от дальности до возмущенной области и угла азимута в период афтершоковой активности,следующей за землетрясением. Измерения на фиг. 3 и фиг. 4 произведены с различных ракурсов. Устройство для прогноза землетрясения (фиг. 2) содержит приемник 1 спутниковой радиолокационной системы, определяющий координату точки приема, напримеристочник эталонных напряжений 2, например батарея аккумуляторов дифференциальный усилитель 3, выполненный, например, на микросхеме К 140 УД 7 первое 4 и второе 5 пороговые устройства, например компараторы, выполненные на операционных усилителях К 140 УД 7 3 23142005.12.30 индикатор 6, например на жидких кристаллах. Кроме того, в устройство (фиг. 2) включены согласующее устройство 7, например цифроаналоговый преобразователь на микросхеме К 572 ПА 1 первый 8 и второй 9 триггеры, выполненные, например, на микросхемах серии К 155 М генератор прямоугольных импульсов 10, выполненный, например, на микросхеме 555 ЛАЗ счетчик импульсов 11, выполненный, например, на микросхеме серии К 155 ИЕ первая 12 и вторая 13 схемы И, например микросхемы 555 ЛИЗ датчик сейсмических волн 14, например индукционный усилитель 15, выполненный, например, на микросхеме 140 УД 8 схема ИЛИ 16, например микросхема 555 ЛЛ 1 первая 17 и вторая 18 схемы НЕ, выполненные, например, на микросхемах 555 ЛН 1. На фиг. 1 обозначены 1, С 2 - спутники радионавигационной системы 1, 2 - расстояния от точки приема до дальней и ближней границ проекции возмущенной области верхней атмосферы на поверхность Земли соответственно Н - высота возмущенной области верхней атмосферы Н 0 - глубина залегания очага О землетрясения 0 - характерный размер очаговой области и эпицентрального района готовящегося землетрясения- характерный размер возмущенной области верхней атмосферы П - точка приема сигналов спутниковой радионавигационной системы ц, 0 - расстояния от точки приема сигналов до геометрических центров эпицентрального района и очага землетрясения соответственно- угол, под которым наблюдается область возмущенной ионосферы из точки приема П. Обозначения на фиг. 3 и 4 следующие 0 - размер эпицентрального района- дальность до возмущенной области- угол азимута. Устройство на фиг. 2 функционирует следующим образом. Сигналы созвездия спутников 1, 2,принимает приемник 1, находящийся в точке приема П (фиг. 1). Координата точки приема известна и в виде значения напряжения с первого выхода источника эталонных напряжений 2 поступает на второй вход дифференциального усилителя 3. Приемник 1 по результатам обработки сигналов выбранного им созвездия спутников радионавигационной системы определяет координату точки приема,которая с выхода приемника 1 в виде электрического сигнала поступает на вход согласующего устройства 7, а с выхода согласующего устройства 7 в виде выходного напряжения подается на первый вход дифференциального усилителя 3. В результате на выходе дифференциального усилителя 3 действует напряжение, прямо пропорциональное разности между действительным и измеренным значением координаты точки приема. Это напряжение с выхода дифференциального усилителя 3 подается на первый вход первого порогового устройства 4, на второй вход которого со второго выхода источника эталонных напряжений 2 подается напряжение, прямо пропорциональное погрешности измерения координаты приемником 1. Если величина напряжения на первом входе первого порогового устройства 4 превышает эталонное значение, то на выходе порогового устройства 4 действует положительный перепад напряжения, который подается на первый (тактовый) вход первого триггера 8, на второй (информационный) вход которого поступает напряжение логической единицы с четвертого выхода источника эталонных напряжений 2. На выходе первого триггера 8 начинает действовать напряжение логической единицы, которое 4 23142005.12.30 подается на второй вход второй схемы И 13. На первый вход второй схемы И 13 поступают прямоугольные импульсы напряжения с генератора 10, которые при наличии напряжения логической единицы на втором входе проходят на выход второй схемы И 13 и поступают на первый вход первой схемы И 12, на втором входе которой действует напряжение логической единицы, подаваемое с выхода второго триггера 9. Поэтому импульсы прямоугольного напряжения проходят первую схему И 12 и поступают на первый (счетный) вход счетчика 11, который их подсчитывает. Превышение напряжением на выходе порогового устройства 4 порогового значения происходит в случае возмущения верхней области атмосферы. Если возбуждение производится сейсмической активностью, то есть форшоком при подготовке землетрясения, то счет импульсов счетчиком 11 продолжается до тех пор, пока датчик 14 не зафиксирует сейсмическую волну, распространяющуюся из эпицентральной области. Сигнал датчика 14 поступает на вход усилителя 15, а с его выхода - на первый вход второго порогового устройства 5. На втором входе второго порогового устройства 5 действует соответствующее уровню постоянного сейсмического шума в регионе пороговое напряжение,подаваемое с третьего выхода источника эталонных напряжений 2. При превышении выходным напряжением усилителя 15 