CN103941281A - 一种分布式矿震检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种分布式矿震检测方法及装置，涉及煤矿井下安全监控领域。将多路震动检测装置分布式安装在待测设备或区域；服务器提供启动信号后开始高精度同步震动检测，采集的信号由装置接收处理后通过以太网传送到云端服务器；服务器对海量信息进行数据融合分析处理后提供给用户。震动检测装置硬件包括震动检测转换单元、微控制器单元、人机交互单元、存储单元、通信单元、时间同步单元和服务器。优点：能够检测灵敏度高、动态范围大的震动信号，频响特性宽，数据无损快速传输，分布式环境下网络化同步与震源定位精度高；系统容量大，具有较强的扩容能力和较低的扩容成本。

Description

一种分布式矿震检测方法及装置

技术领域

       本发明涉及涉及矿震检测技术领域，具体是一种分布式矿震检测方法及装置。

背景技术

目前微地震监测技术已经成为地球物理界的热门技术之一，是储层压裂过程中最精确、最及时、最有效的监测手段。近几年来，世界各国纷纷投入大量资金、人力、物力，积极开展该技术的应用与研究工作，广泛用于各类资源开发及生产活动，比如煤矿开采、页岩油气开发等。随着地球物理学的发展，特别是数字化地震监测技术的应用，以及对震源定位方法深入研究，微地震监测技术应用范围不断扩大，发展前景广阔。

微地震监测技术的基本应用方法是：通过在矿区井下或地面分布式布置震动检测器，接收由自然原因或生产活动所产生或诱导的微小地震事件，并通过对这些事件的产生的震动数据综合分析，最后通过这些分析结果对生产活动进行监控和指导。随着该项监测技术的日益成熟，实时微地震监测系统可以及时指导压裂工程，适时调整压裂参数；对压裂范围、裂缝发育方向和大小进行追踪定位，客观评价压裂工程的效果，对矿区生产开发提供有效的指导。

矿区微地震检测技术共分为三类：第一类是矿井地震检测系统，特点是监测大震级破裂事件，定位精度500米左右，主要采用地震行业的技术和设备；第二类是分布式微地震监测系统，用于监测小型矿震，特点是可监测小震级破裂事件，定位精度50～100米左右，一般适合采区尺度的震动监测；第三类是高精度微地震检测系统，用于监测小震级冲击地压和岩层破裂，定位精度达到10米以内。

现有的各种矿震监测方法存在很多问题：

1.大部分还是采用局部化、区域化、独立节点为主的布局结构，无法利用分布式大数据融合来真实反映地震情况。

2.少量采用分布式的监测方法无法保证采集数据的同步性、一致性、相关性，通过后期数据分析的方法误差很大。

3.现有的监测网络需要单独布线，成本高、扩展性差、难度大。

发明内容

       为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种分布式矿震检测方法及装置，能够检测灵敏度高、动态范围大的震动信号，实现频响特性宽、数据无损快速传输、分布式环境下网络化同步与震源定位精度高。

   本发明是以如下技术方案实现的：一种分布式矿震检测装置，其特征在于：包括多路分布式安装在待测设备或待测区域的震动检测装置；所述的震动检测装置包括微控制器单元、分别与微控制器单元连接的震动检测转换单元、人机交互单元、存储单元、通信单元和时间同步单元，所述的通信单元和震动检测转换单元分别与时间同步单元连接，所述的微控制器单元通过通信单元连接服务器，所述的服务器通过通信单元同时给多路震动检测装置提供启动信号；所述的时间同步单元以支持IEEE1588硬件时间戳的以太网物理层芯片为核心。

       其进一步是：所述的震动检测转换单元由加速度震动传感器、抗混叠滤波器和模数转换器组成；加速度震动传感器采集到反映震动信息的模拟量后经抗混叠滤波器送入模数转换器，模数转换器转换后的数字信号送给微控制器单元。

       所述的微控制器单元由嵌入式微控制器以及与嵌入式微控制器连接的FIFO存储器组成。

       所述的人机交互单元采用液晶触摸显示屏。

所述的存储单元采用非易失性存储器。

所述的通信单元包括以太网接口、串口、程序下载接口及现场总线接口。

一种分布式矿震检测方法，采用上述的分布式矿震检测装置，具体检测步骤如下：

步骤1，将多路震动检测装置分布式安装在待测设备或待测区域；

步骤2，服务器发出启动信号后由时间同步单元在IEEE1588网络测量和控制系统的精密时钟同步协议控制下提供高精度定时检测控制脉冲；

步骤3，震动检测转换单元将采集到的信号进行滤波、模数转换处理后送入微控制器单元；微控制器单元在数据上加入帧头、帧尾、时间戳、校验值部分，以封装成能够在以太网传输的信息结构，封装完成后还要进行无损数据压缩；

