CN116805462B - 一种地震模拟体验装置的信号测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及振动信号测量技术领域，具体涉及一种地震模拟体验装置的信号测量系统，包括传感器模块、信号处理模块、显示模块，其特征在于，还包括环境适应模块以及校准模块，其中，所述传感器模块用于准确检测地震模拟体验装置产生的振动信号；所述信号处理模块对所述振动信号进行分析并转化为地震信号；所述显示模块将地震信号的信息以图形方式显示；所述环境适应模块用于自动监测和分析周围环境条件，并据此调整地震模拟参数；所述校准模块用于校准和评估地震模拟体验装置性能。本发明，确保了模拟结果与真实地震环境的物理条件的高度一致性，从而提高了模拟的真实感。

Description

一种地震模拟体验装置的信号测量系统

技术领域

本发明涉及振动信号测量技术领域，尤其涉及一种地震模拟体验装置的信号测量系统。

背景技术

随着地震研究和教育的深入，地震模拟技术越来越受到关注。地震模拟不仅能够帮助科研人员更好地理解地震的形成机制和动力学，还可以为公众提供直观的教育和培训，以提高地震防范意识和应对能力。然而，大多数现有的地震模拟技术主要侧重于模拟地震的振动效果，往往忽视了其他重要的环境因素，如温度、湿度、声音等，这些因素对于创建一个真实感的地震模拟环境是至关重要的。

传统的地震模拟体验装置通常使用基于物理模型的方法来模拟地震效果，如通过机械振动平台来模拟地面震动。但这些方法在模拟复杂的地震波形和频率响应方面具有局限性，且很难实现多维度的地震模拟，如同时模拟地震的震动、声音和光线变化等。

此外，现有的地震模拟技术往往忽视了实时数据分析和反馈的重要性。例如，当模拟装置的某个部分出现故障或偏差时，系统往往不能及时检测并进行调整，这可能导致模拟结果的不准确或甚至设备的损坏。

为了解决这些问题，本发明提出了一种地震模拟体验装置的信号测量系统。该系统结合了先进的传感器技术、信号处理算法、显示技术和自适应控制技术，能够实现高度逼真的多维度地震模拟，并具有高度的实时性和可靠性。特别是通过引入环境适应模块，该系统能够根据周围环境的实际条件动态调整模拟参数，从而确保模拟结果与真实地震环境的物理条件高度一致。

发明内容

基于上述目的，本发明提供了一种地震模拟体验装置的信号测量系统。

一种地震模拟体验装置的信号测量系统，包括传感器模块、信号处理模块、显示模块，还包括环境适应模块以及校准模块，其中，

所述传感器模块用于准确检测地震模拟体验装置产生的振动信号；

所述信号处理模块对所述振动信号进行分析并转化为地震信号；

所述显示模块将地震信号的信息以图形方式显示；

所述环境适应模块用于自动监测和分析周围环境条件，并据此调整地震模拟参数以匹配实际地震环境的物理条件；

所述校准模块用于校准和评估地震模拟体验装置性能。

进一步的，所述周围环境条件包括温度、湿度、气压、振动、声音。

进一步的，所述地震模拟体验装置为体验室，所述传感器模块包括：

温度传感器：安装在体验室内的中央位置，用以监测室内温度；

湿度传感器：安装在体验室内的墙角位置，用以监测室内湿度；

气压传感器：安装在体验室内的天花板位置，用以监测室内气压；

振动传感器：安装在地震模拟台底部，用以监测振动强度和频率；

声音传感器：安装在体验室内的墙壁，用以模拟地震时的声响效果。

进一步的，所述信号处理模块将振动信号转化为地震信号具体包括：

信号滤波算法：通过带通滤波器将无关的噪声和非目标频率的振动剔除，保留地震振动信号的核心部分；

快速傅里叶变换（FFT）：将时间域的振动信号转化为频率域的信号；

地震信号特征提取：通过频率域分析和时频域分析来提取地震信号的特征参数，包括振幅、持续时间、波形；

地震信号重建：使用逆傅里叶变换算法，基于提取的地震信号特征重建地震信号。

进一步的，所述信号滤波算法基于传递函数，表示为：

其中，和/>分别为带通滤波器的最小和最大截止频率，/>为滤波器的阶数；

所述快速傅里叶变换 (FFT)：对于一个离散时间信号，其离散傅里叶变换(DFT)表示为：

其中，

为频率域表示；

为时间域信号；

为信号长度；

为频率索引；

为虚数单位。

进一步的，所述环境适应模块基于自适应控制算法，根据传感器模块获取的温度、湿度、气压、振动、声音数据进行调整体验室的环境，并与信号处理模块协同工作，确保振动信号的分析与模拟不仅反映地震的振动特性，还与环境条件相匹配，根据环境适应模块的发出的调整信号，信号处理模块相应调整振动信号，以便模拟地震在不同环境中的效果。

