CN103336299A

CN103336299A - 一种地震监测预警装置

Info

Publication number: CN103336299A
Application number: CN2013102591904A
Authority: CN
Inventors: 许川佩; 梁光发; 吴玉龙; 陶意; 孙义军; 周晓亮
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-06-26
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-06-26
Also published as: CN103336299B

Abstract

本发明涉及一种地震监测预警装置主要包括处理器、传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、键盘模块、GPS模块、无线收发模块、OLED显示模块、存储模块和电源模块。本发明能实时监测地面的运动情况，当地震发生时能快速确定地震的基本参数，而且生产成本较低，因此具有重要的理论意义和应用价值。

Description

一种地震监测预警装置

技术领域

本发明涉及监测预警装置，具体为一种地震监测预警装置。

背景技术

目前，地震灾害仍然是影响社会公共安全的重大自然灾害之一，特别是大地震，具有突发性和毁伤性的特点。随着科技的进步、经济的快速发展和社会的不断进步，社会公众对地震监测及地震预警提出了越来越高的要求。同时，目前在世界范围内，现有的地震监测预警领域还存在以下两个问题：

1、现有的多数地震预警系统都是通过地震台网来确定地震的震级以及对地震事件进行定位，而且预警准确性的提高主要是通过增加台网的密度，但这往往需要花费大量的人力、物力及其他社会公共资源。同时，地震台网本身也存在着一些缺点与不足，比如多台站系统的复杂性以及网络系统的脆弱性。

2、目前的地震监测仪器的价格昂贵、技术复杂、生产难度大、专业性强，在世界范围内还有一部分地区由于经济落后、通信不发达，目前仍然缺乏相应的地震预警系统，但该地区又是地震多发区，因此非常有必要为这些地区提供相应的地震监测及预警。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种地震监测预警装置，可以利用单台地震监测预警装置对天然地震信号进行准确检测，同时对采集到的信号进行有效的分析和处理，快速计算出地震的基本参数，并以无线的方式和其它地震监测预警装置组成网络进行通信，为缺乏有效的、高密度的地震监测台网的地区提供地震预警。

为解决上述技术问题，本发明的地震监测预警装置主要包括处理器、传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、键盘模块、GPS模块、无线收发模块、OLED显示模块、存储模块和电源模块。所述传感器模块采用三轴加速度传感器作为地震加速度信号感测单元，同时采用温度传感器采集监测点的温度以便对加速度传感器进行温度补偿，传感器模块输出信号通过信号调理模块和A/D转换模块后连接处理器IO端口。键盘模块、GPS模块、无线收发模块、OLED显示模块、存储模块分别连接处理器相应IO端口。电源模块为上述模块提供必要电源。

采用这样的结构以后，传感器模块实时采集地面东南、西北以及竖直三个方向的加速度数据，使用短长时平均比值（STA/LTA）的方法来判断有无地震事件并采用GPS模块接收到的时间对地震P波的到时进行记录；然后利用地震P波三个分量的初动方向确定震中方位，并由地震P波三个分量的初动位移确定震中方位角，最后结合通过经验公式计算得到的地震震源距，便能初步估算出地震震源的位置，即完成地震事件的定位任务；最终通过数学统计关系式确定地震的震级。还能通过无线收发模块以无线的方式和其它地震监测预警装置组成网络进行通信，同时发出警报信号。最终将地震监测点的经纬度、P波的到时以及地震波加速度数据记录到存储模块中，并使用OLED显示模块为用户提供有无地震、P波的到时、震中方位角、震源距、震级、监测点经纬度信息。

因为本发明能实时监测地面的运动情况，当地震发生时能快速确定地震的基本参数，而且生产成本较低，因此具有重要的理论意义和应用价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

图1本发明一种地震监测预警装置一种实施方式的结构示意图。

图2本发明一种地震监测预警装置一种实施方式的主程序流程图。

图3本发明一种地震监测预警装置一种实施方式的地震方位角计算流程图。

具体实施方式

图1所示地震监测预警装置主要包括处理器STM32、传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、键盘模块、GPS模块、无线收发模块、OLED显示模块、SD卡存储模块和电源模块。所述传感器模块采用三轴加速度传感器作为地震加速度信号感测单元，同时采用温度传感器采集监测点的温度以便对加速度传感器进行温度补偿，传感器模块输出信号通过信号调理模块和A/D转换模块后连接处理器IO端口。键盘模块、GPS模块、无线收发模块、OLED显示模块、SD卡存储模块分别连接处理器相应IO端口。电源模块为上述模块提供必要电源。

