一種自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括：監(jiān)測(cè)臺(tái)站、中心數(shù)據(jù)服務(wù)器；多個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站與中心數(shù)據(jù)服務(wù)器連接，組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；一個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站包括：次聲波傳感器、氣象三要素傳感器、定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x、數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、風(fēng)噪聲降噪管道；次聲波傳感器安裝在風(fēng)噪聲降噪管道內(nèi)；次聲波傳感器采集次聲波數(shù)據(jù)，氣象三要素傳感器采集包括溫度、雨量、風(fēng)速在內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x測(cè)量電離層擾動(dòng)；中心數(shù)據(jù)服務(wù)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、次聲信號(hào)分析模塊、自然災(zāi)害判斷模塊；次聲信號(hào)分析模塊分析次聲波數(shù)據(jù)的特征，結(jié)果傳輸給自然災(zāi)害判斷模塊；自然災(zāi)害判斷模塊基于次聲波數(shù)據(jù)的特征，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)、氣象三要素?cái)?shù)據(jù)，判斷自然災(zāi)害的情況。
【專利說(shuō)明】
一種自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及次聲波監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，特別涉及一種自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]自然狀態(tài)下空氣中一直存在著各種次聲波，包括大風(fēng)降溫、臺(tái)風(fēng)、暴雨、山洪、泥石流、流星雨、雪崩、地陷、火流星、火山、地震、海嘯等自然事件是主要的自然次聲波源。這些自然事件的孕育和發(fā)生過(guò)程中向空氣中輻射出的次聲波有一定的特征，主要表現(xiàn)在頻率范圍有所差異，而所產(chǎn)生的次聲波的幅值往往與以上事件的活動(dòng)強(qiáng)度有著對(duì)應(yīng)關(guān)系。典型的如2013年2月15日上午9時(shí)俄羅斯火流星在進(jìn)入大氣層時(shí)因與空氣摩擦發(fā)熱產(chǎn)生激波以及爆炸產(chǎn)生的波中都有極強(qiáng)的次聲波成份。而地震活動(dòng)所產(chǎn)生的次聲波尤其嚴(yán)重，許多次地震后的訪問(wèn)都證明了，在地震發(fā)生時(shí)次聲波讓震中地區(qū)的人們感到短暫頭暈。許多國(guó)家開展了對(duì)這些災(zāi)害事件活動(dòng)期間次聲波的監(jiān)測(cè)研究，主要是研究災(zāi)害活動(dòng)規(guī)律，典型的是通過(guò)觀察火山爆發(fā)前的次聲波預(yù)測(cè)火山爆發(fā)的時(shí)刻。近三十年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所利用本單位建立的次聲監(jiān)測(cè)臺(tái)站，對(duì)自然事件次聲波進(jìn)行了持續(xù)不間斷的觀測(cè)研究，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):泥石流次聲波，流星雨次聲波，地震發(fā)生時(shí)的次聲波，臺(tái)風(fēng)次聲波，大風(fēng)降溫次聲波等中心頻率都在l-2Hz左右，都是寬頻帶噪聲，其產(chǎn)生的機(jī)理是較明確的。以地震發(fā)生時(shí)的次聲波為例，次聲波主要是由于巖石破裂波和板塊起伏激發(fā)的，因此既有次聲也有可聽聲，甚至于震中的人們?cè)诎l(fā)震時(shí)刻能夠聽到地底下隆隆的轟鳴聲。
