CN104570094A - 地震前兆信号处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地震前兆信号处理系统，其特征在于，包括：接收模块，用于接收原始数据；中央处理器，用于分析处理原始数据，并将分析处理后的数据打包形成数据记录，根据网络的状态判定将数据记录传递到发射模块或者存储模块；发射模块，用于将数据记录发射到远程数据中心；以及存储模块，用于暂时存储数据记录，其中，中央处理器包括数据接收单元和数据分析处理单元，数据接收单元用于对原始数据进行预处理，数据分析处理单元用于对预处理后的数据进行数据特征提取和频域异常判断，根据产生的频谱全局峰值对原始数据进行频域异常判断。本发明在降低对通信和本地存储的要求的同时，实时高效地将传感器采集到的数据传送到数据中心。

Description

地震前兆信号处理系统及方法

技术领域

本发明涉及信号处理领域，并且特别涉及一种地震前兆信号处理系统及方法。

背景技术

一直以来，地震给国家和人民造成了巨大的损失，精确地预测地震发生的时间、地点是减少损失最有效的方法，而建立实时、稳定、大范围的地震信号采集传输系统是地震预测评估的前提。

如何实时、稳定、无线、无人值守地进行原始数据重要特征传输成为目前地震信号采集监控系统的难点。在当前的信号传输系统中多使用有线网络传输数据，或者利用GPRS进行小数据量的数据传输。当前的数据传输方案采用的传输传感器采集到是未经过特征提取的原始数据，若将传感器采集的原始数据或仅做简单的压缩处理后的数据发送到远程数据中心将大幅度提高对网络、功耗的要求。

因此需要一种改进的地震前兆信号处理系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地震前兆信号处理系统及方法。

本发明实施例提供一种地震前兆信号处理系统，其特征在于，包括：接收模块，用于接收地下多路传感器采集终端发送的原始数据；电源模块，耦合于所述接收模块、中央处理器以及发射模块，用于为所述接收模块、所述中央处理器以及所述发射模块供电；中央处理器，耦合于所述接收模块，用于分析处理来自所述接收模块的所述原始数据，并将分析处理后的数据打包形成数据记录，根据网络的状态判定将所述数据记录传递到发射模块或者存储模块；所述发射模块，耦合于所述中央处理器，用于将来自所述中央处理器的所述数据记录发射到远程数据中心；以及所述存储模块，耦合于所述中央处理器，用于暂时存储来自所述中央处理器的所述数据记录，其中，所述中央处理器包括数据接收单元和数据分析处理单元，所述数据接收单元用于对来自所述接收模块的所述原始数据进行预处理，所述数据分析处理单元耦合于所述数据接收单元，用于对预处理后的数据进行数据特征提取打包形成所述数据记录，并进行频域异常判断，根据所述数据特征提取产生的频谱全局峰值对所述原始数据进行所述频域异常判断。

优选地，当所述网络正常通畅时，所述中央处理器将所述数据记录传递到所述发射模块；当所述网络异常阻断时，所述中央处理器将所述数据记录传递到所述存储模块暂存；当所述网络恢复通畅时，所述中央处理器从所述存储模块中读出所述数据记录，传递到所述发射模块。

优选地，所述中央处理器还包括：存储控制单元，耦合于所述数据分析处理单元，用于检查所述网络的状态；以及数据发送单元，耦合于所述数据分析处理单元，用于发送原始数据，其中，若所述网络正常通畅，则所述存储控制单元检查所述存储模块中是否有所述数据记录，若所述存储模块中有所述数据记录，则所述存储控制单元将所述存储模块中的所述数据记录逐条读出并传递到所述数据发送单元，所述数据发送单元在完成对所述存储模块中的所述数据记录的发送后，再发送记录，若所述存储模块中没有所述数据记录，则所述存储控制单元直接将所述数据记录传递到所述数据发送单元，若所述网络异常阻塞，则所述存储控制单元将所述数据记录存储至所述存储模块。

