CN115421187B - 缆式海底地震海啸监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缆式海底地震海啸监测系统，系统包括光电复合海缆、若干个水下监测节点和地震海啸监测岸基站；水下监测节点与光电复合海缆采用一体化设计，通过光电复合海缆将若干个水下监测节点串联后连接至地震海啸监测岸基站，构建覆盖水下区域的地震海啸监测网络；光电复合海缆，用于为水下监测节点提供电能、通信和时钟链路；水下监测节点采用两舱式结构，根据需要配置不同类型的地震海啸相关监测传感器，用于获取时间同步信息，将所在位置采集的监测数据处理后发送至地震海啸监测岸基站；地震海啸监测岸基站，用于获取和存储水下监测节点采集的监测数据；向水下监测节点提供时间同步信息；还用于为水下监测节点提供高压电能。

Description

缆式海底地震海啸监测系统

技术领域

本发明属于海洋地震观测技术领域，尤其涉及缆式海底地震海啸监测系统。

背景技术

海洋地震海啸监测是地震海啸预报、科学研究和国家安全的重要基础性工作，是国家公共事业的重要组成部分。大陆架内构造运动和地震活动相当活跃，近几十年来，我国渤海、黄海、台湾海峡和东南沿海都曾多次发生中强以上地震，对沿海经济发展的影响不可低估。

然而迄今为止，我国海域的地震海啸监测近乎空白，缺乏必要的观测手段是造成该问题的主要原因。随着我国社会经济发展，地震监测已经到了向海洋进军的阶段。因此，关注海洋、发展海洋地震海啸观测设备已成为我国构建地震监测体系的一个重要方向。

传统上的海洋地震观测方式是采用自沉浮式地震仪开展短期、自容式地震观测，沉浮式地震仪一般采用玻璃球耐压舱体，体积空间受限，因此携带电池有限，设备需在电池耗尽之前回收，其最长留海时间基本不超过1年，无法实现观测区域长期连续观测；另外，沉浮式地震仪采用数据自容式设计，采集的数据存储于本地，待设备回收后才能导出，因此无法对地震事件实现在线实时监测，上述缺点决定了自沉浮式地震仪无法实现海底地震实时监测和预警能力，目前海啸监测设备情况与地震仪类似。

利用光电复合海缆构建水下观测系统已成为一种新型的海洋观测方式，本发明通过海缆连接水下地震海啸观测设备为其提供电能和通信链路，实现了观测数据的连续、实时上传，真正实现了地震海啸监测所需要的快速数据获取。

专利号为ZL201911016705.1的中国专利描述了一种缆式海底地震监测系统，包括：主干子系统和若干个次级扩展子系统；主干子系统由岸上两个地震监测岸基站与多个一级海底地震监测站串联连接构成，组成海底地震监测系统的能源和数据汇聚连接网络；一个次级扩展子系统由一个一级海底地震监测站及其逐层级联的多个次级海底地震监测站组成；一级海底地震监测站用于实现地震数据的采集并对采集的数据进行数字化处理，接收其连接的次级海底地震监测站发送的数据，将所有数据汇总后发送到地震监测岸基站；次级海底地震监测站用于实现地震数据的采集、对采集的数据进行数字化处理，接收其连接的次级海底地震监测站发送的数据，将所有数据汇总后通过扩展海缆发送到上一级海底地震监测站。

该发明通过一级海底地震监测站扩展次级地震监测站的方式组成海底地震监测网络。存在如下缺点：

(1)海底地震监测站构成复杂，分为地震监测单元，海缆终端器、电源转换单元、地震传感器等多个组成部分，各部分仅实现特定功能，组合后才能工作，造成设备结构复杂，耐压舱体多，水下连接器多，导致漏水风险提升，造价也高；

(2)海底地震监测站之间采用海缆连接，受设备之间连接方式限制无法提前接续，需要在船上进行海缆接续，极大增加了系统集成和海上施工复杂度；

(3)地震传感器与其他组成集成在监测站框架上，因此地震监测站无法进行埋设，导致地震传感器无法与海底有效的进行耦合，由于直接布设在海床上，海流对地震传感器也会造成噪声影响。

