本發(fā)明涉及一種地震儀方位角測量裝置及使用方法，屬于地震監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙天線gnss的地震儀方位角測量裝置及使用方法。

背景技術(shù)：

1、地震儀是一種用于記錄地面震動信號的重要儀器，廣泛應(yīng)用于地震定位、震源參數(shù)研究和地下結(jié)構(gòu)探測等方面；為了記錄地面完整的三維空間運動，目前常用的地震儀多為三分量地震儀，三分量地震儀通過檢測地震波的傳播和振動，將地面運動轉(zhuǎn)化為電數(shù)字信號并記錄下來，能夠提供地震波形數(shù)據(jù)的三個正交方向(南北、東西、垂直方向)的震動信息；在三分量地震儀的安裝過程中，方位角(地震儀相對地理北極順時針夾角)直接影響地震波形數(shù)據(jù)的水平分量準(zhǔn)確性，因此準(zhǔn)確測量方位角是確保地震儀安裝正確和測量質(zhì)量的重要步驟。然而，目前方位角的測量主要采用地磁北極加修正角的方法，即通過地質(zhì)羅盤確定地磁北極方位，再結(jié)合地理北極與地磁北極的夾角進(jìn)行修正；由于地質(zhì)羅盤容易受到如金屬礦藏等局部地磁異常和鐵制品等鐵磁性物品影響，導(dǎo)致了方位角的測量結(jié)果準(zhǔn)確度較低，測量偏差可能達(dá)到幾度至十幾度；而遠(yuǎn)震震相偏振方法、近極星天文時角法、陀螺尋北儀測量的方位角準(zhǔn)確度較高，但是使用場景有局限性、且時效性較差；綜上，目前的地震儀方位角測量技術(shù)無法兼顧準(zhǔn)確度和時效性。

2、申請?zhí)枮?02010098647.8，申請日為2020年02月18日的中國專利申請，公開了一種組合式海底地震儀方位角自動識別裝置及方法，方法以任意兩臺組合式海底地震儀的原始三分量地震計記錄的天然源背景噪聲序列為輸入數(shù)據(jù)，首先基于噪聲互相關(guān)算法求取這一對儀器之間的三分量格林函數(shù)，然后利用多個儀器對在0°至360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)水平分量的格林函數(shù)相關(guān)系數(shù)最大值獲得多個初始方位角，最后利用數(shù)據(jù)窗和統(tǒng)計分析結(jié)果對多個初始方位角篩選以確認(rèn)最終方位角，該設(shè)計通過遍歷待測地震儀方位角在0～360°的情況，與臺陣內(nèi)其它地震儀做噪聲數(shù)據(jù)互相關(guān)，求取格林函數(shù)，然后通過統(tǒng)計多臺相關(guān)系數(shù)選擇相關(guān)性最強的方向作為可能的方位角最優(yōu)解。雖然該專利通過噪聲互相關(guān)算法和格林函數(shù)計算實現(xiàn)了組合式海底地震儀的方位角識別，但其仍舊具有以下缺陷：

3、該設(shè)計需要多個位置和方位角已知的地震儀作為參考，測量的準(zhǔn)確性依賴于現(xiàn)有小孔徑臺陣，且計算過程復(fù)雜而不穩(wěn)定，導(dǎo)致無法兼顧方位角測量的準(zhǔn)確度和時效性，很難應(yīng)用于一般性的地震儀布設(shè)工作。

4、公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本專利申請的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的需要多個位置和方位角已知的地震儀作為參考，測量的準(zhǔn)確性依賴于現(xiàn)有小孔徑臺陣，且計算過程復(fù)雜而不穩(wěn)定，導(dǎo)致無法兼顧方位角測量的準(zhǔn)確度和時效性，很難應(yīng)用于一般性的地震儀布設(shè)工作的缺陷與問題，提供一種使用雙天線gnss對方位角進(jìn)行測量直接獲取方位角，測量的準(zhǔn)確性不依賴其他因素，且計算過程簡單，兼顧方位角測量的準(zhǔn)確度和時效性的基于雙天線gnss的地震儀方位角測量裝置及使用方法。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于雙天線gnss的地震儀方位角測量裝置及使用方法，所述基于雙天線gnss的地震儀方位角測量裝置包括地震儀、耦合底座、第一天線固定桿、第二天線固定桿；

3、所述地震儀的下部兩側(cè)對稱設(shè)置有第一方位指示孔、第二方位指示孔，所述地震儀還包括兩個方位指示釘，所述方位指示釘與第一方位指示孔、第二方位指示孔相適配；