步骤4，微控制器将封装后的信息通过通信单元中的以太网接口传送至云端服务器；

步骤5，服务器对多路震动检测装置处理后的数据进行数据融合分析处理后得到震源位置和震动时间提供给用户。

其进一步是：根据采集信号中的离散数据利用目前相关检测方法得到地震波到达相关检测装置的时间差，由此时间差可确定近场区和远场区；再根据TDOA定位方法，将地震波传播速度、时间差、检测装置坐标综合处理计算出震动时间和震源位置。

 本发明的有益效果是：

1、能够检测灵敏度高、动态范围大的震动信号，频响特性宽。

       2、分布式环境下网络化同步与震源定位精度高。

       3、系统容量大，具有较强的扩容能力和较低的扩容成本

4、系统还可以扩展功能，具有更强的监测能力。

附图说明

图1为本发明系统结构原理框图；

图2为震动检测装置原理框图；

图3为本发明系统流程图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种分布式矿震检测装置包括多路分布式安装在待测设备或待测区域的震动检测装置；所述的震动检测装置包括微控制器单元、分别与微控制器单元连接的震动检测转换单元、人机交互单元、存储单元、通信单元和时间同步单元，所述的通信单元和震动检测转换单元分别与时间同步单元连接，所述的微控制器单元通过通信单元连接服务器，所述的服务器通过通信单元同时给多路震动检测装置提供启动信号。软件部分包括实时操作系统、人机交互界面、云端数据库、数据处理和通信等。

       所述的震动检测转换单元由加速度震动传感器、抗混叠滤波器和模数转换器组成；加速度震动传感器采集到反映震动信息的模拟量后经抗混叠滤波器送入模数转换器，模数转换器转换后的数字信号送给微控制器单元。实际中，震动的形式多种多样、强度大小不一、频率范围跨度很大，因此要求加速度震动传感器灵敏度要高、响应频带要宽。同时要求模数转换器分辨率要高，本发明中采用24位高速模数转换器。

微控制器单元是整个系统的核心，所述的微控制器单元由嵌入式微控制器以及与嵌入式微控制器连接的FIFO存储器组成，在实时操作系统的控制下快速响应、处理各种事件，保证所有实时任务协调一致运行，控制各种外设正常工作，接收、处理、存储、转发震动数据以及运行各种通信所遵循的协议。微控制器接收模数转换器的转换结果后，要在数据上加入帧头、帧尾、时间戳、校验值等部分，以封装成能够在以太网传输的信息结构。封装完成后还要进行无损数据压缩以提高数据传输速度。为了防止意外导致数据丢失，系统运行中数据需要存到FIFO和非易失性存储器中。系统数据通过以太网传输同时对网络时间同步方面要求严格，微控制器还需要运行IEEE1588协议栈和TCPIP协议栈。

所述的人机交互单元采用液晶触摸显示屏，人机交互单元中的液晶触摸显示屏通过友好的交互界面显示系统运行状态并控制系统运行参数。界面可以采用技术成熟、支持跨平台、开发方式简单、移植方便的应用程序框架。

        所述的存储单元采用非易失性存储器，用于存储震动检测转换数据及用户程序空间。为了防止意外导致数据丢失，系统运行中数据需要存到FIFO和非易失性存储器中。

所述的通信单元包括以太网接口、串口、程序下载接口及现场总线接口，并向时间同步单元提供高速同步脉冲。以太网接口电路选择支持IEEE1588硬件时间戳的以太网物理层芯片，实现高精度的时间同步，并向时间同步单元提供高速同步脉冲。程序下载接口用于向微控制器下载程序。串口用于系统调试和其他低速数据传输。现场总线接口用于系统扩展。时间同步单元由高速计数电路组成。系统初始化后进行时钟同步，工作过程中给多路震动检测转换单元提供同步信号，保证数据的实时性、一致性、准确性。服务器给震动检测转换单元提供启动信号，另外永久存储海量震动数据，并提供分析结果供用户访问。

所述的时间同步单元以支持IEEE1588硬件时间戳的以太网物理层芯片为核心，接收授时模块的同步信号，授时模块是给时间同步提供精密同步时钟的专用模块。时间同步单元用于给多路震动检测转换单元提供同步信号，保证数据的实时性、一致性、准确性。服务器给震动检测转换单元提供启动信号，另外永久存储海量震动数据，并提供分析结果供用户访问。

如图3所示，采用上述所述的分布式矿震检测装置，具体检测步骤如下：

步骤1，将多路震动检测装置分布式安装在待测设备或待测区域；

步骤2，服务器发出启动信号后由时间同步单元在IEEE1588网络测量和控制系统的精密时钟同步协议控制下提供高精度定时检测控制脉冲；

步骤3，震动检测转换单元将采集到的信号进行滤波、模数转换处理后送入微控制器；微控制器在数据上加入帧头、帧尾、时间戳、校验值部分，以封装成能够在以太网传输的信息结构，封装完成后还要进行无损数据压缩；

