基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统包括由地面激光发射接收站、载有激光光学反射器的绕地卫星或高空飞行器组成的天基多地同步激光测距系统，设置于地下地壳基岩位置的激光干涉仪及信息传输通讯系统组成的地基激光干涉测量系统；天基激光测距系统负责对地壳运动、地壳形变监测分析，地基激光干涉测量系统通过监测到的岩层传播的弹性应力波信息分析地动信号与微断裂信号获得有效地震前兆信息；本发明专利技术通过对地壳形变、地动信号及微断裂信号的监测与综合分析，可显著提高地震震中、震级、发震时间三要素的预报准确率。

Method and System of Earthquake Precursor Monitoring Based on Laser Ranging and Laser Interference

【技术实现步骤摘要】
基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统
本专利技术涉及地震预测预报领域，尤其涉及一种激光对地震震中、震级、发震时间三要素的动态监测预报方法与系统。
技术介绍
激光地震预报是世界级难题，现有的旱震、磁暴、可公度法等理论都很难在临震前期做出地震三要素短期准确预报，到目前为止没有能够实现对短临地震震中、震级、发震时间三要素预报的有效方法。21世纪初观测到地震前存在预滑、震颤、以及前驱波等现象，地震前地壳岩石圈变形应力过程存在稳态、亚稳态、亚失稳态、失稳态4种状态；在稳态阶段，断层处于弹性变形阶段，只要外力撤除，变形立即恢复；在亚稳态阶段，断层处于偏离线性阶段，外力撤除，一部分应变立即恢复，另一部分以缓慢方式逐步恢复，而局部损伤区无法恢复；进入亚失稳阶段，断层已经处于以释放为主的变形阶段，外载的变量已不足以弥补断层的应力释放水平，断层由准静态释放转变为不可逆转的准动态释放，最终失稳，地震不可避免的发生。地球表面地壳由几大不同板块组成，软流层以上的地幔部分和地壳共同组成了岩石圈，地壳分为上下两层，上层化学成分以氧、硅、铝为主，平均化学组成与花岗岩相似，称为花岗岩层，亦有人称之为“硅铝层”，下层富含硅和镁，平均化学组成与玄武岩相似，称为玄武岩层，有人称之为“硅镁层”。地壳不同板块岩石圈可以近似看作漂浮于软流层之上，地球自转对地表各板块的离心力作用由赤道向南北两极逐渐减弱，从而各板块之间的相互挤压、周期性冲击等作用也由低纬度到高纬度逐步减弱，大西洋中脊东西方向不断扩张引起两侧板块挤压，也就形成了目前我们常见的地震带分布南北走向明显多于东西走向。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题现有地卫激光测距都是根据地面激光站点对通过上空的在轨卫星发射激光脉冲进行单点测距，激光往返经过大气层返回地面同轴接收器获得卫星的高度信息，通过对不同时间段单站点测距数值的比较得出地面高度随时间的变动信息，这种测距方法得出的结论受因微重力变化卫星轨道变动的影响不能有效反应当地地面高度的实际变动，单通过地卫激光测距监测无法对地壳形变变动是否足以引发地震及发震时间、震中、震级作出准确的判断；对地壳基岩形变进行地电测量的监测方法，受外在环境影响较大而无法作出准确的地震前兆判断，造成地震有效预报的准确率太低，无法在震前做出防灾准备。地动信号及微断裂信号以弹性应力波形式在地壳岩石层中向四周扩散传播，因地壳岩石圈上下层及地幔上部、莫霍面等所含物质成分不同，这就使得弹性应力波在不同地层物质中传播速度发生了变化，有快有慢，通过现有科技手段对这种微断裂信号的弹性应力波进行监测分析计算也就可以得出弹性应力波的发生方位、距离信息，从而确定可能发生地震的具体区域；通过建立对地动信号及微断裂信号实时监测的地基激光干涉测量系统、对地壳形变及板块运动有效监测的天基多点地卫同步激光测距系统，两者监测到的数据综合分析，可获得地壳形变、地震前兆的更有效信息，从而大幅提高预报准确率，实现对地震发生震中、震级、发震时间三要素的临震快速准确预报。