专利名称：单站地震p波检测预警仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及地震观测技木，尤其涉及一种单站地震P波检测预警仪。
背景技术：
地震发生吋，首先是从震源P波(纵波)跟S波(横波)2个地震波同时发生。P波在地壳的浅层以每秒約6km的速度、S波以每秒3. 5km的速度传播。因为P波跟S波传播的速度不同，首先会感觉到小小的晃动(P波)、然后是大的晃动(S波)。离震源越远这个間隔就越长。由于P波在所有地震波中前进速度最快，也最早抵达，且P波能在固体、液体或气体中传递。地震P波预警就是利用P波和S波的传递速度不同，利用两者之间的走时差可以对地震进行定位，对地震可能的破坏范围和程度进行快速评估，在破坏性地震波到达之前的短暂时间发出预警。现有的地震P波预警系统是通过多个地震台站组网或传感器网络对地震活动进行监测，当检测到P波和S波后，通过计算P波和S波到达时间的差值来估算地震的震级，然后发出预警信号。现有的地震P波预警系统的缺点和不足是1、地震台站建设和传感器网络的铺设投资较大，エ期较长，施工要求比较高；2、进行地震P波预警时需要多个地震台站或传感器进行同时监測。

发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供ー种集成地震数据采集、记录、处理与报警功能于一体的单站地震P波检测预警仪。本发明的目的是这样实现的一、单站地震P波检测预警仪(简称预警仪)包括依次连接的数据采集模块、数据分析记录模块和通讯及报警模块；所述的数据采集模块由三轴向カ平衡式加速度传感器和外接加速度传感器接ロ组成；所述的数据记录分析模块由AD转换器、DSP、ARM及其系统、GPS模块、P波预警算法、实时时钟和SD卡存储组成；三轴向カ平衡式加速度传感器、AD转换、DSP和ARM及其系统依次连接，实现将实时数据进行分析并传送给通信报警模块；P波预警算法植入在ARM及其系统中，ARM及其系统的数据存储在卡存储中；GPS模块分别与AD转换和DSP连接，实现单站地震P波检测预警仪的全球定位的位置信息，同时配合实时时钟实现精确的时间控制；实时时钟与DSP22连接，与GPS模块配合实现精确的时间控制；所述的通信报警模块由计算机、报警箱和P波预警仪应用软件组成；计算机和报警箱前后连接，实现报警；应用软件植入到计算机中。ニ、单站地震P波检测预警方法(简称预警方法)本预警方法包括下列步骤①三轴向力平衡式加速度传感器实时采集震动数据；②通过数据记录分析模块对实时震动数据进行分析；③当通信及报警模块拾取到地震P波信号后则进行报警；④通信及报警模块与网络进行连接，向终端发送地震报警信息；⑤同时上传上传地震数据功能、在线更新功能和仪器状态。本发明的工作原理是数据采集模块实时采集加速度数据并传送到数据分析记录模块；当数据分析记录模块捡拾到P波信息，然后利用P波初至波前几秒的波形数据计算地震发生的时间、地点和震级。当地震可能对被保护的目标物产生破坏时，则触发地震报警模块，发出报警信号，提醒用户采取应急处置措施。本发明具有下列优点和积极效果1、 集地震数据采集、存储、分析和报警于一体，只需单台设备就可实现地震监测和地震P波预警；2、具有体积小、轻便易携带的特点，安装方便，成本较低；3、适用于重大工程的地震预警项目及国家地震预警科学研究项目的台网布设。


图1是本发明的结构方框图。图中10—数据采集模块，11一三轴向カ平衡式加速度传感器，12—外接加速度传感器接ロ ；20—数据记录分析模块，21—AD (模数转换器)，22—DSP (Digital Signal Processor,数字信号处理器)，23—ARM 及其系统(ARM，Advanced RISC Machines，处理器)，24一GPS 模块(GPS, Global Position System,全球定位系统)，25 — P波预警算法，26—实时时钟，27—SD 卡存储；30—通信及报警模块，31—计算机；32-报警箱，33—P波预警仪应用软件；图2是上传地震数据功能流程图；图中
41-检测ARM及其系统23发送的信号；42-是否有需要报警；43-向报警箱发送报警信号；44-连接网络；45-向终端上传地震数据。图3是在线更新功能流程图。图中51—连接网络到指定网址；52—是否有更新；53—下载更新程序；54—安装程序；55一退出更新功能。图4是上传仪器状态功能流程图；图中61—连接网络到终端；62—监测仪器状态；63一是否有故障信号；64—向終端发送仪器故障报警信号。