进一步的，所述自适应控制算法基于模型预测控制 (MPC) ，在地震模拟体验装置的环境适应模块中，使用以下优化问题表示模型预测控制的目标：

其中：

为预测时间窗口内的控制输入序列；

为系统输出的预测；

为期望的参考轨迹或目标值；

和/>为系统的状态空间模型参数；

为由环境传感器得到的环境扰动项，包括温度、湿度、气压、振动、声音；

和/>为权重矩阵，用于调整轨迹跟踪和控制输入平滑度之间的权衡；

和/>为控制输入的下限和上限；

输出预测：表示环境参数的预测值，包括模拟的振动、温度、湿度、气压，以上值根据当前的环境条件和地震模拟参数计算；

期望轨迹：是期望的参考轨迹或目标值，根据实际地震环境的物理条件设定；

环境扰动项：由环境适应模块的传感器数据确定，通过监测实时的环境变化，系统调整模拟参数以适应以上变化；

控制输入约束：下限和上限约束确保控制输入在合理的范围内。

进一步的，所述校准模块校准和评估地震模拟体验装置性能的过程包括：

设备检查与初始化：

校准模块首先进行设备检查，确认所有的传感器、执行器和控制元件处于正常工作状态，并初始化设备到预定的初始状态；

传感器校准：

偏差校准：校准模块通过预设的标准值来校准每个传感器的偏差；

灵敏度校准：根据预设的刺激值，校准每个传感器的响应灵敏度；

执行器校准：

执行器校准涉及调整执行器的响应特性，包括振动平台的振动幅度和频率响应；

系统性能评估：

模拟准确性测试：通过与真实地震数据的比较，评估模拟的准确性；

响应时间测试：测量系统对突然环境变化的响应时间，以评估其实时性能；

自动校准与调整：

校准模块可能还包括自动校准功能，它可以根据评估结果自动调整系统参数，确保模拟的准确性和一致性。

进一步的，所述显示模块基于图形显示界面，用于以图表、曲线、动画形式展示地震模拟的实时数据和分析结果，包括：

地震波形显示：通过3D可视化，实时展示地震的振动波形；

模拟地图：显示地震影响的区域地图，并标出重要地理特点和建筑物；

故障诊断和系统状态：实时展示设备状态，包括传感器数据、执行器性能、校准状态。

本发明的有益效果：

本发明，通过结合多种类型的传感器和先进的信号处理技术，本系统能够同时模拟地震的震动、声音、光线变化等多个维度，从而提供了更加逼真和全面的地震模拟体验，借助环境适应模块，本系统能够实时监测和分析周围环境条件，并据此调整地震模拟参数。这确保了模拟结果与真实地震环境的物理条件的高度一致性，从而提高了模拟的真实感。

本发明，通过自适应控制算法和校准模块的结合，能够自动校准和调整设备性能，确保长期运行的精确性和可靠性，本系统不仅适用于科学研究和工程应用，还可以用于地震教育和培训，学校和社区可以使用该系统进行地震防范教育，工程师可以通过该系统进行地震工程的仿真和设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，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为本发明实施例的系统逻辑示意图；

图2为本发明实施例的校准模块示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1-图2所示，一种地震模拟体验装置的信号测量系统，包括传感器模块、信号处理模块、显示模块，还包括环境适应模块以及校准模块，其中，

所述传感器模块用于准确检测地震模拟体验装置产生的振动信号；

信号处理模块对振动信号进行分析并转化为地震信号；

显示模块将地震信号的信息以图形方式显示；

环境适应模块用于自动监测和分析周围环境条件，并据此调整地震模拟参数以匹配实际地震环境的物理条件，从而更加真实地再现地震现场的感觉；

校准模块用于校准和评估地震模拟体验装置性能；

环境适应模块将地震模拟体验装置与环境因素紧密相连，地震时的温度、湿度、气压等环境因素会影响人们对地震的感知，这一模块使得地震模拟不仅限于振动，还能再现实际地震环境的物理条件。此外，环境适应模块还可用于特定的地震研究和培训场景，如山区、沿海或沙漠地区的地震模拟，它增强了地震模拟体验的真实性和多样性。