本发明的主程序流程图如图2所示，在各模块初始化并且通过GPS模块定位授时之后，地震监测预警装置24小时连续不断地采集地面加速度数据，与此同时，采集到的加速度数据会通过短长时平均比方法（STA/LTA）判断该比值是否由于地震而超过了预先设置的阈值，若是，则自动检测并利用GPS模块接收到的数据对地震P波的初至时间进行记录；接着利用地震P波到前3秒的加速度数据进行相应的积分运算并利用文件系统将这些加速度数据以文件的形式记录到SD卡内；然后利用地震P波的初动方向以及初动位移确定地震的方位角;最后利用两个数学统计关系确定地震的震级以及地震的震源距，并将计算到的震中方位角、震级以及震源距存储到SD卡内。

本发明也可以利用三个地震监测预警装置的无线收发模块组成无线传感器网络，其中一个地震监测预警装置设置为主机，其余两个设置为从机。从机将各自计算得到的震中方位角、震级、震源距以及P波到时通过无线收发模块传送到主机，最后由主机对三个地震监测预警装置计算到的震中方位角、震级、震源距以及P波到时进行算术平均，并将这些算术平均值作为最终的地震基本参数记录到主机的SD卡中。

在判断有无地震事件并自动检测地震P波到时的算法设计时，本发明采用传统的利用加速度数据短时平均值与长时平均值之比的方法（STA/LTA）来实现。其主要具体实现过程是先确定一个滑动的长时间窗LTA（长时平均值），它反映了地震监测点的噪音水平，其变化较为缓慢；然后在此LTA窗口内再取一个短的时间窗STA（短时平均值），它对时间序列上的加速度幅值快速变化非常敏感；最后计算短时间窗平均值和长时间窗平均值的比值R，通过判断R值是否超过预先设定的阈值K来判断有无地震事件，当能量比R超过预先设定的阈值K时，则判定其为地震事件，并且记录下该点的时间作为地震初至波的到时。其原理是当地震波到达监测点时，STA窗平均值的变化远快于LTA窗平均值的变化，从而，STA/LTA的比值就会有相应的突变，当突变的比值R超过预先设定的阈值K时即可认为是P波到达。短长时平均比的计算公式如下：

R = \frac{S_{STA}}{S_{LTA}}

S_{STA} = Σ_{i = 1}^{N} x (i) / N

S_{LTA} = Σ_{i = 1}^{M} y (i) / M

其中S_STA是短时间窗内的平均值，S_LTA是长时间窗内的平均值，x(i)(i=1,2,…,N)表示短时间窗内数据，y(j)(j=1,2,…,M)表示长时间窗内数据，M和N分别表示长、短时间窗内的样本数。为了达到快速计算能量比值R的目的，本文选择的长、短窗内x(i)和y(i)是i时刻加速度数据振幅的绝对值。具体的实现过程如流程图3所示。

本发明测定地震方位角的方法是在传统方法的基础上通过改进后，利用P波的初动方向和初动位移来测定的。传统的方法是首先利用P波初动方向确定震中方位，具体的实现方法如表1所示（其中“+”表示垂直分量初动向上，“-”表示垂直分量初动向下，箭头表示两个水平分量的初动方向，E、S、W、N分别表示东、南、西、北四个方向）。若震中在地震监测点的东北方向，则地震监测预警装置的三个分量的初动方向应该是向上，向南，向西或者向下，向北，向东；若震中在地震监测点的东南方向，则地震监测预警装置的三个分量的初动方向应该是向上，向北，向西或者向下，向南，向东；若震中在地震监测点的西南方向，则地震监测预警装置的三个分量的初动方向应该是向上，向北，向东或者向下，向南，向西；若震中在地震监测点的西北方向，则地震监测预警装置的三个分量的初动方向应该是向上，向南，向东或者向下，向北，向西。

