地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)及方法，涉及地質(zhì)勘探【技術(shù)領(lǐng)域】，包括傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和定位預(yù)警模塊；所述傳感器模塊由多個(gè)MEMS數(shù)字加速度傳感器組成，所述無(wú)線通信模塊用于將傳感器組產(chǎn)生的反饋電動(dòng)勢(shì)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊將采集的數(shù)據(jù)處理后，將監(jiān)測(cè)得到的地震沖擊力與設(shè)定的預(yù)警閾值進(jìn)行比較后向定位預(yù)警模塊信號(hào)，定位預(yù)警模塊發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示工作人員。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明采用使用廣泛MEMS數(shù)字加速度傳感器來(lái)采集和處理數(shù)據(jù)，成本低，系統(tǒng)的后期調(diào)試和維護(hù)都非常方便，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層裂縫情況，精確定位地層裂縫的位置并及時(shí)通知工作人員起到預(yù)警的作用，并且監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高。
【專利說(shuō)明】地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地質(zhì)勘探技術(shù)，特別涉及一種地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，由于全球氣候異常變化，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害隱患也在不斷增加，特別是隨著 人類活動(dòng)的加劇和活動(dòng)范圍的不斷擴(kuò)大，造成的地質(zhì)性破壞越來(lái)越多。地質(zhì)災(zāi)害的形式主 要表現(xiàn)在崩塌、滑坡、泥石流、地質(zhì)塌陷、沉降等，尤其是公路因地層裂縫導(dǎo)致地陷對(duì)人們的 生命和財(cái)廣造成巨大的損失。
[0003] 對(duì)地質(zhì)災(zāi)害傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法主要是通過(guò)群測(cè)群防和監(jiān)測(cè)人員現(xiàn)場(chǎng)參與的方法， 現(xiàn)有這些監(jiān)測(cè)方法的缺陷在于：1、現(xiàn)有這些監(jiān)測(cè)方法通常都采用人工操作，人工記錄人工 計(jì)算的傳統(tǒng)方式，人力和物力成本投入大，同時(shí)人工操作受地理環(huán)境、天氣的影響大，而且 操作的人員人身安全也無(wú)法得到完全的保證；2、由于數(shù)據(jù)是人工定期采集的，這就使得監(jiān) 測(cè)數(shù)據(jù)的采集量較小，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)難易準(zhǔn)確描述，因此監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性較低；人工采集數(shù)據(jù)到 對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這就使得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果具有一定的滯后性和 延遲性，因此不能及時(shí)、迅速地對(duì)迅速地對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，從而不能有效地起 到事先防御地質(zhì)災(zāi)害的功能；4、現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，因此在將要 發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的地點(diǎn)和時(shí)段可能不能及時(shí)獲得地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前期的預(yù)兆信息，從而不能 及時(shí)發(fā)出預(yù)警避免大量人員和財(cái)產(chǎn)的損失。
[0004] 綜上所述，有必要提供一種地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)及方法，起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層 裂縫情況，和精確定位地層裂縫的位置并及時(shí)通知工作人員起到預(yù)警的作用，并且具備監(jiān) 測(cè)準(zhǔn)確度高，成本低的優(yōu)點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度高、精確 定位、造價(jià)和使用成本低的地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)及方法。
[0006] 本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)手段解決上述技術(shù)問(wèn)題：
[0007] 本發(fā)明提供了一種地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，包括傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、數(shù) 據(jù)處理模塊和定位預(yù)警模塊；
[0008] 所述傳感器模塊由多個(gè)MEMS數(shù)字檢波器組成，用于檢測(cè)其所處分布位置MEMS質(zhì) 量塊位移偏移量，計(jì)算出其監(jiān)測(cè)地層反射地震波反饋電動(dòng)勢(shì)，并將所述的反饋電動(dòng)勢(shì)傳輸 至無(wú)線通信模塊；
[0009] 所述無(wú)線通信模塊用于將接收到的反饋電動(dòng)勢(shì)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊；
