CN102288991B - 一种地震电磁信息采集装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种地震电磁信息采集方法和装置，属于地震观测领域。所述方法是主控制模块通过自定义的串行协议接收数据采集处理模块采集的地震信息，将地震电磁信息按照一定的格式写入存储模块，同时利用STA/LTA算法对地震事件进行检测。该数据采集装置包括四通道模数转换模块，用于采集2个低频通道和2个点频通道的模拟信号输入；数据采集处理模块，用于连接4通道模数转换模块；GPS模块，连接所述数据采集处理模块；标定模块，用于产生标定波形；主控制模块，负责控制所述数据采集处理模块和标定模块；存储模块；电源模块，提供上述各模块需要的供电。
Description
技术领域
本发明涉及地震观测领域，具体而言，涉及到一种地震电磁信息采集方法和装置。
背景技术
目前，人们已经观测到了大量的地震前出现的电磁异常信号。地震前的电磁异常信号主要包括：
地电阻率异常信号-主要涉及到地震孕育过程中地球介质电学性质变化与地震发生的关系；
地电场异常信号-主要涉及到地震孕育过程中产生的动电效应或过滤电势与地震发生的关系；
电磁辐射异常信号-主要涉及到地震孕育过程中岩石破裂所产生的岩石新鲜表面激发电子信号与地震发生的关系；
地磁场异常信号-主要涉及到地震孕育地区及其附近地下岩石磁性的改变与地震发生的关系。现在一些学者研究发现地震前尤其是大地震前在震中区及其周围地区上空电离层中的电子浓度也会发生大的变化。而利用气象卫星资料探索地震区及其周围地区的热红外辐射异常的现象本质上也是电磁异常现象。大量的实验室实验结果甚至野外实验也证明，当岩石受到力的作用后就会在破裂前发出各种频段的电磁异常信号。
大量的观测与研究表明，震前确实存在着多种形式的电磁异常现象。只是由于存在许多干扰背景，它们较难识别，目前的研究水平还没有达到完全能够从观测结果确定震前电磁异常信号来源的能力，而丰富且多样性的震前电磁异常现象表明它们可能来自多种源。相信随着科学技术的不断发展进步，现有的观测技术和观测方法必将得到进一步的改善，利用震前电磁异常信号的方法来预报地震的可能性将越来越大。
目前，在地震电磁观测中，采用***如图2所示。***通过接收天线，将外部的电磁信号转换为一定大小的电压信号，通过数据采集卡对这个电压信号进行采集后输入到计算机中进行分析保存。现行的设计方式主要有以下几个不足之处：
第一，由于该***的终端控制为计算机，使其难以实现流动地震电磁信息观测记录；
第二，该***配置性差，一旦计算机出现故障整个***将无法使用，同时一般计算机使用的数据采集卡价格均很高，增加***生产成本。
第三：缺乏模块化设计，而模块化后，缺乏各个模块间实时、安全通信的方法。
因此，迫切需要一种新的地震电磁信息方法和装置来解决以上问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，提高地震电磁信息观测的流动性和稳定性，增强地震电磁信息观测***的配置灵活性，本发明提供了一种地震电磁信息方法和装置，所述装置是将数据采集卡，计算机整合到一地震电磁信息采集器，同时该采集器可通过网络或串行接口与计算机通信，如图3所示。采用该种方案以后，解决了地震电磁流动观测的问题，同 时，计算机还可以通过网络或串行接口访问地震电磁信息采集器，读取地震电磁信息数据或者对地震电磁信息采集器进行相关的设置，提高了***的灵活性。具体技术方案如下：
一种地震电磁信息采集装置，其特征在于所述的地震电磁信息采集装置包括：
四通道模数转换模块，包含输入信号调理模块，24位模数转换芯片模块用于采集2个低频通道和2个点频通道的模拟信号输入；
数据采集处理模块包含数字信号处理器，数字信号处理器与四通道模数转换模块中的模数转换芯片采用SPI总线形式连接。
GPS模块由一GPS接收板Jupiter21构成。
标定模块采用直接数字频率合成产生标定波形，包含单片机，DDS模块。
主控制模块包含ARM9处理器，网络接口及串行通信接口。
存储模块包括FLASH存储器，动态随机存储器和USB接口的大容量存储器。
电源模块包括隔离DC-DC模块和电压温度检测模块。
一种地震电磁信息采集方法，其特征在于所述的地震电磁信息采集方法包括：
地震电磁信息采集器对每一分钟之内的地震电磁波形数据进行统计处理，统计处理采用波形绝对值求和取平均值的方法。