优选地，所述中央处理器还包括：电源管理单元，耦合于所述数据分析处理单元，用于控制所述电源模块，其中，所述电源模块由市电供电或蓄电池供电，当所述市电断电时，所述电源管理单元将所述电源模块切换成所述蓄电池供电，当所述市电恢复时，所述电源管理单元将所述电源模块切换成所述市电供电，并对所述蓄电池进行充电，且其中，对每24小时的蓄电池电压进行测量，若测量电压V_测与蓄电池额定电压V_额有：V_测<0.9*V_额则为所述蓄电池电量过低，若此时所述市电正常供电，则向所述数据分析处理单元发出蓄电池寿命将尽的报警；若此时所述市电为断电状态，则向所述数据分析处理单元发出蓄电池电量耗尽的报警，所述数据分析处理单元控制所述数据发射模块将报警发送至所述远程数据中心。

优选地，所述数据接收单元还用于对预处理后的数据进行数据特征提取和时域异常判断，根据所述数据特征提取产生的简化直方图对所述原始数据进行时域异常判断。

优选地，所述数据分析处理单元还用于根据所述频域异常判断的结果进行数据打包形成所述数据记录，若产生异常，则对所述原始数据进行打包，若不产生异常，则对提取的所述数据特征进行打包形成所述数据记录。

优选地，所述数据特征包括所述频谱全局峰值和频谱局部峰值。

本发明实施例提供一种地震前兆信号处理方法，其特征在于，包括：由中央处理器的数据接收单元对原始数据进行预处理；由所述中央处理器的数据分析处理单元对经过预处理的数据进行数据特征提取、频域异常判断以及数据打包，产生第一数据记录，其中，根据所述数据特征提取产生的频谱全局峰值对所述原始数据进行所述频域异常判断；以及

由所述中央处理器的存储控制单元检测网络是否通畅，在所述网络正常通畅时，由所述存储控制单元检查存储模块中是否有所述数据记录，在所述网络异常阻塞时，由所述存储控制单元将所述第一数据记录存储到所述存储模块中。

优选地，还包括：在所述网络正常通畅时，若所述存储模块中有所述数据记录，则由所述存储控制单元从所述存储模块中读出第二数据记录，将所述第二数据记录从所述存储模块中清除，并将所述第二数据记录传递到数据发送单元，由所述数据发送单元将所述第二数据记录发送出去；以及在所述网络正常通畅时，若所述存储模块中没有所述数据记录，由所述存储控制单元将所述第一数据记录传递到所述数据发送单元，由所述数据发送单元将所述第一数据记录发送出去。

优选地，还包括：由电池管理单元对电源模块的状况进行检测并进行控制，所述电源模块由市电供电或蓄电池供电，当所述市电断电时，由所述电源管理单元将所述电源模块切换成所述蓄电池供电，当所述市电恢复时，由所述电源管理单元将所述电源模块切换成所述市电供电，并对所述蓄电池进行充电，其中，对每24小时的蓄电池电压进行测量，若测量电压V_测与蓄电池额定电压V_额有：V_测<0.9*V_额则为所述蓄电池电量过低，若此时所述市电正常供电，则向所述数据分析处理单元发出蓄电池寿命将尽的报警；若此时所述市电为断电状态，则向所述数据分析处理单元发出蓄电池电量耗尽的报警，所述数据分析处理单元控制所述数据发射模块将报警发送至所述远程数据中心。

本发明提供的地震前兆信号处理系统及方法通过数据特征提取与异常判断相结合，在大大降低了对通信和本地存储的要求的同时，实时高效地将传感器采集到的数据传送到数据中心，并且在网络异常时能够将完整的数据传递到数据中心。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例提供的地震前兆信号处理系统的结构示意图。

图2是本发明一实施例提供的地震前兆信号处理系统的中央处理器的结构示意图。

图3是本发明一实施例提供的地震前兆信号处理方法的具体流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明一实施例提供的地震前兆信号处理系统100的结构示意图。如图1所示，地震前兆信号处理系统100包括接收模块110、耦合于接收模块110的中央处理器120、耦合于中央处理器120的发射模块130、耦合于中央处理器120的存储模块140、以及耦合于接收模块110、中央处理器120和发射模块130的电源模块150。