具体实施例方式下面结合附图和实施例的对本发明详细说明。1、总体如图1，本发明包括依次连接的数据采集模块10、数据分析记录模块20和通信及报警模块30。2、功能块I)数据采集模块10数据采集模块10由三轴向カ平衡式加速度传感器11和外接加速度传感器接ロ 12组成。(I)三轴向カ平衡式加速度传感器11三轴向カ平衡式加速度传感器11选用的传感器的主要參考技术指标包括测量范围±2g;灵敏度±1.25V/g ;动态范围>135dB；阻尼常数0. 7 ；输出阻抗〈I Q ;自振频率80Hz;频带0 80Hz ；静态电流三分向〈10mA ;静态电流单分向<3mA;
横向灵敏度1%。g/g ;线性度:く满刻度的1%。如选用中国地震局工程力学研究所的SLJ-100型三轴向カ平衡式加速度计。三轴向カ平衡式加速度传感器11的功能是低噪声连续不间断实时监测和实时采集振动数据。(2)外接加速度传感器接ロ 12外接加速度传感器接ロ 12是配备的扩充传感器接ロ，用于外接加速度传感器。2)数据记录分析模块20数据记录分析模块20由AD转换器21、DSP22、ARM及其系统23、GPS模块24、P波预警算法25、实时时钟26和SD卡存储27组成；其连接关系是三轴向カ平衡式加速度传感器11、AD转换21、DSP22和ARM及其系统23依次连接，实现将实时数据进行分析并传送给通信及报警模块30 ；P波预警算法25植入在ARM及其系统23中，ARM及其系统23的数据存储在SD卡存储27中；GPS模块24分别与AD转换21和DSP22连接，实现单站地震P波检测预警仪的全球定位的位置信息，同时配合实时时钟26实现精确的时间控制；实时时钟26与DSP22连接，与GPS模块24配合实现精确的时间控制。(I) AD21AD21是ー种常用的模数转换器，用于将三轴向カ平衡式加速度传感器11及与外接加速度传感器接ロ 12相连接的外接加速度传感器发送来的信号进行模数转换。(2)DSP22DSP22是ー种常用的数字信号处理器。(3) ARM 及其系统 23ARM及其系统23是ー种常用的处理器及其系统，植入了 P波预警算法25，实现了对P波预警的功能。
(4) GPS 模块 24GPS模块24是全球定位系统，用于提供单站地震P波检测预警仪的全球定位的位置信息，同时配合实时时钟26实现精确的时间控制。(5) P波预警算法25P波预警算法25植入在ARM及其系统23中，其目的是计算地震发生位置和震级，以判断地震对预警目标是否有破坏。算法主要包括P波到时、震中方位角、震中距和震级的算法，主要參考了以下文献编写了本算法。[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]周彦文.基于单台P波记录的早期地震预警方法研究[D];中国地震局兰州地震研究所，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)实时时钟26实时时钟26是ー种常用的时钟，与GPS模块24配合实现精确的时间控制。(7) SD 卡存储 27SD卡存储27是常用的存储器，主要用于存储多种格式的地震数据，如SAC、SEED、MINI SEED、EVENT 格式等。3)通信报警模块30通信报警模块30由计算机31、报警箱32和P波预警仪应用软件33组成。计算机31和报警箱32前后连接，实现报警等；P波预警仪应用软件33植入到计算机31中。(I)计算机 31计算机31是常用的计算机，计算机31前后与ARM及其系统23和报警箱32相连接，与植入的P波预警仪应用软件33配合实现地震报警、上传地震数据、上传仪器状态和软件在线升级的功能。(2)报警箱 32报警箱32的功能是按照计算机31的报警指令发出相应的报警。(3 ) P波预警仪应用软件33P波预警仪应用软件植入在计算机33中，实现了上传地震数据、上传仪器状态和软件在线升级的功能。3、工作原理数据采集模块10不间断实时采集振动数据，并将采集的振动数据传送到数据记录分析模块20。数据记录分析模块20实时记录三轴向力平衡式加速度传感器的三轴向数据，将模拟信号转化为数字信号，并可多种采样率记录，如50HZ、100HZ、200HZ等，具有P波预警功能，当检测到地震P波，即对P波前几秒波形进行分析，确定地震发生的时间、地点和震级；可将地震数据以多种数据格式进行存储；数据记录分析模块20能够将实时数据进行分析并传送给通信及报警模块30。通信及报警模块30的主要作用是用于地震报警以及单站地震P波检测预警仪与终端的交互，实现地震报警、上传地震数据、上传仪器状态和软件在线升级的功能。4、P波预警仪应用软件功能流程P波预警仪应用软件实现的功能包括上传地震数据、在线更新和上传仪器状态。I)上传地震数据功能流程如图2，上传地震数据功能流程实现了在地震发生后上传地震数据、触发报警箱报警的功能。其流程如下①检测ARM及其系统23发送的信号41 ；②是否有需要报警42，是则进入下ー步骤，否则返回到步骤①；③向报警箱发送报警信号43 ；