采集的地震电磁波形数据通过自定义的实时、安全的通讯协议传送到主控模块。
地震电磁信息采集器采集低频段东西方向和南北方向的电磁波形，点频段的东西和南北方向的电磁波形，并将上述4通道的波形以一定的格式记录和压缩。电磁波形记录格式为MinSEED格式，压缩算法采用的是STEIM2压缩算法。
地震电磁信息采集器对采集的电磁波形进行实时地震事件检测判断，地震事件检测采用STA/LTA算法。
本发明的有益效果包括：
1、***集成度高，可适用于地震台站或流动性观测；
2、模块化的设计思想，使地震电磁信息采集器配置灵活；
3、具有一定的通用性，可用作通用型的地震数据采集器使用；
4、自定义的RS232通讯协议，实现主控模块105与标定模块104、数据采集模块102、电源控制模块107的实时、准确通讯。
附图说明
图1为地震电磁信息采集器模块功能图
图2为原有的地震电磁信息采集***
图3为改进的地震电磁信息采集***
图4为地震电磁信息采集器硬件连接框图
图5为地震电磁信息采集器数据处理流程图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
地震电磁信息采集器总体数据处理流程如图5所示。
采集器对实时地震电磁信息数据，使用MiniSeed格式进行压缩存储和分钟存储。同时，对实时地震电磁信息数据采用STA/LTA算法进行地震事件检测，并对其进行存储。存储介质可选采集器NAND FLASH和采集器USB接口挂载的U盘。
采集器通过以太网接收后台软件发送的设置、查询命令。
采集器通过以太网与访问客户通信，将地震电磁信息数据实时的传送给客户端，以便客户端实现实时监控；同时接收客户端发送的设置、查询参数。
采集器提供FTP服务，提供U盘上的数据给客户端。
主控模块带有网络接口，RS232接口，用于与PC机相连通信。主控模块105与标定模块104、数据采集模块102、电源控制模块107通讯时采用自定义协议，具体分4部分讲述：
1主控模块105与标定模块104、数据采集模块102、电源控制模块107通讯时采用自定义协议，包括命令发送与命令应答两部分。
命令发送：
命令头+设备地址+命令字+数据包号+数据长度+数据+CRC16
上述协议各部分定义如下：
命令头：2个字节：0x1b+0x10
设备地址与设备名称的对应关系为：
1)0x00对应主控模块105
2)0x01对应数据采集模块102
3)0x02对应标定模块104
4)0x03对应电源控制模块107
命令字：1个字节
数据包号：1个字节，多包传送时，最后一个包号为0
数据长度：2个字节，高位在前，低位在后，数据长度包括：命令头+设备地址+命令字+数据包号+数据长度+数据
CRC16：P(X)＝X16+X15+X2+1＝8005，高位在前，低位在后
命令应答：
正确应答：0x4f+0x4b+设备地址+命令字+数据包号+数据长度+数据+CRC16
错误应答：0x45+0x52+设备地址+命令字+数据包号+数据长度+错误代码(2byte)+CRC16
2主控模块105与数据采集模块102通信通讯协议
在数据采集模块102与主控模块105通信过程中，主控模块105为主设备，在完成时间同步以后就开始不停向主控模块105发送一定格式的地震数据包，同是数据采集模块102还需不停检测是否有主控模块105发送过来的查询/设置命令，若有，则进行相应的处理。为了保证数据的可靠性，无论是数据包还是命令包均需要CRC校验。各命令定义如下：
(1)数据采集模块102发送数据(此时数据采集模块102为主设备向主控模块105发送数据，主控模块105收到数据后不应答)
命令：[0x1b+0x10]+0x00+0x00+0x00+数据长度+波形数据(20×37)+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x00+0x00+0x00+0x00+0x07+CRC16
波形数据格式：[5字节纬度+5字节经度]+[hour+mm+sec+ms高位+ms低位]+[4通道数据(4*4)]+[hour+min+sec+ms高位+ms低位+4通道数据(4*4)]
(2)采样频率参数设定(此命令由主控模块105发出，数据采集模块102收到后需要回复相应的OK命令)
