一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要包括微震采集儀和微震系統(tǒng)服務(wù)器等。微震采集儀主要包括信號(hào)硬件濾波模塊、AD采集模塊、信號(hào)特征分析模塊和多指標(biāo)智能濾波模塊和數(shù)據(jù)與高精度時(shí)間融合模塊等，主要負(fù)責(zé)信號(hào)濾波、分析、采集與傳輸；微震系統(tǒng)服務(wù)器包括信號(hào)采集控制模塊、信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊和時(shí)間源模塊等，主要完成參數(shù)設(shè)置、信號(hào)分析和時(shí)間同步等功能。本發(fā)明提高了時(shí)間同步精度，能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)高精度試驗(yàn)需要；既能連續(xù)有效的記錄微震數(shù)據(jù)，又能將噪音水平保持在較低的水平；可根據(jù)實(shí)際需求，進(jìn)行智能濾波，波形采集設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸、存儲(chǔ)與處理，為災(zāi)害快速分析快速預(yù)警提供了保障。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)，適用于礦山（煤礦和非煤礦山）開(kāi)采、油氣田開(kāi)發(fā)、水利水電與道路交通建設(shè)、水庫(kù)蓄 水、核廢料儲(chǔ)存、溫室氣體地下封存、海底資源開(kāi)采、國(guó)防建設(shè)誘發(fā)的巖爆、頂板坍塌、地壓 沖擊、滑坡、地震等工程災(zāi)害的安全監(jiān)測(cè)、評(píng)估與管理。

【背景技術(shù)】
[0002] 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是19世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種新的物探技術(shù)，該技術(shù)的原理是 利用傳感器采集巖石裂紋萌生、擴(kuò)展、滑移時(shí)內(nèi)部積聚的能量以應(yīng)力波的形式釋放而產(chǎn)生 的震動(dòng)信號(hào)，記錄微震波形變化的過(guò)程與規(guī)律，通過(guò)分析微震波信息獲得巖體破壞的時(shí)間、 位置、破壞的尺寸、能量大小及非線(xiàn)性變形的演化規(guī)律等數(shù)據(jù)，從而判斷、評(píng)估監(jiān)測(cè)范圍內(nèi) 巖體的穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間和位置，為工程管理和災(zāi)害防治提供技術(shù)支持。
[0003] 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)、GPS授時(shí)技術(shù)、地震學(xué)相關(guān)技術(shù) 的綜合集成，上世紀(jì)九十年代以來(lái)，這些技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，因此，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)與分析 方法近年來(lái)取得了突破性進(jìn)展。加拿大、澳大利亞、美國(guó)、英國(guó)、南非以及波蘭都已進(jìn)行了微 地震監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究，國(guó)內(nèi)50年代末期，北京門(mén)頭溝礦用當(dāng)時(shí)中科院地球物理所研制的微 震儀（哈林地震儀改裝），監(jiān)測(cè)沖擊礦壓活動(dòng)，記錄器采用熏煙走紙筆繪記錄。直到今天， 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和發(fā)展，各種類(lèi)型的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)多個(gè)領(lǐng)域如雨后春筍 般地應(yīng)用起來(lái)，如加拿大ESG微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，波蘭S0S微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，南非MS微震監(jiān)測(cè)系 統(tǒng)，山東科技大學(xué)與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院聯(lián)合研制了用于煤礦的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，北京科技 大學(xué)、遼寧工程技術(shù)大學(xué)等單位也先后研制了自具特色的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，已經(jīng)成為礦產(chǎn)資 源勘探與開(kāi)采、油氣田勘探開(kāi)發(fā)、水利水電與道路交通建設(shè)等領(lǐng)域重大巖石工程災(zāi)害監(jiān)測(cè) 與預(yù)報(bào)的重要手段，得到了廣泛應(yīng)用。
[0004] 深入研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行深入的科學(xué)研究仍有以下不足需要進(jìn)一步改進(jìn) 與提商：
