專利名稱：?jiǎn)握镜卣餻波檢測(cè)預(yù)警儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地震觀測(cè)技木，尤其涉及一種單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀。
背景技術(shù)：
地震發(fā)生吋，首先是從震源P波(縱波)跟S波(橫波)2個(gè)地震波同時(shí)發(fā)生。P波在地殼的淺層以每秒約6km的速度、S波以每秒3. 5km的速度傳播。因?yàn)镻波跟S波傳播的速度不同，首先會(huì)感覺到小小的晃動(dòng)(P波)、然后是大的晃動(dòng)(S波)。離震源越遠(yuǎn)這個(gè)間隔就越長(zhǎng)。由于P波在所有地震波中前進(jìn)速度最快，也最早抵達(dá)，且P波能在固體、液體或氣體中傳遞。地震P波預(yù)警就是利用P波和S波的傳遞速度不同，利用兩者之間的走時(shí)差可以對(duì)地震進(jìn)行定位，對(duì)地震可能的破壞范圍和程度進(jìn)行快速評(píng)估，在破壞性地震波到達(dá)之前的短暫時(shí)間發(fā)出預(yù)警?，F(xiàn)有的地震P波預(yù)警系統(tǒng)是通過(guò)多個(gè)地震臺(tái)站組網(wǎng)或傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)地震活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到P波和S波后，通過(guò)計(jì)算P波和S波到達(dá)時(shí)間的差值來(lái)估算地震的震級(jí)，然后發(fā)出預(yù)警信號(hào)?，F(xiàn)有的地震P波預(yù)警系統(tǒng)的缺點(diǎn)和不足是1、地震臺(tái)站建設(shè)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的鋪設(shè)投資較大，エ期較長(zhǎng)，施工要求比較高；2、進(jìn)行地震P波預(yù)警時(shí)需要多個(gè)地震臺(tái)站或傳感器進(jìn)行同時(shí)監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供ー種集成地震數(shù)據(jù)采集、記錄、處理與報(bào)警功能于一體的單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一、單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀(簡(jiǎn)稱預(yù)警儀)包括依次連接的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析記錄模塊和通訊及報(bào)警模塊；所述的數(shù)據(jù)采集模塊由三軸向カ平衡式加速度傳感器和外接加速度傳感器接ロ組成；所述的數(shù)據(jù)記錄分析模塊由AD轉(zhuǎn)換器、DSP、ARM及其系統(tǒng)、GPS模塊、P波預(yù)警算法、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和SD卡存儲(chǔ)組成；三軸向カ平衡式加速度傳感器、AD轉(zhuǎn)換、DSP和ARM及其系統(tǒng)依次連接，實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并傳送給通信報(bào)警模塊；P波預(yù)警算法植入在ARM及其系統(tǒng)中，ARM及其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在卡存儲(chǔ)中；GPS模塊分別與AD轉(zhuǎn)換和DSP連接，實(shí)現(xiàn)單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀的全球定位的位置信息，同時(shí)配合實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制；實(shí)時(shí)時(shí)鐘與DSP22連接，與GPS模塊配合實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制；所述的通信報(bào)警模塊由計(jì)算機(jī)、報(bào)警箱和P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件組成；計(jì)算機(jī)和報(bào)警箱前后連接，實(shí)現(xiàn)報(bào)警；應(yīng)用軟件植入到計(jì)算機(jī)中。ニ、單站地震P波檢測(cè)預(yù)警方法(簡(jiǎn)稱預(yù)警方法)本預(yù)警方法包括下列步驟①三軸向力平衡式加速度傳感器實(shí)時(shí)采集震動(dòng)數(shù)據(jù)；②通過(guò)數(shù)據(jù)記錄分析模塊對(duì)實(shí)時(shí)震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；③當(dāng)通信及報(bào)警模塊拾取到地震P波信號(hào)后則進(jìn)行報(bào)警；④通信及報(bào)警模塊與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，向終端發(fā)送地震報(bào)警信息；⑤同時(shí)上傳上傳地震數(shù)據(jù)功能、在線更新功能和儀器狀態(tài)。