命令：[0x1b+0x10]+0x01+0x02+0x00+0x00+0x0B+4个字节的4通道设定频率+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x01+0x02+0x00+0x00+0x07+CRC16
其中设定的频率四个字节分别代表了1～4个通道，顺序为1通道在前，4通道在后，如为0则表示不需要设置。
另外，现在能设置的采样频率与对应发送给数据采集模块102的数据如下
| 2.5hz | 5hz | 10hz | 15hz | 25hz | 30hz | 50hz | 60hz | 100hz |
| 0x03 | 0x13 | 0x23 | 0x33 | 0x43 | 0x53 | 0x63 | 0x72 | 0x82 |
(3)获取当前GPS的信息
命令：[0x1b+0x10]+0x01+0x03+0x00+0x00+0x07+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x01+0x03+0x00+0x00+0x14+[纬度+经度+时间]+CRC16
其中数据的具体格式如下：
[纬度+经度+时间]：共13个字节
[纬度度数(1个字节，十进制)+纬度分数(1个字节)+纬度分数小数(2个字节)+N，S(一个字节)]+
[经度度数(1个字节，十进制)+经度分数(1个字节)+经度分数小数(2个字节)+E，W(一个字节)]+
[小时(一个字节，十进制)+分钟(一个字节，十进制)+秒(一个字节，十进制)]
(4)同步主控模块(105)RTC与数据采集模块(102)时间
命令：[0x1b+0x10]+0x01+0x04+0x00+0x00+0x0d+[year]+[month]+[hour]+[min]+[sec]+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x01+0x02+0x00+0x00+0x07+CRC16
3主控模块105与标定模块104通讯协议
(1)正弦标定及方波标定
命令：[0x1b+0x10]+0x02+0x00+0x00+0x00+0x07+[标定设置]+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x02+0x00+0x00+0x00+0x07+CRC16
其中[标定设置]格式如下：
[1字节通道号]+[1字节频点数]+[第1组数据]+[第2组数据]+[第3组数据]+...
标定设置中的数据长度为(2+11*频点数)，因此命令总长度为11*频点数+9
具体每组数据格式如下：
[1字节标定类型]+[电压/电流]+[4字节频率数]+[4字节周期换算数]+[2字节衰减换算数]标定类型：1--正弦标定2---方波标定
(2)点频标定，38.33KHz的固定信号标定，这里选用正弦信号
命令：[0x1b+0x10]+0x02+0x01+0x00+0x00+0x07+[通道号]+[电压/电流]+CRC16
通道号：1～4
电压或电流：0-电压；1-电流
应答：[0x4f+0x4b]+0x02+0x01+0x00+0x00+0x07+CRC16
4主控模块(105)与电源控制模块107通讯协议
(1)获取当前电压及温度值
命令：[0x1b+0x10]+0x03+0x00+0x00+0x00+0x07+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x03+0x00+0x00+0x00+0x0B+[2字节直流电压值+2字节电池电压值+2字节温度值]+CRC16
说明；电压检测为10为AD采样，参考电压为3.3V，2字节转换的值格式：第一字节存放高2位，第二字节存放低8位。换算到最终的电压值公式：
直流电压：[(256×第一个字节+第二个字节)/1024]*25.74(26.4)V
电池电压：[(256×第一个字节+第二个字节)/1024]*13.2V
如图4所示，该地震电磁信息采集装置包括：
四通道模数转换模块，包含输入信号调理模块，24位模数转换芯片ADS1255，采集0.1～10Hz段和38.33KHz段的磁天线信号输入；
数据处理模块，该模块采用TMS320F2812数字信号处理器，该处理器使用自带的SPI 接口通过隔离电路与24位模数转换芯片ADS1255相连，用于读取模数转换芯片输出结果和对模数转换芯片设置。该数字信号处理器还与一GPS接受板相连，用于读取GPS板输出的时间地理信息。
