专利名称：微型高频构造活动信息遥测仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及构造活动监测领域，尤其是一种微型高频构造活动信息遥测仪。
背景技术：
现代构造运动(modern tectonic movement)是新构造运动的一部分,指人类历史时期所发生的或正在发生的地壳运动。它对人类经济活动有较大的影响。除用地貌研究法等以外，还可以用各种方法和仪器进行观测，得出现代构造运动的相关性质。地壳处于不断的运动之中，运动以各种形式的构造活动表现出来，地震(Earthquake)仅仅是其中的一种表现形式，地震预报应当建立在全面的构造活动观测之上。近年来，地震前兆观测技术得到很大改进，实现了数字化、自动化、高精度与宽频 带记录。但是，目前我们国家现有的测震台站，采样时间间隔较长、台站间距较大，相对于我国广袤的疆土，这些台站远远不能满足对前兆监测的要求。面对台站数量少、类型不全、成本高、覆盖密度低等现状，如何对构造活动进行多参数、高密度监测是长期以来有待解决的问题。此外，能被人们所感知的地震(频率在几赫兹到几百赫兹)是从地壳内部的微破裂(破裂尺度在毫米级，频率在几百赫兹至上千赫兹，甚至更高)开始，并由许多个这样的微破裂通过叠加、贯通逐渐形成大尺度(几百米到上百公里)、低频率的破裂带。在一些地震前，人们可以清楚的听到如汽车奔驰时发出的呜呜声等声音，这些声音由地壳内部岩石破裂所产生，频率一般在几千赫兹左右。不同破裂尺度的构造活动，产生的信号属于不同的频率范围。一般认为，天然地震(Earthquake)的破裂尺度为几百米到上百千米，所产生的信号频率几赫兹；微地震(MicroEarthquake)的破裂尺度为几米到一千米,所产生的信号频率几十赫兹到几百赫兹；地声(GeoPhone)的破裂尺度为几毫米到上百米，所产生的信号频率为几千赫兹；声发射信号(Acoustic Emission)目前多由实验室观测记录,其破裂尺度在毫米级,所产生的信号频率可达到几万赫兹。对地壳内部高频信号的观测是有必要且有意义的。通过对高频信号的观测，可能发现中强震甚至大地震前地壳运动频率的异常，从而更需要增加对高频信号领域，这一可能的地震前兆信号的分析与研究。我国现有的构造活动研究观测主要基于地电观测台网、地形变台网、全国测震台网、首都圈测震台网、地下水观测网、GPS (Global Positioning System,全球定位系统)观测网络以及野外地质调查等研究观测手段。这些观测手段中，普遍存在着采样时间间隔不够密集和空间上测点间距较大的问题。由采样定理容易知道，要抓取瞬间的信号变化，采集速度必须比信号要快；要量到细微的物体，必须用比物体还要小的尺子。同样，想要全面的观测构造产生的信号，需要更高采样频率、更高分辨率的观测仪器。从观测手段上来说，高密度的覆盖小型观测台站，是解决目前台站测点间距过大引起采样分辨率不高这个问题的途径之一。
不同类型的观测仪器采集信号的分辨率的范围。地震仪的采样率为几十秒一个样点至每秒钟几百个样点；地形变观测仪器的采样率为几天一个样点至每秒钟几千个样点；电磁观测仪器的采样率为几分钟一个样点至每秒钟几百个样点；地下流体、地温观测仪器的采样率为几天一个样点至每秒钟几个样点。目前在小型、高频率的观测构造活动信号这一领域还有所缺失，不能满足对构造活动的在时间和空间上的全面监测。对于一些频率较高的信号——如地声，或者是频率成分丰富的信号——如电磁信号；需要用分辨率高的高速采样仪器才能满足观测要求，否则会导致高频成分信号的缺失以及采集信号的失真等问题，致使对观测数据的分析和研究出现偏差甚至误判。目前的观测台站，从时间分辨率上来说，采样频率较低，对于构造活动高频信息的观测采集有所缺失；从空间分辨率上来说，现有的单个台站占地面积一般达到几百平方米，人口聚居区不利于大密度布设，但是受到台站需要有人值守的限制，在非人口聚居区的条件恶劣地区实现大密度布设也有困难