本發(fā)明的工作原理是數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集加速度數(shù)據(jù)并傳送到數(shù)據(jù)分析記錄模塊；當(dāng)數(shù)據(jù)分析記錄模塊撿拾到P波信息，然后利用P波初至波前幾秒的波形數(shù)據(jù)計(jì)算地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)。當(dāng)?shù)卣鹂赡軐?duì)被保護(hù)的目標(biāo)物產(chǎn)生破壞時(shí)，則觸發(fā)地震報(bào)警模塊，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒用戶采取應(yīng)急處置措施。本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果1、 集地震數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和報(bào)警于一體，只需單臺(tái)設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)和地震P波預(yù)警；2、具有體積小、輕便易攜帶的特點(diǎn)，安裝方便，成本較低；3、適用于重大工程的地震預(yù)警項(xiàng)目及國(guó)家地震預(yù)警科學(xué)研究項(xiàng)目的臺(tái)網(wǎng)布設(shè)。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)方框圖。圖中10—數(shù)據(jù)采集模塊，11一三軸向カ平衡式加速度傳感器，12—外接加速度傳感器接ロ ；20—數(shù)據(jù)記錄分析模塊，21—AD (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)，22—DSP (Digital Signal Processor,數(shù)字信號(hào)處理器)，23—ARM 及其系統(tǒng)(ARM，Advanced RISC Machines，處理器)，24一GPS 模塊(GPS, Global Position System,全球定位系統(tǒng))，25 — P波預(yù)警算法，26—實(shí)時(shí)時(shí)鐘，27—SD 卡存儲(chǔ)；30—通信及報(bào)警模塊，31—計(jì)算機(jī)；32-報(bào)警箱，33—P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件；圖2是上傳地震數(shù)據(jù)功能流程圖；圖中
41-檢測(cè)ARM及其系統(tǒng)23發(fā)送的信號(hào)；42-是否有需要報(bào)警；43-向報(bào)警箱發(fā)送報(bào)警信號(hào)；44-連接網(wǎng)絡(luò)；45-向終端上傳地震數(shù)據(jù)。圖3是在線更新功能流程圖。圖中51—連接網(wǎng)絡(luò)到指定網(wǎng)址；52—是否有更新；53—下載更新程序；54—安裝程序；55一退出更新功能。圖4是上傳儀器狀態(tài)功能流程圖；圖中61—連接網(wǎng)絡(luò)到終端；62—監(jiān)測(cè)儀器狀態(tài)；63一是否有故障信號(hào)；64—向終端發(fā)送儀器故障報(bào)警信號(hào)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例的對(duì)本發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明。1、總體如圖1，本發(fā)明包括依次連接的數(shù)據(jù)采集模塊10、數(shù)據(jù)分析記錄模塊20和通信及報(bào)警模塊30。2、功能塊I)數(shù)據(jù)采集模塊10數(shù)據(jù)采集模塊10由三軸向カ平衡式加速度傳感器11和外接加速度傳感器接ロ 12組成。(I)三軸向カ平衡式加速度傳感器11三軸向カ平衡式加速度傳感器11選用的傳感器的主要參考技術(shù)指標(biāo)包括測(cè)量范圍±2g;靈敏度±1.25V/g ;動(dòng)態(tài)范圍>135dB；阻尼常數(shù)0. 7 ；輸出阻抗〈I Q ;自振頻率80Hz;頻帶0 80Hz ；靜態(tài)電流三分向〈10mA ;靜態(tài)電流單分向<3mA;
橫向靈敏度1%。g/g ;線性度:く滿刻度的1%。如選用中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所的SLJ-100型三軸向カ平衡式加速度計(jì)。三軸向カ平衡式加速度傳感器11的功能是低噪聲連續(xù)不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)。(2)外接加速度傳感器接ロ 12外接加速度傳感器接ロ 12是配備的擴(kuò)充傳感器接ロ，用于外接加速度傳感器。