[0003]1975年前蘇聯(lián)的Ostrovsky A.E.首次研究了空氣中存在的與大地震有關(guān)的一種長(zhǎng)周期波，但是沒有給出詳細(xì)的頻率范圍、傳播速度、產(chǎn)生機(jī)理。1975年美國(guó)G0ssard，R.E.和Hooke，W.H.研究了大氣波的特性，提出了利用地震震前次聲波預(yù)測(cè)大地震的設(shè)想。1980年胡心康等用聲學(xué)所研制的低頻次聲傳感器建立了一個(gè)295mX242m的四邊形次聲傳感器陣列，監(jiān)測(cè)了 1977年7月至8月間北京附近地區(qū)發(fā)生的5次4級(jí)以下地震的前兆次聲波并進(jìn)行了波形特征分析和波源定位分析，對(duì)大氣中存在的這種大幅值的低頻壓力波與地震發(fā)生的關(guān)系進(jìn)行了初步探索，找尋到一些基本規(guī)律。但是對(duì)地震前兆次聲波的產(chǎn)生機(jī)理、傳播特性、定位算法等沒有進(jìn)行深入的研究，未能獲取與地震發(fā)生規(guī)律緊密相聯(lián)的信息。1985-2008北京工業(yè)大學(xué)利用次聲測(cè)量傳感器建立的1.9km孔徑三角形陣進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)。2010年林琳等研究了汶川地震、于田地震、印尼地震前觀測(cè)到的異常次聲波的頻率特性。2012年呂君等對(duì)海淀區(qū)發(fā)生的一個(gè)小地震前的異常次聲波進(jìn)行了成像定位分析。所有這些研究均沒有得出震前異常次聲波與地震的空間和時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，也沒有得出次聲波的傳播參數(shù)。在國(guó)外，美國(guó)Groot-Hedlin等利用US array監(jiān)測(cè)到在200000km2內(nèi)的類似特征的次聲波，前人研究說(shuō)明這種異常次聲波是客觀存在的，并且是可以定位的。
[0004]因此大地震前出現(xiàn)異常次聲波能夠用來(lái)為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供必要的依據(jù)和研究方向，但是上述研究所使用的次聲監(jiān)測(cè)陣列在距離地震上千甚至數(shù)千公里外，次聲波在傳播過(guò)程中受到大氣溫度和風(fēng)剖面以及地形因素的影響，其傳播衰減、頻散以及傳播路徑都較難估計(jì)，很難可靠地去觀察異常次聲波。同時(shí)上述次聲陣列中陣元相距過(guò)遠(yuǎn)會(huì)導(dǎo)致各臺(tái)站傳感器信號(hào)的相關(guān)系數(shù)較低，使得較難判斷是同源次聲波，也會(huì)導(dǎo)致各傳感器時(shí)延估計(jì)精度降低，造成較大定位誤差。另外震前異常次聲波可能與各種氣象因素產(chǎn)生的次聲波(如風(fēng)噪聲、山背波等)在相近的頻段或具有類似的特征，需要建立有效識(shí)別方法和手段，而且地震發(fā)生前較短時(shí)間內(nèi)才可能觀測(cè)異常次聲波，前人研究時(shí)往往通過(guò)人工定期觀察的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)異常，這往往就會(huì)延誤時(shí)間，因此需要有可靠的次聲波實(shí)時(shí)觀測(cè)和分析處理設(shè)備，能夠在異常信號(hào)到達(dá)時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，以便及時(shí)的發(fā)現(xiàn)和處理異常信號(hào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的次聲監(jiān)測(cè)陣列易受干擾，監(jiān)測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確的缺陷，從而提供一種能夠有效提高監(jiān)測(cè)精度的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括:監(jiān)測(cè)臺(tái)站、中心數(shù)據(jù)服務(wù)器;所述監(jiān)測(cè)臺(tái)站有多個(gè)，這些監(jiān)測(cè)臺(tái)站與中心數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)；
[0007]一個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站包括:次聲波傳感器、氣象三要素傳感器、定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x、數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、風(fēng)噪聲降噪管道;其中，所述次聲波傳感器安裝在風(fēng)噪聲降噪管道內(nèi)，所述風(fēng)噪聲降噪管道能夠有效去除一定風(fēng)速條件下風(fēng)噪聲對(duì)次聲波傳感器的噪聲干擾;所述次聲波傳感器采集次聲波數(shù)據(jù)，所述氣象三要素傳感器采集包括溫度、雨量、風(fēng)速在內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，所述定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x用于測(cè)量由于次聲波導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)，所述次聲波傳感器、氣象三要素傳感器、定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳輸模塊傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)服務(wù)器；