[0005] 1)現(xiàn)有微震系統(tǒng)，大多數(shù)采取采集儀、供電設(shè)備及各種通訊設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行的方案， 這種方案的好處是降低了成本、便于損壞后的維修，但由于現(xiàn)場(chǎng)條件十分復(fù)雜，工作區(qū)往往 潮汽大、灰塵多、爆破與巖爆災(zāi)害等沖擊頻繁、機(jī)械設(shè)備密集，很容易造成設(shè)備之間接口松 動(dòng)、接口被潮濕多灰塵的環(huán)境銹蝕、設(shè)備之間的線(xiàn)路被沖擊波或機(jī)械設(shè)備損壞，致使微震系 統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下，難以監(jiān)測(cè)到連續(xù)有效的微震數(shù)據(jù)；而且由于接口繁多，故障排除費(fèi)時(shí)費(fèi) 力；為此，亦有
【發(fā)明者】采取了將采集儀、供電設(shè)備及各種通訊設(shè)備綜合集成的方案，該方案 雖然較好的解決了上述問(wèn)題，但又帶來(lái)了新的難題：由于各電器元件綜合集成，微震系統(tǒng)長(zhǎng) 期運(yùn)行時(shí)背景噪音較高，影響巖石破裂弱信號(hào)的采集。
[0006] 2)現(xiàn)有微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間多采取GPS (Global Positioning System) 和NTP (Network Time Protocol)相結(jié)合的時(shí)間同步策略，有GPS信號(hào)的條件下，時(shí)間同步精 度可達(dá)十幾個(gè)微妙；無(wú) GPS信號(hào)的條件下，在WANs (Wide Area Networks)內(nèi)的時(shí)間精度約 在10-100毫秒，在LAN (Local Area Network)內(nèi)的時(shí)間精度約在0. 5-2毫秒。時(shí)間同步精 度（尤其是無(wú) GPS信號(hào)條件下）難以滿(mǎn)足高精度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（比如圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，巖石微 破裂監(jiān)測(cè)及破裂機(jī)制研究）需要。
[0007] 3)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)是影響微震系統(tǒng)靈敏度及精度的重要指標(biāo)，A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高，采 集到的波形數(shù)據(jù)越真實(shí)，系統(tǒng)靈敏性越高?，F(xiàn)有微震系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)一般以18位居多， 部分達(dá)到了 24位，這雖然可以滿(mǎn)足一般監(jiān)測(cè)的需要，但對(duì)于深入的科學(xué)研究還是不夠的， 更精準(zhǔn)的微震信號(hào)到時(shí)拾取、微震源能量計(jì)算、破壞源機(jī)理分析，需要設(shè)計(jì)更高精度的A/D 轉(zhuǎn)換采集儀。A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)越高、采樣頻率越大，采集模塊的負(fù)荷就越大，部分?jǐn)?shù)據(jù)難以及時(shí) 得到有效處理，甚至數(shù)據(jù)丟失；對(duì)集成線(xiàn)路板、處理器及各電器元件之間的配置與優(yōu)化要求 越高，不合理的配置將會(huì)導(dǎo)致采集更多的背景噪音。
[0008] 4)為了確保能采集到更多的有效信號(hào)，現(xiàn)有微震系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集多采用連續(xù)采集模 式，這種采集模式對(duì)信號(hào)不設(shè)濾波條件，數(shù)據(jù)量非常巨大，數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)與處理一直是一 個(gè)難題，難以滿(mǎn)足對(duì)巖石工程災(zāi)害快速分析與預(yù)警的需要。因此，在采集儀中設(shè)置濾波模 塊，實(shí)時(shí)智能的濾除現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境噪音，減輕采集儀及數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路的負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)分析的效 率，滿(mǎn)足災(zāi)害快速分析快速預(yù)警需要是非常必要的。
[0009] 因此，對(duì)微震系統(tǒng)的多種功能進(jìn)行優(yōu)化、設(shè)計(jì)、改造與集成，引入新的時(shí)間同步策 略與濾波技術(shù)，設(shè)計(jì)更高精度的A/D轉(zhuǎn)換采集儀，發(fā)明一種盡量減少現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境的影響， 能使微震系統(tǒng)各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步精度更高，到時(shí)拾取、微震源能量計(jì)算、破壞源機(jī)理分 析更準(zhǔn)確的多功能綜合集成的高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供一種多功能綜合集成高 精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0012] 一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括微震采集儀，微震采集儀包 括中央處理器和信號(hào)硬件濾波模塊，信號(hào)硬件濾波模塊依次通過(guò)AD采集模塊、信號(hào)特征分 析模塊和多指標(biāo)智能濾波模塊與中央處理器連接，
[0013] 信號(hào)特征分析模塊包括：
[0014] 頻譜分析模塊，用于通過(guò)離散傅立葉變換建立位移-頻率或速度-頻率或加速 度-頻率關(guān)系，獲取信號(hào)的最大振幅頻率和平均頻率；