2)數(shù)據(jù)記錄分析模塊20數(shù)據(jù)記錄分析模塊20由AD轉(zhuǎn)換器21、DSP22、ARM及其系統(tǒng)23、GPS模塊24、P波預(yù)警算法25、實(shí)時(shí)時(shí)鐘26和SD卡存儲(chǔ)27組成；其連接關(guān)系是三軸向カ平衡式加速度傳感器11、AD轉(zhuǎn)換21、DSP22和ARM及其系統(tǒng)23依次連接，實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并傳送給通信及報(bào)警模塊30 ；P波預(yù)警算法25植入在ARM及其系統(tǒng)23中，ARM及其系統(tǒng)23的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡存儲(chǔ)27中；GPS模塊24分別與AD轉(zhuǎn)換21和DSP22連接，實(shí)現(xiàn)單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀的全球定位的位置信息，同時(shí)配合實(shí)時(shí)時(shí)鐘26實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制；實(shí)時(shí)時(shí)鐘26與DSP22連接，與GPS模塊24配合實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制。(I) AD21AD21是ー種常用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將三軸向カ平衡式加速度傳感器11及與外接加速度傳感器接ロ 12相連接的外接加速度傳感器發(fā)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。(2)DSP22DSP22是ー種常用的數(shù)字信號(hào)處理器。(3) ARM 及其系統(tǒng) 23ARM及其系統(tǒng)23是ー種常用的處理器及其系統(tǒng)，植入了 P波預(yù)警算法25，實(shí)現(xiàn)了對(duì)P波預(yù)警的功能。
(4) GPS 模塊 24GPS模塊24是全球定位系統(tǒng)，用于提供單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀的全球定位的位置信息，同時(shí)配合實(shí)時(shí)時(shí)鐘26實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制。(5) P波預(yù)警算法25P波預(yù)警算法25植入在ARM及其系統(tǒng)23中，其目的是計(jì)算地震發(fā)生位置和震級(jí)，以判斷地震對(duì)預(yù)警目標(biāo)是否有破壞。算法主要包括P波到時(shí)、震中方位角、震中距和震級(jí)的算法，主要參考了以下文獻(xiàn)編寫了本算法。[l]Allen R V. Automatic earthquake recognition and timing from singletraces[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 1978, 68(5) :1521.[2]Leonard M, Kennett B. Mult1-component autoregressive techniquesfor the analysis of seismogramslJ」 Physics of the earth and planetaryinteriors, 1999，113(1-4):247-63.[3]周彥文.基于單臺(tái)P波記錄的早期地震預(yù)警方法研究[D];中國(guó)地震局蘭州地震研究所，2008.
[4]Odaka T, Ashiya k, TSUKADA S，et al. A new method of quickly estimatingepicentral distance and magnitude from a single seismic record [J]. Bulletin ofthe Seismological Society of America, 2003, 93(I):526.(6)實(shí)時(shí)時(shí)鐘26實(shí)時(shí)時(shí)鐘26是ー種常用的時(shí)鐘，與GPS模塊24配合實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制。(7) SD 卡存儲(chǔ) 27SD卡存儲(chǔ)27是常用的存儲(chǔ)器，主要用于存儲(chǔ)多種格式的地震數(shù)據(jù)，如SAC、SEED、MINI SEED、EVENT 格式等。3)通信報(bào)警模塊30通信報(bào)警模塊30由計(jì)算機(jī)31、報(bào)警箱32和P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件33組成。計(jì)算機(jī)31和報(bào)警箱32前后連接，實(shí)現(xiàn)報(bào)警等；P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件33植入到計(jì)算機(jī)31中。(I)計(jì)算機(jī) 31計(jì)算機(jī)31是常用的計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)31前后與ARM及其系統(tǒng)23和報(bào)警箱32相連接，與植入的P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件33配合實(shí)現(xiàn)地震報(bào)警、上傳地震數(shù)據(jù)、上傳儀器狀態(tài)和軟件在線升級(jí)的功能。