[0008]所述中心數(shù)據(jù)服務(wù)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、次聲信號(hào)分析模塊、自然災(zāi)害判斷模塊;其中，各個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器內(nèi)；所述次聲信號(hào)分析模塊分析次聲波數(shù)據(jù)的特征，分析結(jié)果傳輸給自然災(zāi)害判斷模塊;所述自然災(zāi)害判斷模塊基于次聲波數(shù)據(jù)的特征，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)、氣象三要素?cái)?shù)據(jù)，判斷自然災(zāi)害的情況。
[0009]上述技術(shù)方案中，所述次聲波傳感器用于采集次聲波，其3dB頻帶測(cè)量范圍為
0.008Hz-40Hzo
[0010]上述技術(shù)方案中，所述的氣象三要素傳感器包含雨量傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器。
[0011]上述技術(shù)方案中，所述風(fēng)噪聲降噪管道是一種空間降噪器，其結(jié)構(gòu)為均勻等間距的玫瑰花瓣式傳聲導(dǎo)管，其中心交點(diǎn)處用橡膠軟管與次聲波傳感器進(jìn)氣孔連接，次聲波傳感器位于能夠提供防風(fēng)防雨的位置。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述次聲信號(hào)分析模塊讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器上的次聲波信號(hào)并進(jìn)行分析，得到這些信號(hào)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的包括信號(hào)幅值、頻率在內(nèi)的特征信息，然后通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中的小波時(shí)頻分析算法得到次聲波信號(hào)的時(shí)頻分析結(jié)果，根據(jù)該結(jié)果能夠得到某個(gè)時(shí)間段內(nèi)幅度和頻率隨時(shí)間變化的特征;所述次聲信號(hào)分析模塊還基于次聲波信號(hào)采用PMCC算法計(jì)算出次聲波的波速與來(lái)波方位角信息；其中的波速是次聲波傳播的速度，來(lái)波方位角是次聲波傳播到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)的來(lái)源方位角。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述自然災(zāi)害判斷模塊根據(jù)次聲波信號(hào)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的包括信號(hào)幅值、頻率在內(nèi)的特征信息判斷自然災(zāi)害的情況，根據(jù)次聲波信號(hào)的時(shí)頻特征判斷自然災(zāi)害的情況。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述自然災(zāi)害判斷模塊通過(guò)波速判斷信號(hào)是否經(jīng)歷了遠(yuǎn)距離大氣傳播的頻散作用，或者是否屬于從高空大氣以較大的入射角到達(dá)地面的信號(hào);通過(guò)方位角信息粗略得知該信號(hào)的來(lái)源方向，結(jié)合其他信息判斷該來(lái)源方向是否可能發(fā)生自然災(zāi)害。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述自然災(zāi)害判斷模塊將氣象三要素中的風(fēng)速數(shù)據(jù)與次聲波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，判斷某個(gè)信號(hào)是否為風(fēng)噪聲引起的，還是由自然災(zāi)害異常信號(hào)引起的，并能夠通過(guò)風(fēng)速數(shù)據(jù)，仿真出風(fēng)而產(chǎn)生的噪聲，進(jìn)而通過(guò)譜減法，從次聲波信號(hào)中去除噪聲。
[0016]上述技術(shù)方案中，所述自然災(zāi)害判斷模塊通過(guò)對(duì)氣象三要素中的溫度數(shù)據(jù)或濕度數(shù)據(jù)的處理，判斷次聲波傳感器所輸出的異常信號(hào)是由于溫度或濕度的變化，還是由于惡劣氣象災(zāi)害的來(lái)臨。
