GNSS用于地震监测的可变采样系统及其方法与流程

本发明属于地震监测或者振动测试领域，具体涉及一种GNSS用于地震监测的可变采样系统及其方法。

背景技术：

GNSS(全球导航卫星系统)目前已成为地震监测的常规仪器。常规测地型(Geodetic)GNSS用于地震监测时通常有两种模式：一是使用较低的采样频率，如30sec、15sec监测地壳运动等长周期构造形变；二是在地震时，以较高的采样频率，如1Hz、50Hz、100Hz等监测地震所造成的高频非构造信号。但由于地震预报为世界性难题，事先无法判断监测地区是否会有地震发生，导致GNSS只能单独以上述其一的模式工作，且用于监测震时的高采样率的GNSS仅能采用循环冲洗的记录方法以保证存储要求，经常存在大量有效数据丢失的情况。存储的瓶颈使得GNSS在地震监测方面的效能大打折扣；而加速度计则具有低成本、小体积和方便使用的特点。

技术实现要素：

本发明目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种GNSS用于地震监测的可变采样系统及其方法，提高GNSS的工作效能及有效保护监测数据。

实现本发明目的的技术方案是：

利用加速度计其灵敏性进行识别和判断地震波以达到识别地震的发生，基于识别算法设计了一种GNSS用于地震监测的可变采样系统及其方法，不仅使GNSS前述两种工作模式在地震监测中共存，提高GNSS的使用效能，并且能够安全地保存监测数据，克服存储能力不足的问题。

本发明将加速度计与GNSS进行集成，基于加速度记录及识别算法确定监测区域是否发生地震以改变GNSS采样模式，并通过远程监控实现自动与人工模式的切换。

具体地说：

一、GNSS用于地震监测的可变采样系统(简称系统)

本系统包括工作对象——GNSS核心板；

设置有地震发生判断装置和GNSS采样模式切换装置；

所述的地震发生判断装置包括前后连接的加速度记录单元110和触发条件判断单元；加速度记录单元包括前后连接的加速度计和第一存储器；触发条件判断单元包括依次连接的数字信号处理芯片、单片机和时钟；

所述的GNSS采样模式切换装置包括指令传输与控制单元和远程监控单元；指令传输与控制单元包括前后连接的可编程逻辑门阵列和第二存储器；远程监控单元包括网卡和监控客户端；

其连接关系是：

加速度计、数字信号处理芯片、单片机、可编程逻辑门阵列和GNSS核心板依次连接；可编程逻辑门阵列、网卡、监控客户端和GNSS核心板依次连接。

二、GNSS用于地震监测的可变采样方法(简称方法)

本方法是通过地震发生判别单元确定当前监测区域地震情况，通过GNSS采样模式切换单元自动或者人工的改变GNSS采样模式。

包括下列步骤：

①加速度记录单元输出X，Y，Z三分量的加速度信号，触发条件判断单元利用STA/LTA算法比较加速度信号的短时平均值STA和信号的长时平均值LTA来判定地震的发生；当STA/LTA的值大于阀值的时，触发条件判断单元输出触发信号，并在上一次触发信号发出两小时候后，输出恢复信号。实现对地震事件的自动识别功能；

②指令传输与控制单元接收触发条件判断单元输出的触发信号，向GNSS核心板传输将采样率调高至10Hz的指令；在恢复信号后，向GNSS核心板传输采样率调低至30sec的指令，实现自动模式下的可变采样系统；

③指令传输与控制单元接收到触发信号同时，向远程监控单元输出报警指令；远程监控单元向用户展示触发条件判断单元输出结果，且用户可利用远程监控单元独立向高频GNSS核心板传输采样率更改指令，优先级别高于指令传输与控制单元指令；远程监控单元在切换过程开始2小时后，向高频GNSS核心板传输采样率调低至30sec的指令，实现可变采样率系统的自动模式与人工模式的切换。

本发明具有下列优点和积极效果：

①利用灵敏的加速度计与GNSS集成，再将加速度计、速度计的地震波初动识别算法用于判断是否地震，回避了GNSS精度低难以识别地震波初至的问题；

②较传统的分别监测模式，依据观测区域不同的地震活动状态实现GNSS的低频采样模式与高频采样模式的自由切换，大量节约了监测成本及存储空间，提高了工作效率；

③在边远地区无网络的条件下使用自动模式，加载预设采样模式；在网络通畅的区域实现人工模式的切换，对采样模式可加入人为干预，可实现根据实际情况切换自动模式与人工模式。

总之，本发明充分考虑技术可行性，用廉价的加速度计集成至GNSS以增加GNSS的监测效能、克服存储瓶颈；随着GNSS地震监测网络的规模进一步扩大，这一方法所表现出来成本优势和性能优势效果将更加明显。

附图说明

图1是本系统的结构方框图；

图2是触发条件判断单元的工作流程图。

图中：

100—地震发生判断装置，

110—加速度记录单元，

111—加速度计，

112—第一存储器；

120—触发条件判断单元，

121—数字信号处理芯片(DSP)，

122—单片机，

123—时钟；

200—GNSS采样模式切换装置，

210—指令传输与控制单元，

211—可编程逻辑门阵列(FPGA)，

212—第二存储器；

220—远程监控单元，

221—网卡，

222—监控客户端；

300—GNSS核心板。

英译汉：

1、GNSS：Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统；它是泛指所有的卫星导航系统，如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统；国际GNSS系统是个多系统、多层面和多模式的复杂组合系统。

