CN103412283A - 地面塌陷微地震三维定位监测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种地面塌陷微地震三维定位监测方法和系统，其中的系统包括：多个检波器、至少一个数据采集站以及控制中心；数据采集站用于将检波器采集到的模拟电信号转换为数字监测信号，并通过无线传输网络发送给控制中心；所述控制中心用于接收各数据采集站传输来的数字监测信号，并针对数字监测信号进行震源反演运算，以定位震源，并三维显示成像；其中，数据采集站包括：输入滤波器、前置放大器、模数转换模块、逻辑控制单元、数据编码器、无线数据传输接口及电源模块。本发明提供的技术方案可以简单方便及时准确且低成本的对地面塌陷进行实时监测。

Description

地面塌陷微地震三维定位监测方法和系统

技术领域

本发明涉及地面塌陷监测技术，特别是涉及一种地面塌陷微地震三维定位监测方法和系统。

背景技术

地面塌陷是指地表岩或者土体等在自然或者人为因素的作用下，向下陷落，并在地面形成塌陷坑或塌陷洞的一种地质现象。当这种地质现象发生在有人类活动的地区时，便可能成为一种地质灾害。对地面塌陷进行监测可以有效避免地面塌陷给人类带来的危害。

目前，对地面塌陷进行监测主要有如下几种方法：

方法(1)、传统测量法。该方法是在需要监测的区域按照一定的原则布设一定数量的监测点，定期或者不定期的进行点位三维坐标测量。该方法的缺点是成本高，且费时费力。

方法(2)、全站仪测量。该方法主要是利用集水平角、垂直角、距离以及高差测量功能于一体的测绘仪器系统来实现的。该测绘仪器系统具有简单的数据处理以及存储能力。由于该测绘仪器系统易于受到多种综合因素的影响，而导致其监测精度较差。

方法(3)、GPS测量。该方法主要是采用GPS技术和GIS技术来监测地面沉降的现状，并在图上显示监测结果，实现了成果可视化。该方法主要以相对定位为主，可提供高精度的三维点坐标，从而使测量精度控制在较高的的范围内；该方法的缺点是实现成本较高。

方法(4)、数字摄影测量。该方法通过获取数字影像，利用计算机软件将获取的数字影像生成数字地面模型(DTM)与正射影相图，并与其他方法结合实现地面塌陷监测。该方法利用摄像技术实现了真正的自动化测图。该方法的缺点是实现成本较高。

方法(5)、星载合成孔径雷达干涉监测。该方法主要使用了空间遥感技术。利用空间遥感技术测绘地面沉降，是当前技术发展的新方向。该技术具有连续空间覆盖、高度自动化及高精度监测地面沉降变形的能力。在理论条件下，其监测精度可达到5-10mm。该方法的缺点是实现成本较高。

有鉴于现有的地面塌陷的监测技术存在的问题，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种地面塌陷微地震三维定位监测系统以及方法，能够解决现有的地面塌陷的监测技术所存在的问题，使其更具有实用性。经过不断的研究设计，并经过反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有的地面塌陷的监测技术存在的问题，而提供一种地面塌陷微地震三维定位监测方法和系统，所要解决的技术问题是，可以简单方便快捷准确且低成本的实现地面塌陷的监测。

本发明的目的以及解决其技术问题可以采用以下的技术方案来实现。

依据本发明提出的一种地面塌陷微地震三维定位监测系统，包括：多个检波器、至少一个数据采集站以及控制中心；数据采集站与多个检波器连接，用于将所述检波器采集到的模拟电信号转换为数字监测信号，并通过无线传输网络发送给控制中心；所述控制中心用于接收各数据采集站传输来的数字监测信号，并针对数字监测信号进行震源反演运算，以定位震源，并三维显示成像；其中，数据采集站包括：多个输入滤波器，与多个检波器连接，用于对与其连接的检波器输出的模拟电信号进行滤波处理，并输出滤波处理后的电信号；

多个前置放大器，与各输入滤波器一对一连接，用于对与其连接的输入滤波器输出的电信号进行放大处理，并输出放大处理后的电信号；模数转换模块，与各前置放大器一对一连接，用于将与其连接的前置放大器输出的电信号转换为数字信号，并输出该数字信号；逻辑控制单元，与各模数转换模块分别连接，用于为数据采集站提供时序信号，并控制所述数字信号向控制中心的发送；数据编码器，与所述逻辑控制单元连接，用于对逻辑控制单元输出的数字监测信号进行编码，并输出编码后的数字监测信号；无线数据传输接口，与所述数据编码器连接，将所述数据编码器输出的数字监测信号无线传输给控制中心；电源模块，用于为所述数据采集站中的各用电元件提供电力资源。

