一種地震電磁波監測裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種地震電磁波監測裝置，其包括信號接收單元、信號處理單元、數據控制單元以及人機接口單元，信號接收單元包括天線和天線放大器，天線接收到的信號經天線放大器放大后輸出至信號處理單元中；信號處理單元包括模數轉換器、帶通濾波器以及數字濾波器，信號經過模數轉換后，再依次通過帶通濾波器和數字濾波器進行濾波采樣，輸出實時波形數據至數據控制單元；數據控制單元包括控制器和存儲器，控制器從信號處理單元讀入實時波形數據并存儲到存儲器中；人機接口單元向控制器發送數據請求信號以獲取已存儲的波形數據。本實用新型通過接收地震前兆電磁擾動信息，為地震的短臨預報和相關科研工作提供了準確可靠、連續完整的資料。
【專利說明】一種地震電磁波監測裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及地震探測【技術領域】，特別是一種用于地震前兆電磁擾動信息接收的地震電磁波監測裝置。
【背景技術】
[0002]近來世界各地頻發的地震事件，給民眾的生命和財產均造成了不可估量的傷害和損失，提高地震探測的準確、及時性，以最大限度避免地震危害，成為人類面臨并亟待解決的問題。目前，現有技術中還存在種種問題，如:現有的地震電磁波儀器傳感器主要由一對LES低頻電磁傳感器，接收電磁輻射信號，噪聲、零漂、抗干擾能力不強，容易受到輸電線、電力接地線以及各種電子設備的干擾。
[0003]同時，現有的地震電磁波儀器中的主控單元因受限于體系結構，處理能力的提高始終有限，同時系統的穩定性和擴展性偏低，不利于儀器功能的增加與維護。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的是提供一種地震電磁波監測裝置，提高地震探測的準確性和及時性。
[0005]為實現上述目的，本實用新型采取的技術方案為:地震電磁波監測裝置包括信號接收單元、信號處理單元、數據控制單元以及人機接口單元，其中:
[0006]信號接收單元包括天線和天線放大器，天線包括超低頻信號接收天線和點頻信號接收天線；天線接收到的信號經天線放大器放大后輸出至信號處理單元中；
[0007]信號處理單元包括模數轉換器、帶通濾波器以及數字濾波器，從信號接收單元中接收到的信號經過模數轉換后，再依次通過帶通濾波器和數字濾波器進行濾波采樣，輸出實時波形數據至數據控制單元；
[0008]數據控制單元包括控制器和存儲器，控制器從信號處理單元讀入實時波形數據，并將讀入的實時波形數據存儲到存儲器中；
[0009]人機接口單元向數據控制單元中的控制器發送數據請求信號；控制器根據數據請求信號將已存儲的波形數據發送至人機接口單元。
[0010]本實用新型中，點頻信號接收天線選擇現有技術中輸入阻抗較小的天線類型，或者在根據現有技術設計制作點頻天線時，使其輸入阻抗較小，相應的天線輸出信號也會變小，可達到寬頻帶的效果。增設天線放大器可防止天線的引線對信號造成衰減。帶通濾波器可根據實際情況選擇所需的帶通頻率，其可采用現用的帶通濾波器件實現，也可采用現有成熟的濾波電路技術實現。
[0011]本實用新型數據控制單元中的控制器對是實時波形數據的處理包括以下步驟:
[0012]a).讀入實時波形數據，并將實時波形數據輸出至人機接口單元；
[0013]b).對實時波形數據進行異常事件判斷，創建存儲目錄，將判斷結果為異常波形的實時波形數據，以及判斷結果為正常波形的實時波形數據分別存入存儲器；[0014]c).當人機接口單元有數據請求時，控制器根據數據請求將存儲器中相應的的實時波形數據輸出到人機接口單元。
