本申请涉及地震监测技术领域， 尤其涉及一种地震临震监测系统及 其安装方法。

背景技术

地球经过不断的运动和变化，使地壳某些脆弱 地带逐渐积累了能量， 一旦积累的能量巨大， 将造成岩石突然发生破裂， 或者引发原有断层的 错动， 这就是地震。 我国是全球大陆地震灾害最严重的国家之一， 在约 占全球陆地面积 1 / 14的国土上，每年发生地震的次数却占全球陆� ��地震 次数的 1 / 3以上。加强地震灾害的对策研究，提高地震� �测预测的技术水 平， 减轻地震灾害， 与国家的发展社会的稳定和人民生命财产的安 全都 有着直接关系和重大意义。

在诸多地震前兆中，地声是存在于地球内部的 基本现象，是除地震波 以外直接表现为地下信息的重要参数之一， 它可以反映出地震孕育过程 中的某些地球物理化学信息，其获取方法也是 地震预报研究的重要领域 之一。

发明内容

根据本申请的第一个方面， 本申请提供一种地震临震监测系统， 包 括： 用于检测不同的地声声波频段的多组传感器阵 列； 用于对所述多组 传感器阵列的输出信号进行信号滤波、放大及 模数转换的信号处理模块； 信号传输模块， 所述信号传输模块包括用于传输所述信号处理 模块的输 出信号的电缆； 用于接收所述电缆传输的信号的主控模块； 用于为所述 信号处理模块、所述信号传输模块和所述主控 模块供电的电源管理模块。

进一步地， 每组传感器阵列包括次声波传感器组、 可听波传感器组 和超声波传感器组， 所述次声波传感器组包括并联连接的至少两个 次声 波传感器，所述可听波传感器组包括并联连接 的至少两个可听波传感器， 所述超声波传感器组包括并联连接的至少两个 超声波传感器。

优选地， 所述次声波传感器组覆盖的声波频率范围为 0Hz-20Hz , 所 述可听波传感器组覆盖的声波频率范围为 20Hz-20kHz ,所述超声波传感 器组覆盖的声波频率范围为 20kHz-lMHz。

进一步地， 所述信号处理模块包括依次连接的滤波及放大 器组、 通 道转换器和模数转换器； 所述模数转换器的输出与所述信号传输模块相 连接； 一组传感器阵列中所有同类型的传感器的输出 信号相加后连接到 一组滤波及放大器； 所述通道转换器具有时控信号选通功能。

进一步地， 所述信号处理模块包括依次连接的通道转换器 、 滤波及 放大器组和模数转换器， 所述模数转换器的输出与所述信号传输模块相 连接； 每一组传感器阵列中所有同类型的传感器的输 出信号相加后连接 到所述通道转换器； 所述通道转换器具有时控信号选通功能。

进一步地，所述信号传输模块包括多根电缆和 至少一个信号中继器， 且每两根电缆之间连接一个信号中继器； 所述电缆还用于将所述电池管 理模块提供的电输送至所述信号处理模块。

进一步地，所述主控模块包括依次相连的主控 单元和存储发射单元， 所述主控单元用于确定对输入信号的存储和 /或发送，所述存储发射单元 包括用于存储所述主控单元发送来的信号的存 储单元和用于发射所述主 控单元发送来的信号的发射单元。

进一步地， 所述电源管理模块包括太阳能储能单元、 交流电适配单 元和蓄电池， 所述太阳能储能单元和所述交流电适配单元分 别连接所述 蓄电池， 所述蓄电池分别为所述信号处理模块、 所述信号传输模块和所 述主控模块供电。

根据本申请的第二个方面， 本申请提供一种地震临震监测系统的安 装方法， 所述系统为如上所述的地震临震监测系统， 所述方法包括： 将 所述多组传感器阵列围绕钻孔或深井的中心安 装于钻孔或深井的底面， 一组传感器阵列安装在一个安装地点， 每相邻的两个安装地点与所述中 心的连线所形成的夹角的角度相等。

进一步地， 对所述多组传感器阵列采用与之声匹配的材料 封装， 封 装后的多组传感器阵列与基岩或密实土壤直接 接触； 所述信号处理模块 与所述多组传感器阵列相邻安装， 且不与基岩或密实土壤接触； 所述电 缆的至少一部分安装于所述钻孔或深井内； 所述主控模块和所述电源管 理模块安装于地表。