(2)報(bào)警箱 32報(bào)警箱32的功能是按照計(jì)算機(jī)31的報(bào)警指令發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警。(3 ) P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件33P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件植入在計(jì)算機(jī)33中，實(shí)現(xiàn)了上傳地震數(shù)據(jù)、上傳儀器狀態(tài)和軟件在線升級(jí)的功能。3、工作原理數(shù)據(jù)采集模塊10不間斷實(shí)時(shí)采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，并將采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)記錄分析模塊20。數(shù)據(jù)記錄分析模塊20實(shí)時(shí)記錄三軸向力平衡式加速度傳感器的三軸向數(shù)據(jù)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并可多種采樣率記錄，如50HZ、100HZ、200HZ等，具有P波預(yù)警功能，當(dāng)檢測(cè)到地震P波，即對(duì)P波前幾秒波形進(jìn)行分析，確定地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)；可將地震數(shù)據(jù)以多種數(shù)據(jù)格式進(jìn)行存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)記錄分析模塊20能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并傳送給通信及報(bào)警模塊30。通信及報(bào)警模塊30的主要作用是用于地震報(bào)警以及單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀與終端的交互，實(shí)現(xiàn)地震報(bào)警、上傳地震數(shù)據(jù)、上傳儀器狀態(tài)和軟件在線升級(jí)的功能。4、P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件功能流程P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括上傳地震數(shù)據(jù)、在線更新和上傳儀器狀態(tài)。I)上傳地震數(shù)據(jù)功能流程如圖2，上傳地震數(shù)據(jù)功能流程實(shí)現(xiàn)了在地震發(fā)生后上傳地震數(shù)據(jù)、觸發(fā)報(bào)警箱報(bào)警的功能。其流程如下①檢測(cè)ARM及其系統(tǒng)23發(fā)送的信號(hào)41 ；②是否有需要報(bào)警42，是則進(jìn)入下ー步驟，否則返回到步驟①；③向報(bào)警箱發(fā)送報(bào)警信號(hào)43 ；
④連接網(wǎng)絡(luò)44;⑤向終端上傳地震數(shù)據(jù)45，流程結(jié)束。2)在線更新功能流程如圖3，在線更新功能流程實(shí)現(xiàn)了 P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件的在線更新的功能。其流程如下①連接網(wǎng)絡(luò)到指定網(wǎng)址51 ;②是否有更新52，是則進(jìn)入下ー步驟，否則返回到步驟①；③下載更新程序53;④安裝程序54;⑤退出更新功能55,流程結(jié)束。3)上傳儀器狀態(tài)功能流程如圖4，上傳儀器狀態(tài)功能流程實(shí)現(xiàn)了向終端發(fā)送儀器狀態(tài)數(shù)據(jù)的功能。在終端上的工作人員發(fā)現(xiàn)有故障報(bào)警時(shí)，可以及時(shí)派維修人員去維修。其流程如下①連接網(wǎng)絡(luò)到終端61;②監(jiān)測(cè)儀器狀態(tài)62;③是否有故障信號(hào)63，是則進(jìn)入下ー步驟，否則返回到步驟②；④向終端發(fā)送儀器故障報(bào)警信號(hào)64，流程結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀，其特征在于包括依次連接的數(shù)據(jù)采集模塊(10)、數(shù)據(jù)分析記錄模塊(20)和通訊及報(bào)警模塊(30)； 所述的數(shù)據(jù)采集模塊(10)由三軸向力平衡式加速度傳感器(11)和外接加速度傳感器接口(12)組成；所述的數(shù)據(jù)記錄分析模塊(20)由AD轉(zhuǎn)換器(21)、DSP (22)、ARM及其系統(tǒng)(23)、GPS 模塊(24)、P波預(yù)警算法(25)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(26)和SD卡存儲(chǔ)(27)組成；三軸向力平衡式加速度傳感器(11)、AD轉(zhuǎn)換(21)、DSP (22)和ARM及其系統(tǒng)(23)依次連接，實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并傳送給通信報(bào)警模塊(30) ；P波預(yù)警算法(25)植入在 