4、所述耦合底座的底部呈等邊三角形分布有三個調(diào)平螺絲，三個所述調(diào)平螺絲分別與耦合底座的底部進(jìn)行固定連接；所述耦合底座的頂面位于地震儀的外側(cè)圍設(shè)置有底座水準(zhǔn)泡；

5、所述第一天線固定桿的頂部設(shè)置有第一螺口，所述第一螺口上螺紋配合有第一gnss天線；所述第一天線固定桿的下部與第一方位指示孔相應(yīng)的位置開設(shè)有貫通的第一方位固定孔；

6、所述第二天線固定桿的頂部設(shè)置有第二螺口，所述第二螺口上螺紋配合有第二gnss天線；所述第二天線固定桿的下部與第二方位指示孔相應(yīng)的位置開設(shè)有貫通的第二方位固定孔；

7、所述地震儀的底部與耦合底座進(jìn)行固定連接，所述第一天線固定桿與第二天線固定桿分別垂直固定連接于耦合底座頂部的左右兩側(cè)，并且關(guān)于耦合底座的中心線對稱分布；其中一個所述方位指示釘穿過第一方位固定孔后與第一方位指示孔進(jìn)行固定連接；另一個所述方位指示釘穿過第二方位固定孔后與第二方位指示孔進(jìn)行固定連接；所述第一gnss天線、第二gnss天線分別通過連接線與接收機(jī)進(jìn)行連接，所述接收機(jī)與電腦終端連接。

8、所述地震儀的底部固定連接有三個調(diào)平螺母；

9、所述耦合底座開設(shè)有三個貫通的腰形安裝孔，所述腰形安裝孔的位置與調(diào)平螺母的位置相對應(yīng)，所述腰形安裝孔的短邊與調(diào)平螺母的直徑進(jìn)行間隙配合；

10、所述調(diào)平螺母分別穿過對應(yīng)的腰形安裝孔后與固定螺釘進(jìn)行螺紋連接，所述地震儀的底面與耦合底座的頂面緊密貼合，所述固定螺釘?shù)念^部與耦合底座的底面緊密貼合。

11、所述第一天線固定桿與第二天線固定桿之間設(shè)置有加固橫桿；

12、所述加固橫桿與耦合底座的頂面平行，所述加固橫桿的兩端分別與第一天線固定桿和第二天線固定桿的上部同一高度位置進(jìn)行固定連接。

13、所述第一天線固定桿還包括第一加固部件，所述第二天線固定桿還包括第二加固部件；

14、所述第一加固部件的一側(cè)與第一天線固定桿的下端側(cè)面進(jìn)行固定連接，所述第一加固部件的另一側(cè)與耦合底座的頂部進(jìn)行固定連接；

15、所述第二加固部件的一側(cè)與第二天線固定桿的下端側(cè)面進(jìn)行固定連接，所述第二加固部件的另一側(cè)與耦合底座的頂部進(jìn)行固定連接。

16、所述基于雙天線gnss的地震儀方位角測量裝置還包括第三天線固定桿，所述第三天線固定桿平行于第一天線固定桿、第二天線固定桿，所述第三天線固定桿位于第一天線固定桿與第二天線固定桿所在直線的延長線上；

17、所述第三天線固定桿的頂部設(shè)置有第三螺口，所述第三螺口上螺紋配合有第三gnss天線；

18、所述第三gnss天線通過連接線與接收機(jī)進(jìn)行連接。

19、所述第一天線固定桿的側(cè)面位于加固橫桿的上方開設(shè)有照門，所述第二天線固定桿的側(cè)面位于加固橫桿的上方開設(shè)有準(zhǔn)星口；

20、所述第三天線固定桿的側(cè)面位于加固橫桿的上方開設(shè)有目標(biāo)口；

21、所述照門、準(zhǔn)星口與目標(biāo)口處于同一基準(zhǔn)線上。

22、所述加固橫桿的頂部安裝有望遠(yuǎn)鏡，所述望遠(yuǎn)鏡與照門、準(zhǔn)星口、目標(biāo)口處于同一基準(zhǔn)線上。

23、所述加固橫桿的頂部安裝有活動導(dǎo)軌，所述活動導(dǎo)軌與望遠(yuǎn)鏡連接。

24、所述使用方法包括以下步驟：

25、第一步：首先，將地震儀放置在耦合底座上調(diào)整其位置，直至地震儀的底面與耦合底座的頂面緊密貼合，且地震儀的第一方位指示孔、第二方位指示孔分別與第一方位固定孔、第二方位固定孔對齊后，停止調(diào)整地震儀；再將地震儀與耦合底座進(jìn)行固定連接，并通過方位指示釘將地震儀分別與第一天線固定桿與第二天線固定桿進(jìn)行固定連接；然后，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)平螺絲使耦合底座保持水平；

