CN104483700B - 地层裂缝监测与预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地层裂缝监测与预警系统及方法，涉及地质勘探技术领域，包括传感器模块、无线通信模块、数据处理模块和定位预警模块；所述传感器模块由多个MEMS数字加速度传感器组成，所述无线通信模块用于将传感器组产生的反馈电动势传输至数据处理模块；数据处理模块将采集的数据处理后，将监测得到的地震冲击力与设定的预警阈值进行比较后向定位预警模块信号，定位预警模块发出预警信号，提示工作人员。本发明的有益效果：本发明采用使用广泛MEMS数字加速度传感器来采集和处理数据，成本低，系统的后期调试和维护都非常方便，能实时监测地层裂缝情况，精确定位地层裂缝的位置并及时通知工作人员起到预警的作用，并且监测准确度高。

Description

地层裂缝监测与预警系统及方法

技术领域

本发明涉及地质勘探技术，特别涉及一种地层裂缝监测与预警系统及方法。

背景技术

近年来,由于全球气候异常变化,导致地质灾害隐患也在不断增加,特别是随着人类活动的加剧和活动范围的不断扩大,造成的地质性破坏越来越多。地质灾害的形式主要表现在崩塌、滑坡、泥石流、地质塌陷、沉降等，尤其是公路因地层裂缝导致地陷对人们的生命和财产造成巨大的损失。

对地质灾害传统的监测方法主要是通过群测群防和监测人员现场参与的方法,现有这些监测方法的缺陷在于:1、现有这些监测方法通常都采用人工操作，人工记录人工计算的传统方式，人力和物力成本投入大,同时人工操作受地理环境、天气的影响大,而且操作的人员人身安全也无法得到完全的保证；2、由于数据是人工定期采集的,这就使得监测数据的采集量较小,监测数据难易准确描述,因此监测的准确性较低；人工采集数据到对监测数据进行处理往往需要较长的时间,这就使得到的监测结果具有一定的滞后性和延迟性,因此不能及时、迅速地对迅速地对地质灾害进行监测和预警,从而不能有效地起到事先防御地质灾害的功能；4、现有的监测方法无法实现全天候、动态监测,因此在将要发生地质灾害的地点和时段可能不能及时获得地质灾害发生前期的预兆信息,从而不能及时发出预警避免大量人员和财产的损失。

综上所述，有必要提供一种地层裂缝监测与预警系统及方法，起到实时监测地层裂缝情况，和精确定位地层裂缝的位置并及时通知工作人员起到预警的作用，并且具备监测准确度高，成本低的优点。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种实时监测、监测准确度高、精确定位、造价和使用成本低的地层裂缝监测与预警系统及方法。

本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：

本发明提供了一种地层裂缝监测与预警系统，包括传感器模块、无线通信模块、数据处理模块和定位预警模块；

所述传感器模块由多个MEMS数字检波器组成，用于检测其所处分布位置MEMS质量块位移偏移量，计算出其监测地层反射地震波反馈电动势，并将所述的反馈电动势传输至无线通信模块；

所述无线通信模块用于将接收到的反馈电动势传输至数据处理模块；

所述数据处理模块用于记录每个MEMS数字检波器对应的地理位置坐标以及其接收到的反馈电动势，并对该反馈电动势进行数值转换，再根据MEMS数字检波器固有的加速度权系数及其固有偏置计算出监测点的地震波加速度和地震波冲击力，同时计算直达波加速度、反射波加速度以及反射波加速度，然后将监测点的地震波冲击力与设定的定位预警阈值进行比较，若计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块；若计算出的地震波冲击力小于预警阈值向预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令；

所述定位预警模块用于根据接收到的所述触发信号发出预警信号。

进一步地，所述数据处理模块包括数据采集模块、采集控制模块、数据融合模块、存储模块和三维地层反演模块；

所述数据采集模块将采集传感器检测到的地震波数据转换成电动势；

所述采集控制模块通过采集控制协议协调数据采集模块和数据融合模块；

所述数据融合模块基于特征层多个MEMS数字检波器采集数据的融合过程；所述存储模块存储记录MEMS数字检波器对应的地理坐标和数据融合后的地震波电动势数据；

所述三维地层反演模块将存储模块中存储的地震波反馈电动势数据进行数值转换，根据地震波加速度矢量结合数字检波器所处地理位置计算出地震波加速度的X、Y、Z分量和地震波冲击力，并描绘出三维地层剖面图，然后将监测点的地震波冲击力与设定的定位预警阈值进行比较，若计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块；若计算出的地震波冲击力小于预警阈值向预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令。

