專利名稱：一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法，能實(shí)現(xiàn)礦井、地下軍事設(shè)施、人防隧道等地下設(shè)施在常用通信方式無法使用的條件下，通過信息發(fā)送裝置 的機(jī)械方式或人工方式敲擊地下已有的(或?qū)ｉT預(yù)置的)剛性管道、通風(fēng)管道、運(yùn)輸鐵軌等 剛性介質(zhì)，產(chǎn)生聲脈沖信號，聲脈沖信號通過剛性介質(zhì)傳輸?shù)降孛妫孛媸褂脤Ｓ玫男畔⒔?收裝置檢測分析聲脈沖信號并還原出發(fā)送方發(fā)送的信息，以建立地下到地面的通信。地下 也有地面的信息接收裝置，地面也有地下的信息發(fā)送裝置，將地下和地面的通信方式互換， 能夠?qū)崿F(xiàn)地上與地下之間的雙向通信。本發(fā)明可以為地下設(shè)施發(fā)生災(zāi)難實(shí)施營救時的通信 保障提供一種新的方法。
背景技術(shù)：
地下設(shè)施中地下與地面之間的最低限度通信是一個值得研究的重要問題。目前， 礦井、地下軍事設(shè)施、人防隧道等地下設(shè)施的地下深度能夠達(dá)到幾百米，例如我國大型煤 礦、朝鮮和伊朗的核設(shè)施都在地下400多米。以礦井為例，國家發(fā)改委對國內(nèi)煤礦開采深度 的統(tǒng)計(jì)顯示，大中型煤礦平均開采深度456米。礦井下地質(zhì)條件非常復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣， 環(huán)境中存在著大量的有爆炸危險(xiǎn)的一氧化碳、瓦斯及煤塵等空氣混合體，事故隱患極大，嚴(yán) 重威脅井下人員的生命安全。一旦發(fā)生瓦斯爆炸、塌方等礦難極有可能導(dǎo)致有線通信線路 和動力線纜斷路、井下有線和無線通信完全中斷，無法建立幸存者和地面營救人員之間的 通信聯(lián)絡(luò)?，F(xiàn)有的地下設(shè)施中地下和地面之間的通信中有線通信和無線通信并存，以有線通 信居多。無線通信由于電波的穿透性差，難以覆蓋地下設(shè)施的全部區(qū)域，而有線通信由于設(shè) 置固定位置的通信終端(語音為主)，難以保障地下營救時的通信。這些通信方式平時都能 很好的工作，可以保障通信任務(wù)的完成。但在遭遇礦井瓦斯爆炸、人防隧道塌方、地下軍事 設(shè)施遭到爆破性武器持續(xù)攻擊時，由于地下設(shè)施中固定的有線通信終端和無線通信基站數(shù) 目有限且都容易損壞，完全可能致使通信鏈路中斷。發(fā)生地下事故和災(zāi)難時，地面營救人員 迫切希望了解地下設(shè)施中是否還有幸存者、幸存者所在具體位置、幸存者周圍的地形狀況 等關(guān)鍵營救信息，而這些信息可能用已有的通信系統(tǒng)無法由地下幸存者從地下給出。地下設(shè)施受到爆破性武器攻擊或發(fā)生地下災(zāi)難等事故后，可能產(chǎn)生較為復(fù)雜的地 質(zhì)情況和地質(zhì)構(gòu)造。例如，發(fā)生塌方后，某個人幸存下來后，即便離他十米處有一個有線通 信終端還可供使用，但由于地形阻隔，無法使用。根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平，地下和地面之間的通信應(yīng)該是多種通信方式并存，這樣不 同的通信方式可以發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，互為補(bǔ)充。為此本發(fā)明構(gòu)想利用不易損壞的剛性管道作為信道，建立地下和地面之間聲通信 的鏈路。這些已有的(或?qū)ｉT預(yù)置的)剛性管道、通風(fēng)管道、運(yùn)輸鐵軌等剛性介質(zhì)可以連通 地下設(shè)施各個工作面和地面，發(fā)生地下災(zāi)難后，可能導(dǎo)致這些剛性介質(zhì)彎曲變形但不易完 全折斷，因此傳聲的物理基礎(chǔ)仍然可能存在。故可以通過敲擊這些剛性介質(zhì)發(fā)送聲脈沖信號的形式實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收信息，接收端設(shè)備按通信協(xié)議完成信息恢復(fù)，建立雙向通信，使之 作為多種地下和地面通信方式中的一種，不同方式之間可以互為補(bǔ)充和完善。