26、第二步：首先，將第一gnss天線、第二gnss天線分別螺接在第一天線固定桿的第一螺口、第二天線固定桿的第二螺口上，再將第一gnss天線、第二gnss天線通過連接線與接收機(jī)進(jìn)行連接，然后，將接收機(jī)與電腦終端進(jìn)行連接；

27、第三步：首先，同一個衛(wèi)星的gnss載波依次掃過第一gnss天線和第二gnss天線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，然后感應(yīng)電流傳輸至接收機(jī)，接收機(jī)對感應(yīng)電流進(jìn)行處理并生成數(shù)據(jù)，處理完成后的數(shù)據(jù)以觀測文件的形式輸出，電腦終端從接收機(jī)中讀取輸出文件，從中讀取觀測值和衛(wèi)星星歷信息；

28、第四步：首先，根據(jù)上述觀測值與衛(wèi)星星歷信息，計算第一gnss天線、第二gnss天線與衛(wèi)星電磁波的入射角度，以及第一gnss天線、第二gnss天線與衛(wèi)星的方位角，然后，測量第一gnss天線與第二gnss天線之間的天線間距l(xiāng)；

29、第五步：先結(jié)合上述入射角度、衛(wèi)星的方位角入射角度以及天線間距l(xiāng)，建立ab向量的水平方位角α和載波行進(jìn)距離的對應(yīng)方程，然后解算所述方程得到地震儀的方位角。

30、所述解算所述方程得到地震儀的方位角具體為：

31、δφ×λ＝l·cose·cos(a-α)；

32、其中：基線長度l，表示第一gnss天線與第二gnss天線的距離；基線方位角α，表示基線在地平面內(nèi)的方向角；載波入射仰角e，表示載波入射相對于地平線的高度角；載波入射方位角a，直接使用衛(wèi)星在地平面內(nèi)的方向角；載波相位差δφ，表示兩根天線對同一衛(wèi)星信號的載波相位差；信號波長λ。

33、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

34、1、本發(fā)明一種基于雙天線gnss的地震儀方位角測量裝置及使用方法中，包括地震儀、耦合底座、第一天線固定桿、第二天線固定桿，所述地震儀的底部與耦合底座進(jìn)行固定連接，所述第一天線固定桿與第二天線固定桿分別垂直固定連接于耦合底座頂部的左右兩側(cè)，第一天線固定桿的頂部螺紋配合有第一gnss天線，第二天線固定桿的頂部螺紋配合有第二gnss天線；應(yīng)用時，先將地震儀放置在耦合底座上并調(diào)整其位置，直至地震儀的底面與耦合底座的頂面緊密貼合，這種緊密貼合確保了地震儀與耦合底座之間的物理連接穩(wěn)定，從而減少了因接觸不良導(dǎo)致的誤差，接著將地震儀的第一方位指示孔和第二方位指示孔分別與第一天線固定桿的第一方位固定孔和第二天線固定桿的第二方位固定孔對齊，這種對齊設(shè)計確保了地震儀的方位與天線固定桿的方位完全一致，為后續(xù)測量提供了精確的基準(zhǔn)，然后將地震儀與耦合底座進(jìn)行固定連接，并通過方位指示釘將地震儀分別與第一天線固定桿和第二天線固定桿進(jìn)行固定連接，這種固定連接保證了地震儀、耦合底座和天線固定桿在測量過程中不會發(fā)生相對位移，從而提高了測量的穩(wěn)定性，整個連接過程通過機(jī)械定位和固定安裝，提高了時效性，接下來，通過調(diào)節(jié)耦合底座的水平度來調(diào)整地震儀的水平度，確保地震儀的垂直分量(z方向)指向正確，最后，利用第一天線固定桿和第二天線固定桿頂部螺紋配合的第一gnss天線和第二gnss天線，通過載波相位差測量方法直接計算方位角，天線固定桿的垂直安裝和等長設(shè)計確保了兩根天線之間的基線長度穩(wěn)定且精確，從而進(jìn)一步提高了載波相位差測量的準(zhǔn)確性，通過限制裝置的基線長度和姿態(tài)，排除了方位角以外的其他變量，只用求解地震儀方位角這一個變量，避免了多變量求解時可能出現(xiàn)的誤差累積和變量之間的相互干擾，使得求解過程更加直接、簡單，同時，雙天線gnss方法采用單時鐘同步測量和實時載波相位差解算技術(shù)，數(shù)據(jù)處理過程無需復(fù)雜迭代或長期數(shù)據(jù)積累，相比于星象、震相偏振分析等方法，顯著降低了對觀測條件和周期的依賴，從而在保障測量精度的同時實現(xiàn)高效輸出，適用于一般性的地震儀布設(shè)工作。因此，本發(fā)明不僅可以測量方位角，而且兼顧了方位角測量的準(zhǔn)確度和時效性。

