一種基于次聲波的泥石流監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及泥石流監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于次聲波的泥石流監(jiān)測(cè)與報(bào) 警系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 泥石流是一種山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，在山谷深壑、地形險(xiǎn)峻的地區(qū)，由降水（包括 冰川、積雪融化水、暴雨等）將土質(zhì)松軟且含有沙礫的山體稀釋后形成，運(yùn)動(dòng)過程中夾雜著 大量泥沙以及石塊等固體物質(zhì)的特殊洪流。泥石流具有暴發(fā)突然、來勢(shì)兇猛、迅速的特征， 并經(jīng)常伴有滑坡、洪水和崩塌的多重破壞作用，破壞力巨大，嚴(yán)重威脅著水利水電、礦山、山 區(qū)交通等工程設(shè)施和山區(qū)當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)安全。近幾年來，世界各地頻繁地發(fā)生大型 泥石流災(zāi)害，致使數(shù)千人失蹤及喪生，給當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)造成巨大的損害。
[0003] 目前對(duì)泥石流的監(jiān)測(cè)手段主要是采用視頻監(jiān)測(cè)，或者采用人工巡回監(jiān)測(cè)。這種傳 統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式，不僅很難保證其效率和準(zhǔn)確性，而且對(duì)發(fā)生在地形險(xiǎn)要的山區(qū)，人工值守的 方式缺乏監(jiān)測(cè)者的人身安全保障。因此，研宄和設(shè)計(jì)一種新型泥石流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)提前做出 泥石流災(zāi)害監(jiān)測(cè)，減少泥石流造成的損失有著重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于次聲波的泥石流監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，對(duì) 泥石流災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并實(shí)施報(bào)警。
[0005] 本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)孕育泥石流災(zāi)害或者發(fā)生泥石流時(shí)巖石層會(huì)因發(fā)生斷 裂、摩擦和擠壓等現(xiàn)象而產(chǎn)生一種蘊(yùn)含重要地質(zhì)信息的次聲信號(hào)一一次聲波。泥石流次聲 信號(hào)具有頻率低（約為〇~20Hz)，波長長，容易發(fā)生衍射，在傳播過程中遇到障礙物很難 被阻擋等特性。泥石流次聲信號(hào)在空氣中不易被吸收，傳播過程中衰減很小，能傳很遠(yuǎn)的距 離，而且它具有極強(qiáng)的穿透能力，頻率高的聲信號(hào)用一張普通的厚紙就可以將它隔住，但是 對(duì)泥石流次聲信號(hào)，就是普通的墻壁也很難隔住它。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：提供一種基于次聲波的泥石流監(jiān)測(cè) 與報(bào)警系統(tǒng)，包括次聲傳感器、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，所述次聲傳感器用于 采集泥石流次聲信號(hào)；所述信號(hào)處理電路用于對(duì)采集到的泥石流次聲信號(hào)進(jìn)行放大處理和 濾波處理；所述信號(hào)采集卡將經(jīng)過信號(hào)處理后的泥石流次聲信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后 的結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中；所述計(jì)算機(jī)采用HHT方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析，并計(jì)算出信號(hào) 的功率譜，得出信號(hào)能量，進(jìn)而進(jìn)行泥石流災(zāi)害的判定。
[0007] 所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行泥石流災(zāi)害的判定時(shí)，以背景噪聲次聲段信號(hào)的最高頻譜能量值 作為一個(gè)參考能量，并據(jù)此定一個(gè)高于此參考能量的閾值，當(dāng)采集到的次聲段信號(hào)頻譜能 量最高值超過所述閾值時(shí)，就進(jìn)行一次觸發(fā)，然后重置能量，計(jì)算下一次的信號(hào)能量，再進(jìn) 行判定，以此類推，計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)的觸發(fā)次數(shù)從而對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行判定，并判斷是否 啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。
[0008] 所述次聲傳感器為B&K公司的4189型號(hào)傳感器。
[0009] 所述數(shù)據(jù)采集卡為NI9234數(shù)據(jù)采集卡。
[0010] 有益效果