這是有理論依據(jù)的，例如一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下聲音在鋼鐵中傳播的速度是5200m/ s，聲波能量損耗以縱波傳播方式最小，只要敲擊能量源足夠大，完全可以傳送幾百米甚至 上千米的距離。在接收敲擊聲脈沖信號時，可以利用先進(jìn)的聲信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地下設(shè)施 中地下與地面之間關(guān)鍵信息的發(fā)送和接收。本發(fā)明闡述的用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法也同樣適用于隧道、人防設(shè)施和地下軍事指揮所以及其它地下設(shè)施在發(fā)生災(zāi)難和事故等條件下的通信，各種地 下設(shè)施在建設(shè)或維護(hù)時可預(yù)置專用傳聲性能好的剛性管道與地面多處連通(或利用已有 剛性管道)，可以為保障地下幸存者和地面營救人員在上述條件下的通信提供一種新的技 術(shù)方法。國內(nèi)在已發(fā)生的礦難(或地下設(shè)施發(fā)生事故)營救中，營救人員幾乎完全不知道 井下的情況。所制定的營救計(jì)劃缺乏準(zhǔn)確的井下幸存者的信息支撐，因此并非最佳方案。這 一問題在國內(nèi)外均存在，是一個有共性的問題。為解決這一世界性難題，本發(fā)明闡述了利用 地下設(shè)施中不易損壞的已有的(或?qū)ｉT預(yù)置的)剛性管道、通風(fēng)管道或運(yùn)輸鐵軌等剛性介 質(zhì)作為信道傳送信息，建立通信的方法。本發(fā)明主要利用專用預(yù)置金屬管道和運(yùn)輸鐵軌作為兩個具體實(shí)施例來表明本發(fā) 明所闡述的用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信方法的可靠性和有效性，具體內(nèi)容在具 體實(shí)施方式部分詳細(xì)描述。

發(fā)明內(nèi)容
地下設(shè)施發(fā)生災(zāi)難和事故后，由于地下設(shè)施的地下結(jié)構(gòu)可能面積龐大，地形和地 質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地面營救人員迫切需要了解地下設(shè)施中是否還有幸存者、有多少幸存者、幸存 者所在具體位置、幸存者周圍的地形狀況等關(guān)鍵營救信息，而這些信息可能用已有的通信 系統(tǒng)無法由地下幸存者從地下給出。而如果缺乏準(zhǔn)確的地下幸存者的信息支撐，就難以制 定有效的和最佳的營救計(jì)劃，為此本發(fā)明公開了一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通 信的方法，該方法可以與其它多種通信方式并存，互為補(bǔ)充，為地下營救時地下與地面的通 信保障提供一種新的技術(shù)方法。通過鍵控便攜式發(fā)信機(jī)(或經(jīng)過專門訓(xùn)練的人)控制鐵錘 按編碼規(guī)則敲擊地下設(shè)施已有的(或?qū)Ｓ玫?剛性管道、通風(fēng)管道、運(yùn)輸鐵軌等剛性介質(zhì)以 產(chǎn)生聲脈沖信號，根據(jù)聲脈沖的個數(shù)和聲脈沖之間的時間間隔所表示的不同的敲擊方式可 以表示數(shù)字信息“0”、“1”。根據(jù)地下營救的特點(diǎn)，通過不同位數(shù)的“0” “1”組合，可表示大 量不同的通信編碼信息。敲擊所產(chǎn)生的聲脈沖信號通過地下設(shè)施已有(或?qū)Ｓ?的剛性管 道、通風(fēng)管道、運(yùn)輸鐵軌等剛性介質(zhì)傳輸?shù)降孛妫孛媸招旁O(shè)備通過帶封閉罩的高靈敏度拾 音器獲取傳輸?shù)穆暶}沖信號，并對該模擬信號進(jìn)行采樣，中央處理單元對采樣得到的數(shù)字 信號采用信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對聲脈沖信號的記錄、自動檢測、識別和譯碼，完成地下到地面 的通信任務(wù)。在地下和地面都配備信息發(fā)送和收信裝置以完成地下和地面的雙向通信。