步骤4，微控制器将封装后的信息通过通信单元中的以太网接口传送至云端服务器；

步骤5，服务器对多路震动检测装置处理后的数据进行数据融合分析处理后得到震源位置和震动时间提供给用户。

       步骤5中，利用相关检测方法计算得出同一震源地震波到达相关检测装置的时间差，再根据TDOA算法就可以计算得到震源位置。数据融合分析综合相关检测方法和TDOA定位技术，从而计算得出震源位置。相关检测技术是利用相关原理, 通过自相关和互相关运算, 达到对某些物理量进行检测或去除噪声的技术。相关检测技术已经在声学测量、弱信号提取及机械振动分析等领域得到广泛地应用。TDOA定位技术是利用无线信号到达不同监测点的时间差来对信号发射源进行定位。矿震信号都是不确定的，但地震波到达每个检测装置的时间是关联的。

图1中A1~A4为震动检测装置，震源位置和震动时间都是不确定的。一旦震动发生，检测装置即可采集到震动信号。根据采集信号中的离散数据利用相关检测方法得到地震波到达相关检测装置的时间差，具体如下：

                                                                                         （1）

以A1、A2为例，带入公式1可得：

       如果要得到震源位置，需要计算出其坐标，假设为（x,y,z）。检测装置的安装位置是确定的，其坐标已知。根据TDOA定位方法得出方程，具体如下：

                              （2）

以A1、A2为例，带入公式2可得：

 

由公式2可以计算出地震波速度v。再根据TDOA公式列出方程组就可以计算得出震源位置，如方程组3所示

   （3）

       监测采集点多、数据量很大，其组合原则是根据监测到时的先后将检测装置与震源距离分为近场区域和远场区域。取到时较早的点进行组合计算, 这些点在空间上是离震源较近的点, 定位精度要高一些；再取到时较晚的点进行组合计算。并进行几次远近结合的计算, 用来校正组合可能产生的误差。另外通过人工震源的速度结构校正、检波器一致性校正等相关调整后，在保证仪器检测参数设置合理的前提下能更好的提高定位精度。

本发明提出分布式的拓扑结构，在待测区域合理、全局化的布置检测节点。采集的数据信息综合、全面的反映了待测区域的震动情况，利用特有的数据融合算法可以准确、及时、快速的定位震源位置。云端服务器的使用更方便用户对监测数据和结果的访问、分析和利用。基于以上功能，可以在各类资源开发过程中及时、精确的监测各种地震信息，指导生产生活，最大限度减少人员伤亡和财产损失。

Claims (8)

1.一种分布式矿震检测装置，其特征在于：包括多路分布式安装在待测设备或待测区域的震动检测装置；所述的震动检测装置包括微控制器单元、分别与微控制器单元连接的震动检测转换单元、人机交互单元、存储单元、通信单元和时间同步单元，所述的通信单元和震动检测转换单元分别与时间同步单元连接，所述的微控制器单元通过通信单元连接服务器，所述的服务器通过通信单元同时给多路震动检测装置提供启动信号；所述的时间同步单元以支持IEEE1588硬件时间戳的以太网物理层芯片为核心。

2. 根据权利要求 1 所述的矿震检测装置，其特征在于：所述的震动检测转换单元由加速度震动传感器、抗混叠滤波器和模数转换器组成；加速度震动传感器采集到反映震动信息的模拟量后经抗混叠滤波器送入模数转换器，模数转换器转换后的数字信号送给微控制器单元。

3. 根据权利要求 1 所述的矿震检测装置，其特征在于：所述的微控制器单元由嵌入式微控制器以及与嵌入式微控制器连接的FIFO存储器组成。

4. 根据权利要求 1 所述的矿震检测装置，其特征在于：所述的人机交互单元采用液晶触摸显示屏。

5. 根据权利要求 1 所述的矿震检测装置，其特征在于：所述的存储单元采用非易失性存储器。

6. 根据权利要求 1 所述的矿震检测装置，其特征在于：所述的通信单元包括以太网接口、串口、程序下载接口及现场总线接口。

7.一种分布式矿震检测方法，其特征在于：采用权利要求1-6任一项所述的分布式矿震检测装置，具体检测步骤如下：

步骤1，将多路震动检测装置分布式安装在待测设备或待测区域；

步骤2，服务器发出启动信号后由时间同步单元在IEEE1588网络测量和控制系统的精密时钟同步协议控制下提供高精度定时检测控制脉冲；

步骤3，震动检测转换单元将采集到的信号进行滤波、模数转换处理后送入微控制器；微控制器在数据上加入帧头、帧尾、时间戳、校验值部分，以封装成能够在以太网传输的信息结构，封装完成后还要进行无损数据压缩；

步骤4，微控制器将封装后的信息通过通信单元中的以太网接口传送至云端服务器；

步骤5，服务器对多路震动检测装置处理后的数据进行数据融合分析处理后得到震源位置和震动时间提供给用户。

8.   根据权利要求7所述的一种分布式矿震检测方法，其特征在于：根据采集信号中的离散数据利用目前相关检测方法得到地震波到达相关检测装置的时间差，由此时间差可确定近场区和远场区；再根据TDOA定位方法，将地震波传播速度、时间差、检测装置坐标综合处理计算出震动时间和震源位置。