[0010] 所述數(shù)據(jù)處理模塊用于記錄每個(gè)MEMS數(shù)字檢波器對(duì)應(yīng)的地理位置坐標(biāo)以及其接 收到的反饋電動(dòng)勢(shì)，并對(duì)該反饋電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，再根據(jù)MEMS數(shù)字檢波器固有的加速 度權(quán)系數(shù)及其固有偏置計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波加速度和地震波沖擊力，同時(shí)計(jì)算直達(dá)波加 速度、反射波加速度以及反射波加速度，然后將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波沖擊力與設(shè)定的定位預(yù)警 閾值進(jìn)行比較，若計(jì)算出的地震波沖擊力大于等于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，并 將發(fā)生地點(diǎn)發(fā)送給定位預(yù)警模塊；若計(jì)算出的地震波沖擊力小于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā)送 保持綠色安全指示燈顯示命令；
[0011] 所述定位預(yù)警模塊用于根據(jù)接收到的所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
[0012] 進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、采集控制模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、 存儲(chǔ)模塊和三維地層反演模塊；
[0013] 所述數(shù)據(jù)采集模塊將采集傳感器檢測(cè)到的地震波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)；
[0014] 所述采集控制模塊通過(guò)采集控制協(xié)議協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)融合模塊；
[0015] 所述數(shù)據(jù)融合模塊基于特征層多個(gè)MEMS數(shù)字檢波器采集數(shù)據(jù)的融合過(guò)程；所述 存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)記錄MEMS數(shù)字檢波器對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)和數(shù)據(jù)融合后的地震波電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)；
[0016] 所述三維地層反演模塊將存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)的地震波反饋電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn) 換，根據(jù)地震波加速度矢量結(jié)合數(shù)字檢波器所處地理位置計(jì)算出地震波加速度的X、Y、Z分 量和地震波沖擊力，并描繪出三維地層剖面圖，然后將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波沖擊力與設(shè)定的定 位預(yù)警閾值進(jìn)行比較，若計(jì)算出的地震波沖擊力大于等于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā)送觸發(fā)信 號(hào)，并將發(fā)生地點(diǎn)發(fā)送給定位預(yù)警模塊；若計(jì)算出的地震波沖擊力小于預(yù)警閾值向預(yù)警模 塊發(fā)送保持綠色安全指示燈顯示命令。
[0017] 進(jìn)一步地，所述三維地層反演模塊根據(jù)地震波加速度矢量結(jié)合數(shù)字檢波器所處地 理位置計(jì)算出地震波加速度X、Y、Z分量和地震波沖擊力步驟為：S401.多個(gè)數(shù)字檢波器相 對(duì)水平分布，數(shù)字檢波器道間距為D，水平方位角是α，數(shù)字檢波器的輸出為Vwt，則
[0018]

【權(quán)利要求】
1. 地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于：包括傳感器模塊、無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)處理 模塊和定位預(yù)警模塊； 所述傳感器模塊由多個(gè)MEMS數(shù)字加速度傳感器組成，用于檢測(cè)其所處分布位置MEMS質(zhì)量塊位移偏移量，計(jì)算出其監(jiān)測(cè)地層反射地震波反饋電動(dòng)勢(shì)，并將所述的反饋電動(dòng)勢(shì)通 過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行傳輸； 所述無(wú)線通信模塊用于將傳感器組產(chǎn)生的反饋電動(dòng)勢(shì)傳輸至數(shù)據(jù)處理模塊； 所述數(shù)據(jù)處理模塊用于記錄每個(gè)MEMS數(shù)字加速度傳感器對(duì)應(yīng)的地理位置坐標(biāo)以及其 接收到的反饋電動(dòng)勢(shì)，并對(duì)所述反饋電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，再根據(jù)MEMS數(shù)字加速度傳感器 固有的加速度權(quán)系數(shù)及其固有偏置計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波加速度和地震波沖擊力，同時(shí)計(jì) 算直達(dá)波加速度、反射波加速度以及垂直加速度，然后將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波沖擊力與設(shè)定的 定位預(yù)警閾值進(jìn)行比較，若計(jì)算出的地震波沖擊力大于等于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā)送觸發(fā) 信號(hào)，并將發(fā)生地點(diǎn)發(fā)送給定位預(yù)警模塊；若計(jì)算出的地震波沖擊力小于預(yù)警閾值向預(yù)警 模塊發(fā)送保持綠色安全指示燈顯示命令； 所述定位預(yù)警模塊用于根據(jù)接收到的所述觸發(fā)信號(hào)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