порогового значения на выходе второго порогового устройства 5 появляется положительный перепад напряжения, который подается на первый (тактовый) вход второго триггера 9, и на его выходе устанавливается напряжение, действующее на его втором (информационном) входе - напряжение логического нуля. Это напряжение поступает на информационный вход второго триггера 9 с выхода первой схемы НЕ 17, на вход которой поступает напряжение логической единицы с четвертого выхода источника эталонных напряжений 2. Напряжение логического нуля с выхода второго триггера 9 подается на второй вход первой схемы И 12, при этом поступление на счетчик 11 импульсов от генератора 10 прекращается. Величина частоты генератора 10 выбирается равной скорости распространения сейсмической волны. Поэтому индикатор 6 индицирует расстояние от точки приема сигналов до очага готовящегося землетрясения. Нажатие кнопки переключателя приводит к тому, что на второй вход схемы ИЛИ 16 подается напряжение логической единицы с четвертого выхода источника эталонных напряжений 2. С выхода схемы ИЛИ 16 это напряжение поступает на второй вход счетчика 11, производя его обнуление. Одновременно с выхода схемы ИЛИ 16 напряжение логической единицы подается на вход второй схемы НЕ 18, на выходе которой начинает действовать напряжение логического нуля. С выхода схемы НЕ 18 напряжение логического нуля подается на третьи (асинхронные) входы первого 8 и второго 9 триггеров, возвращая их в исходное состояние. В том случае, когда зарегистрированное по изменению измеренной координаты места приема сигнала возмущение верхней атмосферы не сопровождается форшоком, счет импульсов продолжается до заполнения счетчика 10. В этом случае показания индикатора 9 соответствуют максимальной дальности действия устройства. При заполнении счетчика 10 на его сигнальном выходе появляется напряжение логической единицы, которое поступает на первый вход схемы ИЛИ 15, а с ее выхода - на второй вход счетчика 10, производя его автоматическое обнуление. Одновременно напряжение логической единицы поступает на вход второй схемы НЕ 18, с выхода которой напряжение логического нуля подается на третьи (асинхронные) входы первого 6 и второго 7 триггеров, возвращая их в исходное состояние. Наиболее точные и достоверные данные об изменении измеренной координаты точки приема можно получить в том случае, когда возмущенную область верхней атмосферы пересекают трассы сигналов, как минимум, от двух спутников. Величина угла(фиг. 1) в этом случае примерно равна 2 23142005.12.30 где- количество спутников радионавигационной системы на орбитах. Как следует из фиг. 1,,(2) 11 где НА - высота возмущенного слоя верхней атмосферы 1 - расстояние от точки приема до проекции дальней границы возмущенной области верхней атмосферы- размер возмущенной области верхней атмосферы. Осуществление вычитания в (2) дает Знак минус в формуле (6) не имеет физического смысла. В самых неблагоприятных для работы заявляемого устройства условиях 100 км,то есть(7)4 2 Это означает, что 4,(8) 353,или, принимая во внимание (1),(9)7. Последнее условие выполняется использованием, например, системы ,включающей группировку спутников 24.(10) В этом случае 15. Радиолокационное наблюдение за возмущенной областью верхней атмосферы до(фиг. 3) и после (фиг. 4) землетрясения в районе города Спитак позволило установить, что размер возмущенной области верхней атмосферыпревосходит размер эпицентрального района 0 в среднем в 3 раза(11)30. Верхняя граница возмущенной области ионосферы НА простирается до высот, соизмеримых с размером эпицентрального района 0. Оценка дальности надежной регистрации возмущения верхней атмосферы заявляемым устройством с учетом приведенных оценок на основании выражения (6) дает 1 4 15 Здесь ц - расстояние от геометрического центра эпицентрального района до точки приема. По результатам расчета(14) ц 353 км. Погрешность определения положения эпицентрального района складывается из двух составляющих. Первая составляющая обусловлена неопределенностью координаты возникновения форшока по глубине. Как следует из фиг. 1, она равна(15) 10-ц,где ц, 0 - расстояния от точки приема до геометрических центров эпицентрального района и очага землетрясения соответственно. Очевидно, что 2 2 0 ц 0 ,где 0 - глубина залегания очага землетрясения. Большинство (около 70 ) землетрясений проходят на глубине до 60 км 3. Следовательно, 0 в (16) равно 0353 260 2358,1 км,15,1 км. Вторая составляющая погрешности определяется задержкой возмущения ионосферы по сравнению с возникновением форшока на время , равное 22,5 с 4. Наибольшая скорость сейсмических волн - это скорость продольных волн , равная 7 км/с. Следовательно, вторая составляющая погрешности определения положения эпицентра равна(17) 21417,5 км. Результирующая погрешность не превышает 1225 км или 0,250. В то же время погрешность, даваемая в этих условиях устройством-прототипом, может достигать значений п 20. Следовательно, точность заявляемого устройства в данных условиях примерно в 8 раз превосходит точность устройства-прототипа. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8