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的信息表示方法，可以根據(jù)以往地下災(zāi)難營救中所需的關(guān)鍵信息 編碼制定信息表，即為碼本，一組不同位數(shù)的“0” “1”組合指向營救所需的一條關(guān)鍵信息， 比如是否缺氧、幸存者的工作面位置、有多少人幸存等等，不同的碼組的組合可表示大量的不同編碼信息，能極大地提高了傳輸信息的效率。采用本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)的通信終端，是可以移動的，避免了有線通信終端受電纜 長度和設(shè)置地點(diǎn)固定的限制，只要有剛性管道存在，就可以根據(jù)地下地形條件，就近使用， 開展地下和地面的通信。地面設(shè)備在營救期間，可以長期不間斷無人值守，一旦收到地下被 困人員發(fā)出的信息，將會自動檢測識別給出接收信息的內(nèi)容，同時給予語音提示，這將極大 減輕地面營救人員的工作強(qiáng)度。在發(fā)信地點(diǎn)布置上也可以非常靈活，完全可以和地下有線 終端擺放位置錯開，彼此形成互為補(bǔ)充的通信方式。采用本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)的通信終端，由 于采用電池組供電，自帶電源，不受地下事故發(fā)生后斷電的困擾。采用本發(fā)明設(shè)計(jì)的通信方式，能夠?qū)崿F(xiàn)地下被困人員向地面營救人員傳遞出地下幸存者所在的位置、幸存人員的數(shù)目、幸存人員所處位置的大致地質(zhì)情況等營救所需的關(guān) 鍵信息，這對地面救援人員快速制定科學(xué)的營救策略、爭取營救時間是非常重要的。同時， 由于地下也有地面的信息接收裝置，地面也有地下的信息發(fā)送裝置，將地下到地面的通信 方式互換，完全能夠?qū)崿F(xiàn)地上到地下的通信。地面信息也可以有效傳遞到地下發(fā)出信息的 幸存人員處，這也有利于建立地下幸存人員堅(jiān)持的信心，增大獲得營救的概率。因此，本發(fā) 明具有明顯的社會效益。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是根據(jù)所需信息量的大小，對敲擊聲脈沖信號進(jìn)行多位數(shù)字“0” “1”編碼。“0”碼 和“ 1，，碼用不同的敲擊次數(shù)和間隔加以區(qū)分，為提高容錯性能，連續(xù)敲擊η次代表“0”碼， 連續(xù)敲擊Ii1次代表“1”碼，連續(xù)敲擊ri2次代表“報(bào)頭”。設(shè)置同碼組內(nèi)每兩次敲擊的間隔時 間為Τ，“0”碼和“1”碼間隔3Τ，“0”、“1”兩種信息碼組和“報(bào)頭”之間間隔為5Τ。為提高 通信的時效性，適應(yīng)于地下設(shè)施發(fā)生災(zāi)難和事故的使用條件，方案規(guī)定“報(bào)頭”和各碼組以 及它們之間間隔的組合為一條報(bào)文，同時指向制定的通信碼本中的一條關(guān)鍵信息。發(fā)信端由經(jīng)過專門訓(xùn)練的人員采用鐵錘敲擊進(jìn)行人工發(fā)報(bào)或鍵控便攜式發(fā)信機(jī) 控制鐵錘進(jìn)行機(jī)械發(fā)報(bào)，人工發(fā)報(bào)方式操作簡單，發(fā)報(bào)人員只要有鐵錘等剛性物件即可發(fā) 報(bào)，但一般人員難以控制敲擊能量和碼時間隔，對接收端的信號檢測識別算法要求高，除非 該人員經(jīng)過專門訓(xùn)練。機(jī)械發(fā)報(bào)方式能嚴(yán)格控制敲擊能量和碼時間隔，降低誤判率。便攜 式發(fā)信機(jī)的數(shù)控鍵盤和信息輸入裝置上的單個或其組合按鍵對應(yīng)碼本中的每條關(guān)鍵信息， 設(shè)置“清除”和“發(fā)送”兩功能按鍵，發(fā)報(bào)時鍵入碼本關(guān)鍵信息的序號，同時信息在嵌入式微 型計(jì)算機(jī)顯示屏上顯示，鍵入錯誤時按“清除”鍵清除鍵入數(shù)字，無錯誤時按“發(fā)送”鍵，步 進(jìn)電機(jī)接收嵌入式微型計(jì)算機(jī)的指令帶動敲擊鐵錘完成多次敲擊動作以產(chǎn)生聲脈沖信號， 完成信息發(fā)送。