破坏性近震快速反应触发系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种地震监测与反馈系统和方法，尤其是一种破坏性近震快速反应触发系统和方法。该系统包括传感模块、地震波形识别及预警模块、预警信息终端，传感模块布设在被保护区域的周围的多个传感器组，每个传感器组中包括多个单点传感器，地震波形识别及预警模块包括与传感器组连接的信号放大单元，信号放大单元连接强度及相位识别单元，强度及相位识别单元连接电压比较单元和中央处理单元，中央处理单元连接烈度等级估算单元和预警信号发送单元，该方法包括地震波传感、波形识别及报警等步骤。本发明实现了对20Km—100Km近震的有效快速预警，可提前4秒—15秒发出预警，可以实现地震横波将要到达的时刻、震源方位、烈度等级的测算和显示。
【专利说明】破坏性近震快速反应触发系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种地震监测与反馈系统和方法，尤其是一种破坏性近震快速反应触发系统和方法。
【背景技术】
[0002]地震是对人们生命财产安全带来巨大破坏力的自然灾害之一，近些年，全球均处于地震的高发期，地震监测和预警成为了减轻地震灾害，保护人类生命财产安全的重要方法和手段之一，其中，利用地震波传播速度远远低于电信号传播速度的原理，对于离被保护城镇有一定距离(一般10Km左右)的强地震发生后进行异地预警，在地震波到达前十几秒发出预警的方法，是目前地震预警系统普遍采用的方法。由于受传感器及其布局的限制以及现有地震定位系统处理事件需一定时长的缺陷，因此，这种系统对离保护区较近(特别是40Km以内)的破坏性地震预警作用几乎为零，也即破坏性近震成为这种预警系统的盲区，地震来临时，往往无法及时进行预警，无法为逃生和减轻次生灾害赢得一定的时间。
[0003]
【发明内容】
[0004]本发明提供一种有效提高破坏性近震的反应速度，破坏性近震快速反应触发系统和方法。
[0005]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
本发明的破坏性近震快速反应触发系统包括传感模块、地震波形识别及预警模块、预警信息终端，所述的传感模块包括布设在被保护区域的周围的多个传感器组，所述的每个传感器组中包括多个单点传感器，所述的地震波形识别及预警模块包括与传感器组连接的信号放大单元，所述的信号放大单元连接强度及相位识别单元，强度及相位识别单元连接电压比较单元和中央处理单元，中央处理单元连接烈度等级估算单元和预警信号发送单元；所述的预警信息终端包括与预警信号发送单元连接的预警信息终端PC和与预警信息终端PC连接的报警装置。
[0006]优选地，所述的信号放大单元包括与一组传感器组中的每个单电传感器分别连接的信号放大器。
[0007]优选地，所述的中央处理单元连接有设定比较值并进行电压比较的电压比较单
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[0008]优选地，所述的烈度等级估算单元包括用于记录地震纵波波形的A/D单元。
[0009]优选地，所述的多个传感器组均匀分布在被保护区域周围，每个传感器组距离被保护区域边界20KM。
[0010]优选地，所述的单点传感器按大于或等于50米的间距一字排列于基岩上。
[0011]本发明的破坏性近震快速反应触发方法包括如下步骤: Step 1、多点检测地震纵波；
Step 2、检测地震纵波信号进行强度和相位处理，识别干扰信号；
Step 3、发现非干扰信号立即触发报警信号，并记录波形估算烈度等级；
Step 4、根据接收的触发信号进行地震预警与预测。
[0012]优选地,所述的Step I进一步包括:
Step 11、在被保护区域周围均匀分布多个传感器组，每个传感器组距离被保护区域边界 20KM ；
Step 12、每个传感器组设置多个单点传感器；
Step 13、单电传感器以大于或等于50米的间距一字排列于基岩上。
[0013]优选地,所述的Step 2进一步包括:
Step 21、多点检测地震纵波时差大于0.5ms，识别为干扰信号，不进行操作；多点检测地震纵波时差小于0.5ms,识别为非干扰信号,进入步骤S3。
[0014]优选地,所述的步骤Step 4包括:
Step 41、报警触发；
Step 42、震源信息测算及显示；
Step 43、保护装置的自动启动。
[0015]由于采用了上述方案，本发明的破坏性近震快速反应触发系统采用新的震动传感器组及其布设的方法，并运用新研制出的地震波形硬件识别触发系统，很好地解决了对破坏性近震快速预警触发的难题，实现了对20Km — 10Km近震的有效快速预警，可提前4秒一15秒发出预警，可以实现地震横波将要到达的时刻、震源方位、烈度等级的测算和显示。
[0016]
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明第一实施例的总体模块结构示意图；
图2是本发明第一实施例的地震波形识别及预警模块结构示意图；
图3是本发明第一实施例的预警信息终端模块结构示意图；
图4是本发明第一实施例的单点传感器布设结构示意图；
图5是本发明第一实施例的传感器组布设结构示意图；
图6是本发明第一实施例的干扰波识别示意图；
图7是本发明第一实施例纵波与传感器位置关系图；
图8是本发明第一实施例横波与传感器位置关系图；
图9是本发明第二实施例步骤流程图。
[0018]图中，传感模块1、地震波形识别及预警模块2、预警信息终端3、传感器组SQ1-SQ8 ;单点传感器S1、S2、S3 ;信号放大单元21、强度及相位识别单元22、中央处理单元23、烈度等级估算单元24、预警信号发送单元25、预警信息终端PC31、报警装置32、信号放大器211、电压比较单元26、A/D单元27、服务器33、报警信号驱动控制单元34。
[0019]
【具体实施方式】
[0020]如图1-图3所示，本发明的第一实施例提供了一种破坏性近震快速反应触发系统，该系统包括传感模块1、地震波形识别及预警模块2、预警信息终端3，所述的传感模块I包括布设在被保护区域的周围的多个传感器组SQ1-SQ8，所述的每个传感器组中包括多个单点传感器S1-S3，所述的地震波形识别及预警模块2包括与传感器组连接的信号放大单元21，所述的信号放大单元21连接强度及相位识别单元22，强度及相位识别单元22连接中央处理单元23，中央处理单元23连接烈度等级估算单元24和预警信号发送单元25 ;所述的预警信息终端3包括与预警信号发送单元25连接的预警信息终端PC31和与预警信息终端PC连接的报警装置32。
[0021]其中，所述的信号放大单元21包括与一组传感器组中的每个单点传感器11分别连接的信号放大器211 ;所述的中央处理单元23连接有设定比较值并进行电压比较的电压比较单元26 ;所述的烈度等级估算单元24包括用于记录地震纵波波形的A/D单元27。
[0022]预警信息终端3中，所述的预警信息终端PC31连接有与外网和局域网连接的服务器33，预警信息终端PC31通过一报警信号驱动控制单元34连接报警装置32。
[0023]在安装传感器组时，如图4和图5所示，所述的多个传感器组均匀分布在被保护区域周围，每个传感器组距离被保护区域边界20KM ;所述的单点传感器按大于或等于50米的间距一字排列于基岩上。
[0024]以下对上述各部分工作原理进行具体描述:
本实施例采用主要检测地震纵波的三个同相压电式检波器组成单点传感器组，以提高震波初动检测精度和消除非地震波引起的干扰。
[0025]单点传感器由高灵敏压电陶瓷片及竖直向弹簧重锤组成的单个纵波检波器，其可灵敏地检测到较高频(近震)的地震纵波，同时通过检测频带的设置可提高对周边干扰的抑制能力；
传感器组:将上述三个检波器按50米的间隔一字排列布设在基岩上，以组成单点的检测传感器组SQ1-SQ8。如图6所不,设干扰震源位于一字排开的传感器S1、S2、S3的中分线上与传感器S2距离300处的位置，此时，干扰震源距离与传感器S1、S2距离约304，计算可得震动纵波到达传感器S1、S3和到达传感器S2的到时差为0.67ms，通过到时差的时间长短的测算可以有效地识别出近距离(300米内)的震动干扰，即三个检波器所检测到干扰源震动信号初动有明显的时差(>0.5ms)即识别为干扰，硬件电路对此很容易进行识别。由于地震一般都发生在地下几公里至几十公里的地方，因此，其震波到达各检波器的时差要远小于0.5ms,不会错误判别为干扰。