[0017]上述技術(shù)方案中，所述自然災(zāi)害判斷模塊利用定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x所測(cè)量的GPS數(shù)據(jù)來(lái)有效地測(cè)量由于次聲波導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0019]1、本發(fā)明的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)噪聲降噪管道能夠有效地降低風(fēng)噪聲對(duì)次聲波信號(hào)的干擾，有助于提高次聲波監(jiān)測(cè)的精度；
[0020]2、本發(fā)明的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合風(fēng)速、溫度、濕度以及GPS信息對(duì)次聲波進(jìn)行監(jiān)測(cè)，降低了外接因素的干擾，大大提高了次聲波監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是本發(fā)明的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的示意圖；?0022]圖2是定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖3是風(fēng)噪聲降噪管道的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。
[0025]參考圖1，本發(fā)明的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠用于區(qū)域性地震等自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)，該系統(tǒng)包括:監(jiān)測(cè)臺(tái)站、中心數(shù)據(jù)服務(wù)器;所述監(jiān)測(cè)臺(tái)站有多個(gè)，這些監(jiān)測(cè)臺(tái)站與中心數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。
[0026]下面對(duì)該系統(tǒng)中的各個(gè)模塊做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0027]一個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站包括:次聲波傳感器、氣象三要素傳感器、定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x、數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、風(fēng)噪聲降噪管道;其中，所述次聲波傳感器安裝在風(fēng)噪聲降噪管道內(nèi)，所述風(fēng)噪聲降噪管道能夠有效去除一定風(fēng)速條件下風(fēng)噪聲對(duì)次聲波傳感器的噪聲干擾;所述次聲波傳感器采集次聲波數(shù)據(jù)，所述氣象三要素傳感器采集包括溫度、雨量、風(fēng)速在內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，所述定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x用于測(cè)量由于次聲波導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)，所述次聲波傳感器、氣象三要素傳感器、定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳輸模塊傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)服務(wù)器。
[0028]所述的次聲波傳感器用于采集次聲波，為滿足對(duì)地震同震次聲波的測(cè)量需求，其3dB頻帶測(cè)量范圍為0.008Ηζ-40Ηζ。所述次聲波傳感器可采用市場(chǎng)上已有的、滿足測(cè)量范圍要求的產(chǎn)品。
[0029]所述的氣象三要素傳感器包含雨量傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器，分別測(cè)量臺(tái)站周邊的氣象數(shù)據(jù)。在惡劣氣象條件下，次聲波觀測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)較大的干擾，氣象三要素傳感器所測(cè)量的氣象數(shù)據(jù)能夠?yàn)榇温暡ㄓ^測(cè)提供輔助觀測(cè)。其中，風(fēng)速傳感器是氣象三要素傳感器中最重要的組成部分。在一個(gè)實(shí)施例中，風(fēng)速傳感器采用聚合物碳纖維為原材料，具有良好的防腐、防侵蝕等特點(diǎn)，能夠保證儀器長(zhǎng)期使用不起銹，同時(shí)配合內(nèi)部順滑的軸承系統(tǒng)，確保了信息采集的精確性。由于該儀器重量輕，可以固定安裝在充水底座上，該底座充滿水后可以達(dá)到10公斤，可以十分穩(wěn)定的固定該儀器。由于該儀器需要直接測(cè)量風(fēng)速，并需要跟次聲波傳感器的數(shù)字化傳輸儀連接，最好安裝在次聲波傳感器所在的建筑物的頂部，電纜長(zhǎng)度最好不要超過(guò)30米。