在本发明一实施例中，接收模块110用于接收地下多路传感器采集终端发送的原始数据，并将接收的原始数据传递到中央处理器120。其中，多路传感器可以包括以下传感器中的一种或多种：压电陶瓷传感器、压电薄膜传感器、温度传感器、加速度传感器、电磁传感器。

在本发明一实施例中，中央处理器120用于分析处理来自接收模块110的原始数据，并将分析处理后的数据打包形成数据记录，根据网络状态决定将数据记录传递到发射模块130或者存储模块140。具体而言，当网络正常通畅时，中央处理器120将数据记录传递到发射模块130；当网络异常阻断时，中央处理器120将数据记录传递到存储模块140暂存；当网络恢复通畅时，中央处理器120再从存储模块140中读出数据记录，传递到发射模块130。

在本发明一实施例中，发射模块130用于将来自中央处理器120的数据记录发射到远程数据中心。在本发明一实施例中，存储模块140用于暂时存储来自中央处理器120的数据记录。在本发明一实施例中，电源模块150用于为接收模块110、中央处理器120以及发射模块130供电。

图2是本发明一实施例提供的地震前兆信号处理系统100的中央处理器120的结构示意图。如图2所示，中央处理器120包括数据接收单元210、耦合于数据接收单元210的数据分析处理单元220、耦合于数据分析处理单元220的数据发送单元230、耦合于数据分析处理单元220的存储控制单元240以及耦合于数据分析处理单元220的电源管理单元250。

在本发明一实施例中，数据接收单元210用于对来自接收模块110的原始数据进行解包、解压、解码预处理，并将预处理后的数据传递到数据分析处理单元220。在本发明一实施例中，数据分析处理单元220用于对来自数据接收单元210的预处理后的数据进行分析处理，其中，分析处理包括数据特征提取、频域异常判断、数据打包。

具体而言，数据分析处理单元220首先对来自数据接收单元210的预处理后的数据在频域进行数据特征提取，其中，提取的数据特征包括频谱局部峰值和频谱全局峰值。频谱局部峰值是指将每路传感器的频率区间分解成5等份，记录每个子区间的峰值，分别找到在这五个区间内频谱的最大值并记录下来即是频谱局部峰值；频谱全局峰值是指整体频谱峰值处的频率。

其次，数据分析处理单元220对提取的数据特征进行频域异常判断。具体而言，在本发明一实施例中，令数据的频率范围为BW，第i组数据频谱全局峰值为f_i，第i+1组数据频谱全局峰值为f_i+1，当|f_i+1-f_i|>0.2*BW时，则判断原始数据产生异常。

最后，数据分析处理单元220根据频域异常判断的结果进行数据打包。具体而言，若产生异常，则对原始数据进行打包；若不产生异常，则对提取的数据特征进行打包。一次打包的结果称为一条数据记录。

此外，数据分析处理单元220还可以对来自数据接收单元210的预处理后的数据在时域进行数据特征提取，其中，提取的数据特征包括均值和简化直方图。均值代表N点样本数据的平均值E。简化直方图的计算过程如下：假设N点样本数据的时域幅值为A，将时域幅值A分成4个区间，即[0,25％A)、[25％A,50％A)、[50％A,75％A)、[75％A,A)；统计分布在[0,25％A)、[25％A,50％A)、[50％A,75％A)三个区间的样本点数，分别记为N1、N2、N3；使分布在区间[75％A,A)的样本点数N4＝N1-N2-N3，不用记录，由此得到一个简单的统计直方图。数据分析处理单元220对提取的数据特征进行时域异常判断。具体而言，在本发明一实施例中，对于时域中的N点样本数据，假设提取第i组数据特征时，简化直方图中四个区间[0,25％A)、[25％A,50％A)、[50％A,75％A)、[75％A,A)的值分别为N_i1、N_i2、N_i3、N_i4，提取第i+1组特征时，简化直方图中四个区间[0,25％A)、[25％A,50％A)、[50％A,75％A)、[75％A,A)的值分别为N_i+11、N_i+22、N_i+33、N_i+44。若

