GNSS用於地震監測的可變採樣系統及其方法與流程

2023-10-05 15:59:04

本發明屬於地震監測或者振動測試領域，具體涉及一種GNSS用於地震監測的可變採樣系統及其方法。

背景技術：

GNSS(全球導航衛星系統)目前已成為地震監測的常規儀器。常規測地型(Geodetic)GNSS用於地震監測時通常有兩種模式：一是使用較低的採樣頻率，如30sec、15sec監測地殼運動等長周期構造形變；二是在地震時，以較高的採樣頻率，如1Hz、50Hz、100Hz等監測地震所造成的高頻非構造信號。但由於地震預報為世界性難題，事先無法判斷監測地區是否會有地震發生，導致GNSS只能單獨以上述其一的模式工作，且用於監測震時的高採樣率的GNSS僅能採用循環衝洗的記錄方法以保證存儲要求，經常存在大量有效數據丟失的情況。存儲的瓶頸使得GNSS在地震監測方面的效能大打折扣；而加速度計則具有低成本、小體積和方便使用的特點。

技術實現要素：

本發明目的就在於克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種GNSS用於地震監測的可變採樣系統及其方法，提高GNSS的工作效能及有效保護監測數據。

實現本發明目的的技術方案是：

利用加速度計其靈敏性進行識別和判斷地震波以達到識別地震的發生，基於識別算法設計了一種GNSS用於地震監測的可變採樣系統及其方法，不僅使GNSS前述兩種工作模式在地震監測中共存，提高GNSS的使用效能，並且能夠安全地保存監測數據，克服存儲能力不足的問題。

本發明將加速度計與GNSS進行集成，基於加速度記錄及識別算法確定監測區域是否發生地震以改變GNSS採樣模式，並通過遠程監控實現自動與人工模式的切換。

具體地說：

一、GNSS用於地震監測的可變採樣系統(簡稱系統)

本系統包括工作對象——GNSS核心板；

設置有地震發生判斷裝置和GNSS採樣模式切換裝置；

所述的地震發生判斷裝置包括前後連接的加速度記錄單元110和觸發條件判斷單元；加速度記錄單元包括前後連接的加速度計和第一存儲器；觸發條件判斷單元包括依次連接的數位訊號處理晶片、單片機和時鐘；

所述的GNSS採樣模式切換裝置包括指令傳輸與控制單元和遠程監控單元；指令傳輸與控制單元包括前後連接的可編程邏輯門陣列和第二存儲器；遠程監控單元包括網卡和監控客戶端；

其連接關係是：

加速度計、數位訊號處理晶片、單片機、可編程邏輯門陣列和GNSS核心板依次連接；可編程邏輯門陣列、網卡、監控客戶端和GNSS核心板依次連接。

二、GNSS用於地震監測的可變採樣方法(簡稱方法)

本方法是通過地震發生判別單元確定當前監測區域地震情況，通過GNSS採樣模式切換單元自動或者人工的改變GNSS採樣模式。

包括下列步驟：

①加速度記錄單元輸出X，Y，Z三分量的加速度信號，觸發條件判斷單元利用STA/LTA算法比較加速度信號的短時平均值STA和信號的長時平均值LTA來判定地震的發生；當STA/LTA的值大於閥值的時，觸發條件判斷單元輸出觸發信號，並在上一次觸發信號發出兩小時候後，輸出恢復信號。實現對地震事件的自動識別功能；

②指令傳輸與控制單元接收觸發條件判斷單元輸出的觸發信號，向GNSS核心板傳輸將採樣率調高至10Hz的指令；在恢復信號後，向GNSS核心板傳輸採樣率調低至30sec的指令，實現自動模式下的可變採樣系統；