35、2、本發(fā)明一種基于雙天線gnss的地震儀方位角測量裝置及使用方法中，耦合底座開設(shè)有三個貫通的腰形安裝孔，腰形安裝孔的位置與調(diào)平螺母的位置相對應(yīng)，調(diào)平螺母分別穿過對應(yīng)的腰形安裝孔后與固定螺釘進(jìn)行螺紋連接；應(yīng)用時，首先將調(diào)平螺母穿過耦合底座的腰形安裝孔，使地震儀底面與耦合底座頂面緊密貼合，然后將調(diào)平螺母與固定螺釘螺紋連接，直至固定螺釘頭部與耦合底座底面緊密貼合，從而實現(xiàn)地震儀與耦合底座的固定連接，并確保二者處于同一水平面，通過調(diào)整耦合底座的水平度，可以相應(yīng)地調(diào)整地震儀的水平度，通過螺紋連接即可實現(xiàn)地震儀與耦合底座的固定，便于快速安裝和調(diào)整，耦合底座與地震儀的緊密貼合設(shè)計，確保了二者處于同一水平面，提高了測量的穩(wěn)定性，調(diào)平螺母和固定螺釘?shù)呐浜显O(shè)計，使得裝置的安裝和拆卸過程簡便快捷，此外，耦合底座的尺寸設(shè)計緊湊，僅需容納地震儀、兩個天線固定桿和底座水準(zhǔn)泡，方便攜帶。因此，本發(fā)明不僅兼顧了方位角測量的準(zhǔn)確度和時效性，而且結(jié)構(gòu)簡單便攜，安裝拆卸方便。

36、3、本發(fā)明一種基于雙天線gnss的地震儀方位角測量裝置及使用方法中，裝置還包括第三天線固定桿，所述第三天線固定桿平行于第一天線固定桿、第二天線固定桿，所述第三天線固定桿位于第一天線固定桿與第二天線固定桿所在直線的延長線上；應(yīng)用時，第三天線固定桿為備用桿，高度可調(diào)，底部可換，配有扎入土中的尖錐和放置在水泥地的底座，能夠適應(yīng)不同的安裝環(huán)境，如野外或城市環(huán)境，通過使用備用的第三天線固定桿，可以延長基線長度，增加測量的靈活性，基線長度的調(diào)整可以根據(jù)實際測量需求和環(huán)境條件進(jìn)行優(yōu)化，以提高測量精度。因此，本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡單便攜，安裝拆卸方便，而且測量過程較為靈活，適用范圍較廣。

37、4、本發(fā)明一種基于雙天線gnss的地震儀方位角測量裝置及使用方法中，第一天線固定桿與第二天線固定桿分別垂直固定連接于耦合底座頂部的左右兩側(cè)，第三天線固定桿平行于第一天線固定桿、第二天線固定桿；應(yīng)用時，由于第一天線固定桿與第二天線固定桿直接與耦合底座進(jìn)行固定連接，第一天線固定桿、第二天線固定桿分別與地震儀的第一方位指示孔、第二方位指示孔進(jìn)行固定連接，第三天線固定桿平行于第一天線固定桿、第二天線固定桿，使第一天線固定桿、第二天線固定桿、第三天線固定桿均與耦合底座保持垂直關(guān)系，所以在耦合底座調(diào)至水平(即垂直分量調(diào)整準(zhǔn)確)后，第二gnss天線或第三gnss天線相對于第一gnss天線的方位角與地震儀的方位角相同，此時，直接測量雙天線gnss系統(tǒng)的方位角即可得到地震儀的方位角，無需考慮其他因素，使得定性和定量驗證更為直觀，不需要復(fù)雜的測量設(shè)備，如高精度的陀螺尋北儀等，降低了測量成本。因此，本發(fā)明不僅適用范圍較廣，而且測量成本較低。