王 瑞秦建敏

(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，山西 太原 030006；2.太原理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，山西 太原 030024)

在地震動(dòng)較大的情況下，一旦地球聚集的應(yīng)力超出地殼的承受上限時(shí)，地殼部分的巖體會(huì)發(fā)生斷裂。 在斷裂的過程中，大部分的能量會(huì)在短時(shí)間內(nèi)集聚到一起，然后再以彈性波的形式釋放。集聚的能量向四方擴(kuò)散，從而使地表因受到這些能量的作用而發(fā)生振動(dòng)，甚至崩裂，即發(fā)生地震[1]。 在不同類型的自然災(zāi)害中，地震災(zāi)害的發(fā)生頻次較高，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)產(chǎn)生的負(fù)面影響也較大。嚴(yán)重的地震災(zāi)害不僅會(huì)造成財(cái)產(chǎn)損失，更會(huì)危害人員的生命安全[2]。 城市人口的增長(zhǎng)以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類的生活已經(jīng)與電器設(shè)備、汽車、計(jì)算機(jī)、電子等物品密不可分，電磁能量在空間中的增長(zhǎng)速度不斷加快，人們將電磁信號(hào)應(yīng)用到了地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中[3]。

國(guó)外學(xué)者針對(duì)地震電磁信號(hào)監(jiān)測(cè)的相關(guān)內(nèi)容展開了研究，如文獻(xiàn)[4]中分析不同裝置的電磁測(cè)深資料，研究了破壞性地震震中區(qū)地質(zhì)地塊應(yīng)力狀態(tài)的演變過程，并設(shè)計(jì)了瞬變電磁法(TEM)來確定電阻率各向異性系數(shù)。 然后在反演問題解的基礎(chǔ)上，分析了剖面的電阻率及各向異性系數(shù)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地震活動(dòng)區(qū)的電磁監(jiān)測(cè)。 國(guó)內(nèi)學(xué)者也設(shè)計(jì)了有關(guān)的地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法。 文獻(xiàn)[5]利用主成分分析法提取并分析了地震電磁信號(hào)，根據(jù)分析結(jié)果獲得主成分的變化，然后采用局部互相關(guān)追蹤法分析并處理電磁信號(hào)，融合以上兩種方法獲得的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)微地震電磁信號(hào)的遠(yuǎn)程分析監(jiān)測(cè)。 然而該方法監(jiān)測(cè)微地震電磁信號(hào)所用的時(shí)間較長(zhǎng)，存在監(jiān)測(cè)效率低的問題。文獻(xiàn)[6]利用在表征沖擊、瞬變等脈沖信號(hào)方面中峰度具有的優(yōu)勢(shì)，融合滑動(dòng)窗技術(shù)和峰度特征實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬時(shí)地震電磁信號(hào)的提取與監(jiān)測(cè)。 然而該方法得到的監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差較大，存在監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度低的問題。 文獻(xiàn)[7]提出基于數(shù)字信道化的弱信號(hào)監(jiān)測(cè)方法，該方法根據(jù)弱信號(hào)的特性構(gòu)建數(shù)字信道化接收機(jī)，并在中值濾波理論和自相關(guān)累加理論的基礎(chǔ)上監(jiān)測(cè)微地震電磁信號(hào)。 然而該方法獲得的微地震電磁信號(hào)幅度曲線與實(shí)際曲線不符，存在監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度低的問題。

采用傳統(tǒng)方法對(duì)微地震電磁信號(hào)實(shí)施監(jiān)測(cè)控制時(shí)所用的時(shí)間較長(zhǎng)，且監(jiān)控到的微地震電磁信號(hào)幅度曲線與實(shí)際幅度曲線之間的誤差較大，因此本文采用單片機(jī)和超聲傳感相結(jié)合的方法進(jìn)行微地震電磁信號(hào)采集，以此降低微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制時(shí)間，提升控制精度。

1 單片機(jī)和超聲傳感單元

本文利用單片機(jī)和超聲傳感單元準(zhǔn)確、高效地采集微地震電磁信號(hào)。 單片機(jī)和超聲傳感單元的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 單片機(jī)和超聲傳感單元的構(gòu)成示意圖

