CN103353607B - 一种基于地声检测方法的大地震孕育过程及临震监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地声检测方法的大地震孕育过程及临震监测系统。通过安装在深钻孔或深井下的传感器列阵，将收集到的包含完整频率信息、强度信息、声源方位信息的地声信号，经信号处理模块、信号传输通路模块，由主控及数据存储发送模块存储和发送至监测中心；并由电源管理模块保证系统可在野外环境中或灾害来临时也可正常工作1个月以上。该系统可以低成本地、可靠地、无人值守地、密集且大规模地对大地震孕育过程中及临震前地声信息进行长时间的监测。
Description
技术领域
本发明专利涉及大地震监测仪器和电路系统设计领域，具体涉及一种基于地声检测方法的大地震孕育过程及临震监测系统。
背景技术
地球经过不断的运动和变化，逐渐积累了巨大的能量，在地壳某些脆弱地带，造成岩石突然发生破裂，或者引发原有断层的错动，这就是地震。我国是全球大陆地震灾害最严重的国家之一，在约占全球陆地面积1/14的国土上，每年发生地震的次数却占全球陆地地震次数的1/3以上。加强地震灾害的对策研究，提高地震监测预测的技术水平，减轻地震灾害，与国家的发展社会的稳定和人民生命财产的安全都有着直接关系和重大意义。
在诸多地震前兆中，地声是存在于地球内部的基本现象，是除地震波以外直接获取地下信息的重要途径之一，它可以反映出地震孕育过程中的某些地球物理化学信息，也是地震预报研究的重要领域之一。
至上世纪六七十年代至今，人们提出了多种用于地震监测的地声探测装置，这些装置大都采用采用单一频谱响应的声传感器，在地表或地面下检测地声信号。如：中国专利200510024084.3、中国专利201210192743.4、中国专利201110115987.8、中国专利85100713中所公开的技术，以及发表在《南京师院学报》上的“地声研究与DS型地声仪”、发表在《地球物理学报》上的“地声与地震相关性的初步探讨”、发表在《华北地震科学》上的“计算机多媒体技术与地声监测及地震预报”中所提到的技术，等等。这些技术方案存在一些共性的问题：第一，地声信息不仅包含地震孕育过程中或临震前地下基岩断面及其周围小破碎及微断裂所产生的高频超声波，还包括临震前基岩宏观破裂及地壳蠕变过程中所产生的低频可听波和次声波(田时秀，“地声和地震预报”，物理[J]，1978)。而目前技术方案均使用单一频谱响应的声传感器，仅于地下检测高频超声波，或仅于地表检测低频可听波或次声波，未能全面地检测地声信息的所有频率信息；第二，目前所广泛使用的声发射传感器不仅可检测地声信息中频率、强度等标量信息，还可检测地声声源方向这一矢量信息。然而，目前技术方案中声传感器的安装时均未考虑优化传感器的安装点，以明确地分辨出地声声源方向；第三，目前所提出的技术方案中，并未详细提及保证装置稳定、可靠地、长时间地监测地声信息的辅助装置或组成模块。
鉴于此，本发明提出一种基于地声检测方法的大地震孕育过程及临震监测系统，采用多组不同频率响应声传感器组成的传感器列阵覆盖地声信息所有频谱范围，并以可区分声波声源方向的安装方式，再配以保证系统可靠地、长时间地工作的辅助组成模块，使本系统适于全自动化、低成本、高可靠性、可大规模密集布局，而且可长时间监测大地震孕育过程、临震前地下完整的地声变化信息。
发明内容
本发明的目的是为了给现有大地震监测领域提供一种全自动化、低成本、高可靠性、可大规模密集布局，可长时间监测地下地声变化信息的监测系统，监测数据可用于大地震孕育过程的科学研究，以及预测预报。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明是一种基于地声检测方法的大地震孕育过程及临震监测系统，包括：电源管理模块1、主控及数据存储发送模块2、信号传输通路模块3、信号处理模块4，其特征在于：还包括三组可检测不同地声声波频段及声波来源方向的传感器阵列模块5。
上述方案中，其中所述传感器阵列模块5包括次声波传感器组501、可听波传感器组502、超声波传感器组503，且每组传感器包含至少三个同类传感器；每组传感器内部为并联连接，信号加和后分别与信号处理模块4相连接。
上述方案中，其中所述信号处理模块4包括滤波器401、放大器402、通道转换及模数转换器403；滤波器401、放大器402、通道转换及模数转换器403依次相连接；滤波器401输入信号来自传感器阵列模块1，通道转换及模数转换器403输出信号与信号传输通路模块3相连接。
上述方案中，其中所述信号传输通路模块3包括至少两个信号传输电缆301、至少一个信号中继器302，且传输电缆301可传输信号和供电；传输电缆301、信号中继器302依次交替相连接；信号传输通路模块3输入信号与首位传输电缆301相连接，信号传输通路模块3输出信号由末位传输电缆301与主控及数据存储发送模块2相连接；传输电缆301数量比信号中继器302多且仅多一个。