[0015] 計(jì)數(shù)分析模塊，用于統(tǒng)計(jì)波形信號(hào)振幅超過(guò)預(yù)先設(shè)置的電壓門(mén)檻值的次數(shù)；
[0016] 上升時(shí)間分析模塊，用于計(jì)算波形信號(hào)的振幅超過(guò)預(yù)先設(shè)置的電壓門(mén)檻值到振幅 最大的時(shí)間；
[0017] 下降時(shí)間分析模塊，用于計(jì)算波形信號(hào)從振幅最大到振幅低于預(yù)先設(shè)置的電壓門(mén) 檻值的時(shí)間；
[0018] 持續(xù)時(shí)間分析模塊，用于計(jì)算波形信號(hào)從振幅超過(guò)預(yù)先設(shè)置的電壓門(mén)檻值到振幅 低于預(yù)先設(shè)置的電壓門(mén)檻值的時(shí)間；
[0019] 振幅分析模塊，用于記錄波形信號(hào)的最大振幅；
[0020] 轉(zhuǎn)角頻率分析模塊，用于通過(guò)最小二乘法反分析確定微震事件的轉(zhuǎn)角頻率；
[0021] 能量計(jì)算模塊，用于計(jì)算巖石破裂P波能量、S波能量和總能量；
[0022] 短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均模塊，用于計(jì)算信號(hào)在第η個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的短時(shí)平均值和長(zhǎng)時(shí) 平均值的比值；
[0023] 多指標(biāo)智能濾波模塊，用于將信號(hào)特征分析模塊獲得的參數(shù)根據(jù)預(yù)定的篩選方式 與預(yù)設(shè)的閾值范圍進(jìn)行比較，選取濾除后的信號(hào)。
[0024] 如上所述的多指標(biāo)智能濾波模塊包括單指標(biāo)濾波模塊，單指標(biāo)濾波模塊預(yù)先設(shè)定 平均頻率、最大振幅頻率、轉(zhuǎn)角頻率、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、下降時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、振幅、能量和短 時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均指標(biāo)中的1個(gè)指標(biāo)的閾值范圍，然后和信號(hào)特征分析模塊的分析結(jié)果進(jìn) 行比較，若信號(hào)特征分析模塊的分析結(jié)果在單指標(biāo)濾波模塊設(shè)定的范圍內(nèi)，則濾除該信號(hào)， 否則進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。
[0025] 如上所述的多指標(biāo)智能濾波模塊還包括多指標(biāo)濾波模塊，多指標(biāo)濾波模塊預(yù)先設(shè) 定平均頻率、最大振幅頻率、轉(zhuǎn)角頻率、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、下降時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、振幅、能量和 短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均指標(biāo)中若干個(gè)指標(biāo)的范圍，然后和信號(hào)特征分析模塊的分析結(jié)果進(jìn)行 比較，若信號(hào)特征分析模塊的分析結(jié)果均在多指標(biāo)濾波模塊設(shè)定的范圍內(nèi)，則濾除該信號(hào)， 否則進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。
[0026] 如上所述的多指標(biāo)智能濾波模塊還包括智能學(xué)習(xí)濾波模塊，智能學(xué)習(xí)濾波模塊通 過(guò)ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)波形信號(hào)進(jìn)行濾除，ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè)輸入層、2個(gè)中間層和1個(gè)輸出 層，輸入層包括平均頻率、最大振幅頻率、轉(zhuǎn)角頻率、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、下降時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、 振幅、能量和短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均這10個(gè)神經(jīng)元，輸出層包括信號(hào)類(lèi)型1個(gè)神經(jīng)元。
[0027] 如上所述的信號(hào)硬件濾波模塊包括與AD采集模塊連接的硬件濾波模塊和與硬件 濾波模塊連接的信號(hào)保真模塊，
[0028] 信號(hào)保真模塊包括加速度型傳感器信號(hào)保真模塊和速度型傳感器信號(hào)保真模塊，
[0029] 加速度型傳感器信號(hào)保真模塊，用于給加速度傳感器提供恒流源并對(duì)加速度傳感 器采集到的波形信號(hào)削峰、整形，
[0030] 速度型傳感器信號(hào)保真模塊，用于對(duì)波形信號(hào)削峰、整形，
[0031] 硬件濾波模塊通過(guò)比較采集到的電壓值和事先設(shè)置的電壓檻值的大小來(lái)判斷波 形信號(hào)是否為有效信號(hào)，若采集到的電壓信號(hào)超過(guò)事先設(shè)置的電壓檻值，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采 集、分析和存儲(chǔ)；否則丟棄該波形信號(hào)。
[0032] -種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，還包括微震系統(tǒng)服務(wù)器，微震系 統(tǒng)服務(wù)器包括信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊，
