一种地震观测系统及生成地震传递函数的方法与流程

本发明涉及电子技术领域，特别涉及一种地震观测系统及生成地震传递函数的方法。

背景技术：

地震常常造成严重人员伤亡，能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散，还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等灾害。因此，加强地震观测是非常必要的。

目前，国内外数字地震观测系统的传递函数主要是由反馈地震计和地震数据采集器的传递函数合成，地震观测系统中的“主导二阶极点”(表征地震计的工作周期和工作阻尼)是由反馈地震计中的模拟元器件和机械摆体共同生成，在宽温范围内和长期连续工作中很难保证其高精度和高稳定性。而地震数据采集器对系统传递函数的贡献主要是高阶低通滤波函数，对观测精度贡献不大。因此，目前的数字地震观测系统存在的观测精度低的技术问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种地震观测系统及生成地震传递函数的方法，解决了现有技术中地震观测系统的观测精度低的技术问题，实现了为地震预测预报提供更精准的数据的技术效果。

第一方面，提供一种地震观测系统，包括反馈地震计和地震数据采集器，其中，所述反馈地震计为无主导二阶极点速度传感反馈地震计，用于生成无主导二阶极点的第一模拟电压波形，包括：第一机械摆，与所述第一机械摆连接的速度传感器，与所述速度传感器相连接的第一环路滤波器，分别与所述的第一环路滤波器和所述第一机械摆连接的第一电机换能器；所述第一机械摆与所述速度传感器、所述的第一环路滤波器、所述第一电机换能器形成第一反馈环；所述地震数据采集器为速度型主导二阶极点地震数据采集器，用于基于所述第一模拟电压波形生成所述主导二阶极点，并转换生成第一数字地震波形。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实施方式中，所述速度传感器的传感线圈与所述电机换能器的反馈线圈相互独立。

结合第一方面，第一方面的第二种可能的实施方式中，所述无主导二阶极点速度传感反馈地震计还包括第一校正模块，用于校正所述第一反馈环产生的反馈误差。

结合第一方面的第一种可能的实施方式，第一方面的第三种可能的实施方式中，所述第一机械摆为第一强阻尼直线摆。

结合第一方面，第一方面的第四种可能的实施方式中，所述反馈地震计为无主导二阶极点位移传感反馈地震计，用于生成无主导二阶极点的第二模拟电压波形，包括：第二机械摆，与所述第二机械摆连接的位移传感器，与所述位移传感器相连接的第二环路滤波器，分别与所述第二环路滤波器和所述第二机械摆连接的第二电机换能器；所述第二机械摆与所述位移传感器、所述第二环路滤波器、所述第二电机换能器形成第二反馈环；所述地震数据采集器为位移型主导二阶极点地震数据采集器，用于基于所述第二模拟电压波形生成所述主导二阶极点，并转换生成第二数字地震波形。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，第一方面的第五种可能的实施方式中，所述第二电机换能器与所述位移传感器分置于所述第二机械摆两端。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，第一方面的第六种可能的实施方式中，所述第二机械摆为第二强阻尼直线摆。

结合第一方面的第四种可能的实施方式，第一方面的第七种可能的实施方式中，所述位移传感器为差动电容位移传感器。

第二方面，提供一种生成地震传递函数的方法，应用于地震观测系统，所述地震系统包括反馈地震计和地震数据采集器，所述方法包括：接收地面震动并生成机械振动；剥离所述反馈地震计中的主导二阶极点并生成模拟电压波形；基于所述模拟电压波形生成所述主导二阶极点并转换生成数字地震波形。

结合第二方面，在第二方面的第一种可能的实施方式中，所述剥离主导二阶极点具体为：增大形成所述机械振动的第一机械摆的阻尼，基于所述阻尼通过第一反馈方式将所述主导二阶极点分解为两个独立的一阶实数极点，其中一个被移至通频带的高端带外，另一个则被移至所述通频带的低端带外；或，增大形成所述机械振动的第二机械摆的阻尼和所述第二机械摆的弹簧的刚度，通过第二反馈方式将所述主导二阶极点分解为两个独立的一阶实数极点，将所述两个独立的一阶实数极点一起推出所述通频带的高端带外。

本发明实施例中，由于将原分配给反馈地震计用模拟方法实现的主导二阶极点任务转交给地震数据采集器用数字算法去完成，地震计不再担负工作周期和工作阻尼生成任务。由此一来，整个系统传递函数主体全部用数字算法生成，精度得以大幅度提高，且不受环境条件变化和时间推移的影响。