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微型高频构造活动信息遥测仪，以解决对地壳运动产生的构造活动进行监测上在高频信号采集方面的问题，以填补或扩展对地壳运动产生的高频信号的观测和数据采集的能力。为了解决上述问题，本发明提供了一种微型高频构造活动信息遥测仪，该微型高频构造活动信息遥测仪与远程服务器相耦接，其特征在于，包括传感器单元、数据采集单元、3G模块和控制单元；其中，所述传感器单元，分别与数据采集单元和控制单元相连接，用于根据控制单元的指示信号，感知并采集所述构造活动所产生的高频信号，并将该高频信号生成模拟信号传输给所述数据采集单元；所述数据采集单元，分别与所述传感器单元、3G模块和控制单元相连接，用于根据所述控制单元的指示信号，接收所述传感器单元发送的所述模拟信号，并对该模拟信号进行模数转换，将产生的数字信号发送给所述3G模块；所述3G模块，分别与数据采集单元和控制单元相连接，用于根据所述控制单元的指示信号，接收所述数据采集单元发送的所述数字信号，并通过无线网络根据所述控制单元的指示向远程服务器发送该数字信号，以及接收该远程服务器发送的控制指令信号；所述控制单元，分别与所述传感器单元、数据采集单元和3G模块相连接，用于发送相应的指示给所述传感器单元、数据采集单元和3G模块进行操作。进一步地，其中，数据采集单元包括模数转换单元、数据缓存单元、USB模块和供电模块；其中，所述模数转换单元，分别与所述传感器单元、所述数据缓存单元、供电模块和控制单元相连接，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，接收所述传感器单元发送的所述模拟信号，并进行模数转换，将产生的数字信号发送给所述数据缓存单元;所述数据缓存单元，分别与模数转换单元、USB模块、供电模块和控制单元相连接，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，储存所述模数转换单元发送的数字信号，并根据所述控制单元的指示信号，经USB模块将数字信号发送给3G模块；所述USB模块，分别与所述数据缓存单元、供电模块和控制单元相连接，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，传输数据缓存单元与3G模块之间的数据交换及命令交换；所述供电模块，分别与所述模数转换单元、数据缓存单元和USB模块相连接，用于为所述模数转换单元、数据缓存单元和USB模块提供外接电源的电压和电流。 进一步地，其中，所述模数转换单元进一步包括前置放大器和模数转换器，其中， 所述前置放大器，分别与所述传感器单元和模数转换器相连接，用于接收所述传感器单元发送的模拟信号，并将其进行放大处理，处理后发送给所述模数转换器；所述模数转换器，分别与所述前置放大器和数据缓存单元相连接，用于接收所述前置放大器放大后的模拟信号，并将其转换为数字信号发送给所述数据缓存单元。进一步地，其中，所述前置放大器为具有较高的电压增益的前置放大器。进一步地，其中，所述模数转换器为采用高速、高分辨率的18位并行模拟数字转换器。进一步地，其中，所述传感器单元是三通道传感器。进一步地，其中，所述三通道传感器为地电场传感器、地声传感器或地温传感器之
O进一步地，其中，所述模数转换主要是通过对所述模拟信号进行放大，然后再转换成所述数字信号。进一步地，其中，所述模拟信号为模拟电压信号。进一步地，其中，所述3G模块与数据采集单元之间通过USB接口进行连接。与现有技术相比，本发明所述微型高频构造活动信息遥测仪，解决了对地壳运动产生的构造活动进行监测上在高频信号采集方面的问题，填补或扩展对地壳运动产生的高频信号的观测和数据采集的能力；同时降低了单台仪器的成本，可以实现高密度布设、小型化仪器一至两人可以进行安装、多年连续使用、无人值守，对当前与未来构造活动的观测。
图I为本发明实施例所述微型高频构造活动信息遥测仪的结构框图；图2为本发明实施例所述微型高频构造活动信息遥测仪中的数据采集单元的具体结构图；图3为本发明实施例中图2所述数据采集单元中的模数转换单元的具体结构图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。如图I所示，为本发明实施例所述的一种微型高频构造活动信息遥测仪，该微型高频构造活动信息遥测仪I与远程服务器51相耦接，其特征在于，该微型高频构造活动信息遥测仪I包括传感器单元11、数据采集单元12、3G (第三代移动通信技术，3rd-generation)模块13和控制单元14 ;其中，所述传感器单元11，分别与数据采集单元12和控制单元14相连接，用于根据控制单元14的指示信号，感知并采集所述构造活动所产生的高频信号，并将该高频信号生成模拟信号(在本实施例中一般采用模拟电压信号)传输给所述数据采集单元12。其中，该传感器单元11在本实施例中可以是三通道传感器，即该三通道传感器单元11可以是地电场传感器、地声传感器或地温传感器之一。同时，该传感器单元11也可以是具有地电场传感器、地声传感器和地温传感器的传感器单元11，这里只需技术人员根据实际情况，对传感器单元中所具有的传感器进行设置即可，这里不再赘述。