[0015]本實用新型中，控制器在對實時波形數據進行存儲時，首先設置存儲目錄，然后按照存儲目錄將實時波形數據存儲到存儲器中；人機接口單元的數據請求包括存儲目錄參數，控制器按照存儲目錄對存儲器中的數據進行檢索后，將相應數據輸出到人機接口單元。存儲目錄的設置可提高對數據的有效壓縮率，也可以使工作人員通過人機接口單元或者遠程服務接口，很方便的進行數據的訪問、檢索或者報表生成。存儲目錄參數可包括波形數據發生的時間，以及數據類型:如異常波形數據或正常波形數據，等參數類型。
[0016]作為一種改進，本實用新型中數據控制單元還包括與控制器相連接的遠程數據服務器以及遠程數據接口 ；控制器控制遠程數據服務器與遠程數據接口之間的數據交換。具體的，遠程數據服務主要包括，通過LAN、COM、Modem接口實現ftp、telnet、http的數據服務，相關參數設置以及通信協議可根據現有的相應通信方式的通信協議，通過對控制器的軟件進行編輯來完成。控制器可采用現有技術中集成有遠程數據服務器的單片機或者其他集成芯片來實現，采用此種方案時，遠程數據數據接口可選擇單片機或者其它芯片的相應端口 ；此外，控制器與遠程數據服務器及其接口也可選擇現有技術中分別具有相應功能的產品來實現。
[0017]信號處理單元中還包括信號放大器，信號放大器的信號輸入端即為信號處理單元的信號輸入端，信號放大器的信號輸出端連接模數轉換器的信號輸入端。信號處理單元中的信號放大器的設計電路中可融入現有技術中的光電耦合電路或器件，以有效的控制零漂，使得單元各級之間的工作點不會互相干擾，信號失真小。
[0018]優選的，信號處理單元中，模數轉換器為24位模數轉換器。具體的，本實用新型優選采用現有的4階Λ Σ調制，輸出為Ibit高速數據流(每秒256000 bits)的24位模數轉換器，經過多次數字濾波和抽取可得到24位分辨率的數據。
[0019]優選的，信號處理單元中，數字濾波器為基于DSP的IIR數字濾波器。具體的，DSP芯片采用現有的產品，其承擔信號接收單元中兩種天線在兩個方向上，即四個信號通道接收到的數據的數字濾波和抽取運算,實時輸出24位分辨率的數字信號，采樣率可選擇10Hz,20 HZ、50HZ、100HZ、200HZ，相關參數涉及以及控制利用現有成熟軟件技術進行編程實現。IIR數字濾波器具有穩定、可靠、精度高的特點。在本實用新型中，數字濾波器使用多組IIR數字濾波器對多個信號通道的數據進行數字濾波和抽取，得到所需的低采樣率的數字信號。所謂抽取，是對濾波后的數字信號進行二次采樣，降低采樣率的過程。
[0020]優選的，本實用新型中超低頻信號接收天線所接收的頻率范圍為0.1-1OHz ;點頻信號接收天線所接收的信號頻率為38KHz。超低頻信號接收天線以及點頻信號接收天線皆可選用現有技術中相應頻率參數的天線產品。也可根據相應頻率及其它參數要求，利用現有技術進行制作。
[0021]有益效果
[0022]本實用新型通過分別設置超低頻接收通道和點頻接收通道，保證了儀器具備多頻段全方位的接收能力。在數據的處理階段，本實用新型通過采用先進的選頻技術，提高了信號的穩定性，保證了監測信號的頻率特性，實際應用中儀器信號的采樣率優于lOOsps，可記錄超低頻信號的原始波形，以及點頻信號唱腔隨時間的變化特性，便于對地震時間的判斷。本實用新型還通過遠程服務器的設置，實現了網絡實時傳輸海量數據和對儀器進行遠程控制的功能；數據存儲時的目錄設置方便對數據的有效壓縮，同時也方便了在此基礎上的數據報表生成，方便工作人員的日常工作記錄。
[0023]此外，在本實用新型的基礎上，還可以很容易的通過硬件的選擇以及軟硬件的結合，實現裝置自檢、自復位、重啟以及事件的短信報警等的智能化控制功能；USB數據臨時存儲功能，保證觀測資料的連續性；以及遠程數據服務提供FTP功能遠程下載監測數據功能，實現網絡實時傳輸海量數據和對儀器的遠程控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1所示為本實用新型的結構組成示意圖；
[0025]圖2所示為本實用新型數據處理流程示意圖。
【具體實施方式】