周围环境条件包括温度、湿度、气压、振动、声音。

地震模拟体验装置为体验室，传感器模块包括：

温度传感器：安装在体验室内的中央位置，用以监测室内温度；

湿度传感器：安装在体验室内的墙角位置，用以监测室内湿度；

气压传感器：安装在体验室内的天花板位置，用以监测室内气压；

振动传感器：安装在地震模拟台底部，用以监测振动强度和频率；

声音传感器：安装在体验室内的墙壁，用以模拟地震时的声响效果；

以上传感器分别监测不同的环境因素，并安装在地震模拟体验装置的适当位置，以便准确捕捉这些因素。这一组合为地震模拟体验装置提供了全方位的感知能力，使其能够在模拟地震时考虑到更多的现实环境因素，从而增强了体验的真实性和沉浸感。

信号处理模块将振动信号转化为地震信号具体包括：

信号滤波算法：通过带通滤波器将无关的噪声和非目标频率的振动剔除，保留地震振动信号的核心部分；

快速傅里叶变换（FFT）：将时间域的振动信号转化为频率域的信号；

地震信号特征提取：通过频率域分析和时频域分析来提取地震信号的特征参数，包括振幅、持续时间、波形；

地震信号重建：使用逆傅里叶变换算法，基于提取的地震信号特征重建地震信号。

信号滤波算法基于传递函数，表示为：

其中，和/>分别为带通滤波器的最小和最大截止频率，/>为滤波器的阶数；

在地震模拟体验装置中，我们可能想要去除过低或过高的频率，因为这些频率并不代表实际地震的振动。例如，低于0.1Hz的振动可能是由于设备的机械噪声产生，而高于50Hz的振动可能是由于电器噪声或其他外部因素产生。通过使用带通滤波器，我们可以确保只保留0.1Hz到50Hz之间的频率，这些频率范围内的振动更有可能代表真实的地震振动；

快速傅里叶变换 (FFT)：对于一个离散时间信号，其离散傅里叶变换( DFT)表示为：

其中，

为频率域表示；

为时间域信号；

为信号长度；

为频率索引；

为虚数单位；

在地震模拟体验装置中，通过对振动信号进行FFT，我们可以得到该信号在不同频率下的振幅和相位信息。例如，对于一个持续10秒的振动信号，其时间域表示可能会显示一个复杂的振动模式。但通过FFT，我们可以看到该振动主要是由哪些频率组成的。这有助于我们了解地震的特性，例如，低频振动可能代表地震波的P波，而高频振动可能代表S波。通过这种分析，我们可以更好地模拟地震的各个阶段，从而为用户提供一个真实的体验。

环境适应模块基于自适应控制算法，根据传感器模块获取的温度、湿度、气压、振动、声音数据进行调整体验室的环境，并与信号处理模块协同工作，确保振动信号的分析与模拟不仅反映地震的振动特性，还与环境条件相匹配，根据环境适应模块的发出的调整信号，信号处理模块相应调整振动信号，以便模拟地震在不同环境中的效果。

环境适应模块不仅监测环境，还需要根据监测的数据分析和调整地震模拟的参数。

温度调整：如果监测到温度有显著变化，模拟系统可以通过调整体验室的温度来模拟地震时可能的温度变化，如地震前的温度升高或降低现象。

湿度调整：通过改变湿度，可以调整体验者皮肤上的湿润感，以此来模拟地震前的湿度变化现象，从而增加沉浸感。

气压调整：模拟系统可以微调体验室的气压，以模拟地震活动可能引起的气压变化，这需要配合特殊的气压控制设备。

振动调整：根据实际的振动数据，系统可以调整振动台的振动频率和振幅，以便与实际地震环境的物理条件相匹配。

环境适应模块与自适应控制算法的结合主要涉及以下几个步骤：

数据收集：环境适应模块通过传感器收集温度、湿度、气压等环境数据。

环境分析：环境适应模块分析收集到的数据，确定与实际地震环境匹配所需的模拟参数调整。

参数调整：自适应控制算法根据环境适应模块的分析结果自动调整地震模拟参数。例如，如果分析结果显示室内温度过低，自适应控制算法可能会指示温度控制系统增加温度，以模拟地震发生时可能的温度升高现象。

实时监控与反馈：环境适应模块继续监测环境条件，并将数据提供给自适应控制算法。自适应控制算法不断调整模拟参数，确保与实际环境的持续匹配。

通过这种结合方式，环境适应模块与自适应控制算法可以直接协同工作，确保地震模拟的准确性和逼真度。这种方法的优点是更为直接和灵活，可以快速响应环境变化，并允许更精确的模拟控制。不与信号处理模块结合，也使得系统结构更为简洁，有助于减小系统复杂性和提高可维护性，自适应控制算法基于模型预测控制 (MPC) ，在地震模拟体验装置的环境适应模块中，使用以下优化问题表示模型预测控制的目标：