本发明实施例中，由于无主导二阶极点速度传感反馈地震计的反馈环在传感线圈和反馈线圈的结构设计上采取了两组线圈各自使用一个独立磁系的方案，有效地避免了两个线圈之间的直通电磁耦合，也抑制了深反馈环路因直通耦合带来的反馈环自激倾向。

本发明实施例中，由于机械摆采用直线摆结构，允许不失真的振动中心位移较大，可以获得较高的动态范围上限和较低的失真度。同时，更低的机械摆固有频率，降低了整机噪声、扩大了动态范围。

本发明实施例中，在反馈环的前进通道中加入校正模块，进一步防止反馈环的自激倾向。

附图说明

图1为本发明实施例中地震观测系统的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例中地震观测系统的第二种结构示意图；

图3为本发明实施例中生成地震传递函数的方法的流程图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种地震观测系统，包括反馈地震计和地震数据采集器，其中，所述反馈地震计为无主导二阶极点速度传感反馈地震计，用于生成无主导二阶极点的第一模拟电压波形，包括：第一机械摆，与所述第一机械摆连接的速度传感器，与所述速度传感器相连接的第一环路滤波器，分别与所述的第一环路滤波器和所述第一机械摆连接的第一电机换能器；所述第一机械摆与所述速度传感器、所述的第一环路滤波器、所述第一电机换能器形成第一反馈环；所述地震数据采集器为速度型主导二阶极点地震数据采集器，用于基于所述第一模拟电压波形生成所述主导二阶极点，并转换生成第一数字地震波形。

本发明实施例中，由于将原分配给反馈地震计用模拟方法实现的主导二阶极点任务转交给地震数据采集器用数字算法去完成，地震计不再担负工作周期和工作阻尼生成任务。由此一来，整个系统传递函数主体全部用数字算法生成，精度得以大幅度提高，且不受环境条件变化和时间推移的影响。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，本文中“第一”“第二”仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。

首先，介绍本发明实施例的技术背景。

目前国内外数字地震观测系统的传递函数主要是由反馈地震计和地震数据采集器的传递函数合成，地震观测系统中的“主导二阶极点”(表征地震计的工作周期和工作阻尼)是由反馈地震计中的模拟元器件和机械摆体共同生成，在宽温范围内和长期连续工作中很难保证其高精度和高稳定性。而地震数据采集器对系统传递函数的贡献主要是高阶低通滤波函数，对观测精度贡献不大。因此，目前的数字地震观测系统存在的观测精度低的技术问题。

鉴于此，本发明实施例中，反馈地震计不再担负工作周期和工作阻尼生成任务，整个系统传递函数主体全部由地震数据采集器的数字算法生成，精度得以大幅度提高，且不受环境条件变化和时间推移的影响。

下面结合附图介绍本发明实施例提供的技术方案。

请参见图1，本发明一实施例提供了一种地震观测系统，包括反馈地震计和地震数据采集器，其中，所述反馈地震计为无主导二阶极点速度传感反馈地震计10，包括第一机械摆101，与第一机械摆101连接的速度传感器102，与速度传感器102相连接的第一环路滤波器103、分别与第一环路滤波器103和第一机械摆101连接的第一电机换能器104；与无主导二阶极点速度传感反馈地震计10连接的速度型主导二阶极点地震数据采集器11；其中，第一机械摆101、速度传感器102、第一环路滤波器103和第一电机换能器104形成第一反馈环。

在具体的实施过程中，无主导二阶极点速度传感反馈地震计10中的第一机械摆101感测地面振动并形成第一机械振动。为了获得较高的动态范围上限和较低的失真度，第一机械摆101采用直线摆。

速度传感器102感测所述第一机械振动，形成第一模拟电压波形；，第一机械摆101、速度传感器102、第一环路滤波器103和第一电机换能器104形成的第一反馈环将第一机械摆102的主导二阶极点(一般为一对共轭复数极点)分解为两个独立的一阶实数极点，其中一个被移至通频带的高端带外，另一个则被移至通频带的低端带外，使其失去影响模拟电压波形的能力。