[0033] 信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊，用于對(duì)頻譜分析模塊、計(jì)數(shù)分析模塊、上升時(shí)間分析模塊、 下降時(shí)間分析模塊、持續(xù)時(shí)間分析模塊、振幅分析模塊、轉(zhuǎn)角頻率分析模塊、能量計(jì)算模塊 和短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均模塊的閾值范圍進(jìn)行設(shè)置；還用于存儲(chǔ)微震采集儀采集的微震數(shù) 據(jù)。
[0034] 如上所述的微震系統(tǒng)服務(wù)器還包括遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步授時(shí)模塊和時(shí)間源模 塊，所述的微震采集儀還包括與中央處理器連接的遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步從模塊，
[0035] 遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步授時(shí)模塊，用于將時(shí)間源模塊生成的時(shí)間信息通過(guò)ΡΤΡ協(xié) 議并通過(guò)主從式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的同步方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步從模塊，
[0036] 所述的時(shí)間源模塊包括GPS時(shí)鐘和銣鐘。
[0037] 如上所述的微震系統(tǒng)服務(wù)器還包括信號(hào)采集控制模塊，
[0038] 信號(hào)采集控制模塊用于設(shè)置微震采集儀IP地址、網(wǎng)關(guān)、端口及微震系統(tǒng)服務(wù)器IP 地址，
[0039] 還用于傳感器類(lèi)型、數(shù)量、傳感器靈敏度、頻率范圍及坐標(biāo)信息的選擇設(shè)置，傳感 器類(lèi)型選自單向加速度傳感器、三向加速度傳感器、單向速度傳感器、三向速度傳感器中的 1種，
[0040] 還用于加速度型傳感器信號(hào)保真模塊、速度型傳感器信號(hào)保真模塊的選擇設(shè)置，
[0041] 還用于微震采集儀采樣頻率設(shè)置，即AD采集模塊的采樣頻率設(shè)置，
[0042] 還用于單指標(biāo)濾波模塊、多指標(biāo)濾波模塊和智能學(xué)習(xí)濾波模塊的選擇設(shè)置，
[0043] 還用于選擇GPS時(shí)間同步或者銣鐘時(shí)間同步。
[0044] 如上所述的微震采集儀還包括數(shù)據(jù)與高精度時(shí)間融合模塊，數(shù)據(jù)與高精度時(shí)間融 合模塊用于將中央處理器采集到的微震信號(hào)與同步后的時(shí)間信息進(jìn)行融合得到帶時(shí)間標(biāo) 簽的微震信號(hào)并傳送到移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，數(shù)據(jù)與高精度時(shí)間融合模塊還通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊將 帶時(shí)間標(biāo)簽的微震信號(hào)傳送至信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊。
[0045] 如上所述的遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步授時(shí)模塊依次通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊和過(guò)流過(guò)壓 保護(hù)模塊與遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步從模塊進(jìn)行時(shí)間同步；信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊和信號(hào)采集 控制模塊均通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊和過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊與中央處理器連接，所述的信號(hào)保真模 塊通過(guò)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊與傳感器接口連接，過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊與接地柱連接。
[0046] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0047] 1、本發(fā)明在確保微震系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)背景噪音保持較低水平的前提下，較好地解 決了復(fù)雜環(huán)境下，微震系統(tǒng)難以監(jiān)測(cè)到連續(xù)有效的微震數(shù)據(jù)的難題；
[0048] 2、本發(fā)明提高了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在無(wú) GPS信號(hào)的條件下采集儀之間的時(shí)間同步精 度，能滿(mǎn)足高精度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（如圍巖松動(dòng)圈測(cè)試，巖石破裂機(jī)制研究）需要；
[0049] 3、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高精度A/D轉(zhuǎn)換與采集系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)，既能有效的處理監(jiān)測(cè)到 數(shù)據(jù)，同時(shí)又能將噪音水平保持在一個(gè)較低的水平；