依据本发明提出的一种地面塌陷微地震三维定位监测方法，包括：布设有至少一个数据采集站及多个检波器，且一个数据采集站与多个检波器连接；数据采集站将检波器采集到的模拟电信号转换为数字监测信号，并通过无线传输网络发送给控制中心；控制中心接收各数据采集站传输来的数字监测信号，并针对数字监测信号进行震源反演运算，以定位震源，并三维显示成像；其中，数据采集站执行的操作包括：对各检波器输出的模拟电信号分别进行滤波处理；对滤波处理后的电信号进行放大处理；将所述放大处理后的电信号转换为数字信号；确定需要向控制中心发送的数字监测信号，对其进行编码，并无线传输给控制中心。

借由上述技术方案，本发明的地面塌陷微地震三维定位监测方法和系统至少具有下列优点及有益效果：本发明提出了一种新的监测技术，相对于传统的地面塌陷监测技术而言，有效提高了地面塌陷的监测准确性和及时性，并降低的监测的实现成本；控制中心通过利用软件进行震源反演算运算，实现了震源的三维准确定位；从而本发明对减少地质灾害为人类带来的不良影响起到了积极的作用。

综上所述，本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极技术效果，诚为一新颖、进步、实用的新设计。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳的实施例，详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明实施例的地面塌陷微地震三维定位监测系统中的MEMS加速度传感器的力学结构示意图；

图1B为本发明实施例的地面塌陷微地震三维定位监测系统中的MEMS加速度传感器的电学原理图；

图2为本发明实施例的地面塌陷微地震三维定位监测系统中的数据采集站的结构示意图；

图3为本发明实施例的确定数据采集站的布设定位坐标的示意图；

图4为本发明实施例的对数据采集站的陈列尺度要求的示意图；

图5为本发明实施例的数据采集站与MEMS加速度传感器的星型布置方式示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的地面塌陷微地震三维定位监测方法和系统其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。

下面结合图1-5对本发明的系统和方法一并进行说明。

本实施例的地面塌陷微震三维监测系统主要包括：多个检波器(也可以称为声波传感器或者拾震器)、至少一个(通常为多个)数据采集站以及一个控制中心，其中，检波器与数据采集站之间有线连接，而数据采集站与控制中心之间无线连接，且检波器的数量明显多于数据采集站的数量。

本实施例中的检波器是采用MEMS加速度传感器实现的，MEMS加速度传感器主要用于根据自身的运动加速度产生相应的模拟电信号，并向与其连接的数据采集站输出该模拟电信号。也就是说，地面振动所产生的声发射信号导致MEMS加速度传感器产生相应的模拟电信号。该MEMS加速度传感器最好为基于电容结构的三维MEMS加速度传感器。

本实施例中所采用的MEMS加速度传感器的性能指标可以具体为：频率范围为0-1000HZ、分辨率为2uF、测量范围为±2g以及输出电压为±2V。

MEMS加速度传感器的工作原理如图1A和图1B所示。具体的，当MEMS加速度传感器连同外界物体一起加速运动时，其质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动；质量块发生的位移会受到弹簧和阻尼器的限制(如图1A所示)；显然，该位移与外界加速度具有一一对应的关系，即外界加速度固定时，质量块具有确定的位移，而外界加速度变化时，质量块的位移也发生相应变化，此时其可动臂和固定臂(也即感应器)之间的电容就会发生相应的变化。因此，如果测得感应器输出的电压发生变化，就等同于测得了执行器(即质量块)的位移。由于执行器的位移与待测加速度具有一一对应关系，因此，感应器输出的电压与外界加速度也就有了确定的关系，也就是说，输出电压能够反应出外界加速度。

本发明实施例的一个数据采集站应与多个MEMS加速度传感器连接，一个具体的例子，如果系统中包含有N个数据采集站，则可以将系统中所有的MEMS加速度传感器分成N组，一组内的所有MEMS加速度传感器与同一个数据采集站相连接。当然，不同组所包含的MEMS加速度传感器的数量可以不相同。

数据采集站主要用于将每个MEMS加速度传感器传输来的模拟电信号分别转换为数字监测信号，并将转换后获得的数字监测信号通过无线传输网络发送给控制中心。

本发明实施例的数据采集站的具体结构如图2所示。

图2中，数据采集站包括：多个输入滤波器、多个前置放大器、多个模数转换模块、逻辑控制单元、数据编码器、无线数据传输接口(即图2中的数据传输接口)以及电源模块；且该数据采集站还可以包括：GPS天线、GPS模块、时间同步模块(即图2中的精度时间同步)以及指令译码器。