2. 如權(quán)利要求1所述的地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于：所述數(shù)據(jù)處理模塊包 括數(shù)據(jù)采集模塊、采集控制模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、存儲(chǔ)模塊和三維地層反演模塊； 所述數(shù)據(jù)采集模塊將采集傳感器檢測(cè)到的地震波信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換操作； 所述采集控制模塊通過(guò)采集控制協(xié)議協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)融合模塊運(yùn)行； 所述數(shù)據(jù)融合模塊基于特征層多個(gè)MEMS數(shù)字加速度傳感器采集數(shù)據(jù)的融合過(guò)程；所 述存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)記錄MEMS數(shù)字檢波器對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)和數(shù)據(jù)融合后的地震波電動(dòng)勢(shì)數(shù) 據(jù)； 所述三維地層反演模塊將存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)的地震波反饋電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，根 據(jù)地震波加速度矢量結(jié)合數(shù)字檢波器所處地理位置計(jì)算出地震波加速度的X、Y、Z分量和 地震波沖擊力，并描繪出三維地層剖面圖，然后將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波沖擊力與設(shè)定的定位預(yù) 警閾值進(jìn)行比較，若計(jì)算出的地震波沖擊力大于等于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)， 并將發(fā)生地點(diǎn)發(fā)送給定位預(yù)警模塊；若計(jì)算出的地震波沖擊力小于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā) 送保持綠色安全指示燈顯示命令。
3. 如權(quán)利要求2所述地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于：所述三維地層反演模塊 根據(jù)地震波加速度矢量結(jié)合數(shù)字檢波器所處地理位置計(jì)算出地震波加速度X、Y、Z分量和 地震波沖擊力步驟為： 5401. 多個(gè)數(shù)字檢波器相對(duì)水平分布，數(shù)字檢波器道間距為D，水平方位角是a，數(shù)字 檢波器的輸出為lut，貝1J
式（1)中：贏是振動(dòng)信號(hào)的加速度，K1是加速度比例因子，K0是偏值； 5402. 數(shù)字檢波器測(cè)量的三分量記作'ajj、3||、3卩，水平方位角為a，即分量3^與 石啲夾角為a，則對(duì)應(yīng)的直角OUVW坐標(biāo)系為
直角坐標(biāo)OUVW至標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)XYZ中為
式（3)即數(shù)字檢波器構(gòu)成的直角坐標(biāo)0UVW與標(biāo)準(zhǔn)直角坐標(biāo)系XYZ之間的關(guān)系； 5403. 設(shè)定合加速度5與平面0UV的夾角為0，從而可得
將式（4)、（5)和（6)代入式（3)中可計(jì)算出在標(biāo)準(zhǔn)0XYZ坐標(biāo)系中各加速度矢量，即可 得到地震波加速度X、Y、Z三分量:$、^、ii*，
5404. 當(dāng)數(shù)字檢波器響應(yīng)外界地震波時(shí)，質(zhì)量塊A受到一外力f，則有
式（10)、（11)、（12)中，A、n、y為XYZ軸的權(quán)重系數(shù)，無(wú)、夕、f為質(zhì)量塊相對(duì)于零 點(diǎn)的相對(duì)位移。將式（7)、（8)和（9)代入式（10)、（11)、（12)可得數(shù)字檢波器軸方向到直 角坐標(biāo)XYZ的方程：
聯(lián)立方程組可得：
4. 如權(quán)利要求2所述地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于：所述采集控制模塊采用 的采集控制協(xié)議的控制過(guò)程為：PC機(jī)向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令；FPGA接收到PC機(jī)發(fā)送的 采集命令；FPGA向PC機(jī)發(fā)送響應(yīng)命令；FPGA開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集滿后FPGA向PC機(jī)發(fā) 送數(shù)據(jù)采集滿的信號(hào)；PC機(jī)接收到FPGA采集滿數(shù)據(jù)，結(jié)束數(shù)據(jù)采集命令。
5. -種地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法，其特征在于：采用如權(quán)利要求1所述的地層裂縫監(jiān) 測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，具體包括以下步驟： 51 :確定監(jiān)測(cè)地域，裝置確定的監(jiān)測(cè)地域范圍內(nèi)確定監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布及具體位置； 52 :在所述確定的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置安裝多個(gè)MEMS數(shù)字檢波器，數(shù)字檢波器用于檢測(cè) 其所分布位置MEMS質(zhì)量塊位移偏移量，計(jì)算出其監(jiān)測(cè)地層反射地震波反饋電動(dòng)勢(shì)，并將所 述的反饋電動(dòng)勢(shì)傳輸至無(wú)線通信模塊； 53 :所述無(wú)線通信模塊將接收到的電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理模塊； 54 :所述數(shù)據(jù)處理模塊記錄每個(gè)MEMS數(shù)字檢波器對(duì)應(yīng)的地理位置坐標(biāo)以及其接收到 