CN110687590A - 一种用于微震监测的无线智能数据传输系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于微震监测的无线智能数据传输系统及方法，属于微地震监测技术领域，解决了现有微震监控数传系统存在的数据存储压力大、通信流量费用高的问题。方法包括如下步骤：通过AD采样方式实时采集现场微震监测信号；利用门限判决和统计判决方法对现场微震监测信号进行信号检测，得到完整的微震信号；对完整的微震信号进行快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换后的结果进行频谱分析，得到信号主频；根据信号主频，对所述傅里叶变换后的结果进行低通滤波处理，得到滤波后的微震信号；根据信号频率，对滤波后的微震信号进行数据抽取；将数据抽取后的信号传输到监控中心。该方法有效降低了监控中心的数据存储压力，减少了通信流量费用。
Description
技术领域
本发明涉及微地震监测技术领域，尤其涉及一种用于微震监测的无线智能数据传输系统及方法。
背景技术
地震监测微震信号在频率上覆盖0.1Hz-25KHz范围，信号频带宽，理论上至少得采用采样率大于50KSPS的AD采样，工程上实际应用的采样率大于200KSPS为宜，这样单个采集节点采集24bit，三通道数据，每分钟的数据量为：200Kbit*24*3*60＝843Mbit＝105MByte，一天的数据量为105MByte*24*60＝148GByte，如果将实时监测的数据全部直接传输到监测终端，通信流量费用高，数据存储压力大，而实际情况是绝大部分时间没有微震事件发生。
现有常规解决数据流量大问题采用数据压缩的方式，该方法虽然通用，但存在数据压缩率往往较低，即使达到1％，每天要传输的数据量也达到1.5GByte，采用高压缩率的算法对处理器的要求较高，导致成本过高。此外，现有监测系统在野外应用时，由于不方便提供市电的环境，长时间出现阴雨天气，如果将检测到的数据全部传输至监控中心的话，会显著增加耗电量，缩短监控系统工作时间，从而无法实现野外长时间监测，不能满足长时间不间断监测的要求。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于微震监测的无线智能数据传输系统及方法，用以解决现有微震监控数传系统存在的数据存储压力大、通信流量费用高的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种用于微震监测的无线智能数据传输方法，包括以下步骤：
通过AD采样方式实时采集现场微震监测信号；
利用门限判决和统计判决方法对所述现场微震监测信号进行信号检测，得到完整的微震信号；
对所述完整的微震信号进行快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换后的结果进行频谱分析，得到信号主频；
根据所述信号主频，对所述傅里叶变换后的结果进行低通滤波处理，得到滤波后的微震信号；
根据信号频率，对滤波后的微震信号进行数据抽取；
将数据抽取后的信号传输到监控中心。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述利用门限判决和统计判决方法对所述现场微震监测信号进行信号检测，得到完整的微震信号，包括：
设定门限区间，当某一点的微震监测信号幅值超出所述设定门限区间时，将该点的前一点作为所述完整的微震信号的起点，并从起点开始连续采集微震监测信号，若在采集过程中，连续N个点落入门限区间内，则将落入门限区间的第一个点作为所述完整的微震信号的终点，从而得到一次完整的微震信号。
进一步，所述门限值区间基于噪声信号的幅值设定。
进一步，所述N的取值范围为20～30。
进一步，同时调节门限区间的设定与N的选取，从而得到较为满意的完整的微震信号。
进一步，所述方法还包括以下步骤：
对采集到的所述现场微震监测信号进行本地存储。
本发明还提供了一种用于微震监测的无线智能数据传输系统，所述系统包括：AD采集模块、信号检测模块、微震信号处理模块、信号传输模块；其中，
AD采集模块，用于通过AD采样方式实时采集现场微震监测信号；
信号检测模块与所述AD采集模块相连，利用门限判决和统计判决方法对所述现场微震监测信号进行信号检测，得到完整的微震信号；