所述数据采集单元12，分别与所述传感器单元11、3G模块13和控制单元14相连接，用于根据所述控制单元14的指示信号，接收所述传感器单元11发送的所述模拟信号，并对该模拟信号进行模数转换，将产生的数字信号发送给所述3G模块13。其中，所述的模数转换主要是是通过对所述模拟信号进行放大，然后再转换成所述数字信号。所述3G模块13，分别与数据采集单元12和控制单元14相连接，用于根据所述控制单元14的指示信号，接收所述数据采集单元12发送的所述数字信号，并通过无线网络根据所述控制单元14的指示向远程服务器51发送该数字信号，以及接收该远程服务器51发送的控制指令信号。其中，在本实施例中所述3G模块13与数据采集单元12之间可以通过USB接口进行连接。还可以通过其他方式进行连接，这里对于本领域技术人员都能考虑到的变化，不再做出具体赘述。所述控制单元14，分别与所述传感器单元11、数据采集单元12和3G模块13相连接，用于发送相应的指示给所述传感器单元11、数据采集单元12和3G模块13进行操作。如图2所示，为本发明实施例中数据采集单元12的内部结构框图，该数据采集单元12包括模数转换单元21、数据缓存单元22、USB模块23和供电模块24 ;其中，所述模数转换单元21，分别与所述传感器单元11、所述数据缓存单元22、供电模块24和控制单元14相连接，用于在供电模块24的电压支持下，根据所述控制单元14的指示信号，接收所述传感器单元11发送的所述模拟信号，并进行模数转换，将产生的数字信号发送给所述数据缓存单元22。所述数据缓存单元22，分别与模数转换单元21、USB模块23、供电模块24和控制单元14相连接，用于在供电模块24的电压支持下，根据所述控制单元14的指示信号，储存所述模数转换单元21发送的数字信号，并根据所述控制单元14的指示信号，经USB模块23将数字信号发送给3G模块13。其中，所述的数字信号以O、I 二进制代码的形式储存在所述数据缓存单元22中。所述USB模块23，分别与所述数据缓存单元22、供电模块24和控制单元14相连接，用于在供电模块24的电压支持下，根据所述控制单元14的指示信号，传输数据缓存单元22与3G模块13之间的数据交换及命令交换。所述供电模块24，分别与所述模数转换单元21、数据缓存单元22和USB模块23相连接，用于为所述模数转换单元21、数据缓存单元22和USB模块23提供外接电源的电压和电流。保证所述模数转换单元21、数据缓存单元22和USB模块23正常工作。如图3所示，模数转换单元21由前置放大器211和模数转换器212组成，其中，所述前置放大器211，分别与所述传感器单元11和模数转换器212相连接，用于接收所述传感器单元11发送的模拟信号，并将其进行放大处理，处理后发送给所述模数转换器 212 ；其中，在本实施例中所述前置放大器211为具有较高的电压增益的前置放大器211，该前置放大器211可以将小信号放大到标准电平上。使用该前置放大器211的原因是，前端的传感器单元11感知并采集到的所述构造活动所产生的高频信号比较弱，需要先将其放大到一定的电平才可以到下一级进行处理。所述的模数转换器212，分别与所述前置放大器211和数据缓存单元22相连接，用于接收所述前置放大器211放大后的模拟信号，并将其转换为数字信号发送给所述数据缓存单元22。其中，这里需要说明的是，所述模数转换单元212为采用高速、高分辨率的18位并行模拟数字转换器，这种转换器与以往数据采集器中经常使用的Σ —ΛΑ / D转换器相t匕，其优越性在于是一种逐次逼近的模数转换器，其噪声是非频率依赖的。 与现有技术相比，本发明所述微型高频构造活动信息遥测仪，解决了对地壳运动产生的构造活动进行监测上在高频信号采集方面的问题，填补或扩展对地壳运动产生的高频信号的观测和数据采集的能力；同时降低了单台仪器的成本，可以实现高密度布设、小型化仪器一至两人可以进行安装、多年连续使用、无人值守，对当前与未来构造活动的观测。具有如下特点I、可以达到最高采样频率为50KHz，可以根据需求自己选择采样频率。2、还实现了自带三通道传感器接口，并提供地温信号、地声信号以及电磁信号采集器，可根据需要安装其他测量参数的传感器。3、还可以沿断层带高密度布设，测量近地表断层附近构造活动产生的高频信号，用于地质学研究或是为地震预报领域的提供高精度、高时空分辨率的数据。4、同时也可以应用到矿震监测、大工程监测、地下洞室(防空洞)等领域。