地震预报测试系统

地震预报系统分析地震预报是对未来破坏性地震发生的时间、地点和震级及地震影响的预测，是根据地震地质、地震活动性、地震前兆异常和环境因素等多种手段的研究与前兆信息监测所进行的现代减灾科学。

下面提出两种地震预报方法：第一种是紧急地震预报，主要原理是利用地震波P波和S波传递的速度差。

原来地震时会同时发生两种地震波：P波和S波。

P波也叫纵波，是地震初期微动，震动较小；S波，也叫横波，是主动波，震动大。

P波与S波的传递速度不同，P波每秒7公里，S波每秒4公里。

地震预报系统就是利用这个传递速度的不同打时间差，在监测到P波后，预测即将到来的S波，抢在S波到达之前向各地发出警报。

所以，虽然上面写“紧急地震预报”，严格来讲，它不是事前预报地震的发生，而是在地震确实发生之后，第一时间发出的地震警报，叫“紧急地震速报”。

第二种是测磁式,根据地震前后地磁产生变化预测，地震能量释放前,将有一定强度的地震前兆电磁波产生,这些电磁波高频部分将被地壳低电阻层吸收和反射。

而大部分低频波却可以直接透射地壳；反射部分在高电阻层中以波导形式传递到较远的地方，并在基岩露头或断层处逸出地壳表层，进入大气空间。

地震电磁脉冲观测系统观测的内容是临震前电磁辐射的强度（能量）和脉冲变化高幅值的组数。

系统设定一“门槛电压”，其值选在毫伏级（根据不同干扰背景可调整），当脉冲变化的振幅超过系统所选定的“门槛电压”值时脉冲数进入记录通道，小于“门槛电压”的脉冲被滤掉。

因此，所记录的观测值是大于“门槛电压”的脉冲数，而不是系统频带内的全部噪声，大部分背景性干扰已被屏蔽掉，而电磁辐射的强度（能量）直接进入到记录通道，便于频谱计算和分析。

地震预报测试系统在地震孕育过程中，地下岩层受压变形破裂， 向外产生电磁波辐射或电磁辐射，这种过程在地震发生之后结束。

这种物理现象已在实验中被证实，也被国内外多次地震发生的情况所证实，利用电磁波成功预报地震的例子也有不少。

与地震有关的电磁波辐射频率范围很宽，从零点几赫兹至几兆赫兹都有。

在地震孕育到发生的过程中， 电磁波频率从低向高，幅度从小到大变化。

但是，孕育后期的中、高频、超高频的电磁波辐射容易与其他工业、通讯、新闻等的电磁波信号相重叠，很难从中提取异常成份。

相比之下，超低频电磁波的干扰少得多，正常和异常情况容易区别，并且比中、高频的电磁波传播距离更远，容易接收。

因此，记录和分析超低频(20Hz以下)的电磁波变化，可以了解地震孕育、发生的变化过程，从而进行地震监测和预报。

为此，设计了地震预报测试系统。

一 测试系统工作原理地震预报测试系统有两路输人接口，可以接两个电磁波探头。

按东西、南北方向水平放置，可以接收不同方向的电磁波，便于分析。

该系统是一台电磁波脉冲次数数字化记录仪，每隔1小时统计一次结果。

工作时，仪器自动不停地接收记录电磁波脉冲信号， 当没有脉冲时(或当脉冲很微弱，低于检测下限时)记录单元的数不改变。

当一个脉冲到来时，先经过放大器对脉冲进行放大，再经过八阶数字滤波器，剔除大于20Hz 频率的信号，对20Hz 以下的脉冲二次放大，并进行模／数(A／D)转换，确定出脉冲的幅度大小，然后根据幅度值的大小、当前的日期时间和探头．在内存贮器相应的记录单元中，脉冲记录次数增加1次。

如此循环工作， 以达到按不同的脉冲幅度保存每小时脉冲次数的目的。

如果脉冲的幅度分得很细，这虽然有利于日后分析，但其数据量将很庞大，对仪器的设计、造价、数据存贮等不利。

因此，该监测仪将幅度值分成4级，即K>0V，K>1．5V，K>3V，K>4．5V。

使记录的电磁波脉冲有两个信息量，既有频度的变化量又有幅度的变化量，既有利于分析又降低了成本，并提高了可靠性。

判断时可以根据记录到的数据，推算被接收电磁波脉冲信号的强弱变化情况：如果在几个幅度级别中都记录到数据，就表示电磁波的脉冲信号很强、幅度大；如果某个时间记录的次数很多，就表示电磁波信号很多、很密。