上述方案中，其中所述主控及数据存储发送模块2包括主控单元201、数据存储发射202单元；主控单元201、数据存储发射单元202依次相连接；主控单元201输入信号来自传输通路模块3。
上述方案中，其中所述电源管理模块1包括太阳能储能单元101、220V交流电源适配单元102、蓄电池103；太阳能储能单元101、220V交流电源适配单元102分别与蓄电池103相连接，蓄电池103分别为主控及数据存储发送模块2、信号传输通路模块3、信号处理模块4提供电源。
上述方案中，其中所述传感器阵列模块1安装于地表150米以下，且与基岩或密实土壤紧密接触；所述信号处理模块2与传感器阵列模块1相邻安装，且不与基岩或密实土壤接触；所述信号传输通路模块3中，传输电缆301、信号中继器302以50米距离为一组均匀分布于钻孔或深井中，且末位为传输电缆301；所述电源管理模块1、主控及数据存储发送模块2安装于地表，且与钻孔或深井相邻。
上述方案中，系统可实现全自动化、低成本、高可靠性、可大规模密集布局；系统可长时间监测7级及以上大地震孕育过程、临震前地下地声信息的变化。
上述方案中，其中所述次声波传感器组501覆盖声波频率范围包含但不限于0-20Hz；所述可听波传感器组502覆盖声波频率范围包含但不限于20Hz-20kHz；所述超声波传感器组503覆盖声波频率范围包含但不限于20kHz-1MHz。
上述方案中，其中所述传感器阵列模块5中传感器均匀分布于基岩或密实土壤安装面，且每个安装点均包括至少一个次声波传感器、可听波传感器、超声波传感器；相邻传感器安装点9与传感器阵列安装面8中心连线的夹角为一相同值；传感器阵列模块5所接收的地声可通过分析各安装点传感器所接收信号强度唯一确定其声源方向。
上述方案中，其中所述电源管理模块1可保证系统可正常工作于无人值守的野外监测点；且在220V交流市电中断情况下可正常工作至少1个月。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下有益效果：
1.本发明使用多组传感器，全面覆盖地声声波可能的频率范围，即保证了大地震孕育过程中及临震前地声信息能被完整的记录，还保证了每段频率范围内地声信息的精确记录。
2.本发明使用传感器列阵，且将传感器列阵以一种固有的、优化的安装方式，安装在基岩或密实土壤安装面，保证了传感器列阵可清晰记录每次地声信息的声源方向，提供了地声信息中除频率信息、强度信息的标量信息之外的声源方位信息这一矢量信息。
3.本发明使用太阳能和220V交流市电为系统供电，保证了系统的稳定工作以及灾害来临时的持续工作能力，使系统适于野外无人值守的监测。
4.本发明所采用的技术方案，保证了系统可以低成本地、可靠地、密集且大规模地对大地震孕育过程中及临震前地声信息进行长时间的监测。
附图说明
图1是本发明系统的系统示意图
图2是本发明系统的实施实例示意图
图3是本发明系统的安装示意图
图4是本发明系统中传感器列阵模块5的安装面示意图
其中：1-电源管理模块、101-太阳能储能单元、102-220V交流电源适配单元、103-蓄电池、2-主控及数据存储发送模块、201-主控单元、202-数据存储发射单元、2021-本地存储接口、2022-移动网络接口、2023-以太网接口、3-信号传输通路模块、301-传输电缆、302-信号中继器、4-信号处理模块、401-滤波器、4011-低通滤波器、4012-带通滤波器、4013-高通滤波器、402-放大器、4021-放大器1、4022-放大器2、4023-放大器3、403-通道转换及模数转换器、4031-通道转换器、4032-模数转换器、5-传感器阵列模块、501-次声波传感器组、502-可听波传感器组、503-超声波传感器组、6-钻孔、7-基岩、8-地面、9-钻孔套管、10-传感器阵列安装面、11-传感器安装点
具体实施方案
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以参考附图来描述用于实施本发明的最佳实施方案。
实施例1
图1是本发明系统的系统示意图，其具体实施例如图2所示。
所述主控及数据存储发送模块2中数据存储发射单元202由本地存储接口2021、移动网络接口2022、以太网接口2023组成。
所述信号传输通路模块3由50米传输电缆301、信号中继器302、50米传输电缆301依次连接组成。