当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种微型高频构造活动信息遥测仪，该微型高频构造活动信息遥测仪与远程服务器相耦接，其特征在于，包括传感器单元、数据采集单元、3G模块和控制单元；其中， 所述传感器单元，分别与数据采集单元和控制单元相连接，用于根据控制单元的指示信号，感知并采集所述构造活动所产生的高频信号，并将该高频信号生成模拟信号传输给所述数据采集单元； 所述数据采集单元，分别与所述传感器单元、3G模块和控制单元相连接，用于根据所述控制单元的指示信号，接收所述传感器单元发送的所述模拟信号，并对该模拟信号进行模数转换，将产生的数字信号发送给所述3G模块； 所述3G模块，分别与数据采集单元和控制单元相连接，用于根据所述控制单元的指示信号，接收所述数据采集单元发送的所述数字信号，并通过无线网络根据所述控制单元的指示向远程服务器发送该数字信号，以及接收该远程服务器发送的控制指令信号； 所述控制单元，分别与所述传感器单元、数据采集单元和3G模块相连接，用于发送相应的指示给所述传感器单元、数据采集单元和3G模块进行操作。
2.如权利要求I所述的微型高频构造活动信息遥测仪，其特征在于，数据采集单元包括模数转换单元、数据缓存单元、USB模块和供电模块；其中， 所述模数转换单元，分别与所述传感器单元、所述数据缓存单元、供电模块和控制单元相连接，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，接收所述传感器单元发送的所述模拟信号，并进行模数转换，将产生的数字信号发送给所述数据缓存单元； 所述数据缓存单元，分别与模数转换单元、USB模块、供电模块和控制单元相连接，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，储存所述模数转换单元发送的数字信号，并根据所述控制单元的指示信号，经USB模块将数字信号发送给3G模块； 所述USB模块，分别与所述数据缓存单元、供电模块和控制单元相连接，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，传输数据缓存单元与3G模块之间的数据交换及命令交换； 所述供电模块，分别与所述模数转换单元、数据缓存单元和USB模块相连接，用于为所述模数转换单元、数据缓存单元和USB模块提供外接电源的电压和电流。
3.如权利要求2所述的微型高频构造活动信息遥测仪，其特征在于，所述模数转换单元进一步包括前置放大器和模数转换器，其中， 所述前置放大器，分别与所述传感器单元和模数转换器相连接，用于接收所述传感器单元发送的模拟信号，并将其进行放大处理，处理后发送给所述模数转换器； 所述模数转换器，分别与所述前置放大器和数据缓存单元相连接，用于接收所述前置放大器放大后的模拟信号，并将其转换为数字信号发送给所述数据缓存单元。
4.如权利要求3所述的微型高频构造活动信息遥测仪，其特征在于，所述前置放大器为具有较高的电压增益的前置放大器。
5.如权利要求3所述的微型高频构造活动信息遥测仪，其特征在于，所述模数转换器为采用高速、高分辨率的18位并行模拟数字转换器。
6.如权利要求I所述的微型高频构造活动信息遥测仪，其特征在于， 所述传感器单元是三通道传感器。
7.如权利要求6所述的微型高频构造活动信息遥测仪，其特征在于，所述三通道传感器为地电场传感器、地声传感器或地温传感器之一。
8.如权利要求I所述的微型高频构造活动信息遥测仪，其特征在于，所述模数转换主要是通过对所述模拟信号进行放大，然后再转换成所述数字信号。
9.如权利要求8所述的微型高频构造活动信息遥测仪，其特征在于，所述模拟信号为模拟电压信号。
10.如权利要求I所述的微型高频构造活动信息遥测仪，其特征在于，所述3G模块与数据采集单元之间通过USB接口进行连接。
全文摘要
本发明公开了微型高频构造活动信息遥测仪，该微型高频构造活动信息遥测仪与远程服务器相耦接，其特征在于，包括传感器单元、数据采集单元、3G模块和控制单元；与现有技术相比，本发明解决了对地壳运动产生的构造活动进行监测上在高频信号采集方面的问题，填补或扩展对地壳运动产生的高频信号的观测和数据采集的能力；同时降低了单台仪器的成本，可以实现高密度布设、小型化仪器一至两人可以进行安装、多年连续使用、无人值守，对当前与未来构造活动的观测。
文档编号G01V1/00GK102798885SQ201210282828
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月9日 优先权日2012年8月9日
发明者张诗笛, 刘力强, 陈国强, 刘培洵, 陈顺云 申请人:中国地震局地质研究所