因此上述发明虽然实现了海底地震监测的基本功能，却无法解决系统便于施工、可快速部署、长期可靠、低噪声数据获取等关键问题，且上述系统未描述具备海啸监测能力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出一种缆式海底地震海啸监测系统，可实时获取海底的地震和海啸信息发送到岸基地震海啸监测中心，可用于海洋地震海啸的监测和预警工作，为防灾减灾提供技术手段。

为了实现上述目的，本发明提出了一种缆式海底地震海啸监测系统，所述系统包括光电复合海缆、若干个水下监测节点和地震海啸监测岸基站；所述水下监测节点与光电复合海缆采用一体化设计，通过光电复合海缆将若干个水下监测节点串联后连接至地震海啸监测岸基站，构建覆盖水下区域的地震海啸监测网络；

所述光电复合海缆，用于为水下监测节点提供电能、通信和时钟链路；

所述水下监测节点采用两舱式结构，根据需要配置不同类型的地震海啸相关监测传感器，所述水下监测节点用于获取地震海啸监测岸基站发送的时间同步信息，将所在位置采集的对应时间同步信息的地震海啸相关监测数据处理后经光电复合海缆发送至地震海啸监测岸基站；

所述地震海啸监测岸基站，用于获取和存储水下监测节点采集的监测数据；用于向水下监测节点提供时间同步信息；还用于为水下监测节点提供高压电能。

作为上述系统的一种改进，所述光电复合海缆包括供电导体和光纤。

作为上述系统的一种改进，所述地震海啸相关监测传感器包括地震计、海啸计和水听器。

作为上述系统的一种改进，所述水下监测节点包括第一限弯器、第二限弯器、耐压舱体和非耐压舱体；其中，

一侧光电复合海缆的供电导体和光纤经第一限弯器后进入耐压舱体，另一侧光电复合海缆的供电导体和光纤经第二限弯器和非耐压舱体进入耐压舱体。

作为上述系统的一种改进，所述耐压舱体内部包括取电电路、采集电路、时钟电路、控制电路、两条通信电路和地震计；非耐压舱体内部包括海啸计和水听器；其中，

所述取电电路通过光电复合海缆的供电导体与相邻水下监测节点的取电电路连接，用于将光电复合海缆传输的高压供电转换为低压电后供耐压舱体内部的其他电路使用；

所述采集电路，用于将地震计、海啸计和水听器采集的监测数据经数字化处理后发送至控制电路；

所述时钟电路用于获取并解析由地震海啸监测岸基站发送的时间同步信息，为控制电路和通信电路提供高精度的时间同步；每个时钟电路通过光电复合海缆的一对光纤分别与相邻水下监测节点的时钟电路连接，第N+1个水下监测节点的时钟电路通过光电复合海缆的另一对光纤与时间服务器连接，构成一个时间同步的环形冗余网络；

所述控制电路，用于将数字化处理后的监测数据分别发送至两条通信电路；

所述两条通信电路通过光电复合海缆的光纤分别与相邻水下监测节点的两条通信电路连接，第1个与第N+1个水下监测节点的两条通信电路分别与相近的地震海啸监测岸基站的光交换机连接，构成数据传输的环形冗余网络；所述数据传输的环形冗余网络用于将数字化处理后的监测数据发送至地震海啸监测岸基站。

作为上述系统的一种改进，所述非耐压舱体外壁有供海水流动的开孔，用于使海啸计和水听器与海水接触。

作为上述系统的一种改进，所述非耐压舱体与耐压舱体之间设置连接器，用于将海啸计和水听器采集的监测信号传输至耐压舱体内部的采集电路。

作为上述系统的一种改进，所述地震海啸监测岸基站包括：数据服务器、时间服务器和岸基电源；其中，

所述数据服务器，用于获取和存储N+1个水下监测节点采集的监测数据；

所述时间服务器，用于实现地震海啸监测岸基站和N+1个水下监测节点的时间同步；

所述岸基电源，用于通过光电复合海缆为N+1个水下监测节点提供高压电能。

作为上述系统的一种改进，所述系统通过地震海啸监测适配器经湿插拔连接器接至海底观测网接驳盒，进而接入海底观测网。

作为上述系统的一种改进，所述地震海啸监测适配器包括电压转换电路、数据交换电路和时钟交换电路；其中，

所述电压转换电路连接湿插拔连接器，用于将海底观测网接驳盒传输的电能经转换后为水下监测节点供电；

所述数据交换电路的一侧连接至湿插拔连接器，另一侧经光电复合海缆的光纤与第1个水下监测点的两条通信电路连接，用于将N+1个串联的水下监测节点的监测数据发送至海底观测网接驳盒；