微震信号处理模块与所述信号检测模块相连，用于对所述完整的微震信号进行快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换后的结果进行频谱分析，得到信号主频；根据所述信号主频，对所述傅里叶变换后的结果进行低通滤波处理，得到滤波后的微震信号；根据信号频率，对滤波后的微震信号进行数据抽取；
信号传输模块与微震信号处理模块相连，用于将数据抽取后的信号传输到监控中心。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述微震信号处理模块通过执行以下操作，得到完整的微震信号：
设定门限区间，所述门限值区间基于噪声信号的幅值设定。当某一点的微震监测信号幅值超出所述设定门限区间时，将该点的前一点作为所述完整的微震信号的起点，并从起点开始连续采集微震监测信号，若在采集过程中，连续N个点落入门限区间内，则将落入门限区间的第一个点作为所述完整的微震信号的终点，从而得到一次完整的微震信号。
进一步，所述门限值区间基于噪声信号的幅值设定。
进一步，所述系统还包括本地存储模块，用于对采集到的所述现场微震监测信号进行本地存储。
本发明有益效果如下：
(1)本发明提供的用于微震监测的无线智能数据传输方法机及系统，集成设置，结构简单，对发生微震的数据进行选择性存储，滤除没有微震的数据，降低了存储压力，降低了数据量成本。
(2)本发明的数据传输系统，采用单片机作为主控，并且采用电池供电+太阳能充电的供电方式，此低功耗设计可以支撑2月以上，降低了微震监测系统的成本和功耗。
(3)本发明的数据传输方法，对实时采集数据进行信号检测和频谱分析，并且进行本地存储，对于有用信号进行频谱分析，按信号频率进行抽取传输，这样既保证了传输有用信息，本地存储也记录了数据的第一现场，存储时间大于1天，方便需要时现场收取或远程传输，也避免了数据冗余，节约流量，降低微震监测系统运维成本。
(4)单片机采用中断的方式采集数据，单片机中的DSP模块对信号进行门限检测，实现了对发生震的数据进行选择性存储，大大降低了存储压力，降低了数据量成本。采用信号检测、频谱分析、滤波的方法进数据抽取，结合微震的应用特点，可以大大降低数据率，同时相对于传统的数据压缩方法，运算量大大减少，压缩效率大幅提高，大于2个数量级。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1中用于微震监测的无线智能数据传输方法流程图；
图2为本发明实时2中用于微震监测的无线智能数据传输系统示意图；
图3为本发明实施例3中待检测的信号及噪声；
图4为本发明实施例3中检测到的采集信号的波形和频谱分布；
图5为本发明实施例3中采集信号频谱分析后抽取的信号和对应的频谱。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明的具体实施例1，公开了一种用于微震监测的无线智能数据传输方法，图1示出了该方法的流程图，包括以下步骤：
步骤S1：通过AD采样方式实时采集现场微震监测信号；
步骤S2：利用门限判决和统计判决方法对所述现场微震监测信号进行信号检测，剔除噪声，得到完整的微震信号；
具体地，设定门限区间，所述门限值区间基于噪声信号的幅值设定。当某一点的微震监测信号幅值超出所述设定门限区间时，将该点的前一点作为所述完整的微震信号的起点，并从起点开始连续采集微震监测信号，若在采集过程中，连续N个点落入门限区间内，则将落入门限区间的第一个点作为所述完整的微震信号的终点，从而得到一次完整的微震信号。N的选取即为重要，若值太小，会造成微震信号的不完整，若值太大，则会将噪声引入微震信号，增加了后续处理、传输的工作量；经过反复试验，发现当N取值范围为20～30，能够得到较为完整的微震信号。此外，在实际应用中，可以同时调节门限区间的设定与N的选取，从而得到较为满意的完整的微震信号。
图3示出了现在微震监测信号的形式，其中，幅值波动不明显的部分为噪声，如图3中方框所示，幅值波动明显的部分为实际的微震信号。基于步骤S2中的方法，即可得到完整的微震信号。
步骤S3：对所述完整的微震信号进行快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换后的结果进行频谱分析，得到信号主频；
在该步骤中，利用频谱分析得到信号主频的方法，为本领域的常规技术手段，因此，本实施对于得到主频信号的方式不再赘述。
步骤S4：根据所述信号主频，对所述傅里叶变换后的结果进行低通滤波处理，得到滤波后的微震信号；
步骤S5：根据信号频率，对滤波后的微震信号进行数据抽取；