[0050] 4、本發(fā)明在微震采集儀中同時(shí)添加了硬件濾波和多指標(biāo)智能濾波模塊，并可根據(jù) 實(shí)際需求，設(shè)置是否采集波形，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸、存儲(chǔ)與處理，為災(zāi)害快速分析快速 預(yù)警提供了保障。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0051] 圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)功能流程圖；
[0052] 圖2為信號(hào)保真模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0053] 圖3為信號(hào)特征分析模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0054] 圖4為多指標(biāo)智能濾波模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0055] 圖5本發(fā)明與現(xiàn)有微震系統(tǒng)數(shù)據(jù)連續(xù)性對(duì)比圖；
[0056] 圖6 (a)本發(fā)明時(shí)間同步效果（同步誤差250ns);
[0057] 圖6(b)現(xiàn)有微震系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步效果（同步誤差180ms);
[0058] 圖7 (a)本發(fā)明背景噪音：小于1. 0E_7m. s4 ;
[0059] 圖7 (b)現(xiàn)有微震系統(tǒng)背景噪音：大于4. 0E_7m. s 1 ;
[0060] 圖8 (a)本發(fā)明采取濾噪措施后信號(hào)數(shù)（48個(gè)）及空間分布；
[0061] 圖8(b)現(xiàn)有微震系統(tǒng)接收到信號(hào)數(shù)（82個(gè)）及空間分布。
[0062] 其中，1-加速度傳感器，2-速度傳感器，3-傳感器接口（IP67標(biāo)準(zhǔn)），4-過(guò)流過(guò)壓 保護(hù)模塊，5-接地柱，6-信號(hào)保真模塊，6-1-加速度型傳感器信號(hào)保真模塊，6-2 -速度型 傳感器信號(hào)保真模塊，7-硬件濾波模塊，8-信號(hào)特征分析模塊，8-1-頻譜分析模塊，8-2-計(jì) 數(shù)分析模塊，8-3-上升時(shí)間分析模塊，8-4-下降時(shí)間分析模塊，8-5持續(xù)時(shí)間分析模塊， 8-6-振幅分析模塊，8-7-轉(zhuǎn)角頻率分析模塊，8-8-能量計(jì)算模塊，8-9-短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平 均模塊，9-多指標(biāo)智能濾波模塊，9-1-單指標(biāo)濾波模塊，9-2-多指標(biāo)濾波模塊，9-3-智能學(xué) 習(xí)濾波模塊，11-2號(hào)微震采集儀，12-AD采集模塊（32位高精度AD采集模塊），13-N號(hào)微震 采集儀，14-中央處理器，15-數(shù)據(jù)與高精度時(shí)間融合模塊，16-IP67標(biāo)準(zhǔn)USB接口，17-移動(dòng) 存儲(chǔ)設(shè)備，18-遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步從模塊，19-光電轉(zhuǎn)換模塊，20-IP67標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和光 纖接口，21-時(shí)間源模塊，22-遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步授時(shí)模塊，23-信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊， 24-信號(hào)采集控制模塊，25-不間斷電源，26-IP67標(biāo)準(zhǔn)電源接口，27-1號(hào)微震采集儀。

【具體實(shí)施方式】
[0063] 以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0064] 一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括微震采集儀、微震系統(tǒng)服務(wù) 器、傳感器（包括加速度傳感器1和速度傳感器2)及移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備17。
[0065] 微震采集儀與傳感器（包括加速度傳感器1和速度傳感器2)通過(guò)IP67標(biāo)準(zhǔn)傳感 器接口 3連接。
[0066] 微震采集儀與移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備17通過(guò)IP67標(biāo)準(zhǔn)USB接口連接。
[0067] 微震采集儀與微震系統(tǒng)服務(wù)器通過(guò)IP67標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和光纖接口 20連接。
[0068] 微震采集儀包括IP67標(biāo)準(zhǔn)傳感器接口 3、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊4、接地柱5、信號(hào)保真 模塊6、硬件濾波模塊7、信號(hào)特征分析模塊8、多指標(biāo)智能濾波模塊9、AD采集模塊12、中央 處理器14、數(shù)據(jù)與高精度時(shí)間融合模塊15、IP67標(biāo)準(zhǔn)USB接口 16、遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步 從模塊18、光電轉(zhuǎn)換模塊19、IP67標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和光纖接口 20、不間斷電源25和IP67標(biāo)準(zhǔn) 電源接口 26。