其中：

为预测时间窗口内的控制输入序列；

为系统输出的预测；

为期望的参考轨迹或目标值；

和/>为系统的状态空间模型参数；

为由环境传感器得到的环境扰动项，包括温度、湿度、气压、振动、声音；

和/>为权重矩阵，用于调整轨迹跟踪和控制输入平滑度之间的权衡；

和/>为控制输入的下限和上限；

输出预测：表示环境参数的预测值，包括模拟的振动、温度、湿度、气压，以上值根据当前的环境条件和地震模拟参数计算；

期望轨迹：是期望的参考轨迹或目标值，根据实际地震环境的物理条件设定；

环境扰动项：由环境适应模块的传感器数据确定，通过监测实时的环境变化（如温度、湿度等变化），系统调整模拟参数以适应以上变化；

控制输入约束：下限和上限约束确保控制输入在合理的范围内，例如振动强度不会过大或过小；

通过解决上述优化问题，自适应控制算法可以实时调整地震模拟参数，确保与实际环境条件的持续匹配。这种方法使得地震模拟更为逼真和精确，提供了更真实的体验效果。

校准模块校准和评估地震模拟体验装置性能的过程包括：

设备检查与初始化：

校准模块首先进行设备检查，确认所有的传感器、执行器和控制元件处于正常工作状态，并初始化设备到预定的初始状态；

传感器校准：

偏差校准：校准模块通过预设的标准值来校准每个传感器的偏差；

灵敏度校准：根据预设的刺激值，校准每个传感器的响应灵敏度；

执行器校准：

执行器校准涉及调整执行器的响应特性，包括振动平台的振动幅度和频率响应；

系统性能评估：

模拟准确性测试：通过与真实地震数据的比较，评估模拟的准确性；

响应时间测试：测量系统对突然环境变化的响应时间，以评估其实时性能；

自动校准与调整：

校准模块可能还包括自动校准功能，它可以根据评估结果自动调整系统参数，确保模拟的准确性和一致性；

校准模块通过一系列精确和全面的步骤确保地震模拟体验装置的性能和准确性。从传感器和执行器的单独校准到整体系统性能的评估，校准模块使地震模拟体验装置能够提供准确、一致和可靠的地震模拟，为用户提供逼真的体验。

显示模块基于图形显示界面，用于以图表、曲线、动画形式展示地震模拟的实时数据和分析结果，包括：

地震波形显示：通过3D可视化，实时展示地震的振动波形；

模拟地图：显示地震影响的区域地图，并标出重要地理特点和建筑物；

故障诊断和系统状态：实时展示设备状态，包括传感器数据、执行器性能、校准状态。

为了验证本发明的地震模拟体验装置的信号测量系统的效果和性能，进行了以下的实验测试。

实验1：多维度模拟能力测试。

目的：验证系统能否同时模拟地震的震动、声音、光线变化等多个维度，并与实际地震数据相匹配。

方法：选择了三组不同的实际地震数据，分别模拟了震级5.0、6.0和7.0的地震。通过振动传感器、声音传感器和光传感器，模拟了地震的多维度效果。

结果：与实际地震数据对比，震动模拟误差小于3%，声音模拟误差小于5%，光线变化模拟误差小于4%。

实验2：环境适应性测试。

目的：验证环境适应模块是否能根据周围环境的实际条件动态调整模拟参数。

方法：在不同的温度和湿度条件下进行地震模拟，观察系统是否能自动调整震动强度和频率响应。

结果：在温度范围10-40℃，湿度范围20%-80%之间，系统均能正确识别环境变化，并相应调整模拟参数，调整精度达到90%以上。

实验3：自适应控制和校准测试。

目的：验证系统的自动校准和调整功能。

方法：通过人为设置不同的偏差和故障情况，观察系统是否能自动检测并进行校准和调整。

结果：对于振动传感器偏差±5%、声音传感器偏差±4%、光传感器偏差±3%的情况，系统均能在2分钟内自动检测并完成校准和调整。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明旨在涵盖落入权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种地震模拟体验装置的信号测量系统，其特征在于，包括传感器模块、信号处理模块、显示模块，其特征在于，还包括环境适应模块以及校准模块，其中，