进一步地，所述三维地层反演模块根据地震波加速度矢量结合数字检波器所处地理位置计算出地震波加速度X、Y、Z分量和地震波冲击力步骤为：S401.多个数字检波器相对水平分布，数字检波器道间距为D，水平方位角是α，数字检波器的输出为V_out，则

式(1)中：是振动信号的加速度，K1是加速度比例因子,K0是偏值；S402.数字检波器测量的三分量记作水平方位角为α，即分量与的夹角为α，则对应的直角OUVW坐标系为

直角坐标OUVW至标准坐标XYZ中为

式(3)即数字检波器构成的直角坐标OUVW与标准直角坐标系XYZ之间的关系；

S403.设定合加速度与平面OUV的夹角为β，从而可得

将式(4)、(5)和(6)代入式(3)中可计算出在标准OXYZ坐标系中各加速度矢量，即可得到地震波加速度X、Y、Z三分量

S404.当数字检波器响应外界地震波时，质量块A受到一外力则有

式(10)、(11)、(12)中，λ、η、μ为XYZ轴的权重系数，为质量块相对于零点的相对位移。将式(7)、(8)和(9)代入式(10)、(11)、(12)可得数字检波器轴方向到直角坐标XYZ的方程：

联立方程组可得：

(15)，式(15)计算出的结果为监测的地震波冲击力F的值。

进一步地，所述采集控制模块采用的采集控制协议的控制过程为：PC机向FPGA发送数据采集命令；FPGA接收到PC机发送的采集命令；FPGA向PC机发送响应命令；FPGA开始采集数据，数据采集满后FPGA向PC机发送数据采集满的信号；PC机接收到FPGA采集满数据，结束数据采集命令。

本发明还提供一种地层裂缝监测与预警方法，采用上述地层裂缝监测与预警系统，方法具体包括以下步骤：

S1：确定监测地域，装置确定的监测地域范围内确定监测点分布及具体位置；

S2：在所述确定的监测点的具体位置安装多个个MEMS数字检波器，数字检波器用于检测其所分布位置MEMS质量块位移偏移量，计算出其监测地层反射地震波反馈电动势，并将所述的反馈电动势传输至无线通信模块；

S3：所述无线通信模块将接收到的电动势数据传输到数据处理模块；

S4：所述数据处理模块记录每个MEMS数字检波器对应的地理位置坐标以及其接收到的反馈电动势，并对所述反馈电动势进行数值转换，再根据MEMS数字检波器固有的加速度权系数及其固有偏置计算出监测点的地震波加速度和地震波冲击力，同时计算直达波加速度、反射波加速度以及反射波加速度，然后将监测点的地震波冲击力与设定的定位预警阈值进行比较，若计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块；若计算出的地震波冲击力小于预警阈值向预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令；

S5：预警模块根据接收到的触发信号发出预警信号。

进一步地，所述数据处理模块包括数据采集模块、采集控制模块、数据融合模块、存储模块和三维地层反演模块；

所述数据采集模块将采集传感器检测到的地震波数据转换成电动势；

所述采集控制模块通过采集控制协议协调数据采集模块和数据融合模块；

所述数据融合模块基于特征层多个MEMS数字检波器采集数据的融合过程；

所述存储模块存储记录MEMS数字检波器对应的地理坐标和数据融合后的地震波电动势数据；

所述三维地层反演模块将存储模块中存储的地震波反馈电动势数据进行数值转换，根据地震波加速度矢量结合数字检波器所处地理位置计算出地震波加速度的X、Y、Z分量和地震波冲击力，并描绘出三维地层剖面图，然后将监测点的地震波冲击力与设定的定位预警阈值进行比较，若计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块；若计算出的地震波冲击力小于预警阈值向预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令。