表1P波初动方向与震中方位关系表

最后由P波的初动位移确定震中方位角，具体方法如表2所示，由P波到后的前几个数据计算出P波在东西、南北两个方向的初动位移A东西、A南北，再由tanα’=A东西/A南北求出α’，当震中在地震监测点东北方向时，震中方位角α=α’；在东南方向时，则α=180°-α’；若在西南方向时，α=180°+α’；若在西北方向时，则α=360°-α’。本文在实际的操作过程中按图3所示流程图实现方位角的测量。由于这种方法中P波的初动方向及初动位移存在一定的偏差，因此计算出来的方位角误差会较大，针对这一情况，本文使用P波到后的前10组采样数据连续计算10个方向角α，最终结果取平均值，以达到减小误差的目的。

表2震中方位角确定表

本发明在估计地震震级的大小时采用的是一种用改进后的特征周期方法，即τ_C方法，该方法的原理是利用地震监测传感器模块计算得到特征周期τ_C，然后利用特征周期τ_C和震级M_W之间的经验公式确定地震震级。特征周期τ_C的定义如下：

τ_{c} = \frac{2 π}{\sqrt{r}}

r = \frac{{&Integral;}_{0}^{τ_{0}} {\overset{\cdot}{u}}^{2} (t) dt}{{&Integral;}_{0}^{τ_{0}} u^{2} (t) dt}

其中u(t)及

分别为竖直方向地面运动的位移(通过对加速度数据的两次积分得到)及速度(通过对加速度数据的一次积分得到)，积分区间[0,τ_C]为从台站触发后开始的τ_C时间，τ_C的取值为3秒，也就是P波到后的前3秒。相关的研究表明，在不同的地区得到的τ_C值差异性比较小，通过相应的数学统计，震级M_W和特征周期τ_C有如下关系:

M_W＝3.373×logτ_c+5.787±0.412

在估计地震震源距的算法设计时，本发明通过实时监测单个观测点处的地面运动，在P波到达后的前3秒时间窗内，首先通过平滑后三分量记录的水平向加速度幅值比和垂直向符号来确定震中方位角，接着基于P波的特征周期与震级有关，进而利用计算得到的P波的特征周期确定震级，同时也计算出3秒时间内地震波的振幅(Pd），也就是最大位移，然后再通过3秒时间内地震波的振幅(Pd）和震级随距离的衰减关系，也就是一个包含震级、震源距和振幅(Pd）的经验公式确定震源距。相关的研究表明，不同震级的地震波中地震波前3秒时间内振幅(Pd）大小随着震源距（R）的长短存在一定的衰减关系，通过数学统计得到的衰减关系式如下：

log(Pd)＝-3.801+0.772×M-1.44×log(R)±0.29。

Claims

1.一种地震监测预警装置，其特征在于：该地震监测预警装置主要包括处理器、传感器模块、信号调理模块、A/D转换模块、键盘模块、GPS模块、无线收发模块、OLED显示模块、存储模块和电源模块，传感器模块输出信号通过信号调理模块和A/D转换模块后连接处理器IO端口，键盘模块、GPS模块、无线收发模块、OLED显示模块、存储模块分别连接处理器相应IO端口，电源模块为上述模块提供必要电源。

2.根据权利要求1所述地震监测预警装置，其特征在于：所述传感器模块采用三轴加速度传感器作为地震加速度信号感测单元，同时采用温度传感器采集监测点的温度以便对加速度传感器进行温度补偿。

3.根据权利要求1或2所述地震监测预警装置，其特征在于：所述存储模块存储介质为SD卡，记录地震监测点的经纬度、P波的到时、震中方位角、震源距、震级以及地震波加速度数据。

4.根据权利要求1或2所述地震监测预警装置，其特征在于：所述的OLED显示模块可以为用户提供有无地震、P波的到时、震中方位角、震源距、震级、监测点经纬度信息。

5.根据权利要求1或2所述地震监测预警装置，其特征在于：该地震监测预警装置可以通过无线收发模块以无线的方式和其它地震监测预警装置组成网络进行通信。