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该监测系统包括天基多地同步激光测距系统，地基激光干涉测量系统；其中，天基多地同步激光测距系统包括地面激光发射接收站，载有光学反射器的绕地卫星或高空飞行器；其中，地基激光干涉测量系统包括设置于地壳基岩位置的激光干涉仪及信息传输通讯系统。上述方案中，所述基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统的子系统天基多地同步激光测距系统中地面激光发射接收站激光发射的脉冲为满足地卫、地空测距精度要求的亚纳秒激光或皮秒激光，激光光束发散角经准制系统压缩后需满足相应距离的测距要求，绕地卫星或高空飞行器上载有的反射器为光学角锥反射器，地面激光站点发射的激光为有效透过大气传输的多波长激光，多波长激光测距用于大气色散引起的激光测距距离误差校正。上述方案中，所述天基多地同步激光测距系统为地面多站点同步测距，通过位于不同区域的四个以上地面激光发射接收站对载有光学反射器的同一绕地卫星或高空飞行器进行同步激光测距，获得不同区域激光测距站点四个站点位置的精确数值，通过数据算法筛选出三个地面激光发射接收站、与同一绕地卫星或高空飞行器四个位置点组成的数据建立三维立体坐标系，确定各位置点在该三维立体坐标空间的坐标值，对第四个以上的地面激光发射接收站根据该站点测距数据值、地理位置数据及与卫星或高空飞行器观测角数据确定该站点在该三维立体坐标空间的具体坐标值，通过与不同时间段同类测量数据的比对分析获得地面不同激光发射接收站所在地壳板块形变与移位的相对变化信息，通过对该变化的长期数据计算分析可以获得地壳内部及地壳板块间断层的累积存储能量。上述方案中，所述天基多地同步激光测距系统为地面多站点同步测距，同步是指地面多站点发射的激光需同时到达绕地卫星或高空飞行器，同步时间精度要求需满足因卫星或飞行器相对地面位置变动引起的可接受测距误差；在地球同步轨道上的激光反射卫星相对地面位置变动接近于零，此时地面多点发射的激光同步发射时间精度按地面时间的同时精度即可；近地轨道的激光反射卫星相对地面位置变动绕行速度为数千米每秒，在测距精度要求下不同地面测距站点激光光束同时到达卫星需要达到微秒级时间同步精度，这时地面不同激光发射接收站点的激光脉冲发射时间需按照修正后的时间发射以保证多站点激光脉冲在微秒级精度时间范围内同时到达卫星反射器。上述方案中，所述基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统的子系统地基激光干涉测量系统中激光干涉仪放置于基岩岩层中，激光干涉仪对基岩岩壁形变的监测光路按两个垂直方向布局以获得东西南北四个方位的基岩形变信息，激光干涉仪参考臂固定在基岩洞穴内部基柱上，保持基岩洞穴内部环境稳定以稳定参考臂光路臂长，负责形变监测反馈的激光干涉仪端面反射镜固定在探测方位的基岩岩壁上，激光干涉仪监测臂光路因岩壁形变引起光路臂长及反射角变化，该变化引起监测臂光波相位变化，与参考臂光束汇合后干涉光路中双光束干涉光强强度发生变化，该干涉光强度变化由光电探测器监测，经相关电路转换成电信号后放大，再经由信息传输通讯系统送入总处理数据库进行分析，进而获得地壳岩层中以弹性应力波形式传播的地动信号与微断裂信号信息。