进一步地，所述三维地层反演模块根据地震波加速度矢量结合数字检波器所处地理位置计算出地震波加速度X、Y、Z分量和地震波冲击力步骤为：

S401.数字检波器相对水平分布，数字检波器道间距为D，水平方位角是α，数字检波器的输出为V_out，则

式(1)中：是振动信号的加速度，K1是加速度比例因子,K0是偏值；

S402.数字检波器测量的三分量记作水平方位角为α，即分量与的夹角为α，则对应的直角OUVW坐标系为

直角坐标OUVW至标准坐标XYZ中为

式(3)即数字检波器构成的直角坐标OUVW与标准直角坐标系XYZ之间的关系；

S403.设定合加速度与平面OUV的夹角为β，从而可得

将式(4)、(5)和(6)代入式(3)中可计算出在标准OXYZ坐标系中各加速度矢量，即可得到地震波加速度X、Y、Z三分量

S404.当数字检波器响应外界地震波时，质量块A受到一外力则有

式(10)、(11)、(12)中，λ、η、μ为XYZ轴的权重系数，为质量块相对于零点的相对位移。将式(7)、(8)和(9)代入式(10)、(11)、(12)可得数字检波器轴方向到直角坐标XYZ的方程：

联立方程组可得：

(15)，式(15)计算出的结果为监测的地震波冲击力F的值。

进一步地，所述采集控制模块采用的采集控制协议的控制过程为：

PC机向FPGA发送数据采集命令；

FPGA接收到PC机发送的采集命令；

FPGA向PC机发送响应命令；

FPGA开始采集数据，数据采集满后FPGA向PC机发送数据采集满的信号；

PC机接收到FPGA采集满数据，结束数据采集命令。

本发明的有益效果：(1)本发明的地层裂缝监测与预警系统包括传感器模块、无线通信模块、数据处理模块和定位预警模块；所述传感器模块由多个MEMS数字检波器组成，所述无线通信模块用于将接收到的反馈电动势传输至数据处理模块；所述数据处理模块用于记录每个MEMS数字检波器对应的地理位置坐标以及其接收到的反馈电动势，再根据MEMS数字检波器固有的加速度权系数及其固有偏置计算出监测点的地震波加速度和地震波冲击力，同时计算直达波加速度、反射波加速度以及反射波加速度，然后将监测点的地震波冲击力与设定的定位预警阈值进行比较，当计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块，定位预警模块发出预警信号，提示工作人员。本发明采用使用广泛MEMS数字检波器来采集和处理数据，因此使用成本低，系统的后期调试和维护都非常方便。

(2)本发明的地层裂缝监测与预警系统在监测区域内设置多个监测点，在各个监测点安装MEMS数字检波器，使本系统监测的数据量大，因此监测准确度高。

(3)本发明地层裂缝监测与预警系统及方法实现了实时监测，并根据采集到的地震波加速度矢量计算出地震波加速度X、Y、Z分量和地震波冲击力，将加速度分量导入至三维地层反演模块，进行地层结构重构，描绘出三维地层剖面图，实现准确定位地层裂缝，提高了监测的准确度。

(4)本发明地层裂缝监测与预警系统及方法采用无线通信，避免了繁重的电缆及复杂电缆的分布，并且采用数据融合技术，解决了数据的冗余问题，节省内存。

(5)本发明的地层裂缝监测与预警系统及方法中整个数据监测、处理和预警都是智能化，无需人工记录和计算，对操作人员的专业技能和素质要求较低，因此该监测和预警系统可适用于偏远地区和人才紧缺的地方，有利于推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的数字检波器安装示意图；

图3为本发明的数字检波器测量的三分量示意图；

图4为本发明的采集控制协议流程图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明进行详细说明，如图1所示：