主控制模块，包含中央处理器W90P950，该处理器与数字信号处理器TMS320F2812通过串口相连，接受地震电磁信息；与存储模块相连，对地震电磁信息文件存储，与标定模块相连，传输标定参数给标定模块；与电源模块相连，实时读取当前工作电压及环境温度值。图4中，使用到得隔离电路，其实施方式可以使高速光耦电路或者磁耦合技术。
地震电磁信息采集器的存储设备包括FLASH存储器，动态随机存储器和USB接口的大容量存储器。
标定模块采用直接数字频率合成产生标定波形，包含单片机，DDS模块。其中，单片机负责接收主控制模块发送的标定参数，控制DDS芯片产生相应的波形。
电源模块包括隔离DC-DC模块和，单片机及电压温度检测模块。DC-DC模块产生***所需的各组电源，单片机负责检测电压和温度，并将结果送至主控制模块。
Claims (2)
1.一种地震电磁信息采集的方法，其特征在于对每一分钟之内的地震电磁波形数据进行统计处理，统计处理采用波形绝对值求和取平均值的方法，统计后的地震电磁波形数据通过自定义的协议实时、准确地发送到主控模块，所述自定义的协议具体阐述如下：
（1）主控模块105与标定模块104、数据采集模块102、电源控制模块107通讯时采用自定义协议，包括命令发送与命令应答两部分：
命令发送：
命令头+设备地址+命令字+数据包号+数据长度+数据+CRC16
上述协议各部分定义如下：
命令头：2个字节：0x1b+0x10
设备地址与设备名称的对应关系为：
1）0x00对应主控模块105
2）0x01对应数据采集模块102
3）0x02对应标定模块104
4）0x03对应电源控制模块107
命令字：1个字节
数据包号：1个字节，多包传送时，最后一个包号为0
数据长度：2个字节，高位在前，低位在后，数据长度包括：命令头+设备地址+命令字+数据包号+数据长度+数据
CRC16： P(X)=X16+X15+X2+1=8005，高位在前，低位在后
命令应答：
正确应答：0x4f+0x4b+设备地址+命令字+数据包号+数据长度+数据+CRC16
错误应答：0x45+0x52+设备地址+命令字+数据包号+数据长度+错误代码(2byte)+CRC16
（2）主控模块105与数据采集模块102通信通讯协议
在数据采集模块102与主控模块105通信过程中，主控模块105为主设备，在完成时间同步以后就开始不停向主控模块105发送一定格式的地震数据包，同是数据采集模块102还需不停检测是否有主控模块105发送过来的查询/设置命令，若有，则进行相应的处理。为了保证数据的可靠性，无论是数据包还是命令包均需要CRC校验，各命令定义如下：
1）数据采集模块102发送数据（此时数据采集模块102为主设备向主控模块105发送数据，主控模块105收到数据后不应答）
命令：[0x1b+0x10]+0x00+0x00+0x00+数据长度+波形数据(20×37)+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x00+0x00+0x00+0x00+0x07+CRC16
波形数据格式:[5字节纬度+5字节经度]+[hour+min+sec+ms高位+ms低位]+[4通道数据(4*4)]+[ hour+min+sec+ms高位+ms低位+4通道数据(4*4)]
2）采样频率参数设定（此命令由主控模块105发出，数据采集模块102收到后需要回复相应的OK命令）
命令：[0x1b+0x10]+0x01+0x02+0x00+0x00+0x0B+4个字节的4通道设定频率+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x01+0x02+0x00+0x00+0x07+CRC16
其中设定的频率四个字节分别代表了1～4个通道，顺序为1通道在前，4通道在后，如为0则表示不需要设置，另外，现在能设置的采样频率与对应发送给数据采集模块102的数据如下：
3）获取当前GPS的信息
命令：[0x1b+0x10]+0x01+0x03+0x00+0x00+0x07+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x01+0x03+0x00+0x00+0x14+[纬度+经度+时间]+CRC16