在具体的事实过程中，为了确保第一机械摆101的主导二阶极点分解成的两个独立的一阶实数极点能够被移至通频带外，第一机械摆101采用强阻尼机械摆，优选的，第一机械摆101的阻尼系数不低于50。

进一步的，为了避免现有技术中反馈环中传感线圈和反馈线圈均绕制在同一磁系中的同一线圈骨架上导致自激的技术缺陷；本实施例中反馈环的传感线圈和反馈线圈分别采用独立的磁系。

进一步的，为了进一步避免反馈环自激，无主导二阶极点速度传感反馈地震计10在反馈环的前向通道中加入一校正模块。

速度型主导二阶极点地震数据采集器11接收无主导二阶极点速度传感反馈地震计10传输的第一模拟电压波形，基于所述第一模拟电压波形生成主导二阶极点，并转换生成第一数字地震波形。

在具体的实施过程中，主导二阶极点是模拟域里s平面中的一对共轭复数极点，而地震数据采集器中用作生成主导二阶极点的滤波系数却是数字域z平面中的一对极点。为了使数字域中的滤波系数对地震波形数据进行处理后，其效果能够高度仿真模拟域中主导二阶极点对地震波形信号的过滤结果。先按地震观测要求的工作周期和工作阻尼标称值，计算出对应的模拟域二阶极点坐标和二次多项式的系数。

根据模拟域二阶极点坐标和二次多项式的系数计算出速度传感反馈地震计的主导二阶极点生成的模拟函数如下：

式中：ω2为用作抵消低端带外极点而加入的零点，在本项目实验中取0.04兀，对应拐角频率为0.02hz的极点。ω1＝2兀或兀，对应工作周期为1s或2s的主导二阶极点，即工作阻尼。

基于所述模拟函数，速度型主导二阶极点地震数据采集器11采用双线性变换法将其变换至数字域传递函数，得到数字域传递函数公式，如下：

式中：a0、a1和a2为分子多项式的系数；

b0、b1和b2为分母多项式的系数；

c为幅频特性峰值归一化系数；

k为变换系数。

本发明另一实施例提供了一种地震观测系统，请参见图2，包括反馈地震计和地震数据采集器，其中，所述反馈地震计为无主导二阶极点位移传感反馈地震计20，用于生成无主导二阶极点的第二模拟电压波形，包括：第二机械摆201，与第二机械摆201连接的位移传感器202，与位移传感器202相连接的第二环路滤波器203，分别与第二环路滤波器203和第二机械摆201连接的第二电机换能器204；与无主导二阶极点位移传感反馈地震计20连接的位移型主导二阶极点地震数据采集器21；其中，第二机械摆201与位移传感器202、第二环路滤波器203、第二电机换能器204形成第二反馈环。

在具体的实施过程中，无主导二阶极点位移传感反馈地震计20中的第二机械摆201接收地面振动产生第二机械振动。为了获得较高的动态范围上限和较低的失真度，第二机械摆201采用直线摆。

位移传感器202感测所述第二机械振动，形成第二模拟电压波形；第二机械摆201与位移传感器202、第二环路滤波器203、第二电机换能器204形成第二反馈环将第二机械摆201的主导二阶极点分解为两个独立的一阶实数极点，将两个极点一起推出通频带的高端带外，使其失去影响模拟电压波形的能力。

在具体的事实过程中，为了确保第二机械摆201的主导二阶极点分解成的两个独立的一阶实数极点能够被移至通频带外，第二机械摆201选择强阻尼机械摆，同时增加第二机械摆201的弹簧的刚度。

进一步的，为了避免现有技术中反馈环中传感线圈和反馈线圈均绕制在同一磁系中的同一线圈骨架上导致自激的技术缺陷；本实施例中位移传感器202与第二电机换能器204分别置于第二机械摆201的两端。

位移型主导二阶极点地震数据采集器21接收无主导二阶极点位移传感反馈地震计20传输的第二模拟电压波形，基于所述第二模拟电压波形生成主导二阶极点，并转换生成第二数字地震波形。

在具体的实施过程中，主导二阶极点是模拟域里s平面中的一对共轭复数极点，而地震数据采集器中用作生成主导二阶极点的滤波系数却是数字域z平面中的一对极点。为了使数字域中的滤波系数对地震波形数据进行处理后，其效果能够高度仿真模拟域中主导二阶极点对地震波形信号的过滤结果。先按地震观测要求的工作周期和工作阻尼标称值，计算出对应的模拟域二阶极点坐标和二次多项式的系数。