2、STA/LTA：STA是长时平均值，LTA是短时平均值，STA/LTA是长短时比较算法，用于判别地震波初至时刻。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、系统

1、总体

如图1，本系统包括工作对象——GNSS核心板300；

设置有地震发生判断装置100和GNSS采样模式切换装置200；

所述的地震发生判断装置100包括前后连接的加速度记录单元110和触发条件判断单元120；加速度记录单元110包括前后连接的加速度计111和第一存储器112；触发条件判断单元120包括依次连接的数字信号处理芯片121、单片机122和时钟123；

所述的GNSS采样模式切换装置200包括指令传输与控制单元210和远程监控单元220；指令传输与控制单元210包括前后连接的可编程逻辑门阵列211和第二存储器212；远程监控单元220包括网卡221和监控客户端222；

其连接关系是：

加速度计111、数字信号处理芯片121、单片机122、可编程逻辑门阵列211和GNSS核心板300依次连接；可编程逻辑门阵列211、网卡221、监控客户端222和GNSS核心板300依次连接。

2、功能部件

1)地震发生判断装置100

(1)加速度记录单元110

*加速度计111：输出X，Y，Z三分量的加速度值，精度不低于1mg。

其功能是提供地震波加速度记录供后续模型判定地震是否发生。

*第一存储器112：一般存储器即可，容量不低于64G。

其功能是存储加速度记录，用于后续提取加速度记录检核。

(2)触发条件判断单元120

*数字信号处理芯片121：能够实现数字信号处理技术的芯片。

其功能是对输入的加速度信号进行去仪器响应、带通滤波及特定仪器的仿真信号，以便于后续模块进行震相识别与提取。

*单片机122

单片机122的硬件配置包括中央处理器CPU、随机存储器RAW、只读存储器ROM、多种I/O及中断系统、计数器；

其内嵌有本触发条件判断单元120的工作软件。

其功能是利用STA/LTA算法判定地震是否发生。

*时钟123

其功能是为单片机122提供时间基准。

2)GNSS采样模式切换装置200

(1)指令传输与控制单元210

*可编程逻辑门阵列211

能够实现逻辑、时序、运算的在线可编程器件，实现信号的逻辑运算和判定。

其功能是根据单片机122输出结果向GNSS核心板230输出调整采样率的指令。

*第二存储器212

一般存储器即可，其功能是存储触发指令，用于事后检核。

(2)远程监控单元220

*网卡221

网络适配器，是连接计算机和传输介质的接口。

其功能是将系统与网络连接。

*监控客户端222：远程信号处理软件。其功能是将指令传输与控制单元210的输出的采样率调整指令向用户显示，并且将用户的指令传输至GNSS核心板300。

3)GNSS核心板300

GNSS仪器的主板，用于实现GNSS仪器的观测功能。能够以低采样率15秒、30秒的低采样模式工作，也能够以不低于采样率10Hz的高采样模式工作。具备多采样率工作的功能。

3、工作机理

1)本系统的目的是利用加速度计与GNSS的集成，达到自动判定监测区域是否发生地震，从而自动或者人工改变GNSS采样模式，并通过远程监控实现两种模式的切换。

2)在地震发生判断装置100中，加速度计以1mg的精度输出3分量的加速度信号，触发条件判断单元120采用长短时信号提取算法判断加速度信号中有无地震信号。

3)在GNSS采样模式切换装置200中，指令传输与控制单元210将依据触发条件判断单元120的输出结果更改GNSS核心板230的采样频率，并向用户报警；用户可通过远程监控单元220更改采样率，进入人工模式；在上一次触发信号或者切换模式开始2小时后，触发条件判断单元120输出恢复信号至指令传输与控制单元210将GNSS核心板230的采样率调低至常规观测频率。

(1)指令传输与控制单元210

接收触发条件判断单元120输出的触发信号，向GNSS核心板230传输将采样率调高至10Hz的指令；并同时向远程监控单元220输出报警指令；

指令传输与控制单元210接收触发条件判断单元120输出的恢复信号，向GNSS核心板230传输采样率调低至30sec的指令。

(2)远程监控单元220

向用户展示触发条件判断单元120输出结果，且用户可选择利用远程监控单元220独立向高频GNSS核心板230传输采样率更改指令，优先级别高于指令传输与控制单元210指令。切换过程开始。远程监控单元220在切换过程开始2小时后，向高频GNSS核心板230传输采样率调低至30sec的指令。

二、方法

如图2，触发条件判断单元120的工作流程如下：

A、加速度记录-11

触发条件判断单元120接收加速度记录单元110发送的加速度信号；

B、计算STA与LTA的特征函数-12

STA和LTA的特征函数为：

CF(i)＝f(i)²+k[f(i)-f(i-1)]²

f(x)为地震原始时间序列，k为权重因子；

STA_i＝STA_i-1+c₃(CF_i-STA_i-1)0.2＜c₃＜0.8

LTA_i＝LTA_i-1+c₄(CF_i-LTA_i-1)0.005＜c₄＜0.05；

C、计算STA/LTA-13

D、判断STA/LTA是否大于阀值-14，是则进入步骤E，否则中止-17；

E、发送触发信号-15；

F、延迟2小时发送回复信号-16。