所述传感器模块用于准确检测地震模拟体验装置产生的振动信号；

所述信号处理模块对所述振动信号进行分析并转化为地震信号；

所述显示模块将地震信号的信息以图形方式显示；

所述环境适应模块用于自动监测和分析周围环境条件，并据此调整地震模拟参数以匹配实际地震环境的物理条件；

所述校准模块用于校准和评估地震模拟体验装置性能；

所述周围环境条件包括温度、湿度、气压、振动、声音；

所述地震模拟体验装置为体验室，所述传感器模块包括：

温度传感器：安装在体验室内的中央位置，用以监测室内温度；

湿度传感器：安装在体验室内的墙角位置，用以监测室内湿度；

气压传感器：安装在体验室内的天花板位置，用以监测室内气压；

振动传感器：安装在地震模拟台底部，用以监测振动强度和频率；

声音传感器：安装在体验室内的墙壁，用以模拟地震时的声响效果；

所述信号处理模块将振动信号转化为地震信号具体包括：

信号滤波算法：通过带通滤波器将无关的噪声和非目标频率的振动剔除，保留地震振动信号的核心部分；

快速傅里叶变换：将时间域的振动信号转化为频率域的信号；

地震信号特征提取：通过频率域分析和时频域分析来提取地震信号的特征参数，包括振幅、持续时间、波形；

地震信号重建：使用逆傅里叶变换算法，基于提取的地震信号特征重建地震信号；

所述信号滤波算法基于传递函数，表示为：

其中，f_min和f_max分别为带通滤波器的最小和最大截止频率，n为滤波器的阶数；

所述快速傅里叶变换：对于一个离散时间信号x(n)，其离散傅里叶变换(DFT)表示为：

其中，

X(k)为频率域表示；

x(n)为时间域信号；

N为信号长度；

k为频率索引；

j为虚数单位；

所述环境适应模块基于自适应控制算法，根据传感器模块获取的温度、湿度、气压、振动、声音数据进行调整体验室的环境，并与信号处理模块协同工作，确保振动信号的分析与模拟不仅反映地震的振动特性，还与环境条件相匹配，根据环境适应模块的发出的调整信号，信号处理模块相应调整振动信号，以便模拟地震在不同环境中的效果；

所述自适应控制算法基于模型预测控制，在地震模拟体验装置的环境适应模块中，使用以下优化问题表示模型预测控制的目标：

subject to y_k+I|t＝Ay_k|t+Bu_k|t+d_t

y_0|t＝y_t

其中：

U＝[u_0|t，u_1|t，...，u_N-1|t]为预测时间窗口内的控制输入序列；

y_kt为系统输出的预测；

r_k|t为期望的参考轨迹或目标值；

A和B为系统的状态空间模型参数；

d_t为由环境传感器得到的环境扰动项，包括温度、湿度、气压、振动、声音；

Q和R为权重矩阵，用于调整轨迹跟踪和控制输入平滑度之间的权衡；

u和为控制输入的下限和上限；

输出预测：y_k|t表示环境参数的预测值，包括模拟的振动、温度、湿度、气压，以上值根据当前的环境条件和地震模拟参数计算；

期望轨迹：r_k∣t是期望的参考轨迹或目标值，根据实际地震环境的物理条件设定；

环境扰动项：d_t由环境适应模块的传感器数据确定，通过监测实时的环境变化，系统调整模拟参数以适应以上变化；

控制输入约束：下限和上限约束确保控制输入在合理的范围内。

2.根据权利要求1所述的一种地震模拟体验装置的信号测量系统，其特征在于，所述校准模块校准和评估地震模拟体验装置性能的过程包括：

设备检查与初始化：

校准模块首先进行设备检查，确认所有的传感器、执行器和控制元件处于正常工作状态，并初始化设备到预定的初始状态；

传感器校准：

偏差校准：校准模块通过预设的标准值来校准每个传感器的偏差；

灵敏度校准：根据预设的刺激值，校准每个传感器的响应灵敏度；

执行器校准：

执行器校准涉及调整执行器的响应特性，包括振动平台的振动幅度和频率响应；

系统性能评估：

模拟准确性测试：通过与真实地震数据的比较，评估模拟的准确性；

响应时间测试：测量系统对突然环境变化的响应时间，以评估其实时性能；

自动校准与调整：

校准模块还包括自动校准功能，它可以根据评估结果自动调整系统参数，确保模拟的准确性和一致性。

3.根据权利要求2所述的一种地震模拟体验装置的信号测量系统，其特征在于，所述显示模块基于图形显示界面，用于以图表、曲线、动画形式展示地震模拟的实时数据和分析结果，包括：

地震波形显示：通过3D可视化，实时展示地震的振动波形；

模拟地图：显示地震影响的区域地图，并标出重要地理特点和建筑物；

故障诊断和系统状态：实时展示设备状态，包括传感器数据、执行器性能、校准状态。