[0026]為使本實用新型的內容更加明顯易懂，以下結合附圖和【具體實施方式】做進一步說明。
[0027]圖1所示為本實用新型的一種具體實施例結構，圖2所示為這種實施例結構基礎上的數據處理流程示意圖；結合圖1和圖2，本實用新型包括信號接收單元1、信號處理單元
2、數據控制單元3以及人機接口單元；人機接口單元即可供工作人員操作和查看數據的后臺計算機。
[0028]信號接收單元中設有兩個相互垂直設置的超低頻信號接收天線和兩個相互垂直設置的點頻信號接收天線；超低頻信號接收天線所接收的頻率范圍為0.1-1OHz ;點頻信號接收天線所接收的信號頻率為38KHz。超低頻信號接收天線以及點頻信號接收天線皆選用現有技術中相應頻率參數的天線產品。點頻信號接收天線的信號輸出端連接天線放大器，防止天線的引線對信號造成衰減；
[0029]信號處理單元包括信號放大器、帶通濾波器、模數轉換器以及數字濾波器；天線接收到的信號輸出至信號放大器中，經放大后進行帶通濾波、模數轉換，再進行數字濾波。其中:
[0030]模數轉換器為24位模數轉換器，在每一個天線信號通道中采用一片獨立的4階Δ Σ調制器CS5321，每一個通道的滿量程輸入為+10V，轉換器輸出高速(每秒256K比特)比特流，經過數字濾波和抽取以后，能夠提供24位的分辨率和大于120dB的動態范圍；
[0031]數字濾波器為采用DSP實現的IIR數字濾波器，用于處理四個天線信號通道上CS5321輸出的高速比特流，輸出24位分辨率的低速采樣率的數字信號。DSP采用TI公司的32位高速浮點DSP芯片TMS320VC33，運行時鐘60MHZ，運行速度為60MIPS。其還用于管理數據處理單元的各部件、執行數字濾波運算，管理授時系統和數字通訊接口，實現數據傳輸及參數設置等；
[0032]IIR數字濾波器具有穩定、可靠、精度高的特點。其進行數字濾波和抽取，得到所需的低采樣率的數字信號。所謂抽取，是對濾波后的數字信號進行二次采樣，降低采樣率的過程。改變輸出采樣率實際上是通過改變IIR數字濾波器，并使用不同的抽取比來實現的，這個改變可以在運行時進行。新的采樣率可以通過對軟件中的參數進行相關設置來實現。4個通道的采樣率可設置為200Hz、IOOHz、50Hz、20Hz、IOHz，相應的信號帶寬分別為:80Hz、40Hz、20Hz、8Hz、4Hz ；
[0033]模數轉換器與數字濾波器之間通過光電耦合器連接，避免溫漂影響；
[0034]信號處理單元中還包括供電控制單元、標定電路和負責調度管理各部件的處理器單片機；供電控制單元將+12V輸入電源變換為+5V、+3.3V和+1.8V等多組電源，供其它各單元單元使用；標定電路采用現有的16位D/A換能器的標定信號發生器，提供方波和正弦波組標定信號的電流和電壓輸出。標定信號的輸出直接連接到標定線圈上，標定信號的參數及定時常數可由用戶通過軟件設定，可設定參數包括:方波標定信號的幅度、寬度、定時時間等；正弦波標定信號的頻率、幅度、震蕩次數，以及不同頻率正弦波組的數目。在裝置采用短信GPS控制時，還可通過處理器單片機處理GPS信息，并精確調整系統處理時鐘。處理器單片機可采用現有技術的單片機實現。
[0035]經過數字濾波的信號傳輸至數據控制單元中，數據控制單元包括相互連接的控制器和存儲器。本實施例中，控制器采用ARM9實現控制功能，存儲器包括ARM9內部集成的SDRAM, NOR FLASH，外部集成128M DOC (數據緩存區)，以及通過ARM9應用現有的內置USB接口技術擴展的外部硬盤或CF卡或NAND Flash (永久數據區)，此外ARM上還設有備用的擴展存儲器外部USB接口，用于數據的臨時存儲。
[0036]ARM9中集成有LAN網絡服務器和一個自適應的10M/100M網絡接口，即遠程數據服務器和數據請求接口，可通過配置物理層網絡設備實現網絡數據的傳輸，支持WWW、FTP、Telnet等網絡服務。