[0069] 其連接關(guān)系是：1)IP67標(biāo)準(zhǔn)傳感器接口 3與過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊4連接，過(guò)流過(guò)壓 保護(hù)模塊4與信號(hào)保真模塊6連接，信號(hào)保真模塊6與硬件濾波模塊7連接，硬件濾波模塊 7與AD采集模塊12連接，AD采集模塊12與中央處理器14連接；2) IP67標(biāo)準(zhǔn)USB接口 16 與中央處理器14連接；3) IP67標(biāo)準(zhǔn)電源接口 26與過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊4連接，過(guò)流過(guò)壓保 護(hù)模塊4與不間斷電源25連接，不間斷電源25與中央處理器14連接；4) IP67標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) 和光纖接口 20與光電轉(zhuǎn)換模塊19連接，光電轉(zhuǎn)換模塊19與過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊4連接，過(guò) 流過(guò)壓保護(hù)模塊4有兩個(gè)線(xiàn)路與中央處理器14連接，一個(gè)是直接連接到中央處理器14,另 一個(gè)是經(jīng)遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步從模塊18與中央處理器14連接。所有過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊 4與接地柱5連接。
[0070] 信號(hào)保真模塊6包括加速度型傳感器信號(hào)保真模塊6-1和速度型傳感器信號(hào)保真 模塊6-2,二者互相獨(dú)立，當(dāng)采集儀連接加速度傳感器1時(shí)，加速度型傳感器信號(hào)保真模塊 6-1工作；當(dāng)采集儀連接速度傳感器2時(shí)，速度型傳感器信號(hào)保真模塊6-2工作。加速度型 傳感器信號(hào)保真模塊6-1主要功能1)給加速度傳感器提供恒流源，確保加速度傳感器正常 工作；2)對(duì)加速度傳感器采集到的波形信號(hào)削峰、整形達(dá)到信號(hào)保真作用。速度型傳感器 信號(hào)保真模塊6-2主要功能對(duì)波形信號(hào)削峰、整形達(dá)到信號(hào)保真作用。
[0071] 硬件濾波模塊7通過(guò)比較采集到的電壓值和事先設(shè)置的電壓檻值的大小來(lái)判斷 信號(hào)是否為有效信號(hào)，若采集到的電壓信號(hào)超過(guò)事先設(shè)置的電壓檻值，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集、 分析和存儲(chǔ)；否則丟棄該信號(hào)。
[0072] 信號(hào)特征分析模塊8包括頻譜分析模塊8-1，計(jì)數(shù)分析模塊8-2,上升時(shí)間分析模 塊8-3,下降時(shí)間分析模塊8-4,持續(xù)時(shí)間分析模塊8-5,振幅分析模塊8-6,轉(zhuǎn)角頻率分析模 塊8-7,能量計(jì)算模塊8-8,短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均模塊8-9。
[0073] 頻譜分析模塊8-1主要是通過(guò)離散傅立葉變換建立位移-頻率（或速度-頻率， 或加速度-頻率）關(guān)系，獲取信號(hào)的最大振幅頻率和平均頻率；
[0074] 計(jì)數(shù)分析模塊8-2主要是統(tǒng)計(jì)一個(gè)波形信號(hào)振幅超過(guò)事先設(shè)置的電壓門(mén)檻值的 次數(shù)；
[0075] 上升時(shí)間分析模塊8-3主要是計(jì)算一個(gè)波形信號(hào)的振幅超過(guò)事先設(shè)置的電壓門(mén) 檻值到振幅最大的時(shí)間，計(jì)算公式：上升時(shí)間=采集儀采樣頻率X上升采樣點(diǎn)數(shù)（超過(guò)事 先設(shè)置的電壓門(mén)檻值的采樣點(diǎn)到最大振幅對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)）；
[0076] 下降時(shí)間分析模塊8-4主要是計(jì)算一個(gè)波形信號(hào)從振幅最大到振幅低于事先設(shè) 置的電壓門(mén)檻值的時(shí)間，計(jì)算公式：下降時(shí)間=采集儀采樣頻率X下降采樣點(diǎn)數(shù)（最大振 幅對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)到低于事先設(shè)置的電壓門(mén)檻值的采樣點(diǎn)）；
[0077] 持續(xù)時(shí)間分析模塊8-5主要是計(jì)算一個(gè)波形信號(hào)從振幅超過(guò)事先設(shè)置的電壓門(mén) 檻值到振幅低于事先設(shè)置的電壓門(mén)檻值的時(shí)間，計(jì)算公式：持續(xù)時(shí)間=采集儀采樣頻率X 波形采樣點(diǎn)數(shù)（超過(guò)事先設(shè)置的電壓門(mén)檻值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)到低于事先設(shè)置的電壓門(mén)檻值 的采樣點(diǎn)）；
[0078] 振幅分析模塊8-6主要是記錄波形信號(hào)的最大振幅；
[0079] 轉(zhuǎn)角頻率分析模塊8-7以8-1頻譜分析為基礎(chǔ)，通過(guò)最小二乘法反分析確定微震 事件的轉(zhuǎn)角頻率；
[0080] 能量計(jì)算模塊8-8主要利用公式（1)計(jì)算獲得，
[0081] E = EP+ES (1)
[0082] 其中，

【權(quán)利要求】