本实施中数据抽取的原则是：数据抽取后的信号能够表征原现场微震监测信号中的有效、关键信息。根据滤波后的微震信号的信号频率实际情况，既可以选择均匀数据抽取，也可以自适应数据抽取，该数据抽取的方式与实际的微震信号形式有关，可基于微震信号的具体形式设定。
同时，还可以监测信号频率的变化情况，若本次信号采样频率的分布范围较上次信号采样频率有较大偏差，要考虑调整数据抽取方式，以便在发生地震时，能够及时将地震信息传输至监控中心。
步骤S6：将数据抽取后的信号传输到监控中心。
与现有技术相比，本发明公开的用于微震监测的无线智能数据传输方法，充分考虑微震信号的应用特点，采用信号检测、频谱分析、滤波相结合的方法进行有用数据的抽取传输。该方法既能使得监控中心及时获得有用的微震数据，实现了对发生震的数据进行选择性存储，大大降低了存储压力，降低了数据量成本；同时还能避免数据冗余，节约流量，降低微震监测系统运维成本；此外，该方法大大降低了传输过程中的数据率，相对于传统的数据压缩方法，运算量大大减少，压缩效率大幅提高，大于2个数量级。
优选地，考虑到后期可能需要查看完整的第一现场数据，本方法还包括以下步骤：对采集到的所述现场微震监测信号进行本地存储。这样既保证了有用信息的有效传输，还可确保本地也存储了第一现场数据，方便需要时现场收取或远程传输。
优选地，为保证传输过程的安全性，还可以通过加密方式进行传输。
实施例2
在本发明的实施例2中，公开了一种用于微震监测的无线智能数据传输系统。该系统与实施例1中的传输方法对应设置，示意图如图2所示，包括：AD采集模块、信号检测模块、微震信号处理模块、信号传输模块；其中，
AD采集模块，用于通过AD采样方式实时采集现场微震监测信号；
信号检测模块与所述AD采集模块相连，利用门限判决和统计判决方法对所述现场微震监测信号进行信号检测，得到完整的微震信号；
微震信号处理模块与所述信号检测模块相连，用于对所述完整的微震信号进行快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换后的结果进行频谱分析，得到信号主频；根据所述信号主频，对所述傅里叶变换后的结果进行低通滤波处理，得到滤波后的微震信号；根据信号频率，对滤波后的微震信号进行数据抽取；
信号传输模块与微震信号处理模块相连，用于将数据抽取后的信号传输到监控中心。
优选地，无线智能数据传输系统还包括本地存储模块，用于对采集到的所述现场微震监测信号进行本地存储。
实际应用过程中，AD采集模块的功能可以通过具体的AD采样电路实现；信号检测模块、微震信号处理模块的功能集成于单片机的DSP模块中，单片机采用中断的方式进行采集数据；信号传输模块可根据距离监控中心的距离，选择4G网络、有线、无线等多种方式实现其数据传输功能。
为了更好地实现本发明中无线智能数据传输系统的功能，该系统还设置了温补晶振(温度补偿晶体振荡器(TCXO))、卫星授时模块、电源模块；其中，电源模块用于为单片机供电；卫星授时模块用于提供准确的时间；温补晶振用于为上述系统提供基本的时钟信号。通过采用“单片机+24bit的高精度AD采样+卫星授时+存储+4G无线传输”的方案，实现与上述方法相同的功能。
优选地，为保证系统工作过程中的有效供电，可采用电池供电+太阳能充电的供电方式。
本实施例提供的用于微震监测的无线智能数据传输系统，通过采用集成设置，结构简单，对发生微震的数据进行选择性存储，滤除没有微震的数据，降低了存储压力，降低了数据量成本。同时，本发明的数据传输系统，采用单片机作为主控，并且采用电池供电+太阳能充电的供电方式，此低功耗设计可以支撑2月以上，降低了微震监测系统的成本和功耗。
本发明实施例的具体实施过程参见上述方法实施例即可，本实施例在此不再赘述。由于本实施例与上述方法实施例原理相同，所以本系统也具有上述方法实施例相应的技术效果。
实施例3
在本发明的实施例3中，公开了实施例1中方法的一个应用实例，便于加深对本发明方法的理解。
利用单片机控制AD采样芯片进行数据采集，典型的数据如图3所示，本次数据采集的采样点数为20000000。
单片机按照实施例1中方法对上述数据进行信号检测，检测到的信号1如图4上所示，信号1的点数为20000，再对信号进行快速傅里叶变换分析，信号频谱如图4下所示。该信号的频率小于1KHz。
按1KHz的截止频率对信号1进行低通滤波，同时做1：100的抽取，抽取后的波形如图5上所示，信号1的点数将为200，对应的频谱如图5下所示。