本申请的有益效果是： 由于多组传感器阵列的频率响应范围覆盖不 同地声声波频段， 使得地震临震监测系统可以捕获不同的地声信 息的强 度、 频度和频率， 适用于监测地震孕育过程与临震预测工作。

一种实施例中， 每组传感器阵列中的同类传感器为至少两个， 可以 将其中一个传感器作为另一个的备份， 从而可提高地震临震监测系统的 可靠性。

另一种实施例中， 通过将多组传感器阵列围绕钻孔或深井的中心 等 角度的安装方式， 使得传感器阵列可在感应地声信息频率的同时 得到声 源方位。

附图说明

图 1是本申请一种实施例的地震临震监测系统的� �构示意图； 图 2是本申请另一种实施例的地震临震监测系统� �结构示意图； 图 3是图 1所示实施例的一种具体实现时的结构示意图� � 图 4是本申请一种实施例在安装地震临震监测系� �时传感器阵列的 安装面示意图；

图 5是本申请一种实施例的地震临震监测系统的� �装示意图。

具体实施方式

本申请实施例提供了一种基于地声检测方法的 地震孕育过程及临震 监测系统， 其采用检测不同的地声声波频段的多组传感器 阵列以覆盖地 声信息几乎所有频谱范围， 通过信号处理模块对多组传感器阵列的输出 信号进行信号滤波、 放大及模数转换， 处理后的信号经信号传输模块传 输至主控模块； 同时还通过电源管理模块为信号处理模块、 信号传输模 块及主控模块供电。

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。

实施例 1 :

如图 1或图 2所示，本实施例提供了一种地震临震监测系� �， 包括： 多组传感器阵列 50、 信号处理模块 40、 信号传输模块 30、 主控模块 20 和电源管理模块 1 0。

多组传感器阵列 5 0 用于检测不同地声声波频段， 每组传感器阵列 50 包括次声波传感器组 5 01、 可听波传感器组 5 02 和超声波传感器组 503 ,每个传感器组包括并联的至少两个同类的传� �器，这些同类的传感 器互为备份， 也就是说， 次声波传感器组包括并联连接的至少两个次声 波传感器， 可听波传感器组包括并联连接的至少两个可听 波传感器， 超 声波传感器组包括并联连接的至少两个超声波 传感器， 每一传感器组中 的一个传感器为该组传感器中其它传感器的备 份。 从而， 通过频率响应 范围覆盖次声波、 可听波、 超声波， 使得系统可以完整的捕获地声信息 的强度、 频度和频率， 而且， 通过备份的方式还可以提高系统的可靠性。

实施例中， 次声波传感器组覆盖的声波频率范围包括但不 限于 0Hz-20Hz , 可听波传感器组覆盖的声波频率范围包括但不 限于 20Hz-20kHz , 超声波传感器组覆盖的声波频率范围包括但不 限于 20kHz-lMHz。 一种具体实现中， 次声波传感器采用光纤次声波传感器， 可听波传感器采用 MEMS ( Mi cro-E l ec t ro-Mechan i ca l Sys t em , 微机电 系统） 麦克风， 超声波传感器采用石英声发射传感器。

每组传感器阵列中所有同类型的传感器的输出 信号加和后输送到信 号处理模块， 也就是说， 次声波传感器组中的所有次声波传感器的输出 信号加和后输送到信号处理模块， 所有可听波传感器组中的所有可听波 传感器的输出信号也加和后输送到信号处理模 块， 超声波传感器组中的 所有超声波传感器的输出信号也加和后输送到 信号处理模块。

如图 1所示， 本实施例中的信号处理模块包括依次连接的滤 波及放 大器组 401、通道转换器 402和模数转换器 403。每一组滤波及放大器组 401包括依次连接的滤波器和放大器，如图 3所示， 滤波及放大器组 401 包括一组低通滤波器 4011和放大器 4011a、 一组带通滤波器 4012和放 大器 4012a、以及一组高通滤波器 4013和放大器 4013a。通道转换器 402 具有时控信号选通功能， 例如设定一定时间允许经低通滤波器和放大器 的信号通过， 允许经带通滤波器和放大器的信号在另一时间 通过， 经高 通滤波器和放大器的信号在又一时间通过， 具体实现时通道转换器可以 设计为带定时器的多路开关等。 模数转换器的输出与信号传输模块相连 接。 本实施例中， 一组滤波及放大器连接一组传感器阵列中所有 同类型 的传感器的输出信号相加的结果， 仍如图 3所示， 此时次声波传感器组 501中所有次声波传感器并联连接， 其信号加和后与低通滤波器 4011、 放大器 4011a依次相连， 可听波传感器组 502中所有可听波传感器并联 连接， 其信号加和后与带通滤波器 4012、 放大器 4012a依次相连， 超声 波传感器组 503中所有超声波传感器并联连接， 其信号加和后与高通滤 波器 4013、 放大器 4013a依次相连。