[0030]所述定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x用于有效地測(cè)量由于次聲波導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)。由于次聲波在大氣中會(huì)引起大氣擾動(dòng)，通過(guò)大氣中性粒子和帶電粒子的相互作用，使得電離層發(fā)生了擾動(dòng)，電離層中產(chǎn)生了附加電子濃度，這種電子濃度會(huì)對(duì)電磁波傳播產(chǎn)生影響。而GPS信號(hào)本質(zhì)是GPS衛(wèi)星發(fā)生到地面的一種固定頻率的電磁波，電離層對(duì)GPS測(cè)量誤差的影響有以下幾種，即:信號(hào)調(diào)制的碼群延(或稱絕對(duì)測(cè)距誤差)，載波相位的超前(或稱相對(duì)測(cè)距誤差)，多普勒頻移(或稱距速誤差)，信號(hào)波幅衰減(或稱振幅閃爍)，相位閃爍、磁暴和電離層對(duì)差分GPS的影響。因此通過(guò)定點(diǎn)GPS測(cè)量系統(tǒng)，能夠有效的測(cè)量由于次聲波導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)，從而側(cè)面證明本發(fā)明的次聲波觀測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有效性。如圖2所示，定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x包括:高精度GPS定位主機(jī)，大地測(cè)量型多星雙頻GNSS天線(即為支架頂端的圓形盤狀天線)，避雷針，蓄電池，電源控制器，太陽(yáng)能板;其中，GNSS天線接收高空多顆GPS衛(wèi)星信號(hào)，上述信號(hào)進(jìn)入高精度GPS定位主機(jī)進(jìn)行計(jì)算，得到電離層對(duì)GPS信號(hào)傳播誤差信息，其中避雷針固定于支架，并高于GNSS天線高度;太陽(yáng)能板固定于支架，但不能高于GNSS天線高度;所述電源控制器根據(jù)實(shí)際情況決定由太陽(yáng)能板或蓄電池向高精度GPS定位主機(jī)提供電能。
[0031]所述風(fēng)噪聲降噪管道如圖3所示，風(fēng)噪聲降噪管道是一種空間降噪器，其結(jié)構(gòu)為均勻等間距的玫瑰花瓣式傳聲導(dǎo)管，其中心交點(diǎn)處用橡膠軟管與次聲波傳感器進(jìn)氣孔連接，次聲波傳感器位于能夠提供防風(fēng)防雨的位置;次聲波傳感器在設(shè)計(jì)之初，就充分考慮到風(fēng)噪聲的問(wèn)題。在次聲波傳感器上設(shè)計(jì)了防塵罩，它可以防止外界塵埃進(jìn)入傳感器內(nèi)部，也可以防止氣流直接作用傳感器膜片或者傳感器前腔引起內(nèi)部空氣振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲。但是第一類噪聲(第一類噪聲是指低于頻率0.0lHz的噪聲)無(wú)法通過(guò)常規(guī)方法消除，而且這種風(fēng)噪聲能量也集中在0.0lHz?8Hz之間，而且使用次聲監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)大氣核爆炸實(shí)驗(yàn)、臺(tái)風(fēng)、火山等自然災(zāi)害時(shí)所關(guān)注的頻段也在這個(gè)范圍內(nèi)，因此這類噪聲會(huì)對(duì)次聲檢測(cè)帶來(lái)很大的干擾，會(huì)降低信號(hào)檢測(cè)的信噪比，在我們所感興趣的次聲信號(hào)較小的情況下，較大的風(fēng)噪聲很可能會(huì)淹沒信號(hào)。使用均勻等間隔的玫瑰花瓣式傳聲導(dǎo)管，當(dāng)外界次聲進(jìn)入狹長(zhǎng)的風(fēng)噪聲降噪管道時(shí)，在管道的交點(diǎn)處，各向同性的風(fēng)噪聲會(huì)平均抵消，從而大幅度減少風(fēng)噪聲。這種方式能夠較好的抵消外界的風(fēng)噪聲，而且這種幾十米長(zhǎng)的導(dǎo)聲管道分布在次聲波傳感器周圍，能夠更有效的捕捉到周圍的次聲波。
[0032]所述數(shù)據(jù)采集傳輸模塊能夠使用GPS信號(hào)完成對(duì)采集時(shí)間基準(zhǔn)的校準(zhǔn)，并通過(guò)對(duì)GPS信號(hào)的解算分析獲得監(jiān)測(cè)臺(tái)站本地的經(jīng)瑋度和海拔高度數(shù)據(jù)，從而提供給中心數(shù)據(jù)服務(wù)器。對(duì)次聲波傳感器采集的信號(hào)的采樣率為100Hz。