[0011] 由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效 果：本發(fā)明針對(duì)泥石流災(zāi)害發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的次聲波的機(jī)理進(jìn)行了深入研宄，對(duì)采集到的次聲 波信號(hào)特征采用Hilbert-Hang變換（HHT)，其對(duì)非線性及非平穩(wěn)信號(hào)有較好的分析和處理 效果，可將泥石流產(chǎn)生的次聲波和背景噪聲進(jìn)行了有效的分離。本發(fā)明將次聲波傳感器采 集到的泥石流次聲信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，使用MATLAB軟件和 HHT等數(shù)字信號(hào)處理方法，依據(jù)次聲波信號(hào)的特征進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和分析，最終依據(jù)設(shè)定的 閾值，來對(duì)泥石流災(zāi)害的發(fā)生進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，并實(shí)施報(bào)警。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)總體框圖；
[0013] 圖2是背景噪聲頻譜圖；
[0014] 圖3是混凝土攪拌機(jī)工作時(shí)采集到的信號(hào)頻譜圖；
[0015] 圖4是數(shù)據(jù)采集模塊顯示的信號(hào)波形圖；
[0016] 圖5是HHT變換以后的次聲信號(hào)時(shí)頻圖；
[0017] 圖6是災(zāi)害判定流程圖；
[0018] 圖7是背景噪聲功率譜圖；
[0019] 圖8是實(shí)驗(yàn)中采集到的信號(hào)功率譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。
[0021] 本發(fā)明的實(shí)施方式涉及一種基于次聲波的泥石流監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，如圖1所示， 包括次聲傳感器、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，所述次聲傳感器用于采集泥石流次 聲信號(hào)；所述信號(hào)處理電路用于對(duì)采集到的泥石流次聲信號(hào)進(jìn)行放大處理和濾波處理；所 述信號(hào)采集卡將經(jīng)過信號(hào)處理后的泥石流次聲信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果傳輸 到計(jì)算機(jī)中；所述計(jì)算機(jī)采用HHT方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析，并計(jì)算出信號(hào)的功率譜，得 出信號(hào)能量，進(jìn)而進(jìn)行泥石流災(zāi)害的判定。
[0022] 系統(tǒng)前端的次聲傳感器采用B&K公司的4189型號(hào)傳感器，將其采集到的泥石流次 聲信號(hào)進(jìn)行前置放大和濾波處理，再經(jīng)過NI9234數(shù)據(jù)采集卡的AD轉(zhuǎn)換和釆樣之后進(jìn)入計(jì) 箅機(jī)。針對(duì)泥石流次聲信號(hào)的特征，計(jì)算機(jī)基于MATLAB平臺(tái)下的信號(hào)釆集、處理和分析的 軟件系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的HHT變換等數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，完成泥石流次聲信號(hào)的處理，波形顯 示和特征分析，最后實(shí)現(xiàn)泥石流災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與報(bào)警。
[0023] 本發(fā)明采用的HHT是一種新的信號(hào)處理方法，它的目的是為了使信號(hào)更適合 進(jìn)行出Hilbert變換。它主要由兩個(gè)部分組成，一是經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EmpiricalMode Decomposition,EMD)，也是最主要的部分，該部分的核心思想為本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic ModeFunction,IMF)，任意信號(hào)經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解可得到有限個(gè)能夠進(jìn)行Hilbert變換的 本征模態(tài)函數(shù)；二是Hilbert譜分析。信號(hào)經(jīng)過Hilbert變換，可得到瞬時(shí)振幅、瞬時(shí)相位、 瞬時(shí)頻率等屬性信息，進(jìn)而得Hilbert邊際譜。
[0024] HHT變換準(zhǔn)確地反映了信號(hào)的時(shí)頻特征，可以十分清楚識(shí)別出信號(hào)在時(shí)刻點(diǎn)的頻 率突變位置，準(zhǔn)確分辨主頻成分且不存在交叉項(xiàng)，此外還具有很好的時(shí)頻聚集性。以往的時(shí) 頻分析方法要受到Heisenberg不確定原理的限制，其時(shí)間分辨率和頻率分辨率是不相容 的，但這種現(xiàn)象在Hibert-Huang變換中并不存在，則Hilbert譜是直接通過計(jì)算制IMF分 量的瞬時(shí)頻率和瞬時(shí)幅值而得到的，其時(shí)間和頻率分辨率是相互獨(dú)立的。
[0025] 下面以一個(gè)具體的實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0026] 泥石流災(zāi)害具有偶發(fā)性和很大危險(xiǎn)性，所以直接釆集泥石流次聲信號(hào)是非常困難 的。因此，在對(duì)泥石流次聲信號(hào)特征做了分析和研宄后，發(fā)明人設(shè)計(jì)模擬泥石流次聲信號(hào)的 實(shí)驗(yàn)，釆集與泥石流災(zāi)害發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的次聲信號(hào)的特征相似的次聲信號(hào)。經(jīng)過研宄后發(fā)現(xiàn)， 混凝土攪拌機(jī)工作或者輸送機(jī)進(jìn)行倒沙土作業(yè)的地點(diǎn)也會(huì)產(chǎn)生和泥石流次聲信號(hào)的特征 相似的次聲信號(hào)。據(jù)此，選擇一處有混凝土攪拌機(jī)作業(yè)的工地作為采集次聲信號(hào)的場(chǎng)地。
[0027] 實(shí)驗(yàn)釆集了兩種情況下的次聲信號(hào)數(shù)據(jù)，一種情況是只釆集背景噪聲，第二種情 況是背景噪聲和次聲信號(hào)都存在。兩種情況