如图 2所示， 另一种实施例中的信号处理模块包括依次连接 的通道 转换器 402、 滤波及放大器组 401和模数转换器 403。 通道转换器、 滤波 及放大器组和模数转换器各自的功能同前述实 施例， 不同之处在于， 此 时， 每一组传感器阵列中所有同类型的传感器的输 出信号相加后是连接 到具有时控信号选通功能的通道转换器， 然后再进行滤波、 放大、 模数 转换等处理。

一种具体实现时， 低通滤波器的截止频率为 20Hz, 带通滤波器的带 宽为 20Hz_20kHz, 高通滤波器的截止频率为 20kHz。

信号传输模块 30包括多根电缆 301和至少一个信号中继器 302,且 每两根电缆之间连接一个信号中继器， 即电缆 301的数量比信号中继器 302多且仅多一个。 电缆 301 不仅可用于传输信号， 还可以将电池管理 模块 10提供的电输送到信号处理模块 40。 信号中继器的采用可以避免 信号传输过程可能出现的信号衰减。信号传输 模块 30的输入信号与首位 的电缆 301相连接，信号传输模块 30的输出信号由末位的电缆 301与主 控模块 20相连接。

本实施例的主控模块 20包括依次相连的主控单元 201和存储发射单 元 202。 主控单元 201用于确定对输入信号的存储和 /或发送， 其输入信 号来自信号传输模块 30。 存储发射单元 202包括用于存储主控单元 201 发送来的信号的存储单元和用于发射主控单元 201发送来的信号的发射 单元， 如图 3所示， 存储单元可以是本地存储接口 2011, 发射单元可以 是移动网络接口 2022或以太网接口 2023。 其它实施例中也可以不设置 主控单元， 而是将信号传输模块输送来的信号直接进行存 储和 /或转发。

仍如图 3所示， 电源管理模块 10包括太阳能储能单元 101、 交流电 适配单元 102和蓄电池 103,太阳能储能单元 101和交流电适配单元 102 分别连接蓄电池 103,蓄电池 103分别为信号传输模块 30和主控模块 20 供电。通过太阳能和交流电如 220V交流市电为系统供电，可保证系统稳 定工作， 而且， 在 220V交流市电中断情况下还可持续工作， 使得系统可 正常工作于无人值守的野外监测点。

图 3所示为一种实施例的地震临震监测系统的一� �具体实现， 其中 各模块及内部单元连接关系为： 3个 0Hz_20Hz声发射传感器构成的次声 波传感器组 501并联连接，信号加和后与低通滤波器 4011、放大器 4011a 依次相连； 3个 20Hz_20kHz声发射传感器构成的可听波传感器组 502并 联连接， 信号加和后与带通滤波器 4012、 放大器 4Q12a依次相连； 3个 20kHz~lMHz声发射传感器构成的超声波传感器组 503并联连接，信号加 和后与高通滤波器 4013、放大器 4013a依次相连；放大器 4011a、 4012a, 4013a分别与通道转换器 402相连接， 通道转换器 402的输出信号经由 模数转换器 （ADC, Analog to Digital Converter ) 转换为数字信号， 并由电缆 301和信号中继器 302输入到主控单元 201; 主控单元 201对 输入数据处理后， 分别输出至本地存储接口 2021 存储、 移动网络接口 2022无线发送、 以太网接口 2023有线发送； 蓄电池 103由太阳能储能 单元 101或 220V交流电源适配单元 102充电， 并分别为主控模块 20、 信号传输模块 30供电。