[0026]传感器组布设时，如图7-图8并结合图5所示，本实施例中，将八组传感器组分别布设在被保护区域的周围，每个传感器组距离被保护区域边界大约20Km，为了便于计算，尽可能均匀分布，设保护区域半径为5Km，震源深度为10Km，传感器布设半径为25Km，纵波速度为6Km/s，横波速度为3.5Km。
则:纵波到达最近传感器组所需的时间Tp=L/6= +12 /6 ；
横波到达被保护区边界所需的时间Ts=D/3.5= -Jd2 +12 /3.5 ；
地震预警时长Λ T=Ts-Tp (从报警到地震横波到达被保护区边界的时间差)。
[0027]从图中可以看出当震源位置处在两个传感器组中间平分线上时，纵波传到传感器组所走的路程L最长，而横波传到被保护区边界的距离不变，即Λ T最小。因此，该系统对不同距离的破坏性近震至少能预警的时长Λ T为:
20Km:Δ T=4s
30Km:Δ T=6s
40Km:Δ T=7.5s
50Km:Δ T=8.8s
60Km:Δ T=1s
70Km:Δ T=Il.3s
80Km:Δ T=12.5s
90Km:Δ Τ=13.7s
10Km:Δ Τ=14.9s
地震波形识别及预警模块对传感器组所接收到的振动信号进行快速的干扰和强度识另O，在符合触发报警条件时立即向被保护区的终端发出报警信号，整个识别触发报警信号过程时间小于0.1秒。其各部分基本原理:
震动干扰和近强震识别:来自三个单点传感器的电压信号波形首先经过幅度鉴别，如果都超过所设的阈值，还要进行相位比较，当初动到时差大于0.5ms时，判断为近源干扰所致，与门电路输出为“0”，CPU不对信号波形进行记录处理，同时也不发出触发指令。相反如果信号来自500米以远的破坏性地震纵波，其三道信号初动到时差应小于0.5ms，此时与门输出为“1”，CPU处理器立刻发出报警指令，同时进行波形记录和烈度等级的识别估算，并将其发送至信息终端。
[0028]烈度等级识别估算:当经过上述识别确定为近强震并发出报警触发指令的同时，A/D将该地震纵波的前几个波形记录下来，并立即对其幅频特征进行比对分析，估算出该地震对被保护区可能产生的烈度等级，其结果通过网络数传单元实时发送至信息终端(此过程一般小于0.25s)。
[0029]报警触发信号实时传输:该功能主要由网络数传单元、VPN路由器和无线数传信道完成。当接到CPU处理器发出的报警触发指令时，网络数传单元通过VPN路由器和无线数传信道向实时连接局域网的信息终端发送报警指令，待烈度等级估算出来后(比报警指令晚0.2秒左右)，再向信息终端发送烈度等级。
[0030]报警触发:当预警信息终端PC机首先检测到网络传来的某号报警单元触发报警指令后，立即通过RS232串口触发相应的声、光报警器(带有地震横波还有多久到达的信息)。
[0031]震源信息测算及显示:在触发报警的同时，终端PC机对第二个请求触发报警单元触发指令的到时与第一个到时进行比较，即可得到震源的方位(如图3所示)。主方位为第一个触发的检波器组方向上，偏向第二触发检波器组的角度与两组检波器组触发的时差相关(最大不超过22.5° )。震中距可由第一触发检波器组的二次触发时间差(即横波触发时刻-纵波触发时刻)来确定。对本区域的破坏(烈度)等级，可由第一个触发检波器组的纵波幅频特征来估算。当上述震源信息测算出来后即可显示在相关的显示屏上。
[0032]保护装置的自动启动:某些生命线工程项目，如油、气管道，核电设施等和高速运行交通工具，如高铁、高速电梯等必须在破坏性地震到来前关闭和停下来，以免造成严重的次生灾害。该系统可预先向不同的局域网用户发出关闭和制动的指令，也即上述的报警指令，自动启动不同的保护装置(非本专利产品设备)，以实现上述各系统的快速安全响应。
[0033]如图9所示，本发明的第二实施例提供了一种破坏性近震快速反应触发系统和方法，包括如下步骤:
St印1、多点检测地震纵波；
Step 2、检测地震纵波信号进行强度和相位处理，识别干扰信号；