其中，上述输入滤波器、前置放大器和模数转换模块的数量应与该数据采集站所连接的MEMS加速度传感器的数量相关，即如果与一个数据采集站连接的MEMS加速度传感器的数量为N，则该数据采集站中的输入滤波器、前置放大器和模数转换模块的数量应分别为N。

输入滤波器与MEMS加速度传感器以及前置放大器分别连接。输入滤波器主要用于在接收到与其连接的MEMS加速度传感器输出的模拟电信号后，对该模拟电信号进行滤波处理，并输出滤波处理后的电信号。这里的输入滤波器可以采用现有的多种型号的滤波器，在此不再详细说明。

前置放大器除了与输入滤波器连接之外，还与模数转换模块连接。前置放大器主要用于在接收到与其连接的输入滤波器输出的电信号后，对该电信号进行放大处理，并输出放大处理后的电信号。这里的前置放大器可以采用现有的放大电路来实现，在此不再详细说明。

模数转换模块除了与前置放大器连接之外，还与逻辑控制单元连接。模数转换模块主要用于在接收到前置放大器传输来的电信号后，将该电信号转换为数字信号，并输出该数字信号(即数字监测信号)。这里的模数转换模块可以采用现有的A／D转换器来实现，如采用24位的Δ-∑型A／D转换器来实现，在此不再详细说明。

逻辑控制单元除了与各模数转换模块分别连接之外，还与数据编码器连接；逻辑控制单元主要用于为数据采集站的正常运行提供必要的时序信号，且用户可以在逻辑控制单元中自行设定数据采样周期，这样，逻辑控制单元可以根据该设定如期接收到数字监测信号；另外，逻辑控制单元还用于数字监测信号的发送控制，如在通讯信号受到干扰而导致部分数据没有及时传输出去的情况下，该逻辑控制单元可将数字监测信号暂存起来(如存储在数据缓存单元中)，之后，可以在合适的时间将存储的数据发送出去(如在再次上电复位后，将存储的数据发送出去)。

数据编码器除了与逻辑控制单元连接之外，还与无线数据传输接口连接。数据编码器主要用于对逻辑控制单元输出的数字监测信号进行相应的编码，并输出编码后的数字监测信号。数据编码器可以根据现有的协议标准进行数字监测信号的编码处理。

无线数据传输接口与数据编码器以及指令译码器分别连接。无线数据传输接口是数据采集站与外部进行信息交互的接口，即无线数据传输接口主要用于将数据编码器输出的数字监测信号以无线传输的方式向控制中心传输，并接收外部输入的指令(如控制中心传输来的指令)，以便于指令译码器能够对该指令进行译码处理。

本实施例的无线数据传输接口可以采用多通道无线传输模式，即数据采集站与控制中心之间可以建立起若干条通信链路，且数据采集站可以根据每条链路的通信质量可以动态地调整数据传输策略，同时，数据采集站可以对关键数据和非关键数据分别采用不同的传输协议。

本实施例的无线数据传输接口的硬件部分主要采用Microchip公司的型号为PIC24F32KA302的芯片作为处理器，该芯片具有功耗低以及内存容量大等特点。

指令译码器与逻辑控制单元以及无线数据传输接口分别连接。指令译码器主要用于对无线数据传输接口接收到的指令进行译码处理，并将译码处理后获得的指令传输给逻辑控制单元，以便于逻辑控制单元可以根据外部传输来的指令执行相应的操作。

GPS模块与GPS天线和时间同步模块分别连接。GPS模块主要用于通过GPS天线接收卫星发出的GPS信号。GPS模块接收到的GPS信号可以用于数据采集站的时间同步，也可以用于数据采集站的准确布设。

时间同步模块除了与GPS模块连接之外，还与逻辑控制单元连接。时间同步模块主要用于根据GPS模块提供的GPS信号同步其所在的数据采集站的时间；这样，各数据采集站所采用的时间是经过GPS技术精确同步了的时间。

电源模块与数据采集站中的各用电元件直接或者间接连接，从而为数据采集站中的各用电元件提供电力资源。该电源模块可以包括碱性电池或者充电电池等电力源。

控制中心(如计算机等可以进行数据处理的智能设备)通过无线网络与各数据采集站进行信息交互，且各数据采集站可以通过其内部的基于多通道无线数据传输模式的无线数据传输接口向控制中心传输相应的信息。