1. 一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括微震采集儀，其特征在于，微震 采集儀包括中央處理器（14)和信號(hào)硬件濾波模塊，信號(hào)硬件濾波模塊依次通過(guò)AD采集模 塊（12)、信號(hào)特征分析模塊（8)和多指標(biāo)智能濾波模塊（9)與中央處理器（14)連接， 信號(hào)特征分析模塊（8)包括： 頻譜分析模塊（8-1)，用于通過(guò)離散傅立葉變換建立位移-頻率或速度-頻率或加速 度-頻率關(guān)系，獲取信號(hào)的最大振幅頻率和平均頻率； 計(jì)數(shù)分析模塊（8-2)，用于統(tǒng)計(jì)波形信號(hào)振幅超過(guò)預(yù)先設(shè)置的電壓門(mén)檻值的次數(shù)； 上升時(shí)間分析模塊（8-3)，用于計(jì)算波形信號(hào)的振幅超過(guò)預(yù)先設(shè)置的電壓門(mén)檻值到振 幅最大的時(shí)間； 下降時(shí)間分析模塊（8-4)，用于計(jì)算波形信號(hào)從振幅最大到振幅低于預(yù)先設(shè)置的電壓 門(mén)檻值的時(shí)間； 持續(xù)時(shí)間分析模塊（8-5)，用于計(jì)算波形信號(hào)從振幅超過(guò)預(yù)先設(shè)置的電壓門(mén)檻值到振 幅低于預(yù)先設(shè)置的電壓門(mén)檻值的時(shí)間； 振幅分析模塊（8-6)，用于記錄波形信號(hào)的最大振幅； 轉(zhuǎn)角頻率分析模塊（8-7)，用于通過(guò)最小二乘法反分析確定微震事件的轉(zhuǎn)角頻率； 能量計(jì)算模塊（8-8)，用于計(jì)算巖石破裂P波能量、S波能量和總能量； 短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均模塊（8-9)，用于計(jì)算信號(hào)在第η個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)的短時(shí)平均值和長(zhǎng) 時(shí)平均值的比值； 多指標(biāo)智能濾波模塊（9)，用于將信號(hào)特征分析模塊（8)獲得的參數(shù)根據(jù)預(yù)定的篩選 方式與預(yù)設(shè)的閾值范圍進(jìn)行比較，選取濾除后的信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述的多指標(biāo)智能濾波模塊（9)包括單指標(biāo)濾波模塊（9-1 )，單指標(biāo)濾波模塊（9-1)預(yù) 先設(shè)定平均頻率、最大振幅頻率、轉(zhuǎn)角頻率、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、下降時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、振幅、能 量和短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均指標(biāo)中的1個(gè)指標(biāo)的閾值范圍，然后和信號(hào)特征分析模塊（8)的 分析結(jié)果進(jìn)行比較，若信號(hào)特征分析模塊（8)的分析結(jié)果在單指標(biāo)濾波模塊（9-1)設(shè)定的 范圍內(nèi)，則濾除該信號(hào)，否則進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述的多指標(biāo)智能濾波模塊（9)還包括多指標(biāo)濾波模塊（9-2)，多指標(biāo)濾波模塊（9-2) 預(yù)先設(shè)定平均頻率、最大振幅頻率、轉(zhuǎn)角頻率、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、下降時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、振幅、 能量和短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均指標(biāo)中若干個(gè)指標(biāo)的范圍，然后和信號(hào)特征分析模塊（8)的分 析結(jié)果進(jìn)行比較，若信號(hào)特征分析模塊（8)的分析結(jié)果均在多指標(biāo)濾波模塊（9-2)設(shè)定的 范圍內(nèi)，則濾除該信號(hào)，否則進(jìn)行采集和存儲(chǔ)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述的多指標(biāo)智能濾波模塊（9)還包括智能學(xué)習(xí)濾波模塊（9-3)，智能學(xué)習(xí)濾波模塊 (9-3)通過(guò)ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)波形信號(hào)進(jìn)行濾除，ΒΡ神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括1個(gè)輸入層、2個(gè)中間層和1 個(gè)輸出層，輸入層包括平均頻率、最大振幅頻率、轉(zhuǎn)角頻率、計(jì)數(shù)、上升時(shí)間、下降時(shí)間、持續(xù) 時(shí)間、振幅、能量和短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均這10個(gè)神經(jīng)元，輸出層包括信號(hào)類(lèi)型1個(gè)神經(jīng)元。