保存数据采用以小时为统计单位，每小时分别保存两个探头4个级别共8个数据。

并把仪器内存放某日某一时间某个探头数据的单元设成是固定的，预先在内存贮器中分配了固定位置。

一般情况下，每小时的数据会按时间顺序来逐小时更新，每个月只更新一次。

即某个月的数据能够保存到下个月同一时间的数据被更新的时候，所以数据在仪器内可以保存一个月。

当没有电或停测时，某单元的数据不被更新，仍维持上一个月的数据。

仪器接通电源后便可以开始工作，通过仪器面板上的按钮，可以显示记录在仪器内的数据，这时可把数据抄写下来。

若与近距离的电脑连接，便可以把数据传送到计算机中，配合电磁波管理计算机软件，可以对数据进行查阅、显示图形、打印报表、打印图形等操作， 以及进行进一步的分析处理工作。

若再配有电话线和调制解调器，便可以与其他监测点传递和交换数据，实现数据共享与快速传递；还可以实现在一个监测点对另一个监测点的电脑和仪器进行遥控操作。

能够将几个监测点连成监测网络，实现数据快速传递和共享，有利于提高地方地震机构管辖范围内监视地震的能力。

二 测试系统各部分功能和特点该系统本身是一个集微机接口技术、测量技术、通信技术于一体的产品。

除具有放大、滤波、A／D转换、数码显示、键盘输入等功能外，还具有电脑自动化、智能化的功能和性能可靠、操作简便等特点。

系统硬件框图如下图所示。

(1)要记录到电磁波脉冲信号就要配制好的探头。

探头要有高灵敏度，在0—20Hz有强电感量，能感应出电磁波的变化，抗干扰，易搬动，体积小，有坚固耐用的保护外壳。

探头磁芯采用导磁性能强的镀膜合金制成，外面绕两组线圈，一组是工作线圈，另一组是标定线圈。

探头外壳长约40cm，直径8cm，由铝型材料加工而成。

该探头将0～20Hz的电磁波感应成0—50Ouv电压输出。

探头干扰小，使用方便。

该探头用于记录时， 已记录过多次有别于正常情况下的脉冲信号和地震前兆异常信息。

若能把探头埋予地下则效果会更好。

(2)单片微机控制仪器以单片芯片89C51作为全机控制中心， 在监控程序运作下能自动、连续工作，有效地采集、存贮、显示和抄录数据以及进行数据通信(3)数据的可靠保存仪器采用E2PROM存贮数据， 能可靠地保存长达一个月的数据序列，并且不会因停电、干扰或搬迁等因素而掉失，从而提高其可靠性。

(4)电磁波信号的放大仪器放大器前级放大8000倍，后级放大lO倍，后级可以通过仪器面板上的按钮进行手工设置，使多台仪器的记录结果有定量化的比较。

(5)0～20Hz低通滤波采用美国MAXIM公司的八阶开关电容式数字滤波的芯片，设计成一个拐点频率灵活设定的高精确度的高阶低通滤波器。

滤波频率可以通过线路板上的插针式选择开关进行设定，选择测量范围为0～5 Hz、0—10 Hz或者0—20Hz的滤波频率。

(6)电磁波信号幅度的采样为压缩数据量，我们忽略每个脉冲的频率，只统计脉冲出现的次数，一个脉冲统计记录一次， 以小时为单位进行分组统计。

还把脉冲幅度划分为4个量级 根据脉冲幅度的大小作相应的记录。

(7)数据存贮的时间性 仪器系统需要有一个准确的时间基准，即实时时钟。

为此，仪器采用了美国DALLAS公司实时时钟芯片，具有百年日历，掉电后照常行走，保证时间日期的准确性。

(8)整机的高抗干扰性为提高仪器的抗干扰性能，采用美国XICOR公司的up监控芯片设计一个集上电复位、电源监控、WATCHDOG电路于一体的单片机监控电路，能在程序失控下自动唤醒CPU并重新进入正常的测量工作。

(9)数据采集的连续性 由于仪器长期工作且无人值守，一旦外界电力中断便会引起数据采集的不连续，为此，仪器设计了不间断电源电路，内置6V免维护干式电池，在断电24小时内，仍能为系统提供稳定的电力，以确保数据采集的连续性。