此外，還可以人工輸入發(fā)信內(nèi)容，由嵌入式微型計(jì)算機(jī)根據(jù)事先定義的編碼規(guī)則 自動翻譯成“0”、“1”序列，并控制步進(jìn)電機(jī)帶動敲擊鐵錘完成多次敲擊動作以產(chǎn)生聲脈沖 信號，完成信息發(fā)送。信道主要選擇地下已有的(或?qū)ｉT預(yù)置的)剛性管道、通風(fēng)管道、運(yùn)輸鐵軌等剛性 介質(zhì)。首選專用的預(yù)置剛性管道，各地下設(shè)施在設(shè)置時盡量垂直于地面設(shè)置，減少管道長度 從而減小聲音傳播時的聲能損耗，具體布設(shè)時以實(shí)際地形為準(zhǔn)。為減小采集時環(huán)境噪聲的影響，在接收端將高靈敏度拾音器置于橡膠材質(zhì)的封閉 罩內(nèi)，該封閉罩盡可能與管道無縫接觸，盡量隔絕采集端所在位置上環(huán)境噪聲的影響，拾取地下傳來的敲擊聲脈沖信號。利用數(shù)據(jù)采集卡和中央處理單元將采集的信號記錄、存儲為 文件后進(jìn)行處理，亦可直接進(jìn)行處理。處理中對信號進(jìn)行能量檢測以提取特征參數(shù)，最后對 各敲擊脈沖和碼間間隔按編碼規(guī)則進(jìn)行模糊聚類加以識別，再通過中央處理單元的專用軟 件參照通信碼本進(jìn)行譯碼，結(jié)果可在中央處理單元的界面上顯示或語言播報(bào)，達(dá)到獲取關(guān) 鍵信息的目的。本發(fā)明的有益效果是可以在礦井、地下軍事設(shè)施、人防隧道等地下設(shè)施發(fā)生災(zāi)難和事故時接收和發(fā)送關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)此條件下的通信。本發(fā)明特別能在和平時期礦難營救 中為營救工作順利展開提供一種新的通信保障方法。戰(zhàn)時可為人防和地下軍事設(shè)施提供另 外一種具有“頑存性”的地下應(yīng)急備用的通信方法。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的發(fā)信原理框圖。圖2是本發(fā)明便攜式發(fā)信機(jī)的縱剖面構(gòu)造3是本發(fā)明封閉罩縱剖面構(gòu)造4是本發(fā)明第一個實(shí)施例的連接示意5是本發(fā)明第二個實(shí)施例的連接示意1中發(fā)信端提供兩種發(fā)報(bào)方式經(jīng)過訓(xùn)練的人工方式101和機(jī)械方式102。信 道103即為傳輸聲脈沖信號的剛性管道。拾音器104要求靈敏度高。采集卡105選擇便攜 式低功耗卡。中央處理單元106完成采集信號的所有數(shù)據(jù)處理，包括儲存、檢測、識別、譯碼 等。電池組107為拾音器104、采集卡105和中央處理單元106供電，設(shè)置為循環(huán)充電的鋰 離子電池組或蓄電池組，以方便攜行。圖2中便攜式發(fā)信機(jī)主要由嵌入式微型計(jì)算機(jī)208和步進(jìn)電機(jī)205構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)鍵 控敲擊以產(chǎn)生特定聲脈沖信號的功能。圖中201為可調(diào)固定卡，202為伸縮桿，203為方位 調(diào)節(jié)器，204為敲擊鐵錘，205為步進(jìn)電機(jī)，206為電源盒，207為數(shù)控鍵盤和信息輸入裝置。 其中敲擊鐵錘204為發(fā)報(bào)必備裝置。為做到便攜式的要求，整機(jī)由12V直流電控制，電源盒 206在步進(jìn)電機(jī)205旁邊，電源盒206中裝有可循環(huán)充電的鋰離子電池組或蓄電池組。應(yīng)用 中電源盒206可以和電池組107共用。嵌入式微型計(jì)算機(jī)208與步進(jìn)電機(jī)205、數(shù)控鍵盤和 信息輸入裝置207相連接實(shí)現(xiàn)鍵控功能。圖3所示的封閉罩301選擇橡膠材質(zhì)，拾音器104設(shè)置在封閉罩內(nèi)合適的位置，使 之能更好地接觸剛性介質(zhì)，設(shè)置可伸縮的固定環(huán)302使之與剛性介質(zhì)無縫接觸，隔離采集 時的環(huán)境噪聲，提高待處理信號的信噪比。