④连接网络44;⑤向终端上传地震数据45，流程结束。2)在线更新功能流程如图3，在线更新功能流程实现了 P波预警仪应用软件的在线更新的功能。其流程如下①连接网络到指定网址51 ;②是否有更新52，是则进入下ー步骤，否则返回到步骤①；③下载更新程序53;④安装程序54;⑤退出更新功能55,流程结束。3)上传仪器状态功能流程如图4，上传仪器状态功能流程实现了向終端发送仪器状态数据的功能。在終端上的工作人员发现有故障报警时，可以及时派维修人员去维修。其流程如下①连接网络到終端61;②监测仪器状态62;③是否有故障信号63，是则进入下ー步骤，否则返回到步骤②；④向终端发送仪器故障报警信号64，流程结束。
权利要求
1.一种单站地震P波检测预警仪，其特征在于包括依次连接的数据采集模块(10)、数据分析记录模块(20)和通讯及报警模块(30)； 所述的数据采集模块(10)由三轴向力平衡式加速度传感器(11)和外接加速度传感器接口(12)组成；所述的数据记录分析模块(20)由AD转换器(21)、DSP (22)、ARM及其系统(23)、GPS 模块(24)、P波预警算法(25)、实时时钟(26)和SD卡存储(27)组成；三轴向力平衡式加速度传感器(11)、AD转换(21)、DSP (22)和ARM及其系统(23)依次连接，实现将实时数据进行分析并传送给通信报警模块(30) ；P波预警算法(25)植入在 ARM及其系统(23)中，ARM及其系统(23)的数据存储在卡存储(27)中；GPS模块(24)分别与AD转换(21)和DSP (22)连接，实现单站地震P波检测预警仪的全球定位的位置信息，同时配合实时时钟(26)实现精确的时间控制；实时时钟(26)与DSP22连接，与GPS模块(24)配合实现精确的时间控制；所述的通信报警模块(30 )由计算机(31)、报警箱(32 )和P波预警仪应用软件(33 )组成；计算机(31)和报警箱(32 )前后连接，实现报警；应用软件(33 )植入到计算机(31)中。
2.基于权利要求1所述的单站地震P波检测预警仪的预警方法，其特征在于包括下列步骤①三轴向力平衡式加速度传感器实时采集震动数据；②通过数据记录分析模块对实时震动数据进行分析；③当通信及报警模块拾取到地震P波信号后则进行报警；④通信及报警模块与网络进行连接，向终端发送地震报警信息；⑤同时具备上传上传地震数据功能、在线更新的功能和仪器状态。
3.按权利要求2所述的预警方法，其特征在于上传地震数据功能流程是X检测ARM及其系统发送的信号(41)；τ是否有需要报警(42)，是则进入下一步骤，否则返回到步骤1:；S向报警箱发送报警信号(43);X连接网络(44)；S向终端上传地震数据(45)，流程结束。
4.按权利要求2所述的预警方法，其特征在于在线更新功能流程是X连接网络到指定网址(51)；2是否有更新(52)，是则进入下一步骤，否则返回到步骤X ；I下载更新程序(53)；X安装程序(54)；S退出更新功能(55)，流程结束。
5.按权利要求2所述的预警方法，其特征在于上传仪器状态功能流程是X连接网络到终端(61)；%监测仪器状态(62)；..S是否有故障 信号(63)，是则进入下一步骤，否则返回到步骤I ； X+向终端发送仪器故障报警信号(64)，流程结束。
全文摘要
本发明公开了一种单站地震P波检测预警仪，涉及地震观测技术。本发明包括依次连接的数据采集模块、数据分析记录模块和通讯及报警模块；所述的数据采集模块由三轴向力平衡式加速度传感器和外接加速度传感器接口组成；所述的数据记录分析模块由AD转换器、DSP、ARM及其系统、GPS模块、P波预警算法、实时时钟和SD卡存储组成；所述的通信报警模块由计算机、报警箱和P波预警仪应用软件组成。本发明集地震数据采集、存储、分析和报警于一体，只需单台设备就可实现地震监测和地震P波预警；具有体积小、轻便易携带的特点，安装方便，成本较低；适用于重大工程的地震预警项目及国家地震预警科学研究项目的台网布设。
文档编号G01V1/18GK103033844SQ201210541229
公开日2013年4月10日 申请日期2012年12月12日 优先权日2012年12月12日
发明者陈志高, 郭唐永, 李井冈, 邹彤, 王秋良, 黄 俊, 夏界宁, 蒋冰莉, 杨江, 项大鹏 申请人:中国地震局地震研究所