所述时钟交换电路的一侧连接至湿插拔连接器，另一侧经光电复合海缆的光纤与第1个水下监测点的时钟电路连接，用于将海底观测网的岸基站下发的时间同步信息发送至N+1个串联的水下监测节点。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、系统结构简单，水下监测节点与海缆高度集成，在海缆厂即可完成集成工作，漏水风险点大大减少，海上施工方便，同布放传统通信海缆系统类似，不需要额外吊装设备，也不需要水下插拔作业；

2、水下监测节点体积小，可埋设，能大大减少海流造成的环境噪声，同时增大与海床的耦合性，提高数据质量；

3、独立的通信链路和时间同步链路，且都进行了环形冗余设计，大大提高了系统可靠性，另外时间信息与数据信息链路独立，会避免数据链路的阻塞延时对时间同步的影响，提高系统的时间精度；

4、水下监测节点采用两舱式设计，耐压舱和非耐压舱可根据实际需要配置不同类型传感器，扩展灵活，传感器适配性强；

5、水下监测节点串联组成数字观测阵列，既可以直接连接到地震海啸监测岸基站构建独立的地震海啸监测网络，也可连接到海底观测网等现有网络上，利用现有设施快速建设地震海啸监测网络，降低系统建设成本。

附图说明

图1是本发明的缆式海底地震海啸监测系统连接示意图；

图2是水下监测节点组成图；

图3是水下监测节点内部功能组成框图；

图4是海底地震海啸监测系统供电通信时钟链路示意图；

图5是缆式地震海啸监测系统接入到海底观测网示意图；

图6是缆式地震海啸监测系统接入海底观测网具体组成示意图。

具体实施方式

本发明提供了一套完整的海底地震海啸监测方案，主要由地震海啸监测岸基站、光电复合海缆、水下监测节点等组成，其中水下监测节点采用两段式结构，耐压舱体内部集成地震计、采集电路等，非耐压舱体集成海啸计、水听器等传感器，水下监测节点与海缆采用一体化设计，通过海缆进行串联，海上施工之前即可在海缆厂进行水下监测节点与海缆的集成，因此节省了大量施工工作量，也降低了船上集成不可靠的风险，极大地提升了设备可靠性，也可快速布放在地震多发区域，实时监测该区域地震事件，开展突发事件监测。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

实施例1

本发明提出一种新型的缆式海底地震海啸监测系统，该系统由多个水下监测节点与光电复合海缆串联组成，最终连接到地震海啸监测岸基站上(也可连接到海底观测网上)。

水下监测节点主要由限弯器、耐压舱体、非耐压舱体组成，耐压舱体内部包括取电电路、通信电路、时钟电路、控制电路、采集电路和地震计组成；非耐压舱体内部由海啸计、水听器组成；

光电复合海缆中的供电导体和光纤通过耐压舱体两侧端盖进入耐压舱体，为水下监测节点提供电能和通信链路；海啸计和水听器通过连接器经一侧端盖进入耐压舱体，连接到耐压舱体内部采集电路；

水下监测节点中，取电电路与供电导体连接，用于将海缆上高压供电转换为低压电随后供其他电路使用(供电体制可以为恒压直流供电，也可为恒流直流供电)；通信电路与光纤连接，用于将采集电路获取的数据和相邻节点发送的数据汇聚后发送到地震海啸监测岸基站；时钟电路获取并解析由地震海啸监测岸基站发送的时间同步信息为采集电路提供高精度时间同步；采集电路用于将地震计、海啸计、水听器输出的模拟信号转换成数字信号并发送到地震海啸监测岸基站；

图1为缆式海底地震海啸监测系统连接示意图，地震海啸监测岸基站(1个或2 个)通过光电复合海缆与水下监测节点连接，多个水下监测节点串联，间距数公里到数十公里，构建了覆盖大片水下区域的地震海啸监测网络；