圖4的實(shí)施例中，采用圖2闡述的便攜式發(fā)信機(jī)402進(jìn)行機(jī)械方式發(fā)報(bào)，信道選擇 32層的高樓消防供水管道401，管道內(nèi)隨時充滿了水，水能吸收聲波能量，用于模擬實(shí)際聲 脈沖傳播環(huán)境中聲脈沖信號發(fā)生損耗的情況。為增加實(shí)施難度，封閉罩403暫不采用圖3所 示的橡膠材質(zhì)的封閉罩301，而采用厚紙盒捆綁固定，只能少部分隔離采集時的環(huán)境噪聲， 以此檢驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性能。采集卡105、拾音器104、中央處理器106由電池組107供電，采 集卡105與中央處理單元106通過便捷的USB接口連接。圖5的實(shí)施例中，由經(jīng)過專門訓(xùn)練的人采用人持鐵錘502進(jìn)行人工方式發(fā)報(bào)，信道選擇長度為100米的鐵軌501，地處市區(qū)環(huán)境噪聲很強(qiáng)，以此檢驗(yàn)收信機(jī)部分檢測和識別信 號的能力。采用橡膠材質(zhì)的封閉罩301隔離市區(qū)嘈雜的環(huán)境噪聲，采集卡105、拾音器104、 中央處理器106由電池組107供電，采集卡105與中央處理單元106通過便捷的USB接口連接。
具體實(shí)施方式

下面參照附圖，詳細(xì)描述本發(fā)明具體實(shí)施方式
。圖1示出了本發(fā)明的發(fā)信原理框圖，其各部分組成包括發(fā)信端依據(jù)發(fā)信操作簡單、方便攜行、穩(wěn)定可靠的原則，按照本發(fā)明闡述的技術(shù) 方案，設(shè)計(jì)了人工發(fā)報(bào)和機(jī)械發(fā)報(bào)兩種發(fā)信方式，可供實(shí)際應(yīng)用中選擇。信道部分利用已有的剛性管道(或在新建地下設(shè)施和維護(hù)時預(yù)置多條專用的傳 聲效果好的剛性管道)，管道盡可能的與地面垂直，以縮短距離，減小聲能傳播損耗，管道可 連通地下設(shè)施的各個工作點(diǎn)，但具體布設(shè)時應(yīng)根據(jù)實(shí)際地形而定。收信端拾音器104的頻率響應(yīng)在20Hz 20KHz。主要硬件為數(shù)據(jù)采集卡105，實(shí) 施時選用一種型號為9215A的數(shù)據(jù)采集卡。該數(shù)據(jù)采集模塊具有低功耗、集成式信號調(diào)理 功能，通過USB接口可以實(shí)現(xiàn)即插即用，與中央處理單元106方便連接，使設(shè)置和測量更加 快捷。主要軟件為虛擬儀器軟件LabVIEW和數(shù)學(xué)計(jì)算編程軟件Matlab。 LabVIEff (LaboratoryVirtual Instrument Engineering Work-bench,實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工 程平臺)，它是基于圖形化編程語言G的開發(fā)環(huán)境，利用它能很方便的采集記錄數(shù)據(jù)，在 LabVIEff的MathScript節(jié)點(diǎn)內(nèi)填寫檢測識別核心算法，譯碼輸出結(jié)果能形象直觀的顯示在 虛擬儀器面板上或語音播報(bào)。在圖2所示的便攜式發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)中，針對地下設(shè)施發(fā)生災(zāi)難和事故時的具體實(shí)際 情況，所有設(shè)計(jì)應(yīng)力求操作簡單、便捷。被困人員在危急狀況下不可能進(jìn)行復(fù)雜的發(fā)報(bào)工 作，為此可調(diào)固定卡201可方便的固定發(fā)信機(jī)，以至于保證每次敲擊的能量和時間間隔均 勻，這樣便于地面接收時的進(jìn)行能量檢測和間隔識別等信號處理。伸縮桿202和方位調(diào)節(jié) 器203可以方便的調(diào)節(jié)發(fā)信機(jī)和剛性管道的距離和方位。在嵌入式微型計(jì)算機(jī)208的控制 下，步進(jìn)電機(jī)205驅(qū)動敲擊鐵錘204。