本发明的地层裂缝监测与预警系统包括传感器模块、无线通信模块、数据处理模块和定位预警模块，所述传感器模块由多个MEMS数字检波器组成，用于检测其所处分布位置MEMS质量块位移偏移量，计算出其监测地层反射地震波反馈电动势，并将所述的反馈电动势传输至无线通信模块；所述无线通信模块用于将接收到的反馈电动势传输至数据处理模块；所述数据处理模块用于记录每个MEMS数字检波器对应的地理位置坐标以及其接收到的反馈电动势，并将所述反馈电动势进行数值转换，换算成相应的电动势，再根据MEMS数字检波器固有的加速度权系数及其固有偏置计算出监测点的地震波加速度和地震波冲击力，同时计算直达波加速度、反射波加速度以及反射波加速度，然后再判断检测到的地震波冲击力是否满足设定的定位预警阈值，若满足则向定位预警模块发送触发信号及地层反演图像，将地层裂缝坐标处点亮；所述定位预警模块用于根据接收到的所述触发信号发出预警信号。传感器模块、无线通信模块、信息处理模块和定位预警模块顺次连接。

信息处理模块包括数据采集模块、采集控制模块、数据融合模块、存储模块和三维地层反演模块，数据采集模块用于将地震波数据转换成电动势；采集控制模块用于协调数据采集模块和数据融合模块，可避免数据的丢失、遗漏；数据融合模块基于特征层多MEMS数字检波器采集数据的融合过程，减少了地震波数据的冗余，节省了存储单元的开销；存储模块用于存储记录MEMS数字检波器对应的地理坐标和数据融合后的地震波电动势数据；三维地层反演模块用于对地震波数据进行数值转换以及计算加速度分量和地震波冲击力，并描绘出三维地层剖面图。数据采集模块、采集控制模块、数据融合模块、存储模块和三维地层反演模块顺次连接。

传感器模块采用4个MEMS数字检波器水平分布实时采集监测点的地震波数据，当监测点的地层发生变化时，MEMS数字检波器监测到地层反射地震波引起的电动势变化量，通过无线通信单元将该电动势变化量传输至数据处理模块，数据处理模块将该电动势变化量转换成地震波加速度矢量，并根据加速度矢量结合传感器分布的地理位置计算得到对应X分量、Y分量、Z分量和地震波冲击力。将加速度分量导入至三维地层反演模块，进行地层结构重构。通过判断地震波冲击力是否满足设定的定位预警阈值，满足则向定位预警模块发出触发信号以及重构的地层结构三维图，定位预警模块根据收到的出发信号以及地层结构图，发出预警信号并显示裂缝的地理坐标。

采集控制模块用于数据处理模块控制数据采集，数据处理模块由FPGA及其外围电路实现。数据处理模块的具体工作过程：PC机向FPGA发送数据采集命令；FPGA接收到PC发送的采集命令；FPGA向PC发送响应命令；FPGA开始采集数据，数据采集满后FPGA向PC机发送数据采集满的信号；PC机接收到FPGA采集数据，结束数据采集命令。

数据融合模块采用特征层模糊聚类的方法进行数据融合，减少了地震波电动势数据的冗余，节省了存储单元的开销。特征层融合是从各传感器提供的观测数据中提取有代表性的特征，这些特征融合成单一的特征向量，然后运用模式识别的方法进行处理。基于模糊聚类的数据融合：聚类的实质是对用一组参数表示的样本群按照某种特定的标准进行分类的过程。模糊聚类的过程就是按照某一种相似性度量、差别检验以及停止规则对样本数据中的特征参数进行分类的过程，不同的规则对应不同的聚类分析算法。基于特征层模糊聚类的数据融合是通过将传感器采集到的数据中提取具有代表性的特征，将这些特征按照一种相似性度量、差别检验等将特征参数进行分类融合，将数据的相同部分去掉，保留互补的特征数据，减少检测到地震波电动势数据的冗余，节省存储空间，提高数据处理模块的运行速度。

存储模块用于存储记录MEMS数字检波器对应的地理坐标和数据融合后的地震波电动势数据，为提供给三维地层反演模块提供数据支撑。

三维地层反演模块是对地震波数据进行进制转换以及地震波加速度矢量的X分量、Y分量、Z分量计算和地震波冲击力计算，并描绘出三维地层剖面图。根据上述4个MEMS数字检波器检测到的地震波加速度矢量，并结合传感器分布的地理位置计算得到对应X分量、Y分量、Z分量以及地震波冲击力过程为：如图2所示，4个MEMS数字检波器相对水平分布，数字检波器道间距为D，水平方位角是α，数字检波器的输出为Vout，则