分析圖1 可知，單片機(jī)和超聲傳感單元由NRF2401 無線、時(shí)鐘模塊、超聲液位傳感監(jiān)測(cè)模塊、電源模塊以及STC89C52 單片機(jī)組成，該單元的主要工程流程為:電源模塊為整個(gè)單元提供動(dòng)力支持，利用時(shí)鐘模塊以及超聲液位傳感監(jiān)測(cè)模塊采集微地震電磁信號(hào)，并通過NRF2401 無線將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至STC89C52 單片機(jī)，利用STC89C52 單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，以此為后續(xù)的微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

①超聲傳感測(cè)距原理。 在單片機(jī)和超聲傳感單元中，本研究充分運(yùn)用了超聲傳感測(cè)距原理。 超聲波在液體和固體中的穿透能力較強(qiáng)，利用超聲波傳感器發(fā)射夾角較小、靈敏度高、方便連接的優(yōu)點(diǎn)完成地震測(cè)距。 在這一過程中，超聲波傳感器將超聲波發(fā)射到地表，遇到地表障礙物阻礙后折射返回。 超聲波接收器對(duì)返回的超聲波進(jìn)行感應(yīng)。 設(shè)L代表的是測(cè)量位置的水平高度，可由超聲波檢測(cè)模塊接收與發(fā)送之間存在的時(shí)差計(jì)算得到震中距測(cè)量位置的距離L的計(jì)算公式如下:

式中:T代表的是接收到超聲波與發(fā)送超聲波之間的時(shí)間；C代表的是空氣中超聲波對(duì)應(yīng)的傳播速度。

②一體化收發(fā)模型:將放大電路加入到超聲波模塊中，使超聲波傳感信號(hào)的接收過程更加的便捷。通過放大電路的驅(qū)動(dòng)令探頭發(fā)射超聲波，再由接收模塊完成接收和處理[8]。

③單片機(jī)接口與超聲波模塊；基于單片機(jī)和超聲傳感的微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制方法是根據(jù)超聲測(cè)距結(jié)果，利用單片機(jī)采集微地震電磁信號(hào)，并將所以數(shù)據(jù)返回至單片機(jī)等待后續(xù)處理。該模塊有兩個(gè)I/O 接口，一個(gè)接口連接聲波模塊的ECHO 接口，主要目的是接收水位高度信號(hào)；另一個(gè)接口連接超聲波傳感模塊TRIG，主要目的是發(fā)射與接收超聲波信號(hào)。 超聲波傳感模塊的連接結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 超聲傳感模塊連接圖

2 微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)方法

2.1 微地震電磁信號(hào)去噪

本文主要根據(jù)微地震電磁信號(hào)之間的互相關(guān)關(guān)系，利用互相關(guān)函數(shù)法對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理，以此提升后續(xù)控制精度。

2.1.1 地震信號(hào)的互相關(guān)

假設(shè)x(t)、y(t)分別表示的是平穩(wěn)的兩路隨機(jī)信號(hào)，Rxy(t)代表的是兩路隨機(jī)信號(hào)間的相關(guān)性函數(shù)，其表達(dá)式如下:

式中:x(n)、y(n)分別代表的是x(t)和y(t)的時(shí)間采樣序列；m代表的是時(shí)間延遲對(duì)應(yīng)的序號(hào)；t代表的是延遲時(shí)間，其計(jì)算公式如下:

式中:c代表的是采樣周期。

2.1.2 互相關(guān)函數(shù)法

由于互相關(guān)函數(shù)法分析法是根據(jù)兩種不具有明顯的相關(guān)性信號(hào)的互相關(guān)關(guān)系所設(shè)計(jì)出來的一種方法，因此本文以兩種微地震電磁信號(hào)為例，對(duì)信號(hào)去噪方法進(jìn)行深入探討。

對(duì)微地震剖面中存在的噪聲記錄進(jìn)行考慮，存在:

式中:ω1(t)、ω2(t)均代表的是微地震信號(hào)；n(t)代表的是疊加在微地震電磁信號(hào)ω1(t)中的隨機(jī)噪聲；v(t)代表的是疊加在微地震電磁信號(hào)ω2(t)中的隨機(jī)噪聲。 其中，微地震電磁信號(hào)ω1(t)和ω2(t)之間不具有明顯的相關(guān)性。 如果隨機(jī)噪聲的相干半徑比兩路微地震電磁信號(hào)之間的距離更大，可認(rèn)為隨機(jī)信號(hào)n(t)和隨機(jī)信號(hào)v(t)之間也不具有明顯的相關(guān)性[9]。 通過上述分析得到隨機(jī)信號(hào)x(t)、y(t)之間存在的互相關(guān)函數(shù):

式中:Rω1ω2(τ)代表的是微地震電磁信號(hào)ω1(t)和ω2(t)之間存在的互相關(guān)函數(shù)；Rω2n(τ)代表的是微地震電磁信號(hào)ω2(t)和隨機(jī)噪聲n(t)間的相關(guān)性函數(shù)；Rω1ω2(τ)代表的是微地震電磁信號(hào)ω1(t)和v(t)間的相關(guān)性函數(shù)；Rvn(τ)代表的是隨機(jī)噪聲n(t)和隨機(jī)噪聲v(t)間的相關(guān)性函數(shù)。 由于不同路的隨機(jī)噪聲間具有非相關(guān)性與獨(dú)立性，并且隨機(jī)噪聲與微地震電磁信號(hào)之間也具有非相關(guān)性與獨(dú)立性，因此存在下式所示關(guān)系:

通過上式計(jì)算得到的值即為微地震電磁信號(hào)ω1(t)和ω2(t)之間的互相關(guān)函數(shù)值，該值的變化范圍是[0，1]，其中該值取0 表示二者不具備互相關(guān)關(guān)系，該值取1 表示二者具備非常顯著的互相關(guān)關(guān)系。 根據(jù)不同信號(hào)之間的關(guān)系可以獲取微地震電磁信號(hào)、衰減隨機(jī)噪聲分析結(jié)果，完成微地震電磁信號(hào)的去噪處理。

2.2 監(jiān)控方法

通常來說，震源激發(fā)信號(hào)是一種調(diào)頻信號(hào)，且其中包含一定比例的干擾波和直達(dá)波等信號(hào)。 不同類型的信號(hào)到達(dá)時(shí)間各不相同，但由于其在時(shí)域窗口內(nèi)混合在一起，因此其不能直接采集到直達(dá)波[10]。因此為了實(shí)現(xiàn)微地震電磁信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，需要構(gòu)建控制信號(hào)的匹配濾波器。

可以用線性調(diào)頻的chirp 信號(hào)描述電磁式可控振源的控制信號(hào)[11]，其計(jì)算公式如下:

式中:A描述的是信號(hào)幅度；f1代表的是信號(hào)終止頻率；f0代表的是信號(hào)對(duì)應(yīng)的起始頻率；Tc描述的是掃描時(shí)間。

在此基礎(chǔ)上，定義s(t)為控制信號(hào)。 然后建立s(t)對(duì)應(yīng)的匹配濾波器[12]，并根據(jù)實(shí)際的s(t)設(shè)置濾波器的長(zhǎng)度，且濾波器的延時(shí)為0。 假設(shè)h(t)為信號(hào)的共軛線性響應(yīng)值，也就是濾波器的沖激響應(yīng)大小，其計(jì)算公式如下:

采用匹配濾波器對(duì)基板附近信號(hào)y1(t)進(jìn)行處理:

式中:?描述的是卷積運(yùn)算，選取卷積結(jié)果v1(t)中存在的長(zhǎng)度適當(dāng)?shù)拇翱冢崛〔⒎蛛x出信號(hào)d1(t)，并將選取的信號(hào)d1(t)當(dāng)做直達(dá)波。 在選擇窗口長(zhǎng)度時(shí)，要最大可能地分離出完整的信號(hào)，并保證分離出的信號(hào)中不存在折射波和反射波等強(qiáng)干擾信號(hào)[13]。

通過上述過程分離得到的直達(dá)波形式仍與地震子波相同，需要對(duì)直達(dá)波的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)變，將其變?yōu)樵嫉恼{(diào)頻形式g(t)。 直達(dá)波提取過程如圖3所示。