[0033]所述中心數(shù)據(jù)服務(wù)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、次聲信號(hào)分析模塊、自然災(zāi)害判斷模塊;其中，各個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)(包括次聲波、GPS、氣象三要素?cái)?shù)據(jù))存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器內(nèi)；所述次聲信號(hào)分析模塊分析次聲波數(shù)據(jù)的特征，分析結(jié)果傳輸給自然災(zāi)害判斷模塊;所述自然災(zāi)害判斷模塊基于次聲波數(shù)據(jù)的特征，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)、氣象三要素?cái)?shù)據(jù)，判斷自然災(zāi)害的情況。
[0034]具體的說(shuō)，所述次聲信號(hào)分析模塊讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器上的次聲波信號(hào)并進(jìn)行分析，得到這些信號(hào)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的包括信號(hào)幅值、頻率在內(nèi)的特征信息，然后通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中的小波時(shí)頻分析算法得到次聲波信號(hào)的時(shí)頻分析結(jié)果，根據(jù)該結(jié)果能夠得到某個(gè)時(shí)間段內(nèi)幅度和頻率隨時(shí)間變化的特征。所述次聲信號(hào)分析模塊還可基于次聲波信號(hào)采用PMCC算法(一種由法國(guó)人開發(fā)的次聲波分析算法)計(jì)算出次聲波的波速與來(lái)波方位角信息；其中的波速是次聲波傳播的速度，來(lái)波方位角是次聲波傳播到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)的來(lái)源方位角。
[0035]所述自然災(zāi)害判斷模塊能夠基于次聲波數(shù)據(jù)的特征判斷自然災(zāi)害的情況。
[0036]自然災(zāi)害在孕育、發(fā)展、發(fā)生的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生次聲波。各種自然災(zāi)害，其對(duì)應(yīng)的次聲波的頻率、幅度可能會(huì)不同，這些頻率和幅度方面的特征信息能夠幫助人們?cè)诮邮盏疆惓４温暡ㄐ盘?hào)后，初步判斷可能對(duì)應(yīng)的自然災(zāi)害的類別。例如地震發(fā)生時(shí)的次聲波的頻率一般高于0.02Hz，而地震前孕震階段可能出現(xiàn)的異常次聲波頻率一般低于0.0lHz;而在孕震階段，異常次聲波的幅度也可能跟該異常次聲波所對(duì)應(yīng)的地震震級(jí)、震中距離(即震中與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的距離)存在一定關(guān)系，越大的幅度可能對(duì)應(yīng)的震級(jí)越大。因此，所述自然災(zāi)害判斷模塊能夠根據(jù)次聲波信號(hào)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)幅值、頻率特征判斷自然災(zāi)害的情況。
[0037]所述自然災(zāi)害判斷模塊還能根據(jù)次聲波信號(hào)的時(shí)頻特征判斷自然災(zāi)害的情況。次聲波信號(hào)的時(shí)頻特征為次聲波信號(hào)時(shí)間序列的幅度、頻率的聯(lián)合特征，該特征能夠反映信號(hào)隨時(shí)間而變化的頻率和幅度信息，例如異常次聲波信號(hào)在接收的初始狀態(tài)時(shí)其幅度和頻率狀態(tài)，中間過(guò)程的幅度和頻率狀態(tài)和變化過(guò)程，最后結(jié)束狀態(tài)時(shí)的幅度和頻率狀態(tài)，都會(huì)決定該信號(hào)是否屬于地震前異常次聲波還是惡劣天氣等大氣強(qiáng)對(duì)流天氣的異常次聲波等。
[0038]所述自然災(zāi)害判斷模塊還可根據(jù)次聲波的波速與來(lái)波方位角信息判斷自然災(zāi)害的情況。例如，通過(guò)波速可以判斷信號(hào)是否經(jīng)歷了遠(yuǎn)距離大氣傳播的頻散作用，或者是否屬于從高空大氣以較大的入射角到達(dá)地面的信號(hào);通過(guò)方位角信息可以粗略得知該信號(hào)的來(lái)源方向，結(jié)合其他信息(例如是否指向地震危險(xiǎn)區(qū)，或者臺(tái)風(fēng)是否來(lái)自海洋方向，泥石流是否來(lái)自潛在發(fā)生滑坡的地區(qū)等)，判斷該來(lái)源方向是否可能發(fā)生自然災(zāi)害。