$|N_{i+1}3+N_{i+1}4-N_{i}3-N_{i}4|=\left\{\begin{array}{cc}0.1*N,& N_{i}3+N_{i}4<0.1*N\\ 0.5*(N_{i}3+N_{i}4),& 0.1*N<N_{i}3+N_{i}4<0.5*N\\ 0.1*(N_{i}3+N_{i}4),& 0.5*N<N_{i}3+N_{i}4<N\end{array}\right.$

则判断原始数据产生异常。最后，数据分析处理单元220根据时域异常判断的结果进行数据打包。具体而言，若产生异常，则对原始数据进行打包；若不产生异常，则对提取的数据特征进行打包。一次打包的结果称为一条数据记录。在本发明一实施例中，存储控制单元240用于在完成一条数据记录后，检查网络的状态。具体而言，若网络正常通畅，则存储控制单元240检查存储模块130中是否有数据记录。若存储模块130中有数据记录，则存储控制单元240将存储模块130中的数据记录逐条读出并传递到数据发送单元230，数据发送单元230在完成对存储模块130中的数据记录的发送后，再发送记录；若存储模块130中没有数据记录，则存储控制单元240直接将数据记录传递给数据发送单元230。若网络异常阻塞，则存储控制单元240将数据记录存储至存储模块130。

在本发明一实施例中，数据发送单元230用于发送数据记录。

在本发明一实施例中，电源管理单元250，用于控制所述电源模块，其中，电源模块150由市电供电或蓄电池供电，当市电断电时，电源管理单元250将电源模块150切换成蓄电池供电，当市电恢复时，电源管理单元250将电源模块150切换成市电供电，并对蓄电池进行充电。同时，对每24小时的蓄电池电压进行测量，若测量电压V_测与蓄电池额定电压V_额有：V_测<0.9*V_额则为蓄电池电量过低。若此时市电正常供电则向数据分析处理单元发出蓄电池寿命将尽的报警；若此时市电为断电状态则向数据分析处理单元发出蓄电池电量耗尽的报警。进而数据分析处理单元控制数据发射模块将报警发送至远程数据中心。

有利地，本发明的地震前兆信号处理系统通过数据特征提取与异常判断相结合，在大大降低了对通信和本地存储的要求的同时，实时高效地将传感器采集到的数据传送到数据中心，并且在网络异常时能够将完整的数据传递到数据中心。

图3是本发明一实施例提供的地震前兆信号处理方法300的具体流程图。如图3所示，地震前兆信号处理方法300包括以下步骤。

步骤S302：由接收模块110将来自地下多路传感器采集终端发送的原始数据传送到中央处理器120的数据接收单元210，并由数据接收单元210对原始数据进行解包、解压、解码预处理。其中，多路传感器可以包括以下传感器中的一种或多种：压电陶瓷传感器、压电薄膜传感器、温度传感器、加速度传感器、电磁传感器。

步骤S304：由中央处理器120的数据分析处理单元220对经过预处理的数据进行分析处理，产生第一数据记录R1，其中，分析处理包括数据特征提取、频域异常判断以及数据打包。

具体而言，由数据分析处理单元220首先对来自数据接收单元210的预处理后的数据在频域进行数据特征提取，其中，提取的数据特征包括频谱局部峰值和频谱全局峰值。频谱局部峰值是指将每路传感器的频率区间分解成5等份，记录每个子区间的峰值，分别找到在这五个区间内频谱的最大值并记录下来即是频谱局部峰值；频谱全局峰值是指整体频谱峰值处的频率。

其次，由数据分析处理单元220对提取的数据特征进行频域异常判断。具体而言，在本发明一实施例中，令数据的频率范围为BW，第i组数据频谱全局峰值为f_i，第i+1组数据频谱全局峰值为f_i+1，当|f_i+1-f_i|>0.2*BW时，则判断原始数据产生异常。

最后，由数据分析处理单元220根据频域异常判断的结果进行数据打包。具体而言，若产生异常，则对原始数据进行打包；若不产生异常，则对提取的数据特征进行打包。一次打包的结果称为一条数据记录。