上述方案中，所述地基激光干涉测量系统根据光电探测器对激光光路中光束干涉强度变化的光电转换信号进行数据处理分析，可获得弹性应力波强度、持续时间的数据积分，同时计入弹性应力波生成点距离等参数进行综合分析，得出可能发生的地震震级强度信息、震中位置信息；可能发生的地震震中位置的确认除通过单站点监测获得的同一弹性应力波在地壳不同深度岩层因因岩石成分不同引起的传播速度差异造成的时间延迟间隔计算外，也可由位于两个不同区域的激光干涉仪监测到的应力波传播方向交点得出，每个区域激光干涉仪监测站点通过两垂直方向的应力波监测测量，得出弹性应力波的来源方向，两个不同区域位置监测站点探测到的弹性应力波方位交点即可能发生地震的震中位置；地震发生时间要素的计算可由地震发生前两次探测到的同一区域弹性应力波发生时间间隔，同时计入天基多地同步激光测距系统监测到的震中区域因日月对地引力引起的地壳形变周期因素，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该监测系统包括天基多地同步激光测距系统，地基激光干涉测量系统；其中，天基多地同步激光测距系统包括地面激光发射接收站，载有光学反射器的绕地卫星或高空飞行器；其中，地基激光干涉测量系统包括设置于地壳基岩位置的激光干涉仪及信息传输通讯系统。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该监测系统包括天基多地同步激光测距系统，地基激光干涉测量系统；其中，天基多地同步激光测距系统包括地面激光发射接收站，载有光学反射器的绕地卫星或高空飞行器；其中，地基激光干涉测量系统包括设置于地壳基岩位置的激光干涉仪及信息传输通讯系统。2.根据权利要求1所述的基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统的子系统天基多地同步激光测距系统中地面激光发射接收站激光发射的脉冲为满足地卫、地空测距精度要求的亚纳秒激光或皮秒激光，激光光束发散角经准制系统压缩后需满足相应距离的测距要求，绕地卫星或高空飞行器上载有的反射器为光学角锥反射器，地面激光站点发射的激光为有效透过大气传输的多波长激光，多波长激光测距用于大气色散引起的激光测距距离误差校正。3.根据权利要求1所述的基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统的子系统天基多地同步激光测距系统为地面多站点同步测距，通过位于不同区域的四个以上地面激光发射接收站对载有光学反射器的同一绕地卫星或高空飞行器进行同步激光测距，获得不同区域激光测距站点四个站点位置的精确数值，通过数据算法筛选出三个地面激光发射接收站、与同一绕地卫星或高空飞行器四个位置点组成的数据建立三维立体坐标系，确定各位置点在该三维立体坐标空间的坐标值，对第四个以上的地面激光发射接收站根据该站点测距数据值、地理位置数据及与卫星或高空飞行器观测角数据确定该站点在该三维立体坐标空间的具体坐标值，通过与不同时间段同类测量数据的比对分析获得地面不同激光发射接收站所在地壳板块形变与移位的相对变化信息，通过对该变化的长期数据计算分析可以获得地壳内部及地壳板块间断层的累积存储能量。4.根据权利要求1所述的基于激光测距与激光干涉的地震前兆监测方法与系统，该系统的子系统天基多地同步激光测距系统为地面多站点同步测距，同步是指地面多站点发射的激光需同时到达绕地卫星或高空飞行器，同步时间精度要求需满足因卫星或飞行器相对地面位置变动引起的可接受测距误差；在地球同步轨道上的激光反射卫星相对地面位置变动接近于零，此时地面多点发射的激光同步发射时间精度按地面时间的同时精度即可；近地轨道的激光反射卫星相对地面位置变动绕行速度为数千米每秒，在测距精度要求下不同地面测距站点激光光束同时到达卫星需要达到微秒级时间同步精度，这时地面不同激光发射接收站点的激光脉冲发射时间需按照修正后的时间发射以保证多站点激光脉冲在微秒级精度时间范围内同时到达卫星反射器。5.根据权利要求1所述的基于激光测距与激光干涉的地震前兆...

【专利技术属性】
技术研发人员：张峰，
申请(专利权)人：上海金光柔生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31