地下溢出带电粒子监测装置、系统和监测数据处理方法与流程

本发明涉及地质活动监测领域，具体涉及地下溢出带电粒子监测装置、系统和监测数据处理方法。

背景技术：

地球的构成包括地核、地壳和地幔，随着地球的自转、公转等复合的日周期运转，地幔熔融物质对地壳的冲击既是一种正常的地球运动。我们知道在地幔顶部还存在一个软流层，是放射性物质集中的地方，由于放射性物质分裂的结果，会有带电粒子从地壳表面溢出，伴随熔融物质喷发过程会导致地表物理场、化学场的变化，带电粒子会从地壳裂缝中穿过并从地表释放出去。带电粒子溢出直接的反应了在地球自转、公转等复合的日周期运转下地幔熔融物质对地壳的冲击，这是一种正常的地球自身运动。地下溢出的带电粒子特性直接反应出熔融物质对地壳的冲击程度。这种冲击随着地球日周期的复合运转的变化而变化，体现在带电粒子特性的变化上。因此需要发明一种监测装置用于对地球地质活动进行监测。

技术实现要素：

本申请提供一种地下溢出带电粒子监测装置、系统和监测数据处理方法，用于对地球地质活动的监测。

根据第一方面，一种实施例中提供一种地下溢出带电粒子监测装置，包括永磁磁芯、线圈和信号采集电路；

所述线圈缠绕在所述永磁磁芯外周，所述线圈的两端分别连接所述信号采集电路的输入端；

所述线圈内部空间被地下溢出带电粒子穿过时，所述线圈产生感应电信号；

所述信号采集电路用于采集所述感应电信号，以获取与所述地下溢出带电粒子的特性相关的监测数据。

根据第二方面，一种实施例中提供一种地下溢出带电粒子监测系统，包括：

信号获取单元，用于获取与地下溢出带电粒子的特性相关的监测数据；所述信号获取单元包括如第一方面所述的地下溢出带电粒子监测装置；

信号处理单元，用于接收所述信号获取单元获取的所述监测数据，对所述监测数据进行处理，并输出与所述监测数据相关的参数；

输出单元，用于将所述信号处理单元输出的所述参数存储到网络服务器上。

根据第三方面，一种实施例中提供一种地下溢出带电粒子的监测数据处理方法，所述方法包括：

获取预监测区域中带电粒子监测点处不同时间的监测数据，所述监测数据与所述带电粒子监测点处地下溢出带电粒子的特性相关；

对所述监测数据进行处理并获取与所述监测数据相关的参数；

将所述参数存储到网络服务器上。

依据上述实施例的地下溢出带电粒子监测装置、系统和监测数据处理方法，由于采用电磁测量法获取与地下溢出的带电粒子的特性相关的电信号，再由信号采集电路采集该电信号，进而获取与地下溢出带电粒子相关的监测数据，从而实现对地球地质活动的监测。

附图说明

图1为一种实施例的地下溢出带电粒子监测系统的结构示意；

图2为一种实施例的地下溢出带电粒子监测装置的结构示意图；

图3为另一种实施例的地下溢出带电粒子监测装置的结构示意图；

图4为另一种实施例的地下溢出带电粒子监测装置的结构示意图；

图5为另一种实施例的地下溢出带电粒子的监测数据的处理方法流程图；

图6为另一种实施例的预监测区域的带电粒子监测点分布图；

图7为另一种实施例中全频数据的均值曲线图；

图8为另一种实施例中全频数据的振铃计数曲线图；

图9为另一种实施例中全频数据的全局峰值频率曲线图；

图10为另一种实施例中低频数据的均值曲线图；

图11为另一种实施例中低频数据的振铃计数曲线图；

图12为另一种实施例中低频数据的全局峰值频率曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

本申请提出通过对地下溢出的带电粒子监测系统，来实现对地球地质活动的监测。其中，带电粒子是带有电荷的微粒，可被带电粒子监测系统所监测，具体可包括高能粒子、游离状态的粒子、重带电粒子(例如α粒子和裂变碎片)和轻带电粒子(例如快电子和β粒子)等。