③指令傳輸與控制單元接收到觸發信號同時，向遠程監控單元輸出報警指令；遠程監控單元向用戶展示觸發條件判斷單元輸出結果，且用戶可利用遠程監控單元獨立向高頻GNSS核心板傳輸採樣率更改指令，優先級別高於指令傳輸與控制單元指令；遠程監控單元在切換過程開始2小時後，向高頻GNSS核心板傳輸採樣率調低至30sec的指令，實現可變採樣率系統的自動模式與人工模式的切換。

本發明具有下列優點和積極效果：

①利用靈敏的加速度計與GNSS集成，再將加速度計、速度計的地震波初動識別算法用於判斷是否地震，迴避了GNSS精度低難以識別地震波初至的問題；

②較傳統的分別監測模式，依據觀測區域不同的地震活動狀態實現GNSS的低頻採樣模式與高頻採樣模式的自由切換，大量節約了監測成本及存儲空間，提高了工作效率；

③在邊遠地區無網絡的條件下使用自動模式，加載預設採樣模式；在網絡通暢的區域實現人工模式的切換，對採樣模式可加入人為幹預，可實現根據實際情況切換自動模式與人工模式。

總之，本發明充分考慮技術可行性，用廉價的加速度計集成至GNSS以增加GNSS的監測效能、克服存儲瓶頸；隨著GNSS地震監測網絡的規模進一步擴大，這一方法所表現出來成本優勢和性能優勢效果將更加明顯。

附圖說明

圖1是本系統的結構方框圖；

圖2是觸發條件判斷單元的工作流程圖。

圖中：

100—地震發生判斷裝置，

110—加速度記錄單元，

111—加速度計，

112—第一存儲器；

120—觸發條件判斷單元，

121—數位訊號處理晶片(DSP)，

122—單片機，

123—時鐘；

200—GNSS採樣模式切換裝置，

210—指令傳輸與控制單元，

211—可編程邏輯門陣列(FPGA)，

212—第二存儲器；

220—遠程監控單元，

221—網卡，

222—監控客戶端；

300—GNSS核心板。

英譯漢：

1、GNSS：Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統；它是泛指所有的衛星導航系統，如美國的GPS、俄羅斯的Glonass、歐洲的Galileo、中國的北鬥衛星導航系統，還涵蓋在建和以後要建設的其他衛星導航系統；國際GNSS系統是個多系統、多層面和多模式的複雜組合系統。

2、STA/LTA：STA是長時平均值，LTA是短時平均值，STA/LTA是長短時比較算法，用於判別地震波初至時刻。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例詳細說明：

一、系統

1、總體

如圖1，本系統包括工作對象——GNSS核心板300；

設置有地震發生判斷裝置100和GNSS採樣模式切換裝置200；

所述的地震發生判斷裝置100包括前後連接的加速度記錄單元110和觸發條件判斷單元120；加速度記錄單元110包括前後連接的加速度計111和第一存儲器112；觸發條件判斷單元120包括依次連接的數位訊號處理晶片121、單片機122和時鐘123；

所述的GNSS採樣模式切換裝置200包括指令傳輸與控制單元210和遠程監控單元220；指令傳輸與控制單元210包括前後連接的可編程邏輯門陣列211和第二存儲器212；遠程監控單元220包括網卡221和監控客戶端222；

其連接關係是：

加速度計111、數位訊號處理晶片121、單片機122、可編程邏輯門陣列211和GNSS核心板300依次連接；可編程邏輯門陣列211、網卡221、監控客戶端222和GNSS核心板300依次連接。