步骤S306：由中央处理器120的存储控制单元240检测网络是否通畅。若网络正常通畅，则执行步骤S308；若网络异常阻塞，则执行步骤S314。

步骤S308：在网络正常通畅时，由存储控制单元240检查存储模块130中是否有数据记录。若存储模块130中有数据记录，则执行步骤S310；若存储模块130中没有数据记录，则执行步骤S316。

步骤S310：由存储控制单元240从存储模块130中读出第二数据记录R2，将第二数据记录R2从存储模块130中清除，并将第二数据记录R2传递到数据发送单元230。

步骤S312：由数据发送单元230将第二数据记录R2发送出去，并返回到步骤S308尝试发送存储模块130中下一条暂存的数据记录。

步骤S314：在网络异常阻塞时，由存储控制单元240将第一数据记录R1存储到到存储模块130中。

步骤S316：在网络正常通畅且存储模块130中没有数据记录时，由存储控制单元240将第一数据记录R1传递到数据发送单元230。

步骤S318：由数据发送单元将第一数据记录R1发送出去。

步骤S320：一次循环结束，电池管理单元250对电源模块150的状况进行检测并进行相应的控制。其中，电源模块150可由市电供电或蓄电池供电。具体而言，当市电断电时，电源管理单元250将电源模块150切换成蓄电池供电；当市电恢复时，电源管理单元250将电源模块150切换成市电供电，并对蓄电池进行充电，其中，对每24小时的蓄电池电压进行测量，若测量电压V_测与蓄电池额定电压V_额有：V_测<0.9*V_额则为蓄电池电量过低，若此时市电正常供电，则向数据分析处理单元发出蓄电池寿命将尽的报警；若此时市电为断电状态，则向数据分析处理单元发出蓄电池电量耗尽的报警，数据分析处理单元控制所述数据发射模块将报警发送至远程数据中心。。

有利地，本发明的地震前兆信号处理方法通过数据特征提取与异常判断相结合，在大大降低了对通信和本地存储的要求的同时，实时高效地将传感器采集到的数据传送到数据中心，并且在网络异常时能够将完整的数据传递到数据中心。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种地震前兆信号处理系统，其特征在于，包括：

接收模块，用于接收地下多路传感器采集终端发送的原始数据；

电源模块，耦合于所述接收模块、中央处理器以及发射模块，用于为所述接收模块、所述中央处理器以及所述发射模块供电；

所述中央处理器，耦合于所述接收模块，用于分析处理来自所述接收模块的所述原始数据，并将分析处理后的数据打包形成数据记录，根据网络的状态判定将所述数据记录传递到发射模块或者存储模块；

所述发射模块，耦合于所述中央处理器，用于将来自所述中央处理器的所述数据记录发射到远程数据中心；以及

所述存储模块，耦合于所述中央处理器，用于暂时存储来自所述中央处理器的所述数据记录，

其中，所述中央处理器包括数据接收单元和数据分析处理单元，所述数据接收单元用于对来自所述接收模块的所述原始数据进行预处理，所述数据分析处理单元耦合于所述数据接收单元，用于对预处理后的数据进行数据特征提取打包形成所述数据记录，并进行频域异常判断，根据所述数据特征提取产生的频谱全局峰值对所述原始数据进行所述频域异常判断。

2.如权利要求1所述的地震前兆信号处理系统，其特征在于，当所述网络正常通畅时，所述中央处理器将所述数据记录传递到所述发射模块；当所述网络异常阻断时，所述中央处理器将所述数据记录传递到所述存储模块暂存；当所述网络恢复通畅时，所述中央处理器从所述存储模块中读出所述数据记录，传递到所述发射模块。

3.如权利要求1所述的地震前兆信号处理系统，其特征在于，所述中央处理器还包括：

存储控制单元，耦合于所述数据分析处理单元，用于检查所述网络的状态；以及

数据发送单元，耦合于所述数据分析处理单元，用于发送所述数据记录，

其中，若所述网络正常通畅，则所述存储控制单元检查所述存储模块中是否有所述数据记录，若所述存储模块中有所述数据记录，则所述存储控制单元将所述存储模块中的所述数据记录逐条读出并传递到所述数据发送单元，所述数据发送单元在完成对所述存储模块中的所述数据记录的发送后，再发送记录，若所述存储模块中没有所述数据记录，则所述存储控制单元直接将所述原始数据传递到所述数据发送单元，若所述网络异常阻塞，则所述存储控制单元将所述数据记录存储至所述存储模块。