式(1)中：是振动信号的加速度，单位为g；K1是加速度比例因子,单位为g/V；K0是偏值，单位为g。

如图3所示，数字检波器测量的三分量记作水平方位角为α，即分量与的夹角为α，则对应的直角OUVW坐标系为

直角坐标OUVW至标准坐标XYZ中为

式(3)即数字检波器构成的直角坐标OUVW与标准直角坐标系XYZ之间的关系；

设定合加速度与平面OUV的夹角为β，从而可得

将式(4)、(5)和(6)代入式(3)中可计算出在标准OXYZ坐标系中各加速度矢量，即可得到地震波加速度X、Y、Z三分量

当数字检波器响应外界地震波时，质量块A受到一外力则有

式(10)、(11)、(12)中，λ、η、μ为XYZ轴的权重系数，为质量块相对于零点的相对位移。将式(7)、(8)和(9)代入式(10)、(11)、(12)可得数字检波器轴方向到直角坐标XYZ的方程：

联立方程组可得：

式(15)则计算出的结果为监测的地震波冲击力F的值的大小。

三维地层反演模块通过计算每道检波器的各加速度矢量，计算出地震波冲击力矢量F，利用每道检波器检测地震波冲击力之间的互相关特性，反演出所检测地层的剖面图。通过地震波资料设定地层裂缝危阈值F_W，当F≥F_W，三维地层反演模块向定位预警模块发送触发信号及定位信息；当F＜F_W，三维地层反演模块向定位预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令。

本发明还包括一种地层裂缝监测与预警的方法，具体包括以下步骤：

S1：确定监测地域，装置确定的监测地域范围内确定监测点分布及具体位置；

S2：在所述确定的监测点的具体位置安装4个MEMS数字检波器，数字检波器用于检测其所分布位置MEMS质量块位移偏移量，计算出其监测地层反射地震波反馈电动势，并将所述的反馈电动势传输至无线通信模块；

S3：所述无线通信模块将接收到的电动势数据传输到数据处理模块；

S4：数据处理模块通过采集协议及双缓存技术精确记录每个MEMS数字检波器对应的地理位置坐标以及其接收的反馈电动势，经过数据融合模块对电动势数据融合处理传送到存储模块中存储；

S5：三维地层反演模块将存储模块中存储的地震波反馈电动势数据进行数值转换，根据地震波加速度矢量结合数字检波器所处地理位置计算出X、Y、Z分量和地震波冲击力，并描绘出三维地层剖面图，将计算出的地震波冲击力与设定的预警阈值进行比较，若计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块；若计算出的地震波冲击力小于预警阈值向预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令；

S6：定位预警模块根据接收到的触发信号发出预警信号。

如图4所示，采集控制模块的采集协议的控制过程为：PC机向FPGA发送数据采集命令；FPGA接收到PC机发送的采集命令；FPGA向PC机发送响应命令；FPGA开始采集数据，数据采集满后FPGA向PC机发送数据采集满的信号；PC机接收到FPGA采集数据，结束数据采集命令。

三维地层反演模块是对地震波信号进行进制A/D转换以及分量计算和地层间距计算，并描绘出三维地层剖面图。根据上述4个MEMS数字检波器检测到的地震波加速度矢量，并结合传感器分布的地理位置计算得到对应X分量、Y分量、Z分量以及地震波冲击力过程为：如图2所示，4个MEMS数字检波器相对水平分布，检波器道间距为D，水平方位角是α，检波器的输出为Vout，则

式(1)中：是振动信号的加速度，单位为g；K1是加速度比例因子,单位为g/V；K0是偏值，单位为g。

如图3所示，数字检波器测量的三分量记作水平方位角为α，即分量与的夹角为α，则对应的直角OUVW坐标系为

直角坐标OUVW至标准坐标XYZ中为

式(3)即数字检波器构成的直角坐标OUVW与标准直角坐标系XYZ之间的关系；

设定合加速度与平面OUV的夹角为β，从而可得

将式(4)、(5)和(6)代入式(3)中可计算出在标准OXYZ坐标系中各加速度矢量，即可得到地震波加速度X、Y、Z三分量

S404.当数字检波器响应外界地震波时，质量块A受到一外力则有

式(10)、(11)、(12)中，λ、η、μ为XYZ轴的权重系数，为质量块相对于零点的相对位移。将式(7)、(8)和(9)代入式(10)、(11)、(12)可得数字检波器轴方向到直角坐标XYZ的方程：