[0037]ARM9與數據處理單元的DSP之間，以及人機接口單元之間，皆通過RS232串口相連接。ARM9還通過一個兼容的實時數據輸出串口進行全雙工的數據傳輸，用于輸出采集數據和狀態信息，同時還可以接收參數設置命令及數據重發請求。
[0038]結合圖2，本實用新型中ARM9控制器數據控制單元中的控制器對是實時波形數據的處理包括以下步驟:
[0039]a).讀入實時波形數據，并將實時波形數據輸出至人機接口單元；
[0040]b).對實時波形數據進行異常事件判斷，創建存儲目錄，將判斷結果為異常波形的實時波形數據，以及判斷結果為正常波形的實時波形數據分別存入存儲器；
[0041]c).當人機接口單元有數據請求時，控制器根據數據請求將存儲器中相應的的實時波形數據輸出到人機接口單元。
[0042]本實用新型中，控制器在對實時波形數據進行存儲時，首先設置存儲目錄，然后按照存儲目錄將實時波形數據存儲到存儲器中；人機接口單元的數據請求包括存儲目錄參數，控制器按照存儲目錄對存儲器中的數據進行檢索后，將相應數據輸出到人機接口單元。存儲目錄的設置可提高對數據的有效壓縮率，也可以使工作人員通過人機接口單元或者遠程服務接口，很方便的進行數據的訪問、檢索或者報表生成。存儲目錄參數可包括波形數據發生的時間，以及數據類型:如異常波形數據或正常波形數據，等參數類型。
[0043]遠程數據服務主要包括,通過LAN、C0M、Modem等接口實現ftp、telnet、http的數據服務，相關參數設置以及通信協議可根據現有的相應通信方式的通信協議，通過對控制器的軟件進行編輯來完成。
[0044]本實用新型中所述具體實施案例僅為本實用新型的較佳實施案例而已，并非用來限定本實用新型的實施范圍。即凡依本實用新型申請專利范圍的內容所作的等效變化與修飾，都應作為本實用新型的技術范疇。
【權利要求】
1.一種地震電磁波監測裝置，其特征是，包括信號接收單元、信號處理單元、數據控制單元以及人機接口單元，其中: 信號接收單元包括天線和天線放大器，天線包括超低頻信號接收天線和點頻信號接收天線；天線接收到的信號經天線放大器放大后輸出至信號處理單元中； 信號處理單元包括模數轉換器、帶通濾波器以及數字濾波器，從信號接收單元中接收到的信號經過模數轉換后，再依次通過帶通濾波器和數字濾波器進行濾波采樣，輸出實時波形數據至數據控制單元； 數據控制單元包括控制器和存儲器，控制器從信號處理單元讀入實時波形數據，并將讀入的實時波形數據存儲到存儲器中； 人機接口單元向數據控制單元中的控制器發送數據請求信號；控制器根據數據請求信號將已存儲的波形數據發送至人機接口單元。
2.根據權利要求1所述的一種地震電磁波監測裝置，其特征是，數據控制單元還包括與控制器相連接的遠程數據服務器以及遠程數據接口 ；控制器控制遠程數據服務器與遠程數據接口之間的數據交換。
3.根據權利要求1所述的一種地震電磁波監測裝置，其特征是，信號處理單元中還包括信號放大器，信號放大器的信號輸入端即為信號處理單元的信號輸入端，信號放大器的信號輸出端連接模數轉換器的信號輸入端。
4.根據權利要求1至3任一項所述的一種地震電磁波監測裝置，其特征是，信號處理單元中，模數轉換器為24位模數轉換器。
5.根據權利要求1至3任一項所述的一種地震電磁波監測裝置，其特征是，信號處理單元中，數字濾波器為基于DSP的IIR數字濾波器。
6.根據權利要求1至3任一項所述的一種地震電磁波監測裝置，其特征是，超低頻信號接收天線所接收的頻率范圍為0.1-lOHz。
7.根據權利要求1至3任一項所述的一種地震電磁波監測裝置，其特征是，點頻信號接收天線所接收的信號頻率為38KHz。
【文檔編號】G01V1/22GK203572973SQ201320614107
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】劉紅桂, 盧永, 張德齊, 居海華, 瞿旻, 熊建偉 申請人:江蘇省地震局