的反饋電動(dòng)勢(shì)，并對(duì)所述反饋電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，再根據(jù)MEMS數(shù)字檢波器固有的加速度 權(quán)系數(shù)及其固有偏置計(jì)算出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波加速度和地震波沖擊力，同時(shí)計(jì)算直達(dá)波加速 度、反射波加速度以及反射波加速度，然后將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波沖擊力與設(shè)定的定位預(yù)警閾 值進(jìn)行比較，若計(jì)算出的地震波沖擊力大于等于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，并將 發(fā)生地點(diǎn)發(fā)送給定位預(yù)警模塊；若計(jì)算出的地震波沖擊力小于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā)送保 持綠色安全指示燈顯示命令； 55 :預(yù)警模塊根據(jù)接收到的觸發(fā)信號(hào)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
6. 如權(quán)利要求5所述的地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警的方法，其特征在于：所述數(shù)據(jù)處理模塊 包括數(shù)據(jù)采集模塊、采集控制模塊、數(shù)據(jù)融合模塊、存儲(chǔ)模塊和三維地層反演模塊； 所述數(shù)據(jù)采集模塊將采集傳感器檢測(cè)到的地震波信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換操作； 所述采集控制模塊通過(guò)采集控制協(xié)議協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)融合模塊運(yùn)行；所述數(shù) 據(jù)融合模塊基于特征層多個(gè)MEMS數(shù)字檢波器采集數(shù)據(jù)的融合過(guò)程； 所述存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)記錄MEMS數(shù)字檢波器對(duì)應(yīng)的地理坐標(biāo)和數(shù)據(jù)融合后的地震波電動(dòng) 勢(shì)數(shù)據(jù)； 所述三維地層反演模塊將存儲(chǔ)模塊中存儲(chǔ)的地震波反饋電動(dòng)勢(shì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換，根 據(jù)地震波加速度矢量結(jié)合數(shù)字檢波器所處地理位置計(jì)算出地震波加速度的X、Y、Z分量和 地震波沖擊力，并描繪出三維地層剖面圖，然后將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地震波沖擊力與設(shè)定的定位預(yù) 警閾值進(jìn)行比較，若計(jì)算出的地震波沖擊力大于等于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā)送觸發(fā)信號(hào)， 并將發(fā)生地點(diǎn)發(fā)送給定位預(yù)警模塊；若計(jì)算出的地震波沖擊力小于預(yù)警閾值向預(yù)警模塊發(fā) 送保持綠色安全指示燈顯示命令。
7.如權(quán)利要求6所述的地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警的方法，其特征在于：所述三維地層反演 模塊根據(jù)地震波加速度矢量結(jié)合數(shù)字檢波器所處地理位置計(jì)算出地震波加速度X、Y、Z分 量和地震波沖擊力步驟為： 5401. 多個(gè)數(shù)字檢波器相對(duì)水平分布，數(shù)字檢波器道間距為D，水平方位角是a，數(shù)字 檢波器的輸出為lut，貝1J
式（1)中：3是振動(dòng)信號(hào)的加速度，K1是加速度比例因子，K0是偏值； 5402. 數(shù)字檢波器測(cè)量的三分量記作Sd、a^，水平方位角為a，即分量與IF啲夾角為a，則對(duì)應(yīng)的直角OUVW坐標(biāo)系為
直角坐標(biāo)OUVW至標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)XYZ中為
式（3)即數(shù)字檢波器構(gòu)成的直角坐標(biāo)OUVW與標(biāo)準(zhǔn)直角坐標(biāo)系XYZ之間的關(guān)系； 5403. 設(shè)定合加速度3與平面OUV的夾角為0，從而可得
將式（4)、（5)和（6)代入式（3)中可計(jì)算出在標(biāo)準(zhǔn)OXYZ坐標(biāo)系中各加速度矢量，即可 得到地震波加速度X、Y、Z三分量$、石，

S404.當(dāng)數(shù)字檢波器響應(yīng)外界地震波時(shí)，質(zhì)量塊A受到一外力f，則有
式（1〇)、（11)、（12)中，人、n、y為XYZ軸的權(quán)重系數(shù)，文、歹、f為質(zhì)量塊相對(duì)于 零點(diǎn)的相對(duì)位移。將式（7)、（8)和（9)代入式（10)、（11)、（12)可得數(shù)字檢波器軸方向到 直角坐標(biāo)XYZ的方程：
8.如權(quán)利要求6所述的地層裂縫監(jiān)測(cè)與預(yù)警方法，其特征在于：所述采集控制模塊采 用的采集控制協(xié)議的控制過(guò)程為：PC機(jī)向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令；FPGA接收到PC機(jī)發(fā)送 的采集命令；FPGA向PC機(jī)發(fā)送響應(yīng)命令；FPGA開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集滿后FPGA向PC機(jī) 發(fā)送數(shù)據(jù)采集滿的信號(hào)；PC機(jī)接收到FPGA采集滿數(shù)據(jù)，結(jié)束數(shù)據(jù)采集命令。
【文檔編號(hào)】G01V1/00GK104483700SQ201410736490
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】柴賀軍, 甘平, 孟云偉, 黃河, 申曉青, 李東鏈, 陳卓, 張宇, 李真真, 余歡, 于明嚴(yán) 申請(qǐng)人:招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司, 重慶大學(xué)