根据模拟域二阶极点坐标和二次多项式的系数计算出位移传感反馈地震计的主导二阶极点生成的模拟函数如下：

式中：取值0.1兀、0.13兀、0.05兀/3、0.025兀/3、0.05兀/9，对应的工作周期分别为20s、60s、120s、240s和360s；为工作阻尼；

基于所述模拟函数，位移型主导二阶极点地震数据采集器21采用双线性变换法将其变换至数字域传递函数，得到数字域传递函数公式，如下：

式中：a0、a1和a2为分子多项式的系数；

b0、b1和b2为分母多项式的系数；

c为幅频特性峰值归一化系数；

k为变换系数。

对应于上述地震观测系统，本发明另一实施例提供了一种生成地震传递函数的方法，如图3所示，应用于所述地震观测系统中，所述地震系统包括反馈地震计和地震数据采集器，所述方法包括：

s301:感测地面振动并形成机械振动；

在具体的实施过程中，地震观测系统的反馈地震计中包含一个能够感测地面震动的机械摆，该机械摆能够感测到地面振动并形成机械振动。

s302:剥离所述反馈地震计中的主导二阶极点并生成模拟电压波形；

在具体的实施过程中，剥离所述反馈地震计中的主导二阶极点的方式有两种：

第一种，增大机械摆的阻尼，通过第一反馈方式将所述主导二阶极点分解为两个独立的一阶实数极点，其中一个被移至通频带的高端带外，另一个则被移至所述通频带的低端带外。

第二种，增大机械摆的阻尼和该机械摆的弹簧的刚度，通过第二反馈方式将所述主导二阶极点分解为两个独立的一阶实数极点，将所述两个独立的一阶实数极点一起推出所述通频带的高端带外。

由于上述两种方式将主导二阶极点推到了通频带之外，使得主导二阶极点失去了“主导”作用。

s303:基于所述模拟电压波形生成所述主导二阶极点并转换生成数字地震波形。

在具体的实施过程中，由于主导二阶极点是模拟域里s平面中的一对共轭复数极点，而地震数据采集器中用作生成主导二阶极点的滤波系数却是数字域z平面中的一对极点。为了使数字域中的滤波系数对地震波形数据进行处理后，其效果能够高度仿真模拟域中主导二阶极点对地震波形信号的过滤结果。先按地震观测要求的工作周期和工作阻尼标称值，计算出对应的模拟域二阶极点坐标和二次多项式的系数。

根据模拟域二阶极点坐标和二次多项式的系数计算出速度传感反馈地震计和位移传感反馈地震计使用的主导二阶极点生成的模拟函数分别如公式(1)和公式(2)所示：

有了模拟域中的传递函数，用双线性变换法将其变换至数字域才能在地震数据采集器中用算法来实现。本项目选用了双线性变换法而没选用其它方法，其主要原因是本项目中的主导二阶极点都远离采样率，用双线性变换法得到的数字传递函数幅频特性与模拟域中的幅频特性相似度最高，我国地震部门常用的阶跃标定响应法特性与模拟域中的幅频特性相似波形也最相似，得到数字域传递函数如公式(3)：

公式中a、b、c系数就是地震数据采集器生成的主导二阶极点的滤波系数。

本发明提供的一个或者多个实施例至少存在如下技术效果或优点：

本发明实施例中，由于将原分配给反馈地震计用模拟方法实现的主导二阶极点任务转交给地震数据采集器用数字算法去完成，地震计不再担负工作周期和工作阻尼生成任务。由此一来，整个系统传递函数主体全部用数字算法生成，精度得以大幅度提高，且不受环境条件变化和时间推移的影响。

本发明实施例中，由于无主导二阶极点速度传感反馈地震计的反馈环在传感线圈和反馈线圈的结构设计上采取了两组线圈各自使用一个独立磁系的方案，有效地避免了两个线圈之间的直通电磁耦合，也抑制了深反馈环路因直通耦合带来的反馈环自激倾向。

本发明实施例中，由于机械摆采用直线摆结构，允许不失真的振动中心位移较大，可以获得较高的动态范围上限和较低的失真度。同时，更低的机械摆固有频率，降低了整机噪声、扩大了动态范围。

本发明实施例中，在反馈环的前进通道中加入校正模块，进一步防止反馈环的自激倾向。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或产品。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。