4.如权利要求1所述的地震前兆信号处理系统，其特征在于，所述中央处理器还包括：

电源管理单元，耦合于所述数据分析处理单元，用于控制所述电源模块，其中，所述电源模块由市电供电或蓄电池供电，当所述市电断电时，所述电源管理单元将所述电源模块切换成所述蓄电池供电，当所述市电恢复时，所述电源管理单元将所述电源模块切换成所述市电供电，并对所述蓄电池进行充电，且其中，对每24小时的蓄电池电压进行测量，若测量电压V_测与蓄电池额定电压V_额有：V_测<0.9*V_额则为所述蓄电池电量过低，若此时所述市电正常供电，则向所述数据分析处理单元发出蓄电池寿命将尽的报警；若此时所述市电为断电状态，则向所述数据分析处理单元发出蓄电池电量耗尽的报警，所述数据分析处理单元控制所述数据发射模块将报警发送至所述远程数据中心。

5.如权利要求1所述的地震前兆信号处理系统，其特征在于，所述数据分析处理单元还用于对预处理后的数据进行数据特征提取和时域异常判断，根据所述数据特征提取产生的简化直方图对所述原始数据进行时域异常判断。

6.如权利要求1所述的地震前兆信号处理系统，其特征在于，所述数据分析处理单元还用于根据所述频域异常判断的结果进行数据打包，若产生异常，则对所述原始数据进行打包形成所述数据记录，若不产生异常，则对提取的所述数据特征进行打包形成所述数据记录。

7.如权利要求1所述的地震前兆信号处理系统，其特征在于，所述数据特征包括所述频谱全局峰值和频谱局部峰值。

8.一种地震前兆信号处理方法，其特征在于，包括：

由中央处理器的数据接收单元对原始数据进行预处理；

由所述中央处理器的数据分析处理单元对经过预处理的数据进行数据特征提取、频域异常判断以及数据打包，产生第一数据记录，其中，根据所述数据特征提取产生的频谱全局峰值对所述原始数据进行所述频域异常判断；以及

由所述中央处理器的存储控制单元检测网络是否通畅，在所述网络正常通畅时，由所述存储控制单元检查存储模块中是否有所述数据记录，在所述网络异常阻塞时，由所述存储控制单元将所述第一数据记录存储到所述存储模块中。

9.如权利要求8所述的地震前兆信号处理方法，其特征在于，还包括：

在所述网络正常通畅时，若所述存储模块中有所述数据记录，则由所述存储控制单元从所述存储模块中读出第二数据记录，将所述第二数据记录从所述存储模块中清除，并将所述第二数据记录传递到数据发送单元，由所述数据发送单元将所述第二数据记录发送出去；以及

在所述网络正常通畅时，若所述存储模块中没有所述数据记录，由所述存储控制单元将所述第一数据记录传递到所述数据发送单元，由所述数据发送单元将所述第一数据记录发送出去。

10.如权利要求8所述的地震前兆信号处理方法，其特征在于，还包括：

由电池管理单元对电源模块的状况进行检测并进行控制，所述电源模块由市电供电或蓄电池供电，当所述市电断电时，由所述电源管理单元将所述电源模块切换成所述蓄电池供电，当所述市电恢复时，由所述电源管理单元将所述电源模块切换成所述市电供电，并对所述蓄电池进行充电，其中，对每24小时的蓄电池电压进行测量，若测量电压V_测与蓄电池额定电压V_额有：V_测<0.9*V_额则为所述蓄电池电量过低，若此时所述市电正常供电，则向所述数据分析处理单元发出蓄电池寿命将尽的报警；若此时所述市电为断电状态，则向所述数据分析处理单元发出蓄电池电量耗尽的报警，所述数据分析处理单元控制所述数据发射模块将报警发送至所述远程数据中心。