在本发明实施例中，公开了一种基于电磁测量法的地下溢出带电粒子监测装置、系统和监测数据处理方法，依据带电粒子穿过闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电信号的原理，实现对地下溢出带电粒子的特性的监测，因地下溢出带电粒子的特性与地球内部活动特性相关，进而实现对地球地质活动的监测。

实施例一：

请参考图1，为一种实施例的地下溢出带电粒子监测系统的结构示意，该监测装置包括信号获取单元10、信号处理单元20和输出单元30。信号获取单元10包括地下溢出带电粒子获取装置11，具体是能量转换器，用于将地下溢出的带电粒子的特性转变为电信号。信号处理单元20包括adc采集单元21和mcu数据处理单元22。adc采集单元21是用于将地下溢出带电粒子获取装置11输出的电信号转变为数字信号并进行放大和采样。mcu数据处理单元22对adc采集单元21处理后的信号进行鉴别、记录和对比测量，从而得到带电粒子的计数率和能量分布等带电粒子的特性。带电粒子的特性还包括带电粒子的浓度、质荷比、溢出速度和粒子/密度等。具体可采用电磁测量法、电导率测量法和光学测量法对地下溢出的带电粒子的特性进行监测。电磁测量法是根据带电粒子穿过闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电信号的原理。通过监测闭合线圈产生的感应电信号就可以获得穿过闭合线圈带电粒子的特性。光学测量法是根据带电粒子进入闪烁体，与之发生相互作用，闪烁体吸收带电粒子能量而使原子、分子电离和激发，受激原子和分子退激时发射荧光光子，利用反射物和光导将闪烁光子尽可能多地收集到光电倍增管的光阴极上，由于光电效应，光子在光阴极上击出光电子，光电子在光电倍增管中倍增，进而电子流在阳极负载上产生电信号，在利用信号采集电路记录和分析电信号。电导率测量法是采用电容器收集带电粒子，根据电容电信号的变化来评估地下溢出带电粒子的特性。依据监测地点的地理环境的实际情况选取适用的带电粒子监测方法。输出单元30将信号处理单元20输出的信号处理结果存储在网络服务器31上，并通过网站32和客户端33显示信号处理单元20输出的信号处理结果。

在本实施例中，信号获取单元10采用基于电磁测量法的地下溢出带电粒子获取装置11，如图2所示，为一种实施例中带电粒子获取装置的结构示意图，其具体包括永磁磁芯114和线圈113、信号采集电路110。永磁磁芯114有磁性，其磁性分布如磁力线112所示。线圈113缠绕在永磁磁芯114外周，线圈113的两端分别连接信号采集电路110的输入端。线圈113内部空间被地下溢出带电粒子111穿过时产生感应信号。信号采集电路110用于采集线圈113产生的感应电信号。永磁磁芯114的作用是增加线圈113的磁导率，使信号采集电路110更易于获得线圈113中的感应电信号。依据的原理是带电粒子通过线圈时，线圈中会产生感应电信号。磁导率是表征磁介质磁性的物理量，表示在空间或在永磁磁芯空间中的线圈流过电流后产生磁通的阻力或者是其在磁场中导通磁力线的能力。将本实施例中的地下溢出带电粒子监测系统放置于监测点，优选的将线圈113基本垂直于地表面放置，也就是永磁磁芯114的轴心垂直于地表面。由于地下溢出的带电粒子是近乎垂直于地面溢出的，线圈113基本垂直于地表面放置会有最大数量的溢出带电粒子穿过线圈113的内部空间。线圈113内部空间被地下溢出带电粒子111穿过时产生感应信号，感应电信号具体可以是感应电流，信号采集电路110采集线圈113内的电流信号，并将电流信号发送给信号处理单元。根据电流信号的方向和大小及线圈113匝数、带电粒子切割磁力线面积等参数就可以换算出地下溢出带电粒子的特性。如带电粒子的电性和溢出速度、粒子密度、荷质比等特性。因而信号采集电路110采集的感应电流的大小，即电流值数据，就可以反应地下溢出带电粒子的特性。采集的电流值数据就是与带电粒子的特性相关，进而与地球内部活动特性相关。