对于信号2和信号3，按照相同的方法处理后，得到的点数均为200，进行智能判断处理后的数据压缩率为200*3/20000000＝0.03％。这种智能处理的压缩率是在在不到1秒就有一次微震事件发生的情况下得到的，实际情况是绝大部分时间没有微震发生，等效压缩率就更高了，可以大大减小数据率，节约流量费用，减小微震监测的运维成本。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于微震监测的无线智能数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过AD采样方式实时采集现场微震监测信号；
利用门限判决和统计判决方法对所述现场微震监测信号进行信号检测，得到完整的微震信号；
对所述完整的微震信号进行快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换后的结果进行频谱分析，得到信号主频；
根据所述信号主频，对所述傅里叶变换后的结果进行低通滤波处理，得到滤波后的微震信号；
根据信号频率，对滤波后的微震信号进行数据抽取；
将数据抽取后的信号传输到监控中心。
2.根据权利要求1所述的用于微震监测的无线智能数据传输方法，其特征在于，
所述利用门限判决和统计判决方法对所述现场微震监测信号进行信号检测，得到完整的微震信号，包括：
设定门限区间，当某一点的微震监测信号幅值超出所述设定门限区间时，将该点的前一点作为所述完整的微震信号的起点，并从起点开始连续采集微震监测信号，若在采集过程中，连续N个点落入门限区间内，则将落入门限区间的第一个点作为所述完整的微震信号的终点，从而得到一次完整的微震信号。
3.根据权利要求2所述的用于微震监测的无线智能数据传输方法，其特征在于，
所述门限值区间基于噪声信号的幅值设定。
4.根据权利要求1所述的用于微震监测的无线智能数据传输方法，其特征在于，所述N的取值范围为20～30。
5.根据权利要求3所述的用于微震监测的无线智能数据传输方法，其特征在于，同时调节门限区间的设定与N的选取，从而得到较为满意的完整的微震信号。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于微震监测的无线智能数据传输方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
对采集到的所述现场微震监测信号进行本地存储。
7.一种用于微震监测的无线智能数据传输系统，其特征在于，所述系统包括：AD采集模块、信号检测模块、微震信号处理模块、信号传输模块；其中，
AD采集模块，用于通过AD采样方式实时采集现场微震监测信号；
信号检测模块与所述AD采集模块相连，利用门限判决和统计判决方法对所述现场微震监测信号进行信号检测，得到完整的微震信号；
微震信号处理模块与所述信号检测模块相连，用于对所述完整的微震信号进行快速傅里叶变换，并对快速傅里叶变换后的结果进行频谱分析，得到信号主频；根据所述信号主频，对所述傅里叶变换后的结果进行低通滤波处理，得到滤波后的微震信号；根据信号频率，对滤波后的微震信号进行数据抽取；
信号传输模块与微震信号处理模块相连，用于将数据抽取后的信号传输到监控中心。
8.根据权利要求7所述的用于微震监测的无线智能数据传输系统，其特征在于，所述微震信号处理模块通过执行以下操作，得到完整的微震信号：
设定门限区间，所述门限值区间基于噪声信号的幅值设定。当某一点的微震监测信号幅值超出所述设定门限区间时，将该点的前一点作为所述完整的微震信号的起点，并从起点开始连续采集微震监测信号，若在采集过程中，连续N个点落入门限区间内，则将落入门限区间的第一个点作为所述完整的微震信号的终点，从而得到一次完整的微震信号。
9.根据权利要求8所述的用于微震监测的无线智能数据传输系统，其特征在于，
所述门限值区间基于噪声信号的幅值设定。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的用于微震监测的无线智能数据传输系统，其特征在于，所述系统还包括本地存储模块，用于对采集到的所述现场微震监测信号进行本地存储。
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2019
- 2019-09-20 CN CN201910890195.4A patent/CN110687590A/zh active Pending
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