ARM及其系統(tǒng)(23)中，ARM及其系統(tǒng)(23)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在卡存儲(chǔ)(27)中；GPS模塊(24)分別與AD轉(zhuǎn)換(21)和DSP (22)連接，實(shí)現(xiàn)單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀的全球定位的位置信息，同時(shí)配合實(shí)時(shí)時(shí)鐘(26)實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制；實(shí)時(shí)時(shí)鐘(26)與DSP22連接，與GPS模塊(24)配合實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制；所述的通信報(bào)警模塊(30 )由計(jì)算機(jī)(31)、報(bào)警箱(32 )和P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件(33 )組成；計(jì)算機(jī)(31)和報(bào)警箱(32 )前后連接，實(shí)現(xiàn)報(bào)警；應(yīng)用軟件(33 )植入到計(jì)算機(jī)(31)中。
2.基于權(quán)利要求1所述的單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀的預(yù)警方法，其特征在于包括下列步驟①三軸向力平衡式加速度傳感器實(shí)時(shí)采集震動(dòng)數(shù)據(jù)；②通過(guò)數(shù)據(jù)記錄分析模塊對(duì)實(shí)時(shí)震動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；③當(dāng)通信及報(bào)警模塊拾取到地震P波信號(hào)后則進(jìn)行報(bào)警；④通信及報(bào)警模塊與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，向終端發(fā)送地震報(bào)警信息；⑤同時(shí)具備上傳上傳地震數(shù)據(jù)功能、在線更新的功能和儀器狀態(tài)。
3.按權(quán)利要求2所述的預(yù)警方法，其特征在于上傳地震數(shù)據(jù)功能流程是X檢測(cè)ARM及其系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)(41)；τ是否有需要報(bào)警(42)，是則進(jìn)入下一步驟，否則返回到步驟1:；S向報(bào)警箱發(fā)送報(bào)警信號(hào)(43);X連接網(wǎng)絡(luò)(44)；S向終端上傳地震數(shù)據(jù)(45)，流程結(jié)束。
4.按權(quán)利要求2所述的預(yù)警方法，其特征在于在線更新功能流程是X連接網(wǎng)絡(luò)到指定網(wǎng)址(51)；2是否有更新(52)，是則進(jìn)入下一步驟，否則返回到步驟X ；I下載更新程序(53)；X安裝程序(54)；S退出更新功能(55)，流程結(jié)束。
5.按權(quán)利要求2所述的預(yù)警方法，其特征在于上傳儀器狀態(tài)功能流程是X連接網(wǎng)絡(luò)到終端(61)；%監(jiān)測(cè)儀器狀態(tài)(62)；..S是否有故障 信號(hào)(63)，是則進(jìn)入下一步驟，否則返回到步驟I ； X+向終端發(fā)送儀器故障報(bào)警信號(hào)(64)，流程結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單站地震P波檢測(cè)預(yù)警儀，涉及地震觀測(cè)技術(shù)。本發(fā)明包括依次連接的數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析記錄模塊和通訊及報(bào)警模塊；所述的數(shù)據(jù)采集模塊由三軸向力平衡式加速度傳感器和外接加速度傳感器接口組成；所述的數(shù)據(jù)記錄分析模塊由AD轉(zhuǎn)換器、DSP、ARM及其系統(tǒng)、GPS模塊、P波預(yù)警算法、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和SD卡存儲(chǔ)組成；所述的通信報(bào)警模塊由計(jì)算機(jī)、報(bào)警箱和P波預(yù)警儀應(yīng)用軟件組成。本發(fā)明集地震數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和報(bào)警于一體，只需單臺(tái)設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)和地震P波預(yù)警；具有體積小、輕便易攜帶的特點(diǎn)，安裝方便，成本較低；適用于重大工程的地震預(yù)警項(xiàng)目及國(guó)家地震預(yù)警科學(xué)研究項(xiàng)目的臺(tái)網(wǎng)布設(shè)。
文檔編號(hào)G01V1/18GK103033844SQ201210541229
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者陳志高, 郭唐永, 李井岡, 鄒彤, 王秋良, 黃 俊, 夏界寧, 蔣冰莉, 楊江, 項(xiàng)大鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)地震局地震研究所