控制中心主要用于接收各数据采集站传输来的数字监测信号，并针对数字监测信号进行震源反演运算，以进行震源定位，并进行三维显示成像，从而以三维可视化的方式显示给用户。

由上述技术方案的描述可知，MEMS加速度传感器拾取的信号在经过滤波并放大处理后，直接和24位Δ-∑A／D转换器相连，保证了信号传输的有效性，并提高了信噪比。本发明的基于24位Δ-∑A／D技术的数据采集站的采集动态范围在理论上可以达到138dB，考虑到各种因素的影响，采集站的动态范围通常接近120dB，完全可以满足高分辨率动态监测的要求。本发明的数据采集站的电路结构简单，且所用器件均可以采用高度集成化的低功耗通用器件，并按照工业级标准进行选择，大大降低了数据采集站的整体功耗以及实现成本，并保证能够满足野外地质灾害监测的需求。另外，本发明数据采集站具有路由功能，数据采集站与基站节点之间可以按照簇树的分层结构自治的组成网络，这样，数据采集站在对MEMS加速度传感器传输来的信号进行相应的数据处理之后，处理后的数据可以沿着自身优化的路由算法路径传送给控制中心。

在本发明的实施例中，MEMS加速度传感器以及数据采集站在实际布设过程中，应注意如下几点：

1)、在现场施工过程中，为了避免车辆、风以及电磁波等外界对MEMS加速度传感器的干扰，可将MEMS加速度传感器埋在至少一米深的地下，不但可以避免干扰，还可以增加MEMS加速度传感器与周围环境的耦合度。该设置方式可以使线性频率及相位响应达到500HZ，且具有超低噪声(如噪声仅为-147dBg²／Hz)，并具有较大的动态范围(如动态范围＞105dB)，另外，还具有极高的向量保真度，如正交叉轴抑制信号优于46dB，传感器灵敏度调校精度可达到0.3％。

2)、应准确的确定出数据采集站的布设定位坐标。

在震源反演算的计算过程中，为了提高计算的精确程度，因此，要保障各个数据采集站的位置精度以及时间精度，以精确计算震源与数据采集站之间的距离。本发明通过采用GPS技术来使各个数据采集站的时间精确同步，并精确定位各个数据采集站的定位位置。

具体的，在已知GPS天线的大概位置的情况下，本发明利用牛顿迭代法以及最小二乘法原理来实现数据采集站的精确定位。

具体的，如图3所示，图中PR₁、PR₂、PR₃以及PR₄为预设距离，GPS定位模型为： ${\mathrm{PR}}_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}(i=\mathrm{1,2},......N);$

在上式中，(x，y，z)为GPS天线的坐标，(x_i，y_i，z_i)为卫星i的坐标，PR_i为卫星i到GPS天线的观测距离，N为卫星的数量。

已知(x₀，y₀，z₀)为GPS天线的初始坐标，将(x₀，y₀，z₀)作为(x，y，z)带入方程，通过矩阵方程式的推导计算，得到定位解：

x₁＝x₀+δx

y₁＝y₀+δy

z₁＝z₀+δz

计算(x₀，y₀，z₀)和(x₁，y₁，z₁)之间的误差，如果误差超过预定范围，则以(x₁，y₁，z₁)代替(x₀，y₀，z₀)，重新计算(x₁，y₁，z₁)；如果误差不超过预定范围，则将(x₁，y₁，z₁)确定为数据采集站的布设定位坐标。

3)、数据采集站的陈列尺度应满足预定要求。

为了在对每一道地震数据叠加时，发生振幅叠加的现象，以取得更好的相干相加的效果，应使最低频信号从最深震源到最近的数据采集站和最远的数据采集站形成的差值至少为一个波长的距离(如图4所示)。也就是说，数据采集站的最小阵列尺度的计算公式为：

其中，d为最低频信号从最深震源到最近的数据采集站的距离，λ为最低频信号的波长。

4)、数据采集站的布设密度应满足预定要求。

为了避免由于相邻数据采集站的数据叠加而导致的错频现象的发生，应保证最高频的微地震信号从最浅震源到两个采集站之间的差值距离小于该最高频的微地震信号的半个波长。

5)、数据采集站与MEMS加速度传感器的星型布置方式。

为了使得监测效果达到最好，数据采集站的布设高度应高于目标区域的中心的高度，且MEMS加速度传感器的布置应均匀，如采用星形阵列发射的形式来布设MEMS加速度传感器(如图5所示)。监测的重点是：在监测的目标区域的任意位置可以获得最大距离的偏移量，保证地震波传播的射线能够以不同的角度传播，从而增大监测角度。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种地面塌陷微地震三维定位监测系统，其特征在于，包括：多个检波器、至少一个数据采集站以及控制中心；