图2为水下监测节点的组成图，采用的是和海缆高度集成的一体化设计，可以看到一侧海缆经过限弯器保护后直接进入耐压舱体，另一侧海缆经过限弯器保护后通过非耐压舱体最终进入耐压舱体，非耐压舱体外壁有供海水流动的开孔，相当于海啸计和水听器直接和海水接触，最终通过与耐压舱体的连接器将信号传输到耐压舱体内部的采集电路；

图3为水下监测节点内部功能组成框图，采集电路获取地震计、海啸计、水听器等传感器的数据发送给控制电路，控制电路将数据发送给通信电路最终发送到地震海啸监测岸基站，时钟电路通过通信电路获取岸基站发送的时间同步信息，转换为pps+tod时间信息为控制电路进行时间同步，进而实现为采集数据赋予高精度时间信息；

图4为整个缆式海底地震海啸监测系统的电能、通信、时钟连接框图，从图上可看出，地震海啸监测岸基站包括数据服务器、时间服务器、光交换机、岸基电源等设备。数据服务器用于最终获取和存储水下监测节点采集的数据；时间服务器用于同步地震海啸监测岸基站和水下监测节点的时间；岸基电源用于通过光电复合海缆为水下监测节点提供高压电能。

时间服务器通过卫星获取高精度时间，并将时间信息通过光电复合缆中的一对光纤FP5发送到距离地震海啸监测岸基站最近的水下监测节点1时钟电路的输入接口，随后该水下节点1的时钟电路输出接口通过一对光纤FP5与水下监测节点2内的时钟电路的输入接口连接，最终最后一个水下监测节点N+1的输出接口通过一对光纤FP6与时间服务器连接，构成一个时间同步的环形冗余网络；

水下监测节点内部包含两个通信电路，通信电路1和通信电路2，采集电路分别和通信电路1和通信电路2连接，将采集到的传感器(地震计、海啸计、水听器) 数据分别发送给通信电路1和通信电路2；

地震海啸监测岸基站的光交换机通过一对光纤FP2与水下监测节点1的通信电路1的输入接口连接，水下监测节点1的通信电路1的输出接口通过一对光纤FP2 与水下监测节点2通信电路1的输入接口连接，最终最后一个水下监测节点N+1的通信电路1通过一对光纤FP1与光交换机连接，构成一个数据传输的环形冗余网络；

通信电路2的连接方式与通信电路1基本相同，主要起到冗余保护作用；

岸基电源通过光电复合海缆(铜导体)与水下监测节点1的取电电路连接，随后水下监测节点的取电电路分别与后级的水下监测节点连接，直至最后一个水下监测节点N+1；

优选的，本发明的系统还可以接入海底观测网，图5和图6分别为缆式海底地震海啸监测系统接入海底观测网示意图和具体组成图。系统通过湿插拔连接器接到海底观测网接驳盒上进而接入到海底观测网，具体是在光电复合海缆和水下监测节点之外设有地震海啸监测适配器，地震海啸监测适配器内部包括电压转换电路、数据交换电路和时钟交换电路，电压转换电路连接湿插拔连接器的供电线，将接驳盒传输的电能进行转换后为水下监测节点供电，数据交换电路左侧连接湿插拔连接器的光纤FP7，右侧连接光电复合海缆的光纤FP1，FP2，FP3，FP4，数据交换电路将 FP1，FP2，FP3，FP4上传的监控数据汇聚后通过FP7传输到接驳盒，接驳盒通过海底观测网络传输到岸基站；时钟交换电路左侧连接湿插拔连接器的光纤FP8，右侧连接光电复合海缆的光纤FP5和FP6，时钟交换电路将岸基站下发的时间同步信息通过FP5和FP6发送给水下监测节点的时钟电路；同时海底观测网岸基站可承担地震海啸监测岸基站的功能，实现观测数据的存储、展示和处理等功能。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种缆式海底地震海啸监测系统，其特征在于，所述系统包括光电复合海缆、若干个水下监测节点和地震海啸监测岸基站；所述水下监测节点与光电复合海缆采用一体化设计，通过光电复合海缆将若干个水下监测节点串联后连接至地震海啸监测岸基站，构建覆盖水下区域的地震海啸监测网络；