數(shù)控鍵盤和信息輸入裝置207上的按鍵對應(yīng)碼本中的每條關(guān)鍵信息，設(shè)置“清除” 和“發(fā)送”兩功能按鍵，發(fā)報(bào)時鍵入碼本關(guān)鍵信息的序號，鍵入錯誤時按“清除”鍵清除鍵入 數(shù)字，無錯誤時按“發(fā)送”鍵，數(shù)控鍵盤和信息輸入裝置207所有的操作指令送入嵌入式微 型計(jì)算機(jī)208處理，在嵌入式微型計(jì)算機(jī)208的控制下，步進(jìn)電機(jī)205帶動敲擊鐵錘204完 成規(guī)定的多次敲擊動以產(chǎn)生聲脈沖信號，完成信息的發(fā)送。電源盒206可和電池組107共 用，為嵌入式微型計(jì)算機(jī)208、步進(jìn)電機(jī)205提供電源。圖3所示的封閉罩裝置301，主要用于隔離采集時的環(huán)境噪聲。設(shè)計(jì)為橡膠材質(zhì)、 半球型，拾音器104設(shè)置在封閉罩內(nèi)合適的位置，使之能更好地接觸剛性介質(zhì)，在邊緣加可 伸縮的固定環(huán)302使之能和傳聲的剛性介質(zhì)方便的無縫地連接，盡可能隔絕聲信號采集卡 所在位置的環(huán)境噪聲的干擾。下面闡述本發(fā)明的第一個實(shí)施例。
在圖4所示的實(shí)施例中，選擇高樓的消防供水管道401作為傳聲信道，選用圖2中 的便攜式發(fā)信機(jī)發(fā)送信息。采集時采用單通道采集聲脈沖信號，采樣率為44. IKHz，拾音器104選擇TRADI0TM 系列的TR25498型拾音器。檢測時對采集到的聲脈沖信號按幀長512點(diǎn)進(jìn)行分幀，設(shè)置幀 移為128點(diǎn)，對信號加矩形窗處理，所加矩形窗窗長128點(diǎn)，對信號進(jìn)行端點(diǎn)檢測，設(shè)置端點(diǎn) 檢測的門限以去除噪聲的影響。繼而按編碼規(guī)則進(jìn)行模糊聚類以識別敲擊所產(chǎn)生的聲脈沖 和各碼時間隔。整個裝置的工作過程如下圖2闡述的便攜式發(fā)信機(jī)402與高樓消防水管401相連接，用可調(diào)固定卡201保持固定，并通過伸縮桿202和方位調(diào)節(jié)器203調(diào)節(jié)距離和方位，發(fā)信者在數(shù)控鍵盤和信息輸 入裝置207鍵入代表信息的數(shù)字，鍵盤上的數(shù)字按鍵對應(yīng)碼本中的每條關(guān)鍵信息，設(shè)置“清 除”和“發(fā)送”兩功能按鍵，鍵入錯誤時按“清除”鍵清除鍵入數(shù)字，無錯誤時按“發(fā)送”鍵。所 有指令送入嵌入式微型計(jì)算機(jī)208，經(jīng)過處理后，嵌入式微型計(jì)算機(jī)208控制步進(jìn)電機(jī)205， 步進(jìn)電機(jī)205帶動敲擊鐵錘204完成多次敲擊產(chǎn)生聲脈沖信號，完成信息發(fā)送。接收端為隔離采集時的環(huán)境噪聲和檢驗(yàn)中央處理單元檢測、識別信號的能力，高 靈敏度拾音器104置于厚紙盒制成的封閉罩403中，盡可能與高樓消防供水管401無縫接 觸，利用便攜式數(shù)據(jù)采集卡105，結(jié)合虛擬儀器軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)信號的采集與記錄，編程 實(shí)現(xiàn)信號的檢測、識別和譯碼。信道103選擇如上所述的消防供水管道401，以此模擬地下通信設(shè)施的專用的預(yù) 置剛性管道。消防供水管401穿通各個樓層，并且管內(nèi)充滿了水，水能吸收聲波的能量。在 100米消防供水管實(shí)驗(yàn)中采集到的敲擊聲脈沖信號信噪比較高，端點(diǎn)檢測設(shè)置門限為0. 3， 檢測識別效果明顯，驗(yàn)證了中央處理單元具有較好的信號檢測、識別能力。下面闡述本發(fā)明的第二個實(shí)施例。在圖5所示的實(shí)施例中，選擇鐵軌501作為傳聲信道，以人工方式發(fā)報(bào)，實(shí)施中實(shí) 驗(yàn)人員經(jīng)過專門訓(xùn)練，敲擊力度和時間間隔比較均勻。采集時采用單通道采集聲脈沖信號，采樣率為44. IKHz，拾音器104選擇TRADI0TM 系列的TR25498型拾音器。檢測時對采集到的信號按幀長512點(diǎn)進(jìn)行分幀，設(shè)置幀移為128 點(diǎn)，對信號加矩形窗處理，所加矩形窗窗長128點(diǎn)，對信號進(jìn)行端點(diǎn)檢測，設(shè)置端點(diǎn)檢測的 門限以去除噪聲的影響。