2、功能部件

1)地震發生判斷裝置100

(1)加速度記錄單元110

*加速度計111：輸出X，Y，Z三分量的加速度值，精度不低於1mg。

其功能是提供地震波加速度記錄供後續模型判定地震是否發生。

*第一存儲器112：一般存儲器即可，容量不低於64G。

其功能是存儲加速度記錄，用於後續提取加速度記錄檢核。

(2)觸發條件判斷單元120

*數位訊號處理晶片121：能夠實現數位訊號處理技術的晶片。

其功能是對輸入的加速度信號進行去儀器響應、帶通濾波及特定儀器的仿真信號，以便於後續模塊進行震相識別與提取。

*單片機122

單片機122的硬體配置包括中央處理器CPU、隨機存儲器RAW、只讀存儲器ROM、多種I/O及中斷系統、計數器；

其內嵌有本觸發條件判斷單元120的工作軟體。

其功能是利用STA/LTA算法判定地震是否發生。

*時鐘123

其功能是為單片機122提供時間基準。

2)GNSS採樣模式切換裝置200

(1)指令傳輸與控制單元210

*可編程邏輯門陣列211

能夠實現邏輯、時序、運算的在線可編程器件，實現信號的邏輯運算和判定。

其功能是根據單片機122輸出結果向GNSS核心板230輸出調整採樣率的指令。

*第二存儲器212

一般存儲器即可，其功能是存儲觸發指令，用於事後檢核。

(2)遠程監控單元220

*網卡221

網絡適配器，是連接計算機和傳輸介質的接口。

其功能是將系統與網絡連接。

*監控客戶端222：遠程信號處理軟體。其功能是將指令傳輸與控制單元210的輸出的採樣率調整指令向用戶顯示，並且將用戶的指令傳輸至GNSS核心板300。

3)GNSS核心板300

GNSS儀器的主板，用於實現GNSS儀器的觀測功能。能夠以低採樣率15秒、30秒的低採樣模式工作，也能夠以不低於採樣率10Hz的高採樣模式工作。具備多採樣率工作的功能。

3、工作機理

1)本系統的目的是利用加速度計與GNSS的集成，達到自動判定監測區域是否發生地震，從而自動或者人工改變GNSS採樣模式，並通過遠程監控實現兩種模式的切換。

2)在地震發生判斷裝置100中，加速度計以1mg的精度輸出3分量的加速度信號，觸發條件判斷單元120採用長短時信號提取算法判斷加速度信號中有無地震信號。

3)在GNSS採樣模式切換裝置200中，指令傳輸與控制單元210將依據觸發條件判斷單元120的輸出結果更改GNSS核心板230的採樣頻率，並向用戶報警；用戶可通過遠程監控單元220更改採樣率，進入人工模式；在上一次觸發信號或者切換模式開始2小時後，觸發條件判斷單元120輸出恢復信號至指令傳輸與控制單元210將GNSS核心板230的採樣率調低至常規觀測頻率。

(1)指令傳輸與控制單元210

接收觸發條件判斷單元120輸出的觸發信號，向GNSS核心板230傳輸將採樣率調高至10Hz的指令；並同時向遠程監控單元220輸出報警指令；

指令傳輸與控制單元210接收觸發條件判斷單元120輸出的恢復信號，向GNSS核心板230傳輸採樣率調低至30sec的指令。

(2)遠程監控單元220

向用戶展示觸發條件判斷單元120輸出結果，且用戶可選擇利用遠程監控單元220獨立向高頻GNSS核心板230傳輸採樣率更改指令，優先級別高於指令傳輸與控制單元210指令。切換過程開始。遠程監控單元220在切換過程開始2小時後，向高頻GNSS核心板230傳輸採樣率調低至30sec的指令。

二、方法

如圖2，觸發條件判斷單元120的工作流程如下：

A、加速度記錄-11

觸發條件判斷單元120接收加速度記錄單元110發送的加速度信號；

B、計算STA與LTA的特徵函數-12

STA和LTA的特徵函數為：

CF(i)＝f(i)2+k[f(i)-f(i-1)]2

f(x)為地震原始時間序列，k為權重因子；

STAi＝STAi-1+c3(CFi-STAi-1)0.2＜c3＜0.8

LTAi＝LTAi-1+c4(CFi-LTAi-1)0.005＜c4＜0.05；

C、計算STA/LTA-13

D、判斷STA/LTA是否大於閥值-14，是則進入步驟E，否則中止-17；

E、發送觸發信號-15；

F、延遲2小時發送回覆信號-16。