(10)整机低功耗设计为便于借助后备电源或不问断电源实现不问断监测，仪器必须设计成低功耗工作方式。

因此，整个仪器元器件均由CMOS或HCMOS低功耗集成电路构成，使整机功耗小于5W。

(11)串行通信功能能通过仪器的通讯口与计算机串行口进行近距离数据通信，计算机可随时接收仪器存贮的数据，与计算机实现数据转存，波特率为9600BPS(12)能适应电压变动采用纹波少的稳压电源以适应电压的大范围变动。

(13)提供方便灵活的操作方式仪器面板上有6个键盘按钮，用户通过按钮， 以人机交互方式查阅抄录数据。

用于控制显示时间、显示数据、设置日期和设置放大倍数等功能。

能通过按钮修改日期时间值，自行设置两路探头输入的放大倍数，查阅指定时间的电磁波数据。

(14)电磁波信号接收显示仪器面板两旁各竖立8个指示灯，从中间向两端分别指示电磁波4个幅度级别的接收情况。

平时指示灯是不亮的，当接收到信号时，对应幅度的指示灯闪烁一次，这样就知道当前电磁波信号的接收情况和大小强弱。

(15)仪器内单片微机程序的编制记录仪器的控制程序由主程序和数据采集程序、存贮程序、定时中断服务程序、键盘及显示中断服务程序和通讯中断服务程序等组成， 自动完成数据采集、存贮及显示。

(16)计算机处理软件的编制能在计算机上对电磁波数据进行处理。

用户可通过友好的人机界面，接收仪器的电磁波数据：显示查阅和修改数据；数据格式转换；数据的图形显示：图形打印； 日报和月报表输出。

三 结论在地震发生之前，电磁波脉冲频率都有由低逐渐变高的规律，从小于1Hz变化到十多赫兹 ，而数字化的脉冲记录方式为避免造成数据量太大，不能记录每个脉冲的频率。

如果要解决记录频率与压缩数据的矛盾，又要使仪器不用进行太大的改动，可设想增加一个统计每小时平均脉冲频率或最显著频率的数据项。

该项数据对每个探头每个小时只有一个数，以反映这段时间内的脉冲频率总体变化情况，从而为震前电磁波脉冲的研究多提供一个重要数据。

为了能及时地获得各个监测的电磁波资料，发挥监测网的作用， 在各监测站的计算机设备中，开发研制一个自动通讯软件，使各监测站能够在每天某个指定的时间(例如每天晚12时)，把当天的数据自动传送到监测中心的计算机服务器中。