本申请将信号获取单元10采集到的地下溢出带电粒子的电信号称为原始信号，原始信号是电流信号或电压信号。在本实施例中，信号处理单元20的adc采集单元21将获取的原始信号进行模数转化并进行采样，在将采样数据发送给mcu数据处理单元22。mcu数据处理单元22是单片微型计算机，其将采样数据进行处理，计算出与该采样数据相关的高频、低频、均值、振铃计数和峰值频率等参数。对参数进行分析可得到带电粒子的溢出程度、电性、荷质比、溢出速度和密度等特性，从而确定地下溢出带电粒子的种类和测量出地下溢出带电粒子浓度等参数。mcu数据处理单元22再将该参数信息、与获取该参数信息的时间和地下溢出带电粒子的参数同步存储到网络服务器31上，用于网站32和客户端33查询和显示。

基于以上实施例，通过信号获取单元将地下溢出的带电粒子的特性转变为电信号，信号处理单元该电信号转变为数字信号并进行放大和采样，并对处理后的信号进行鉴别、记录和对比测量，从而得到带电粒子的计数率和能量分布等带电粒子的特性。实现对地下溢出带电粒子的特性的监测，因地下溢出带电粒子的特性与地球内部活动特性相关，进而实现对地球地质活动的监测。创新的提出通过对地下溢出带电粒子的检测实现对地球内部活动的全天候监测和对监测数据的实时更新。本实施例中的带电粒子检测装置具有体积小、可移动和易于便携的特点，而且较低的成本，不仅能在野外监测地下溢出的带电粒子，也能在城市精确测量带电粒子。还可多区域、多点布设带电粒子检测装置，从而进行全方位监测地下溢出的带电粒子，并实时地判断地下溢出的带电粒子活动情况进而反映地质活动。

实施例二：

请参考图3，为另一种实施例的地下溢出带电粒子监测装置的结构示意图，本实施例中，带电粒子监测装置11还包括电场发生器116，用于在线圈113的周围产生一个稳定变化的电场，该电场与线圈113耦合。由于线圈113与电场发生器116产生的电场耦合，线圈113当被地表溢出带电粒子111穿过时，会影响线圈113与电场发生器116产生的电场的耦合度，从而放大带电粒子穿过线圈113而产生的感应电信号的强度，提高信号采集电路110采集与带电粒子的特性相关信号的灵敏度。本实施例中，电场发生器116包括耦合永磁磁芯1163、耦合线圈1161和信号源1162。耦合永磁磁芯1163有磁性，耦合线圈1161缠绕在耦合永磁磁芯1163外周，耦合线圈1161的两端分别连接信号源1162的输出端。信号源1162通过耦合线圈1163在线圈113的周围产生一个稳定变化的电场且与线圈113耦合。所示耦合是指线圈113在稳定变化的电场作用下产生感应参考电信号，该感应参考电信号用于作为信号采集电路110采集感应电信号的参考信号。

实施例三：

请参考图4，为另一种实施例的地下溢出带电粒子监测装置的结构示意图，在本实施例中，信号获取单元10还包括屏蔽罩12，屏蔽罩12半封闭结构并设置在地下溢出带电粒子监测装置11的外侧，屏蔽罩12朝向地面的一侧具有开口。屏蔽罩12用于屏蔽除地下溢出带电粒子以外的其它带电粒子对地下溢出带电粒子监测装置11的干扰。

实施例四：

本实施例中，还公开来基于实施例一、实施例二和实施例三所述的地下溢出带电粒子监测系统获取的监测数据的处理方法，其具体流程如图5所示，包括以下步骤：

步骤201、在预监测区域布设带电粒子监测点。

如图6所示，为另一种实施例的预监测区域的带电粒子监测点分布图，在预监测区域61中均匀平铺布设多个带电粒子监测点62，任意两个带电粒子监测点62间的距离相等，从而在预监测区域61中搭建起带电粒子监测网。

