基于單片機和超聲傳感的微地震電磁信號遠程監測控制方法?

王 瑞秦建敏

(1.山西職業技術學院電子信息工程系，山西 太原 030006；2.太原理工大學物理與光電工程學院，山西 太原 030024)

在地震動較大的情況下，一旦地球聚集的應力超出地殼的承受上限時，地殼部分的巖體會發生斷裂。 在斷裂的過程中，大部分的能量會在短時間內集聚到一起，然后再以彈性波的形式釋放。集聚的能量向四方擴散，從而使地表因受到這些能量的作用而發生振動，甚至崩裂，即發生地震[1]。 在不同類型的自然災害中，地震災害的發生頻次較高，對經濟社會產生的負面影響也較大。嚴重的地震災害不僅會造成財產損失，更會危害人員的生命安全[2]。 城市人口的增長以及科學技術的進步，人類的生活已經與電器設備、汽車、計算機、電子等物品密不可分，電磁能量在空間中的增長速度不斷加快，人們將電磁信號應用到了地震監測領域中[3]。

國外學者針對地震電磁信號監測的相關內容展開了研究，如文獻[4]中分析不同裝置的電磁測深資料，研究了破壞性地震震中區地質地塊應力狀態的演變過程，并設計了瞬變電磁法(TEM)來確定電阻率各向異性系數。 然后在反演問題解的基礎上，分析了剖面的電阻率及各向異性系數的變化，從而實現對地震活動區的電磁監測。 國內學者也設計了有關的地震電磁信號遠程監測方法。 文獻[5]利用主成分分析法提取并分析了地震電磁信號，根據分析結果獲得主成分的變化，然后采用局部互相關追蹤法分析并處理電磁信號，融合以上兩種方法獲得的數據實現微地震電磁信號的遠程分析監測。 然而該方法監測微地震電磁信號所用的時間較長，存在監測效率低的問題。文獻[6]利用在表征沖擊、瞬變等脈沖信號方面中峰度具有的優勢，融合滑動窗技術和峰度特征實現對瞬時地震電磁信號的提取與監測。 然而該方法得到的監測結果誤差較大，存在監測準確度低的問題。 文獻[7]提出基于數字信道化的弱信號監測方法，該方法根據弱信號的特性構建數字信道化接收機，并在中值濾波理論和自相關累加理論的基礎上監測微地震電磁信號。 然而該方法獲得的微地震電磁信號幅度曲線與實際曲線不符，存在監測準確度低的問題。

采用傳統方法對微地震電磁信號實施監測控制時所用的時間較長，且監控到的微地震電磁信號幅度曲線與實際幅度曲線之間的誤差較大，因此本文采用單片機和超聲傳感相結合的方法進行微地震電磁信號采集，以此降低微地震電磁信號遠程監測控制時間，提升控制精度。

1 單片機和超聲傳感單元

本文利用單片機和超聲傳感單元準確、高效地采集微地震電磁信號。 單片機和超聲傳感單元的結構如圖1 所示。

圖1 單片機和超聲傳感單元的構成示意圖

分析圖1 可知，單片機和超聲傳感單元由NRF2401 無線、時鐘模塊、超聲液位傳感監測模塊、電源模塊以及STC89C52 單片機組成，該單元的主要工程流程為:電源模塊為整個單元提供動力支持，利用時鐘模塊以及超聲液位傳感監測模塊采集微地震電磁信號，并通過NRF2401 無線將采集到的數據傳輸至STC89C52 單片機，利用STC89C52 單片機對采集到的數據進行分析與處理，以此為后續的微地震電磁信號遠程監測控制奠定堅實的基礎。

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

式中:T代表的是接收到超聲波與發送超聲波之間的時間；C代表的是空氣中超聲波對應的傳播速度。

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

③單片機接口與超聲波模塊；基于單片機和超聲傳感的微地震電磁信號遠程監測控制方法是根據超聲測距結果，利用單片機采集微地震電磁信號，并將所以數據返回至單片機等待后續處理。該模塊有兩個I/O 接口，一個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；另一個接口連接超聲波傳感模塊TRIG，主要目的是發射與接收超聲波信號。 超聲波傳感模塊的連接結構如圖2 所示。

圖2 超聲傳感模塊連接圖

2 微地震電磁信號遠程監測方法

2.1 微地震電磁信號去噪

本文主要根據微地震電磁信號之間的互相關關系，利用互相關函數法對信號進行去噪處理，以此提升后續控制精度。

2.1.1 地震信號的互相關

假設x(t)、y(t)分別表示的是平穩的兩路隨機信號，Rxy(t)代表的是兩路隨機信號間的相關性函數，其表達式如下:

式中:x(n)、y(n)分別代表的是x(t)和y(t)的時間采樣序列；m代表的是時間延遲對應的序號；t代表的是延遲時間，其計算公式如下:

式中:c代表的是采樣周期。

2.1.2 互相關函數法

由于互相關函數法分析法是根據兩種不具有明顯的相關性信號的互相關關系所設計出來的一種方法，因此本文以兩種微地震電磁信號為例，對信號去噪方法進行深入探討。

對微地震剖面中存在的噪聲記錄進行考慮，存在:

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

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

通過上式計算得到的值即為微地震電磁信號ω1(t)和ω2(t)之間的互相關函數值，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關系，該值取1 表示二者具備非常顯著的互相關關系。 根據不同信號之間的關系可以獲取微地震電磁信號、衰減隨機噪聲分析結果，完成微地震電磁信號的去噪處理。

2.2 監控方法

通常來說，震源激發信號是一種調頻信號，且其中包含一定比例的干擾波和直達波等信號。 不同類型的信號到達時間各不相同，但由于其在時域窗口內混合在一起，因此其不能直接采集到直達波[10]。因此為了實現微地震電磁信號的遠程監控，需要構建控制信號的匹配濾波器。

可以用線性調頻的chirp 信號描述電磁式可控振源的控制信號[11]，其計算公式如下:

式中:A描述的是信號幅度；f1代表的是信號終止頻率；f0代表的是信號對應的起始頻率；Tc描述的是掃描時間。

在此基礎上，定義s(t)為控制信號。 然后建立s(t)對應的匹配濾波器[12]，并根據實際的s(t)設置濾波器的長度，且濾波器的延時為0。 假設h(t)為信號的共軛線性響應值，也就是濾波器的沖激響應大小，其計算公式如下:

采用匹配濾波器對基板附近信號y1(t)進行處理:

式中:?描述的是卷積運算，選取卷積結果v1(t)中存在的長度適當的窗口，提取并分離出信號d1(t)，并將選取的信號d1(t)當做直達波。 在選擇窗口長度時，要最大可能地分離出完整的信號，并保證分離出的信號中不存在折射波和反射波等強干擾信號[13]。

通過上述過程分離得到的直達波形式仍與地震子波相同，需要對直達波的形式進行轉變，將其變為原始的調頻形式g(t)。 直達波提取過程如圖3所示。

圖3 直達波提取過程

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)計算得到的直達波g(t)即為微地震電磁信號，實現微地震電磁信號的遠程監控。

3 仿真結果與分析

為了驗證上述設計的基于單片機和超聲傳感的微地震電磁信號遠程監測控制方法的整體有效性，在MyEclipse8.6 仿真軟件中對其展開性能測試。 選擇2018 年5 月1 日新疆昌吉M＿L4.8 地震后30 min的波形進行測試。 此次地震主震與余震通常有共同的發震構造和互相關聯的震源機制，波形也具有很好的相似性。 為驗證本文方法的可靠性，選取離震中最近的STZ 臺記錄的2018－05－01 16:00～16:30三分量波形為待檢測數據，以信噪比高、記錄清晰的地震波形為實驗地震波形。

分別采用基于主成分分析法的微地震電磁信號監控方法(文獻[5]方法)和基于峰度特征的電磁信號監控方法(文獻[6]方法)以及本文設計的基于單片機和超聲傳感的微地震電磁信號遠程監測控制方法進行測試。

首先測試不同方法監控微地震電磁信號過程所用的時間，得到對比結果如圖4 所示。

圖4 不同方法的監控時間對比

分析圖4 可知，基于主成分分析法的微地震電磁信號監控方法和基于峰度特征的電磁信號監控方法在多次迭代中所用的時間均多于基于單片機和超聲傳感的微地震電磁信號遠程監測控制方法，說明本文方法的監控時間更短，效率更高，可以實現對于微地震電磁信號快速監控，原因在于該方法采用STC89C52 單片機和超聲傳感裝置，可以在較短的時間內采集微地震電磁信號，從而有效減少了監控時間，使得監控效率得以提高。

在此基礎上，對比不同方法的測量幅度與實際幅度的監測結果，得到仿真結果如圖5 所示。

圖5 不同方法的監控結果對比

分析圖5 可知，在一段時間內采用基于單片機和超聲傳感的微地震電磁信號遠程監測控制方法得到的微地震電磁信號幅度曲線與實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監控方法和基于峰度特征的電磁信號監控方法得到的微地震電磁信號幅度曲線與實際幅度曲線之間的誤差較大。 因此分析以上結果可知，本文方法的監控精度更高，可以實現對于微地震電磁信號的精準監控，原因在于該方法去除了微地震電磁信號中存在的噪聲，從而提高了監控精度。

4 結束語

通過監測微地震電磁信號能夠確定震源位置。因此，針對當前微地震電磁信號遠程監控方法存在的監控效率低和監控準確度低的問題，本研究提出了基于單片機和超聲傳感的微地震電磁信號遠程監測控制方法。 該方法利用STC89C52 單片機和超聲傳感裝置快速采集微地震電磁信號，從而有效減少了監控時間，提高了監控效率，并通過去除微地震電磁信號中存在的噪聲來提高監控的準確度，從而在短時間內精準地對微地震電磁信號進行遠程監控。本研究也通過仿真結果證明了該方法的監控效率和準確度均較高。 在接下來的研究中，將考慮從去除多個瞬態電磁信號中冗余信息的角度，進一步提高該方法的監測效率。