[0039]所述自然災(zāi)害判斷模塊還能夠利用氣象三要素?cái)?shù)據(jù)參與判斷識(shí)別次聲波信號(hào)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)附近的風(fēng)噪聲是對(duì)次聲波信號(hào)造成干擾的主要因素，雖然風(fēng)噪聲降噪管道能在一定程度上降低風(fēng)噪聲的干擾，但是并不能完全抵消。采用氣象三要素中的風(fēng)速傳感器的測(cè)量得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)，可以與次聲波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，判斷某個(gè)信號(hào)是否為風(fēng)噪聲引起的，還是由自然災(zāi)害異常信號(hào)引起的，并能夠通過(guò)風(fēng)速數(shù)據(jù)，仿真出風(fēng)而產(chǎn)生的噪聲，進(jìn)而通過(guò)譜減法，從次聲波信號(hào)中去除上述噪聲。氣象三要素中的溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)也可以參與判斷識(shí)別次聲波信號(hào)，當(dāng)溫度或濕度發(fā)生迅速變化時(shí)，同樣會(huì)引起次聲波傳感器的輸出信號(hào)的反應(yīng)，這種反應(yīng)可能來(lái)自于溫度或濕度引起傳感器儀器本身的輸出波動(dòng)，也可能是惡劣氣象災(zāi)害來(lái)臨前的一種前兆反應(yīng)。通過(guò)對(duì)溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)的處理，可以判斷次聲波傳感器所輸出的異常信號(hào)是由于溫度或濕度的變化，還是由于惡劣氣象災(zāi)害的來(lái)臨。
[0040]所述自然災(zāi)害判斷模塊還能夠利用GPS數(shù)據(jù)判斷自然災(zāi)害的情況。定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x所測(cè)量的GPS數(shù)據(jù)能夠用于有效地測(cè)量由于次聲波導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)。由于次聲波在大氣中會(huì)引起大氣擾動(dòng)，通過(guò)大氣中性粒子和帶電粒子的相互作用，使得電離層發(fā)生了擾動(dòng)，電離層中產(chǎn)生了附加電子濃度，這種電子濃度會(huì)對(duì)電磁波傳播產(chǎn)生影響。由于大地震前可能存在一種大幅值的低頻次聲波，這種次聲波在某個(gè)地區(qū)孕震階段產(chǎn)生并傳播到電離層，從而引起電離層擾動(dòng)，進(jìn)而引起GPS信號(hào)的傳播，從而被GPS測(cè)量?jī)x接收到，這種方法可以從另一個(gè)方向去佐證接收到異常次聲波是否可能來(lái)自某個(gè)地區(qū)孕震所引起的。
[0041]最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括:監(jiān)測(cè)臺(tái)站、中心數(shù)據(jù)服務(wù)器;所述監(jiān)測(cè)臺(tái)站有多個(gè)，這些監(jiān)測(cè)臺(tái)站與中心數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)； 一個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站包括:次聲波傳感器、氣象三要素傳感器、定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x、數(shù)據(jù)采集傳輸模塊、風(fēng)噪聲降噪管道;其中，所述次聲波傳感器安裝在風(fēng)噪聲降噪管道內(nèi)，所述風(fēng)噪聲降噪管道能夠有效去除一定風(fēng)速條件下風(fēng)噪聲對(duì)次聲波傳感器的噪聲干擾;所述次聲波傳感器采集次聲波數(shù)據(jù)，所述氣象三要素傳感器采集包括溫度、雨量、風(fēng)速在內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)，所述定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x用于測(cè)量由于次聲波導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)，所述次聲波傳感器、氣象三要素傳感器、定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x采集的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳輸模塊傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)服務(wù)器； 所述中心數(shù)據(jù)服務(wù)器包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、次聲信號(hào)分析模塊、自然災(zāi)害判斷模塊;其中，各個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器內(nèi)；所述次聲信號(hào)分析模塊分析次聲波數(shù)據(jù)的特征，分析結(jié)果傳輸給自然災(zāi)害判斷模塊;所述自然災(zāi)害判斷模塊基于次聲波數(shù)據(jù)的特征，結(jié)合GPS數(shù)據(jù)、氣象三要素?cái)?shù)據(jù)，判斷自然災(zāi)害的情況。