这样，既可以快速收集资料，又可以及早掌握各监测站仪器的运转情况。

要开展对地震前兆信息和外界干扰信号的判别研究。

尽管20Hz 以下的电磁波信号干扰较少，但还是有干扰，要利用国内外电磁波研究的经验，结合实际资料开展分析研究，制定数学模型，编制计算程序，不断摸索和积累经验。

附录:翻译一Weighing earthquake wavesM. Landes a, J.R.R. Ritter a and U. Wedeken ba Geophysical Institute, Universität Karlsruhe (TH), Hertzstrasse 16, 76187 Karlsruhe, Germanyb Sartorius AG, Weender Landstrasse 94-108, 37075 Göttingen, GermanyReceived 1 February 2007;revised 8 December 2007;accepted 16 March 2008.Available online 30 March 2008.AbstractHigh-precision scales have detected teleseismic waves by chance from an earthquake some 3700 km away. The interpretation yields excellent agreement between recordings of the scales and nearby seismographs. Ground displacements at the locality of the scales were determined in the range of 20–420 μm. The comparison of both data sets showed that thescales respond to local ground accelerations in the same way as a long-period seismometer (T0> 5 s), if observed displacements are larger than 5 μm. For future applications, we suggest to use high-precision scales as additional devicesto monitor earthquake waves as well as similar artificial vibrations.Keywords: High-precision scales; Seismographs; Earthquake1. IntroductionHow heavy are earthquake waves? This question may seem absurd, as seismic waves have no mass in a physical sense. But they excite acceleration forces, and therefore, a strong earthquake may cause considerable damage in the vicinity of the epicenter. At great distances, these ground accelerations generally remain unnoticed unless they are recorded by seismometers or, for instance, by high-precision scales. Such scales, as developed and produced by the Sartorius company in Göttingen (Germany), need to be adjusted prior to the actual measurement in order to determine their accuracy and ensure the quality of measurement. The tests are conducted at the scales’ highest sensitivity, which makes them prone to any disturbance caused by seismic ground motions. Therefore, it is not unusual that tests have to be repeated, thus accumulating economical losses while hoping for a period of seismicquietness.2. Measurements of the GENIUS scaleOn the evening of 6 December 2000, several scales of type GENIUS ME215S (Fig. 1a) were set up in the basement of the Sartorius company in Göttingen in order to test load changes using built-in calibration weights. These scales have a weighing capacity of 210 g and a full-range readability of 0.01 mg. Their monolithic weighing cell uses an electromagnetic force compensation and an optical feedback system [1]. In order to save electrical power, it is constructed in such a way that the scale is mechanically in balance if the load is about half the maximum range. The scales measure the gravitational force F = m · g (mass m, local gravitational acceleration g = const. if the scales are stationary). In order to display the correct mass of any (external) weight, the scales must be calibrated via an internal weight with a known mass at the location where the measurement is conducted.Fig. 1. The strong earthquake, which occurred underneath Turkmenistan (east of Caspian Sea) on 6 December 2000, at 17:11:08 UTC was recorded by (a) GENIUS ME215S high-precision scales and (b) the Wiechert seismographs in Göttingen, Germany. The epicentral coordinates were given by the US Geological Survey as to 39.686°N and 54.856°E, with a hypocentral depth of about 30 km. The momentmagnitude of the December 6 event was determined to Mw = 7.0. The earthquake was a result of the collision of the Arabian and Eurasian continental plates. (a) Measurement of the GENIUS ME215S scale (Sartorius, Göttingen) between 17:07 and 18:07 UTC. The jumps resemble load changes during the test from 0 to ≈203 g. Different types of teleseismic waves can clearly be identified, P: direct mpressional wave, SS: shear wave reflected at the free surface of the Earth, R: surface wave (Rayleigh type). (b) Measurements of the Wiechert seismographs (Göttingen) plotted on smoked paper. The acceleration seismograms were scanned and the gray scale inverted. Parallel lines result from previous and subsequent circulations of the paper roll. The Z component was recorded with the vertical Wiechert seismograph (image on the left), the N–S and E–W (horizontal) components were recorded with the astatic horizontal pendulum (not shown here). The first arrival is marked at 17:17:47 UTC, further arrivals are indicated. P, S: direct compressional/shear waves, PP, SS: compressional/shear waves reflectedat the free surface of the Earth, R, L: surface waves (Rayleigh, Love).The temporal variations of the scale display, δF(t), during an earthquake are due to variations in the gravitational acceleration, δg(t)(1)In the city of Göttingen, g was measured at 9.812 m/s2. In order to calculate δg(t) from δF(t), the gravitational force F, which is electromagnetically compensated during the steady state, must be determined. When the strongest earthquake waves (Rayleigh surface waves) reached Göttingen, both internal calibration weights with a total mass of 202.94 g were used. However, it has to be stressed that only the mass, which moves the scale out of balance, contributes to the gravitational force. In the case of the GENIUS ME215S, the scale is in balance (i.e. no electrical current flows) with a load of 91.53 g. Therefore, only(202.94 − 91.53)g = 111.41 g contribute to F, and Eq. (1) yields (1 digit equals 0.01 mg) (2)Without the calibration weights (0 g in Fig. 1a), the gravitational force is smaller and, therefore,(3)Comparing Eqs. (2) and (3), the difference in gravitational acceleration due to external forces (as triggered by an earthquake) is minor when the scale is loaded with some 203 g or with no weight at all. However, if the scale is loaded with approximately 91 g, the additional acceleration forces will be balanced and thus no seismic data is recorded.The largest (additional) accelerations due to the Turkmenistan earthquake were observed when both internal calibration weights were used. Rayleigh waves reaching the city of Göttingen generated deviations of ±95–100 digits on the GENIUS scale (R in Fig. 1a; peak-to-peak 190–200 digits). Using Eq. (2), this amounts to about ±85 μm/s2 in additional acceleration. The maximal ground displacement Amax is then determined by(4)摘要高精度天平检波器随机从3700公里距离内检测到地震波。