其中数据的具体格式如下：
[纬度+经度+时间]：共13个字节
[纬度度数（1个字节，十进制）+纬度分数（1个字节）+纬度分数小数（2个字节）+N,S（一个字节）]+
[经度度数（1个字节，十进制）+经度分数（1个字节）+经度分数小数（2个字节）+E,W(一个字节)]+
[小时（一个字节，十进制）+分钟（一个字节，十进制）+秒（一个字节，十进制）]
4）同步主控模块（105） RTC与数据采集模块（102）时间
命令：[0x1b+0x10]+0x01+0x04+0x00+0x00+0x0d+[year]+[month]+[hour]+[min]+[sec]+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x01+0x02+0x00+0x00+0x07+CRC16
3主控模块105与标定模块104通讯协议
1）正弦标定及方波标定
命令：[0x1b+0x10]+0x02+0x00+0x00+0x00+0x07+[标定设置]+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x02+0x00+0x00+0x00+0x07+CRC16
其中[标定设置]格式如下：
[1字节通道号]+[ 1字节频点数]+[第1组数据] +[第2组数据] +[第3组数据]+…
标定设置中的数据长度为（2+11*频点数），因此命令总长度为11*频点数+9
具体每组数据格式如下：
[1字节标定类型]+[电压/电流]+[4字节频率数]+[4字节周期换算数]+[2字节衰减换算数]
标定类型：1--正弦标定 2---方波标定
2）点频标定，38.33KHz的固定信号标定，这里选用正弦信号
命令：[0x1b+0x10]+0x02+0x01+0x00+0x00+0x07+[通道号]+[电压/电流]+CRC16
通道号：1~4
电压或电流：0—电压；1—电流
应答：[0x4f+0x4b]+0x02+0x01+0x00+0x00+0x07+CRC16
4主控模块（105）与电源控制模块107通讯协议
1）获取当前电压及温度值
命令：[0x1b+0x10]+0x03+0x00+0x00+0x00+0x07+CRC16
应答：[0x4f+0x4b]+0x03+0x00+0x00+0x00+0x0B+[2字节直流电压值+2字节电池电压值+2字节温度值]+CRC16
说明；电压检测为10为AD采样，参考电压为3.3V，2字节转换的值格式：第一字节存放高2位，第二字节存放低8位。换算到最终的电压值公式：
直流电压：[(256×第一个字节+第二个字节)/1024]*25.74(26.4) V
电池电压：[(256×第一个字节+第二个字节)/1024]*13.2 V
2.一种地震电磁信息采集装置，其特征在于所述的地震电磁信息采集装置包括四通道模数转换模块，用于采集2个低频通道和2个点频通道的模拟信号输入；数据采集处理模块，用于连接4通道模数转换模块；GPS模块，连接所述数据采集处理模块；标定模块，用于产生标定波形；主控制模块，负责控制所述数据采集处理模块和标定模块；存储模块；电源模块，提供上述模块需要的供电，所述四通道模数转换模块包含输入信号调理模块，模数转换芯片模块。
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| CN 201110186540 CN102288991B (zh) | 2011-07-05 | 2011-07-05 | 一种地震电磁信息采集装置和方法 |
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| CN102288991A CN102288991A (zh) | 2011-12-21 |
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| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130626 Termination date: 20160705 |
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