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述的信號(hào)硬件濾波模塊包括與AD采集模塊（12)連接的硬件濾波模塊（7)和與硬件濾 波模塊（7)連接的信號(hào)保真模塊（6)， 信號(hào)保真模塊（6)包括加速度型傳感器信號(hào)保真模塊（6-1)和速度型傳感器信號(hào)保真 模塊（6-2)， 加速度型傳感器信號(hào)保真模塊（6-1)，用于給加速度傳感器提供恒流源并對(duì)加速度傳 感器采集到的波形信號(hào)削峰、整形， 速度型傳感器信號(hào)保真模塊（6-2)，用于對(duì)波形信號(hào)削峰、整形， 硬件濾波模塊（7 )通過(guò)比較采集到的電壓值和事先設(shè)置的電壓檻值的大小來(lái)判斷波形 信號(hào)是否為有效信號(hào)，若采集到的電壓信號(hào)超過(guò)事先設(shè)置的電壓檻值，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采集、 分析和存儲(chǔ)；否則丟棄該波形信號(hào)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，還包括微震系統(tǒng)服務(wù)器，微震系統(tǒng)服務(wù)器包括信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊（23)， 信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊（23)，用于對(duì)頻譜分析模塊（8-1)、計(jì)數(shù)分析模塊（8-2)、上升 時(shí)間分析模塊（8-3)、下降時(shí)間分析模塊（8-4)、持續(xù)時(shí)間分析模塊（8-5)、振幅分析模塊 (8-6 )、轉(zhuǎn)角頻率分析模塊（8-7 )、能量計(jì)算模塊（8-8 )和短時(shí)平均比長(zhǎng)時(shí)平均模塊（8-9 )的 閾值范圍進(jìn)行設(shè)置；還用于存儲(chǔ)微震采集儀采集的微震數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述的微震系統(tǒng)服務(wù)器還包括遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步授時(shí)模塊（22)和時(shí)間源模塊 (21)，所述的微震采集儀還包括與中央處理器（14)連接的遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步從模塊 (18)， 遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步授時(shí)模塊（22)，用于將時(shí)間源模塊（21)生成的時(shí)間信息通過(guò) PTP協(xié)議并通過(guò)主從式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的同步方式傳輸?shù)竭h(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步從模塊（18)， 所述的時(shí)間源模塊（21)包括GPS時(shí)鐘和銣鐘。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述的微震系統(tǒng)服務(wù)器還包括信號(hào)采集控制模塊（24)， 信號(hào)采集控制模塊（24)用于設(shè)置微震采集儀IP地址、網(wǎng)關(guān)、端口及微震系統(tǒng)服務(wù)器IP 地址， 還用于傳感器類(lèi)型、數(shù)量、傳感器靈敏度、頻率范圍及坐標(biāo)信息的選擇設(shè)置，傳感器類(lèi) 型選自單向加速度傳感器、三向加速度傳感器、單向速度傳感器、三向速度傳感器中的1 種， 還用于加速度型傳感器信號(hào)保真模塊（6-1)、速度型傳感器信號(hào)保真模塊（6-2)的選 擇設(shè)置， 還用于微震采集儀采樣頻率設(shè)置，即AD采集模塊（12)的采樣頻率設(shè)置， 還用于單指標(biāo)濾波模塊（9-1 )、多指標(biāo)濾波模塊（9-2 )和智能學(xué)習(xí)濾波模塊（9-3 )的選 擇設(shè)置， 還用于選擇GPS時(shí)間同步或者銣鐘時(shí)間同步。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述的微震采集儀還包括數(shù)據(jù)與高精度時(shí)間融合模塊（15)，數(shù)據(jù)與高精度時(shí)間融合模 塊（15)用于將中央處理器（14)采集到的微震信號(hào)與同步后的時(shí)間信息進(jìn)行融合得到帶時(shí) 間標(biāo)簽的微震信號(hào)并傳送到移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備（17)，數(shù)據(jù)與高精度時(shí)間融合模塊（15)還通過(guò) 光電轉(zhuǎn)換模塊（19)將帶時(shí)間標(biāo)簽的微震信號(hào)傳送至信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊（23)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種多功能綜合集成高精度智能微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于，所述的遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步授時(shí)模塊（22)依次通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊（19)和過(guò)流過(guò)壓 保護(hù)模塊（4)與遠(yuǎn)距離高精度時(shí)間同步從模塊（18)進(jìn)行時(shí)間同步；信號(hào)存儲(chǔ)和分析模塊 (23)和信號(hào)采集控制模塊（24)均通過(guò)光電轉(zhuǎn)換模塊（19)和過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊（4)與中央 處理器（14)連接，所述的信號(hào)保真模塊（6)通過(guò)過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊（4)與傳感器接口（3) 連接，過(guò)流過(guò)壓保護(hù)模塊（4 )與接地柱（5 )連接。
【文檔編號(hào)】G01V1/24GK104062677SQ201410315874
【公開(kāi)日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】陳炳瑞, 馮夏庭, 符啟卿, 李賢
申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 武漢海震科技有限公司