繼而按編碼規(guī)則進(jìn)行模糊聚類以識別敲擊所產(chǎn)生的聲脈沖和各碼 時間隔。整個裝置的工作過程如下在本實(shí)施例中，選擇人工發(fā)報(bào)方式，通過經(jīng)專門訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)人員手持鐵錘502按 編碼規(guī)則敲擊鐵軌501發(fā)報(bào)，以檢驗(yàn)本發(fā)明的可實(shí)現(xiàn)性。對實(shí)驗(yàn)人員的要求是能夠熟練將 發(fā)送內(nèi)容轉(zhuǎn)換成不同的敲擊次數(shù)和控制時間間隔。人工發(fā)報(bào)區(qū)別于第一個實(shí)施例中的機(jī)械發(fā)報(bào)主要在于敲擊能量和碼時間隔，人工 發(fā)報(bào)每次敲擊能量和碼時間隔都不均勻，這對接收端信號的檢測和識別提出了更高的要 求。本著便捷的宗旨，人工發(fā)報(bào)方式“0”碼和“1”碼同樣用不同的敲擊次數(shù)加以區(qū)分，此方 式下連續(xù)敲擊3次代表“0”碼，連續(xù)敲擊6次代表“1”碼，連續(xù)敲擊9次代表“報(bào)頭”。假設(shè) 同組內(nèi)每兩次敲擊間隔為T，那么設(shè)置“ 0 ”碼和“ 1 ”碼間隔3T，“ 0 ”、“ 1”和“報(bào)頭”之間間隔為5T?！皥?bào)頭”和各碼組以及它們之間間隔的組合為一條報(bào)文并指向一條關(guān)鍵信息。接收端同樣利用第一個實(shí)施例的收信機(jī)部分，將高靈敏度拾音器104置于橡膠材 質(zhì)的封閉罩301內(nèi)，盡可能與鐵軌501內(nèi)側(cè)接觸以隔離環(huán)境噪聲，利用數(shù)據(jù)采集卡105，結(jié)合 虛擬儀器軟件LabVIEW和中央處理單元106實(shí)現(xiàn)信號的檢測、識別和譯碼。信道選擇與第一個實(shí)施例相同長度的鐵軌501傳輸聲脈沖信號，由于聲波能量在 固體中比在液體和氣體衰減快，采集到的信號能量降低，信噪比有所下降，所以在對信號進(jìn) 行端點(diǎn)檢測時門限設(shè)置為0. 5，即可識別敲擊所產(chǎn)生的聲脈沖信號和碼時間隔信息，完成信 息的接收。
由于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員根據(jù)本方明方案很容易進(jìn)行多種的改進(jìn)和變化，所以 希望所有的適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和等效都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法，其特征是發(fā)信端通過鍵控便攜式發(fā)信機(jī)(或經(jīng)過專門訓(xùn)練的人)控制鐵錘按編碼規(guī)則敲擊地下設(shè)施已有的(或?qū)Ｓ玫?剛性管道、通風(fēng)管道、運(yùn)輸鐵軌等剛性介質(zhì)以產(chǎn)生聲脈沖信號；根據(jù)聲脈沖的個數(shù)和聲脈沖之間的時間間隔所表示的不同的敲擊方式表示數(shù)字信息“0”、“1”，不同位數(shù)的“0”“1”組合，表示大量不同的編碼信息；敲擊所產(chǎn)生的聲脈沖信號以地下設(shè)施已有(或?qū)Ｓ?的剛性管道、通風(fēng)管道、運(yùn)輸鐵軌等剛性介質(zhì)為信道傳輸，收信端通過帶封閉罩的高靈敏度拾音器獲取聲脈沖信號，并對該模擬信號進(jìn)行采樣，中央處理單元對采樣得到的數(shù)字信號采用信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對聲脈沖信號的記錄、自動檢測、識別和譯碼，完成地下與地面的雙向通信任務(wù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法，其便攜 式發(fā)信機(jī)主要由嵌入式微型計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和數(shù)控鍵盤和信息輸入裝置構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)鍵控 