地震先兆电离层舒曼谐振异常监测方法研究

论文摘要

地震爆发前,伴随巨大能量释放的孕育过程,肯定会有一些物理现象可以被观测到,因而地震是可以预报的,但地震孕育涉及的因素很多,过程也非常复杂。地震短临预报是全球学者苦苦探索了几个世纪的科学难题。近几年,一些学者宣称,地震先兆的电磁监测很可能是短临地震预测的突破口;地震预报要突破,机理研究是关键,而机理研究迫切需要有效的新预测方法支持。由日本学者发现的震前舒曼谐振异常开启了频域地震先兆监测的新思路。然而日本的地面观测舒曼谐振方法受人为工业噪声干扰影响严重,对“异常源”定位困难。本文依据舒曼谐振波在地-电离层谐振腔中分布必然扰动低电离层的假设,研究了基于电离层非线性的舒曼谐振地震前兆监测的新方法。利用高频电磁波与舒曼谐振在电离层底部的非线性调制作用,从接收到的高频波中解调出异常舒曼谐振波,进行地震前兆监测,找到了新的可能的地震短临预报方法,全文主要工作概述如下:（1）提出并研究了基于电离层非线性的舒曼谐振地震先兆电磁监测的新方法首先,阐述了国际上地震电磁监测的发展概况,介绍了近些年国际上发现的地球自然谐振与地震活动关联的研究,明晰了地震先兆监测已进入频域监测的新时期;由此提出的基于电离层非线性的舒曼谐振地震电磁监测的新方法,该监测方法很大程度上降低了极低频人为噪声干扰,减弱了以往的时域监测无法区分地震异常和其它干扰的问题,可揭示地震引发的多层耦合机理并探索异常源定位的可能性,是一种全新的大尺度地震电磁监测方法。该方法监测地-电离层空腔的上边界舒曼谐振,可与地面测量的腔体下边界舒曼谐振对比,进行天地一体化的地震前兆监测。（2）研究了多次作用模式的电离层交叉调制理论在Gurevich的电离层交叉调制理论基础上,对多次作用模式的电离层交叉调制理论进行了研究。针对已有交叉调制理论中,没有考虑多次作用条件下电磁波传播引起的相位变化对调制度计算影响的欠缺,本文分析了各向同性和各向异性等离子体条件下,多次作用时电磁波相位变化对最终调制度的影响。结果表明各向异性等离子体中多次作用调制理论和各向同性电离层中计算的结果一致。该研究结论为下一步低电离层高频电磁波与舒曼谐振的非线性作用研究奠定了基础。（3）研究了多次作用模式的HF-SR作用理论并提出了基于电离层非线性的舒曼谐振地震前兆观测新方法Yampolski提出了大气电场作用下HF-SR（高频波-舒曼谐振, high frequency-Schumann Resonance）作用理论,在其基础上进一步讨论了多次作用模式的HF-SR作用理论。具体研究了舒曼谐振在地-电离层谐振腔里的分布,结合多次作用电离层交叉调制理论的研究结论,讨论了电离层底部高频电磁波与舒曼谐振的非线性作用。结合乌克兰国家科学院的一次验证实验,对环绕地球传播的高频波与舒曼谐振的非线性作用进行了工程计算,结果表明选择电离层的一次反射信号同样可获得与环绕地球传播的高频波接近的调制深度,系统的工程实现难度降低。选择我国BPM短波授时信号,在我国东部沿海地区建设观测站。（4）提出了便于未来推广布站的基于电离层非线性的舒曼谐振异常监测设计并研制了观测系统在理论研究的基础上,提出了基于电离层非线性的舒曼谐振地震前兆监测系统的简化设计方案以便未来推广布站。进行了高频电磁波传播的工程计算并计算了高频段大气无线电噪声、人为噪声及系统内噪声等,结合调制深度的计算结果,提出了系统的设计要求。根据设计要求进行了短波交叉偶极子天线和零中频短波接收机的设计和研制工作,完成了观测系统布站。（5）分析了低电离层舒曼谐振较长期观测的数据并研究了SR提取方法观测系统研制完成后,进行了较长时期的监测实验,成功在HF上获取了的舒曼谐振信号。提出了差分滤波法、分段归一化法及曲线拟合法等提取舒曼谐振信号的分析方法。观测结果与国际上舒曼谐振观测进行了对比;分析了观测期间BPM传播路径附近发生的2次地震对应的舒曼谐振情况,结合日本Haywkawa、Ohta等人对震前舒曼谐振异常的规律研究,得到了疑似与河南周口附近的4.7级地震活动有关的舒曼谐振异常信号。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及背景概述
• 1.2 地震预测发展近况
• 1.3 地震电磁监测技术变革
• 1.3.1 现象关联阶段
• 1.3.2 时域监测方法
• 1.4 自然谐振开启频域监测新思路
• 1.4.1 地-电离层波导谐振腔及SR
• 1.4.2 频域监测的概念
• 1.4.3 地震-阿尔芬谐振异常研究
• 1.4.4 地震-舒曼谐振异常研究
• 1.5 基于电离层非线性的地震-舒曼谐振预测方法
• 1.5.1 地面观测舒曼谐振方法的问题
• 1.5.2 本文提出的地震先兆-舒曼谐振异常监测方法
• 1.5.3 乌克兰RWS-SR验证性实验
• 1.6 本文的主要工作
• 第2章 多次作用模式电离层交叉调制研究
• 2.1 电离层基本概念
• 2.2 电离层交叉调制
• 2.3 均匀交变场与等离子体电子温度
• 2.4 多次作用模式电磁波相位对调制度的影响
• 2.4.1 等离子体内电磁波相位
• 2.4.2 相位变化对调制度的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 多次作用HF-SR非线性理论研究
• 3.1 电离层底部SR与HF作用
• 3.1.1 SR对电子温度的改变
• 3.1.2 电离层D层底部大气电场
• 3.1.3 大气电场作用下的HF-SR作用理论
• 3.2 多次作用模式HF-SR调制理论
• 3.2.1 HF电磁波的调制
• 3.2.2 地-电离层谐振腔内的SR电场分布
• 3.2.3 多次作用模式对RWS-SR调制的影响
• 3.3 短波授时信号BPM与SR的非线性调制
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于电离层非线性的SR异常监测系统研制
• 4.1 系统总体设计
• 4.2 交叉偶极子短波天线设计
• 4.2.1 BPM传播
• 4.2.2 短波天线设计要求
• 4.2.3 正交水平极化短波天线设计
• 4.3 零中频短波接收机设计研制
• 4.3.1 接收机总体设计方案
• 4.3.2 调谐放大器电路
• 4.3.3 混频器
• 4.3.4 超低近端相噪频率源
• 4.3.5 A/D采样
• 4.3.6 USB数据传输及接收机
• 4.4 解调BPM仿真实验
• 4.4.1 BPM信号制式
• 4.4.2 BPM解调半仿真实验
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于电离层非线性的SR异常监测实验
• 5.1 HF-SR数据处理方法
• 5.1.1 差分滤波法
• 5.1.2 分段归一化HF-SR数据处理
• 5.1.3 曲线拟合法
• 5.1.4 其他信号处理方法讨论
• 5.2 与乌克兰RWS-SR实验对比
• 5.3 地-电离层谐振腔上下边界的SR观测对比
• 5.4 震例分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历