数据采集站与多个检波器连接，用于将所述检波器采集到的模拟电信号转换为数字监测信号，并通过无线传输网络发送给控制中心；

所述控制中心用于接收各数据采集站传输来的数字监测信号，并针对数字监测信号进行震源反演运算，以定位震源，并三维显示成像；

其中，数据采集站包括：

多个输入滤波器，与多个检波器连接，用于对与其连接的检波器输出的模拟电信号进行滤波处理，并输出滤波处理后的电信号；

多个前置放大器，与各输入滤波器一对一连接，用于对与其连接的输入滤波器输出的电信号进行放大处理，并输出放大处理后的电信号；

模数转换模块，与各前置放大器一对一连接，用于将与其连接的前置放大器输出的电信号转换为数字信号，并输出该数字信号；

逻辑控制单元，与各模数转换模块分别连接，用于为数据采集站提供时序信号，并控制所述数字信号向控制中心的发送；

数据编码器，与所述逻辑控制单元连接，用于对逻辑控制单元输出的数字监测信号进行编码，并输出编码后的数字监测信号；

无线数据传输接口，与所述数据编码器连接，将所述数据编码器输出的数字监测信号无线传输给控制中心；

电源模块，用于为所述数据采集站中的各用电元件提供电力资源。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检波器埋入地面之下，所述数据采集站的设置位置高于被监测区域的中心的设置位置。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集站还包括：GPS天线、GPS模块以及时间同步模块；

所述GPS模块与GPS天线和时间同步模块分别连接，所述GPS模块用于通过GPS天线接收GPS信号；

所述时间同步模块，还与所述逻辑控制单元连接，用于根据所述GPS信号同步数据采集站的时间。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述数据采集站的布设定位坐标是利用GPS技术确定的，该确定的过程包括：

利用 ${\mathrm{PR}}_i=\sqrt{{(x-x_i)}^2+{(y-y_i)}^2+{(z-z_i)}^2}(i=\mathrm{1,2},......N)$ 和GPS天线的初始坐标计算获得：

x₁＝x₀+δx；

y₁＝y₀+δy；

z₁＝z₀+δz；

其中，(x，y，z)为GPS天线坐标，(x_i，y_i，z_i)为卫星i的坐标，PR_i为卫星i到GPS天线的观测距离，N为卫星的数量，(x₀，y₀，z₀)为GPS天线的初始坐标；

计算(x₀，y₀，z₀)和(x₁，y₁，z₁)之间的误差，如果误差超过预定范围，则以(x₁，y₁，z₁)代替(x₀，y₀，z₀)，重新计算(x₁，y₁，z₁)，直到两者之间的误差不超过预定范围；如果误差不超过预定范围，则将(x₁，y₁，z₁)确定为数据采集站的布设定位坐标。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据采集站还包括：指令译码器，与逻辑控制单元以及无线数据传输接口分别连接；

所述指令译码器用于通过无线数据传输接口接收外部输入的指令，并对该指令进行译码，并将译码后的指令传输给逻辑控制单元。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述模数转换模块包括：24位Δ-∑型A／D转换器。

7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述各数据采集站的陈列尺度应满足：

最低频信号从最深震源到最近的数据采集站的距离以及到最远的数据采集站之间的差值x至少为：

其中，所述d为最低频信号从最深震源到最近的数据采集站的距离，所述λ为最低频信号的波长。

8.如权利要求1至6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，所述各数据采集站的设置密度应满足：

最高频信号从最浅震源到任意两个信号采集站之间的距离差值小于所述最高频信号的半个波长。

9.如权利要求1至6中任一权利要求所述的系统，其特征在于，与一个数据采集站连接的多个检波器是以数据采集站为中心呈星型排列。

10.一种地面塌陷微地震三维定位监测方法，其特征在于，包括：

布设有至少一个数据采集站以及多个检波器，且一个数据采集站与多个检波器连接；

数据采集站将检波器采集到的模拟电信号转换为数字监测信号，并通过无线传输网络发送给控制中心；

控制中心接收各数据采集站传输来的数字监测信号，并针对数字监测信号进行震源反演运算，以定位震源，并三维显示成像；

其中，数据采集站执行的操作包括：

对各检波器输出的模拟电信号分别进行滤波处理；

对所述滤波处理后的电信号进行放大处理；

将所述放大处理后的电信号转换为数字信号；

确定需要向控制中心发送的数字监测信号，对其进行编码，并无线传输给控制中心。

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