步骤202、对带电粒子监测点处地下溢出的带电粒子进行监测。

是应用地下溢出带电粒子监测装置进行监测，同一带电粒子监测点可设置多个地下溢出带电粒子监测装置，同一带电粒子监测点的地下溢出带电粒子监测装置的布设方法可采用步骤201所述的方法布设。各个带电粒子监测点的多个地下溢出带电粒子监测装置可同时对地表下溢出的带电粒子进行监测。

步骤203、获取预监测区域中带电粒子监测点处不同时间的监测数据。

是应用带电粒子监测装置获取预监测区域中带电粒子监测点处不同时间的监测数据，此监测数据为原始数据，与带电粒子监测点处地下溢出的带电粒子的特性相关，进而与带电粒子监测点处地球内部活动特性相关。

步骤204、对获取的原始数据进行处理，并计算与原始数据相关的参数。

是应用信号处理单元20将原始数据转化为数字信号，并进行放大和采样，在将采样数据进行处理，计算出与该采样数据相关的高频、低频、均值、振铃计数和峰值频率等参数。对参数进行分析得到带电粒子的溢出程度、电性、荷质比、溢出速度和密度等特性，从而确定地下溢出带电粒子的种类和测量出地下溢出带电粒子浓度等参数。

原始数据经adc采集单元21放大和采样后为全频数据，对全频数据进行滤波获得低频数据。mcu数据处理单元22分别对全频数据和低频数据进行参数计算。其中，计算的参数包括与全频数据和低频数据分别相关的均值、振铃计数和峰值频率等。

如图7所示，为另一种实施例中全频数据的均值曲线图，横坐标为测量时间，纵坐标为计算的全频数据的均值(单位：伏特)。均值是取单位时间内对全频数据取绝对值求均值后获得的曲线。图7是5月30号至6月8号计算的全频数据的均值的曲线。

如图8所示，为另一种实施例中全频数据的振铃计数曲线图，横坐标为测量时间，纵坐标为单位时间内测得的次数(单位：次/秒)，振铃计数是取单位时间内全频数据大于0值得次数。图8是5月30号至6月8号计算的全频数据的振铃计数的曲线。

如图9所示，为另一种实施例中全频数据的全局峰值频率曲线图，横坐标为测量时间，纵坐标为频率(单位：赫兹)，全局峰值频率是对全频数据进行傅里叶变换获得的曲线。图8是5月30号至6月8号计算的全频数据的全局峰值频率的曲线。

如图10所示，为另一种实施例中低频数据的均值曲线图，横坐标为测量时间，纵坐标为计算的低频数据的均值(单位：伏特)。均值是取单位时间内对低频数据取绝对值求均值后获得的曲线。图7是5月30号至6月8号计算的低频数据的均值的曲线。

如图11所示，为另一种实施例中低频数据的振铃计数曲线图，横坐标为测量时间，纵坐标为单位时间内测得的次数(单位：次/秒)，振铃计数是取单位时间内低频数据大于0值得次数。图8是5月30号至6月8号计算的低频数据的振铃计数的曲线。

如图12所示，为另一种实施例中低频数据的全局峰值频率曲线图，横坐标为测量时间，纵坐标为频率(单位：赫兹)，全局峰值频率是对低频数据进行傅里叶变换获得的曲线。图8是5月30号至6月8号计算的低频数据的全局峰值频率的曲线。

步骤205、将获得的监测数据、全频数据、低频数据、计算的数据参数和获取数据及参数的时间发送到网务器上。

将原始数据及处理原始数据的过程数据及参数发送到网络服务器上，同时将数据获取时间和参数获取时间发送到网络服务器上进行存储。以实现实时监测的同时进行随时查询的目的。同时一方面用于通过网页浏览方式或客户端应用程序显示数据，另一方面还可用于数据后期的再处理。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。