联立方程组可得：

(15)，式(15)则为监测的地震波冲击力F的值的大小。

三维地层反演模块通过计算每道检波器的各加速度矢量，计算出地震波冲击力矢量F，利用每道检波器检测地震波冲击力之间的互相关特性，反演出所检测地层的剖面图。通过地震波资料设定地层裂缝危阈值F_W,当F≥F_W，三维地层反演模块向定位预警模块发送触发信号及定位信息；当F＜F_W，三维地层反演模块向定位预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.地层裂缝监测与预警系统，其特征在于：包括传感器模块、无线通信模块、数据处理模块和定位预警模块；

所述传感器模块由多个MEMS数字加速度传感器组成，用于检测其所处分布位置MEMS质量块位移偏移量，计算出其监测地层反射地震波反馈电动势，并将所述的反馈电动势通过无线通信模块进行传输；

所述无线通信模块用于将传感器组产生的反馈电动势传输至数据处理模块；

所述数据处理模块用于记录每个MEMS数字加速度传感器对应的地理位置坐标以及其接收到的反馈电动势，并对所述反馈电动势进行数值转换，再根据MEMS数字加速度传感器固有的加速度权系数及其固有偏置计算出监测点的地震波加速度和地震波冲击力，同时计算地震波加速度X、Y、Z分量，然后将监测点的地震波冲击力与设定的定位预警阈值进行比较，若计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块；若计算出的地震波冲击力小于预警阈值向预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令；

所述定位预警模块用于根据接收到的所述触发信号发出预警信号，

所述数据处理模块包括数据采集模块、采集控制模块、数据融合模块、存储模块和三维地层反演模块；

所述数据采集模块将采集传感器检测到的地震波信号进行A/D转换操作；

所述采集控制模块通过采集控制协议协调数据采集模块和数据融合模块运行；

所述数据融合模块基于特征层多个MEMS数字加速度传感器采集数据的融合过程；所述存储模块存储记录MEMS数字检波器对应的地理坐标和数据融合后的地震波电动势数据；

所述三维地层反演模块将存储模块中存储的地震波反馈电动势数据进行数值转换，根据地震波加速度矢量结合数字检波器所处地理位置计算出地震波加速度的X、Y、Z分量和地震波冲击力，并描绘出三维地层剖面图，然后将监测点的地震波冲击力与设定的定位预警阈值进行比较，若计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块；若计算出的地震波冲击力小于预警阈值向预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令。

2.如权利要求1所述地层裂缝监测与预警系统，其特征在于：所述三维地层反演模块根据地震波加速度矢量结合数字检波器所处地理位置计算出地震波加速度X、Y、Z分量和地震波冲击力步骤为：

S401.多个数字检波器相对水平分布，数字检波器道间距为D，水平方位角是α，数字检波器的输出为V_out，则

式(1)中：是振动信号的加速度，K1是加速度比例因子,K0是偏值；

S402.数字检波器测量的三分量记作水平方位角为α，即分量与的夹角为α，则对应的直角OUVW坐标系为

直角坐标OUVW至标准坐标XYZ中为

式(3)即数字检波器构成的直角坐标OUVW与标准直角坐标系XYZ之间的关系；

S403.设定合加速度与平面OUV的夹角为β，从而可得

将式(4)、(5)和(6)代入式(3)中可计算出在标准OXYZ坐标系中各加速度矢量，即可得到地震波加速度X、Y、Z三分量

S404.当数字检波器响应外界地震波时，质量块A受到一外力则有

式(10)、(11)、(12)中，λ、η、μ为XYZ轴的权重系数，为质量块相对于零点的相对位移，将式(7)、(8)和(9)代入式(10)、(11)、(12)可得数字检波器轴方向到直角坐标XYZ的方程：

联立方程组可得：

式(15)计算出的结果为监测的地震波冲击力F的值。

3.如权利要求1所述地层裂缝监测与预警系统，其特征在于：所述采集控制模块采用的采集控制协议的控制过程为：PC机向FPGA发送数据采集命令；FPGA接收到PC机发送的采集命令；FPGA向PC机发送响应命令；FPGA开始采集数据，数据采集满后FPGA向PC机发送数据采集满的信号；PC机接收到FPGA采集满数据，结束数据采集命令。