圖3 直達(dá)波提取過程

式中:F描述的是傅里葉變換；F－1描述的是傅里葉反變換。 通過式(16)計(jì)算得到的直達(dá)波g(t)即為微地震電磁信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微地震電磁信號(hào)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)和超聲傳感的微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制方法的整體有效性，在MyEclipse8.6 仿真軟件中對(duì)其展開性能測(cè)試。 選擇2018 年5 月1 日新疆昌吉M＿L4.8 地震后30 min的波形進(jìn)行測(cè)試。 此次地震主震與余震通常有共同的發(fā)震構(gòu)造和互相關(guān)聯(lián)的震源機(jī)制，波形也具有很好的相似性。 為驗(yàn)證本文方法的可靠性，選取離震中最近的STZ 臺(tái)記錄的2018－05－01 16:00～16:30三分量波形為待檢測(cè)數(shù)據(jù)，以信噪比高、記錄清晰的地震波形為實(shí)驗(yàn)地震波形。

分別采用基于主成分分析法的微地震電磁信號(hào)監(jiān)控方法(文獻(xiàn)[5]方法)和基于峰度特征的電磁信號(hào)監(jiān)控方法(文獻(xiàn)[6]方法)以及本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)和超聲傳感的微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制方法進(jìn)行測(cè)試。

首先測(cè)試不同方法監(jiān)控微地震電磁信號(hào)過程所用的時(shí)間，得到對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法的監(jiān)控時(shí)間對(duì)比

分析圖4 可知，基于主成分分析法的微地震電磁信號(hào)監(jiān)控方法和基于峰度特征的電磁信號(hào)監(jiān)控方法在多次迭代中所用的時(shí)間均多于基于單片機(jī)和超聲傳感的微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制方法，說明本文方法的監(jiān)控時(shí)間更短，效率更高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于微地震電磁信號(hào)快速監(jiān)控，原因在于該方法采用STC89C52 單片機(jī)和超聲傳感裝置，可以在較短的時(shí)間內(nèi)采集微地震電磁信號(hào)，從而有效減少了監(jiān)控時(shí)間，使得監(jiān)控效率得以提高。

在此基礎(chǔ)上，對(duì)比不同方法的測(cè)量幅度與實(shí)際幅度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，得到仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同方法的監(jiān)控結(jié)果對(duì)比

分析圖5 可知，在一段時(shí)間內(nèi)采用基于單片機(jī)和超聲傳感的微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制方法得到的微地震電磁信號(hào)幅度曲線與實(shí)際幅度曲線基本相符，采用基于主成分分析法的微地震電磁信號(hào)監(jiān)控方法和基于峰度特征的電磁信號(hào)監(jiān)控方法得到的微地震電磁信號(hào)幅度曲線與實(shí)際幅度曲線之間的誤差較大。 因此分析以上結(jié)果可知，本文方法的監(jiān)控精度更高，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于微地震電磁信號(hào)的精準(zhǔn)監(jiān)控，原因在于該方法去除了微地震電磁信號(hào)中存在的噪聲，從而提高了監(jiān)控精度。

4 結(jié)束語

通過監(jiān)測(cè)微地震電磁信號(hào)能夠確定震源位置。因此，針對(duì)當(dāng)前微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)控方法存在的監(jiān)控效率低和監(jiān)控準(zhǔn)確度低的問題，本研究提出了基于單片機(jī)和超聲傳感的微地震電磁信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制方法。 該方法利用STC89C52 單片機(jī)和超聲傳感裝置快速采集微地震電磁信號(hào)，從而有效減少了監(jiān)控時(shí)間，提高了監(jiān)控效率，并通過去除微地震電磁信號(hào)中存在的噪聲來提高監(jiān)控的準(zhǔn)確度，從而在短時(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)地對(duì)微地震電磁信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。本研究也通過仿真結(jié)果證明了該方法的監(jiān)控效率和準(zhǔn)確度均較高。 在接下來的研究中，將考慮從去除多個(gè)瞬態(tài)電磁信號(hào)中冗余信息的角度，進(jìn)一步提高該方法的監(jiān)測(cè)效率。