可见， 本实施例的地震临震监测系统具有如下优点：

( 1 )由于地声信息包含地震孕育过程中或临震前� �下基岩断面及其 周围小破碎及微断裂所产生的高频超声波， 也包括临震前基岩宏观破裂 及地壳蠕变过程中所产生的低频可听波和次声 波， 因此， 本实施例使用 了多组不同的传感器全面覆盖地声声波可能的 频率范围， 包括次声波、 可听波、 超声波， 既保证了大地震孕育过程中及临震前地声信息 能被完 整的记录， 还保证了每段频率范围内地声信息的精确记录 ；

( 2 )震前地声监测工作的另一个难点在于难以长� �连续监测，其要 求仪器或设备有非常好的可靠性， 然而， 由于地下环境复杂， 因此对传 感器、 处理电路、 传输过程的可靠性有着苛刻的要求， 对此， 系统在传 感器侧进行备份，在传输过程中增加信号中继 器，提高了系统的可靠性， 使系统能长时间地、 稳定地对地声信号进行监测；

( 3 ) 实施例采用太阳能和 220V交流市电为系统供电， 保证了系统 的稳定工作以及灾害来临时的持续工作能力， 使系统适于野外无人值守 的监测。

实施例 2:

本实施例提供了一种地震临震监测系统的安装 方法， 该系统为实施 例 1描述的地震临震监测系统， 其安装方法包括： 将多组传感器阵列围 绕钻孔或深井的中心安装于钻孔或深井的底面 ， 一组传感器阵列安装在 一个安装地点， 每相邻的两个安装地点与该中心的连线所形成 的夹角的 角度相等。 从而， 传感器阵列所接收的地声可通过分析各安装点 中传感 器所接收信号强度唯一确定其声源方向。 如图 4所示举例中， 该例设有 三组传感器阵列， 每一组传感器阵列包括次声波传感器组 501、 可听波 传感器组 502和超声波传感器组 503 , 每一组传感器阵列安装在一个地 点 110 , 相邻两个安装地点与钻孔或深井的中心 （图 4所示的黑色实心 圆圈） 的连线所形成的夹角与其它两个安装地点与该 中心的连线所形成 的夹角相等， 即都为 120° 。 图 4所示只是一种举例， 传感器阵列的组 数可以为更多， 即大于三组。 一种较佳实现中， 这些多组传感器阵列距 离钻孔或深井的中心是相同的。

通过这样的安装方式， 可以保证传感器阵列清晰记录每次地声信息 的声源方向， 提供的地声信息中除频率信息、 强度信息等标量信息之外 的声源方位信息这一矢量信息。

进一步地， 本实施例的安装方法还将多组传感器阵列安装 于地表若 干米例如 150米以下且与基岩或密实土壤紧密接触， 当然考虑到对传感 器阵列的保护， 可以将传感器用与之声匹配的耐腐蚀、 防水、 抗摩擦的 材料进行封装，将封装后的多组传感器阵列与 基岩或密实土壤直接接触； 信号处理模块与多组传感器阵列相邻安装，且 不与基岩或密实土壤接触； 信号传输模块中， 电缆和信号中继器分布于钻孔或深井中， 末位的电缆 与主控模块相连， 将主控模块和电源管理模块则安装于地表， 可以与钻 孔或深井相邻， 或者还可以安装于离钻孔或深井更远的地表处 ， 当然中 间的信号传输仍是采用的电缆和信号中继器的 方式传输。 图 5所示为一 种举例的安装示意图， 其中， 传感器阵列 50与 100米深的钻孔 60的底 部的基岩 70紧密接触，信号处理模块 20相邻安装于传感器阵列 50的上 方， 并通过两段 50米长的电缆 301及其之间的信号中继器 302 , 将数据 传输至位于地表 80、且安装于钻孔 60正上方的电源管理模块 10和主控 模块 20。

综上， 本申请实施例提出的地震监测系统及其安装方 法， 采用多组 不同频率响应声传感器组成的传感器阵列覆盖 地声信息所有频谱范围， 并以可区分声波声源方向的安装方式， 再配以保证系统可靠地、 长时间 地工作的辅助组成模块， 使得该系统适于全自动化、 低成本、 高可靠性、 可大规模密集布局， 而且可长时间监测大地震孕育过程、 临震前地下完 整的地声变化信息。

以上所述仅为本申请的较佳实施例， 只是用于帮助理解本申请并不 用以限制本申请。 对于本领域的一般技术人员， 依据本申请的思想， 可 以对上述具体实施方式进行变化。