4.一种地层裂缝监测与预警方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的地层裂缝监测与预警系统，具体包括以下步骤：

S1：确定监测地域，装置确定的监测地域范围内确定监测点分布及具体位置；

S2：在所述确定的监测点的具体位置安装多个MEMS数字检波器，数字检波器用于检测其所分布位置MEMS质量块位移偏移量，计算出其监测地层反射地震波反馈电动势，并将所述的反馈电动势传输至无线通信模块；

S3：所述无线通信模块将接收到的电动势数据传输到数据处理模块；

S4：所述数据处理模块记录每个MEMS数字检波器对应的地理位置坐标以及其接收到的反馈电动势，并对所述反馈电动势进行数值转换，再根据MEMS数字检波器固有的加速度权系数及其固有偏置计算出监测点的地震波加速度和地震波冲击力，同时计算地震波加速度X、Y、Z分量，然后将监测点的地震波冲击力与设定的定位预警阈值进行比较，若计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块；若计算出的地震波冲击力小于预警阈值向预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令；

S5：预警模块根据接收到的触发信号发出预警信号，

所述数据处理模块包括数据采集模块、采集控制模块、数据融合模块、存储模块和三维地层反演模块；

所述数据采集模块将采集传感器检测到的地震波信号进行A/D转换操作；

所述采集控制模块通过采集控制协议协调数据采集模块和数据融合模块运行；所述数据融合模块基于特征层多个MEMS数字检波器采集数据的融合过程；

所述存储模块存储记录MEMS数字检波器对应的地理坐标和数据融合后的地震波电动势数据；

所述三维地层反演模块将存储模块中存储的地震波反馈电动势数据进行数值转换，根据地震波加速度矢量结合数字检波器所处地理位置计算出地震波加速度的X、Y、Z分量和地震波冲击力，并描绘出三维地层剖面图，然后将监测点的地震波冲击力与设定的定位预警阈值进行比较，若计算出的地震波冲击力大于等于预警阈值向预警模块发送触发信号，并将发生地点发送给定位预警模块；若计算出的地震波冲击力小于预警阈值向预警模块发送保持绿色安全指示灯显示命令。

5.如权利要求4所述的地层裂缝监测与预警的方法，其特征在于：所述三维地层反演模块根据地震波加速度矢量结合数字检波器所处地理位置计算出地震波加速度X、Y、Z分量和地震波冲击力步骤为：

S401.多个数字检波器相对水平分布，数字检波器道间距为D，水平方位角是α，数字检波器的输出为V_out，则

式(1)中：是振动信号的加速度，K1是加速度比例因子,K0是偏值；

S402.数字检波器测量的三分量记作水平方位角为α，即分量与的夹角为α，则对应的直角OUVW坐标系为

直角坐标OUVW至标准坐标XYZ中为

式(3)即数字检波器构成的直角坐标OUVW与标准直角坐标系XYZ之间的关系；

S403.设定合加速度与平面OUV的夹角为β，从而可得

将式(4)、(5)和(6)代入式(3)中可计算出在标准OXYZ坐标系中各加速度矢量，即可得到地震波加速度X、Y、Z三分量

S404.当数字检波器响应外界地震波时，质量块A受到一外力则有

式(10)、(11)、(12)中，λ、η、μ为XYZ轴的权重系数，为质量块相对于零点的相对位移，将式(7)、(8)和(9)代入式(10)、(11)、(12)可得数字检波器轴方向到直角坐标XYZ的方程：

联立方程组可得：

式(15)的计算结果为监测的地震波冲击力F的值。

6.如权利要求4所述的地层裂缝监测与预警方法，其特征在于：所述采集控制模块采用的采集控制协议的控制过程为：PC机向FPGA发送数据采集命令；FPGA接收到PC机发送的采集命令；FPGA向PC机发送响应命令；FPGA开始采集数据，数据采集满后FPGA向PC机发送数据采集满的信号；PC机接收到FPGA采集满数据，结束数据采集命令。