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述次聲波傳感器用于采集次聲波，其3dB頻帶測(cè)量范圍為0.008Hz-40Hz。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述的氣象三要素傳感器包含雨量傳感器、溫度傳感器、風(fēng)速傳感器。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述風(fēng)噪聲降噪管道是一種空間降噪器，其結(jié)構(gòu)為均勻等間距的玫瑰花瓣式傳聲導(dǎo)管，其中心交點(diǎn)處用橡膠軟管與次聲波傳感器進(jìn)氣孔連接，次聲波傳感器位于能夠提供防風(fēng)防雨的位置。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述次聲信號(hào)分析模塊讀取存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器上的次聲波信號(hào)并進(jìn)行分析，得到這些信號(hào)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的包括信號(hào)幅值、頻率在內(nèi)的特征信息，然后通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)中的小波時(shí)頻分析算法得到次聲波信號(hào)的時(shí)頻分析結(jié)果，根據(jù)該結(jié)果能夠得到某個(gè)時(shí)間段內(nèi)幅度和頻率隨時(shí)間變化的特征;所述次聲信號(hào)分析模塊還基于次聲波信號(hào)采用PMCC算法計(jì)算出次聲波的波速與來(lái)波方位角信息；其中的波速是次聲波傳播的速度，來(lái)波方位角是次聲波傳播到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)的來(lái)源方位角。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述自然災(zāi)害判斷模塊根據(jù)次聲波信號(hào)在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)的包括信號(hào)幅值、頻率在內(nèi)的特征信息判斷自然災(zāi)害的情況，根據(jù)次聲波信號(hào)的時(shí)頻特征判斷自然災(zāi)害的情況。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述自然災(zāi)害判斷模塊通過(guò)波速判斷信號(hào)是否經(jīng)歷了遠(yuǎn)距離大氣傳播的頻散作用，或者是否屬于從高空大氣以較大的入射角到達(dá)地面的信號(hào);通過(guò)方位角信息粗略得知該信號(hào)的來(lái)源方向，結(jié)合其他信息判斷該來(lái)源方向是否可能發(fā)生自然災(zāi)害。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述自然災(zāi)害判斷模塊將氣象三要素中的風(fēng)速數(shù)據(jù)與次聲波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，判斷某個(gè)信號(hào)是否為風(fēng)噪聲引起的，還是由自然災(zāi)害異常信號(hào)引起的，并能夠通過(guò)風(fēng)速數(shù)據(jù)，仿真出風(fēng)而產(chǎn)生的噪聲，進(jìn)而通過(guò)譜減法，從次聲波信號(hào)中去除噪聲。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述自然災(zāi)害判斷模塊通過(guò)對(duì)氣象三要素中的溫度數(shù)據(jù)或濕度數(shù)據(jù)的處理，判斷次聲波傳感器所輸出的異常信號(hào)是由于溫度或濕度的變化，還是由于惡劣氣象災(zāi)害的來(lái)臨。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自然災(zāi)害次聲波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述自然災(zāi)害判斷模塊利用定點(diǎn)GPS測(cè)量?jī)x所測(cè)量的GPS數(shù)據(jù)來(lái)有效地測(cè)量由于次聲波導(dǎo)致的電離層擾動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G01V1/00GK105911582SQ201610394760
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】郭泉, 楊選輝
【申請(qǐng)人】中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所