所述信号处理模块4中滤波器401分别由截止频率为20Hz的低通滤波器4011、带宽为20Hz-20kHz的带通滤波器4012、截止频率为20kHz的高通滤波器4013组成，且分别与3个放大器402相连接；所述信号处理模块4中通道转换及模数转换器403由通道转换器4031、模数转换器4032依次连接组成。
所述传感器阵列模块5中次声波传感器组501由3个光纤次声波传感器组成；可听波传感器组502由3个MEMS麦克风组成；超声波传感器组503由3个石英声发射传感器组成。
参见图2，所示实施实例中各模块及内部单元连接关系为：
3个光纤次声波传感器构成的次声波传感器组501并联连接，信号加和后与低通滤波器4011、放大器4021依次相连；3个MEMS麦克风构成的可听波传感器组502并联连接，信号加和后与带通滤波器4012、放大器4022依次相连；3个石英声发射传感器构成的超声波传感器组503并联连接，信号加和后与低通滤波器4013、放大器4023依次相连；放大器4021、放大器4022、放大器4023分别与通道转换器4031相连接，通道转换器4031输出信息经由模数转换器4032转换为数字信号，并由依次相连的传输电缆301、信号中继器302、传输电缆301输入到主控单元201；主控单元201对输入数据处理后，分别输出至本地存储接口2021存储、移动网络接口2022无线发送、以太网接口2023有线发送；蓄电池103由太阳能储能单元101或220V交流电源适配单元102充电，并分别为主控及数据存储发送模块2、信号传输通路模块3、信号处理模块4供电。
参照图3，传感器阵列模块1与100米深钻孔6底部基岩7紧密接触，信号处理模块2相邻安装于传感器阵列模块1上方，并通过2段50米传输电缆301，及之间的信号中继器302将数据传输至位于地表，且安装于钻孔6正上方的电源管理模块1、主控及数据存储发送模块2。
参照图4，3个传感器安装点11分布于传感器阵列安装面8不同的3个位置，且每个传感器安装点11与传感器阵列安装面10中心相距5厘米，相邻传感器安装点11与传感器阵列安装面10中心连线的夹角为120°。
以上内容是结合一种实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于地声检测方法的大地震孕育过程及临震监测系统，包括：电源管理模块(1)、主控及数据存储发送模块(2)、信号传输通路模块(3)、信号处理模块(4)和传感器阵列模块(5)；
所述电源管理模块(1)包括太阳能储能单元(101)、220V交流电源适配单元(102)、蓄电池(103)；太阳能储能单元(101)和220V交流电源适配单元(102)分别与蓄电池(103)相连接，蓄电池(103)分别为主控及数据存储发送模块(2)、信号传输通路模块(3)、信号处理模块(4)提供电源；
所述主控及数据存储发送模块(2)包括主控单元(201)、数据存储发射单元(202)；主控单元(201)、数据存储发射单元(202)依次相连接；主控单元(201)输入信号来自信号传输通路模块(3)；
所述信号传输通路模块(3)包括至少两个信号传输电缆(301)、至少一个信号中继器(302)，且信号传输电缆(301)可传输信号和供电；信号传输电缆(301)、一个信号中继器(302)依次交替相连接；信号传输通路模块(3)输入信号与首位信号传输电缆(301)相连接，信号传输通路模块(3)输出信号由末位信号传输电缆(301)与主控及数据存储发送模块(2)相连接；信号传输电缆(301)数量比信号中继器(302)多且仅多一个；
所述信号处理模块(4)包括滤波器(401)、放大器(402)、通道转换及模数转换器(403)；滤波器(401)、放大器(402)、通道转换及模数转换器(403)依次相连接；滤波器(401)输入信号来自传感器阵列模块(5)，通道转换及模数转换器(403)输出信号与信号传输通路模块(3)相连接；
所述传感器阵列模块(5)安装于地表100米以下，与基岩或密实土壤紧密接触；所述信号处理模块(4)与传感器阵列模块(5)相邻安装，且不与基岩或密实土壤接触；所述信号传输通路模块(3)中，信号传输电缆(301)、信号中继器(302)以50米距离为一组均匀分布于钻孔或深井中，且末位为信号传输电缆(301)；所述电源管理模块(1)、主控及数据存储发送模块(2)安装于地表，且与钻孔或深井相邻；
其特征在于：
其中，所述传感器阵列模块(5)中传感器均匀分布于基岩或密实土壤安装面(10)，且在安装面上有3个安装点(11)，每个安装点(11)均包括至少一个次声波传感器、可听波传感器、超声波传感器；相邻安装点(11)与安装面(10)中心连线的夹角均为120°；传感器阵列模块(5)所接收的地声可通过分析各安装点传感器所接收信号强度唯一确定其声源方向。
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