Step 3、发现非干扰信号立即触发报警信号，并记录波形估算烈度等级；
Step 4、根据接收的触发信号进行地震预警与预测。
[0034]具体的，所述的St印I进一步包括:
Step 11、在被保护区域周围均匀分布多个传感器组，每个传感器组距离被保护区域边界 20KM ；
Step 12、每个传感器组设置多个单点传感器；
Step 13、单电传感器以大于或等于50米的间距一字排列于基岩上。
[0035]所述的Step 2进一步包括:
Step 21、多点检测地震纵波时差大于0.5ms，识别为干扰信号，不进行操作；多点检测地震纵波时差小于0.5ms,识别为非干扰信号，进入步骤Step 3。
[0036]所述的步骤St印4包括:
Step 41、报警触发；
Step 42、震源信息测算及显示；
Step 43、保护装置的自动启动。
[0037]上述各步骤的原理可以参照第一实施例中的工作原理，此处不再重复说明。
[0038]以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的【技术领域】，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
【权利要求】
1.一种破坏性近震快速反应触发系统，其特征在于:包括传感模块、地震波形识别及预警模块、预警信息终端，所述的传感模块布设在被保护区域的周围的多个传感器组，所述的每个传感器组中包括多个单点传感器，所述的地震波形识别及预警模块包括与传感器组连接的信号放大单元，所述的信号放大单元连接强度及相位识别单元，强度及相位识别单元连接电压比较单元和中央处理单元，中央处理单元连接烈度等级估算单元和预警信号发送单元；所述的预警信息终端包括与预警信号发送单元连接的预警信息终端PC和与预警信息终端PC连接的报警装置。
2.如权利要求1所述的破坏性近震快速反应触发系统，其特征在于:所述的信号放大单元包括与一组传感器组中的每个单电传感器分别连接的信号放大器。
3.如权利要求2所述的破坏性近震快速反应触发系统，其特征在于:所述的中央处理单元连接有设定比较值并进行电压比较的电压比较单元。
4.如权利要求3所述的破坏性近震快速反应触发系统，其特征在于:所述的烈度等级估算单元包括用于记录地震纵波波形的A/D单元。
5.如权利要求4所述的破坏性近震快速反应触发系统，其特征在于:所述的多个传感器组均匀分布在被保护区域周围，每个传感器组距离被保护区域边界20KM。
6.如权利要求5所述的破坏性近震快速反应触发系统，其特征在于:所述的单点传感器按大于或等于50米的间距一字排列于基岩上。
7.—种破坏性近震快速反应触发方法，其特征在于，包括如下步骤: Step 1、多点检测地震纵波； Step 2、检测地震纵波信号进行强度和相位处理，识别干扰信号； Step 3、发现非干扰信号立即触发报警信号，并记录波形估算烈度等级； Step 4、根据接收的触发信号进行地震预警与预测。
8.如权利要求7所述的破坏性近震快速反应触发方法，其特征在于:所述的StepI进一步包括: Step 11、在被保护区域周围均匀分布多个传感器组，每个传感器组距离被保护区域边界 20KM ； Step 12、每个传感器组设置多个单点传感器； Step 13、单电传感器以大于或等于50米的间距一字排列于基岩上。
9.如权利要求8所述的破坏性近震快速反应触发方法，其特征在于:所述的Step2进一步包括: Step 21、多点检测地震纵波时差大于0.5ms，识别为干扰信号，不进行操作；多点检测地震纵波时差小于0.5ms,识别为非干扰信号,进入步骤S3。
10.如权利要求9所述的破坏性近震快速反应触发方法，其特征在于:所述的步骤Step4包括: Step 41、报警触发； Step 42、震源信息测算及显示； Step 43、保护装置的自动启动。
【文档编号】G08B21/10GK104183092SQ201310196139
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2013年5月24日 优先权日:2013年5月24日
【发明者】柴剑勇, 王雄健 申请人:阳江市地震局