敲擊以產(chǎn)生特定聲脈沖信號的功能，其它部件包括可調(diào)固定卡、伸縮桿、方位調(diào)節(jié)器、敲擊 鐵錘、電源盒，其特征是便攜式設(shè)計(jì)，方便固定、方位可調(diào)節(jié)以及能進(jìn)行發(fā)信操作，自帶可 循環(huán)充電的鋰離子電池組或蓄電池組作為電源，適合地下出現(xiàn)災(zāi)難和事故時使用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法，其收信 端包括拾音器、采集卡、中央處理單元和電池組，其特征是拾音器靈敏度高；采集卡，用于 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，記錄并存儲數(shù)據(jù)；中央處理單元，用于軟件實(shí)現(xiàn)聲脈沖信號記錄、檢測、識別 和譯碼的功能；電池組可與便攜式發(fā)信機(jī)電源共用，選用循環(huán)充電的鋰離子電池組或蓄電 池組為拾音器、采集卡和中央處理單元提供電源，適合地下出現(xiàn)災(zāi)難和事故時使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法， 其特征是信道即傳聲設(shè)施選擇傳聲效果好且不易損壞的已有的(或?qū)Ｓ玫?剛性管道、通 風(fēng)管道、運(yùn)輸鐵軌等剛性介質(zhì)；便攜式發(fā)信機(jī)與剛性介質(zhì)通過可調(diào)固定卡固定連接；拾音 器置于封閉罩內(nèi)通過可伸縮的固定環(huán)與剛性介質(zhì)無縫接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法， 其特征是發(fā)信端發(fā)信方式可選擇機(jī)械發(fā)報(bào)方式或由經(jīng)過專門訓(xùn)練的人采用人工發(fā)報(bào)方 式；收信端譯碼信息可選擇界面顯示或語音播報(bào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法， 其特征是橡膠材質(zhì)的封閉罩設(shè)計(jì)為半球型，拾音器置于罩內(nèi)合適位置，使之盡可能接觸剛 性介質(zhì)，隔離環(huán)境噪聲，增加采集到的聲脈沖信號的信噪比。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法， 其特征是數(shù)據(jù)采集部分選擇便攜式數(shù)據(jù)采集卡采集聲脈沖信號，便攜式數(shù)據(jù)采集卡與中 央處理單元通過USB接口連接，操作簡單。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法， 其特征是對采集到的聲脈沖信號采用端點(diǎn)檢測和模糊聚類的方法實(shí)現(xiàn)聲脈沖信號的檢測 和識別。
全文摘要
一種用于地下營救時地下與地面進(jìn)行聲通信的方法，通過鍵控便攜式發(fā)信機(jī)(或經(jīng)過專門訓(xùn)練的人)控制鐵錘按編碼規(guī)則敲擊地下設(shè)施已有的(或?qū)Ｓ玫?剛性管道、通風(fēng)管道、運(yùn)輸鐵軌等剛性介質(zhì)以產(chǎn)生聲脈沖信號；根據(jù)聲脈沖的個數(shù)和聲脈沖之間的時間間隔所表示的不同的敲擊方式表示數(shù)碼“0”、“1”，不同位數(shù)的“0”“1”組合，表示大量不同的通信信息；敲擊所產(chǎn)生的聲脈沖信號以地下設(shè)施的剛性介質(zhì)為信道進(jìn)行傳輸；收信端通過帶封閉罩的高靈敏度拾音器獲取聲脈沖信號，采用信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對聲脈沖信號的記錄、自動檢測、識別和譯碼，完成地下與地面的雙向通信任務(wù)，為地下災(zāi)難(或事故)的營救通信提供一種新的技術(shù)方法。
文檔編號G10K11/22GK101834675SQ201010159270
公開日2010年9月15日 申請日期2010年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月29日
發(fā)明者唐志良, 高勇 申請人:四川大學(xué)