所述光电复合海缆，用于为水下监测节点提供电能、通信和时钟链路；

所述水下监测节点采用两舱式结构，根据需要配置不同类型的地震海啸相关监测传感器，所述水下监测节点用于获取地震海啸监测岸基站发送的时间同步信息，将所在位置采集的对应时间同步信息的地震海啸相关监测数据处理后经光电复合海缆发送至地震海啸监测岸基站；

所述地震海啸监测岸基站，用于获取和存储水下监测节点采集的监测数据；用于向水下监测节点提供时间同步信息；还用于为水下监测节点提供高压电能；

所述光电复合海缆包括供电导体和光纤；

所述地震海啸相关监测传感器包括地震计、海啸计和水听器；

所述水下监测节点包括第一限弯器、第二限弯器、耐压舱体和非耐压舱体；其中，

一侧光电复合海缆的供电导体和光纤经第一限弯器后进入耐压舱体，另一侧光电复合海缆的供电导体和光纤经第二限弯器和非耐压舱体进入耐压舱体；

所述耐压舱体内部包括取电电路、采集电路、时钟电路、控制电路、两条通信电路和地震计；非耐压舱体内部包括海啸计和水听器；其中，

所述取电电路通过光电复合海缆的供电导体与相邻水下监测节点的取电电路连接，用于将光电复合海缆传输的高压供电转换为低压电后供耐压舱体内部的其他电路使用；

所述采集电路，用于将地震计、海啸计和水听器采集的监测数据经数字化处理后发送至控制电路；

所述时钟电路，用于获取并解析由地震海啸监测岸基站发送的时间同步信息，为控制电路和通信电路提供高精度的时间同步；每个时钟电路通过光电复合海缆的一对光纤分别与相邻水下监测节点的时钟电路连接，第N+1个水下监测节点的时钟电路通过光电复合海缆的另一对光纤与时间服务器连接，构成一个时间同步的环形冗余网络；

所述控制电路，用于将数字化处理后的监测数据分别发送至两条通信电路；

所述两条通信电路通过光电复合海缆的光纤分别与相邻水下监测节点的两条通信电路连接，第1个与第N+1个水下监测节点的两条通信电路分别与相近的地震海啸监测岸基站的光交换机连接，构成数据传输的环形冗余网络；所述数据传输的环形冗余网络用于将数字化处理后的监测数据发送至地震海啸监测岸基站。

2.根据权利要求1所述的缆式海底地震海啸监测系统，其特征在于，所述非耐压舱体外壁有供海水流动的开孔，用于使海啸计和水听器与海水接触。

3.根据权利要求1所述的缆式海底地震海啸监测系统，其特征在于，所述非耐压舱体与耐压舱体之间设置连接器，用于将海啸计和水听器采集的监测信号传输至耐压舱体内部的采集电路。

4.根据权利要求1所述的缆式海底地震海啸监测系统，其特征在于，所述地震海啸监测岸基站包括：数据服务器、时间服务器和岸基电源；其中，

所述数据服务器，用于获取和存储N+1个水下监测节点采集的监测数据；

所述时间服务器，用于实现地震海啸监测岸基站和N+1个水下监测节点的时间同步；

所述岸基电源，用于通过光电复合海缆为N+1个水下监测节点提供高压电能。

5.根据权利要求1所述的缆式海底地震海啸监测系统，其特征在于，所述系统通过地震海啸监测适配器经湿插拔连接器接至海底观测网接驳盒，进而接入海底观测网。

6.根据权利要求5所述的缆式海底地震海啸监测系统，其特征在于，所述地震海啸监测适配器包括电压转换电路、数据交换电路和时钟交换电路；其中，

所述电压转换电路连接湿插拔连接器，用于将海底观测网接驳盒传输的电能经转换后为水下监测节点供电；

所述数据交换电路的一侧连接至湿插拔连接器，另一侧经光电复合海缆的光纤与第1个水下监测点的两条通信电路连接，用于将N+1个串联的水下监测节点的监测数据发送至海底观测网接驳盒；

所述时钟交换电路的一侧连接至湿插拔连接器，另一侧经光电复合海缆的光纤与第1个水下监测点的时钟电路连接，用于将海底观测网的岸基站下发的时间同步信息发送至N+1个串联的水下监测节点。

Images