一種泥石流次聲監測報警裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種泥石流次聲監測報警裝置，其特征在于，包括泥石流次聲信號的數據采集單元(1)、數據處理單元(2)、信息報警單元(3)、通信單元(4)、數據存儲單元(5)和系統供電單元(6)；數據采集單元(1)、信息報警單元(3)、通信單元(4)、數據存儲單元(5)和系統供電單元(6)分別與數據處理單元(2)連接，其中所述數據采集單元(1)由傳感器(1_1)、放大電路(1_2)、二階有源低通濾波器(1_3)、幅值調理電路(1_4)、比較電路(1_5)和ADC電路(1_6)組成；數據處理單元(2)由原始數據提取電路(2_1)、數字低通濾波電路(2_2)、閾值持續時間T判定電路(2_3)和數據分析、記錄電路(2_4)組成。
【專利說明】-種泥石流次聲監測報警裝置
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及電子監控設備領域，尤其涉及一種泥石流次聲監測報警裝置。
【背景技術】
[0002] 泥石流是一種廣泛分布在世界各國一些具有特殊地形、地貌狀況地區的自然災 害。我國是多山之國，受巖層斷裂構造的影響，許多山體陡峭，巖石結構不穩定，森林覆蓋面 積不多，遇到季風氣候的連陰雨、大暴雨天氣，常發生嚴重的泥石流災害。對這類災害的實 時監控、預警和應急處置需求極為迫切。
[0003] 泥石流在形成和運動過程中的聲發射信號中包含次聲成分，這種次聲成份是一種 頻率低于人類可聽到聲波頻率范圍的聲波，頻率范圍大致為4Hz?20Hz，為確定性信號（即 有確定的時域和頻域特性），幾乎不衰減且約等于聲速，以空氣為介質傳遞。因為泥石流次 聲速度約為340米/秒，遠大于泥石流運動速度（通常為10米/秒左右），若能探測到這些 微小的次聲信號，則在泥石流到達之前報警裝置就能有足夠的提前量來實現報警，對于人 類研究泥石流的規律以及防災減災，都有重要的意義。
[0004] 現有技術中的泥石流次聲報警裝置存在由于車輛經過等環境干擾導致誤報率較 高的缺陷。
【發明內容】
[0005] 為克服上述現有技術的不足，本實用新型提供了一種泥石流次聲監測報警裝置， 通過對泥石流產生的次聲信號進行處理與鑒別，以實現泥石流災害的提前預警。
[0006] 本實用新型所采用的技術方案如下：
[0007] -種泥石流次聲監測報警裝置，包括泥石流次聲信號的數據采集單元（1)、數據處 理單元（2)、信息報警單元（3)、通信單元（4)、數據存儲單元（5)和系統供電單元（6);其 中數據采集單元（1)、信息報警單元（3)、通信單元（4)、數據存儲單元（5)和系統供電單元 (6)分別與數據處理單元⑵連接，系統供電單元（6)為各單元提供工作電壓；其中數據采 集單元（1)用于對泥石流次聲信號進行采集并轉換獲得泥石流次聲原始電信號，所述數據 處理單元（2)用于對泥石流次聲原始電信號進行處理，得到處理后的泥石流次聲電信號； 將泥石流次聲原始電信號和處理后的泥石流次聲原始電信號分別存儲到數據存儲單元（5) 中，并向信息報警單元（3)發送信息報警指令，同時將泥石流次聲原始電信號和處理后的 泥石流次聲原始電信號通過通信單元（4)發送到遠程監控中心（6)。
[0008] 所述數據采集單元（1)由傳感器放大電路（1_2)、二階有源低通濾波器 (1_3)、幅值調理電路（1_4)、比較電路（1_5)和ADC電路（1_6)組成；其中所述傳感器 (1_1)，用于完成聲信號到電信號的轉換，將低頻范圍聲信號轉換成電信號進行輸出；所述 傳感器輸出的電信號被傳輸至放大電路（1_2)進行功率放大，再經由二階有源低通濾波器 (1_3)完成1?頻噪聲濾除；濾除1?頻噪聲后的電 /[目號通過幅值調理電路（1_4)和比較電路 (1_5)。當比較電路（1_5)輸出高電平（圖4)，使能ADC電路（1_6)進行數據采集。
[0009] 所述數據處理單元（2)由原始數據提取電路（2_1)、數字低通濾波電路（2_2)、閾 值持續時間T判定電路（2_3)和數據分析記錄電路（2_4)組成；其中，所述原始數據提取電 路（2_1)從數據存儲單元（5)中提取數據，所提取的數據經由數字低通濾波電路（2_2)進 行濾波、再經由閾值持續時間T判定電路（2_3)以及數據分析記錄電路（2_4)，最后將分析 記錄后的數據存儲到數據存儲單元（5)中；數據分析記錄電路（2_4)判斷所述數據是否對 應泥石流信號，如果是則將報警指令發送至信息報警單元（3);并通過通信單元（4)將數據 發送到遠程監控中心（6)與數據存儲單元（5);如果否、則僅通過通信單元（4)將數據傳輸 至數據存儲單元（5)。信息報警單元（3)在接收數據處理單元（2)中的數據分析記錄電路 (2_4)所發出的報警指令后，完成本地聲光報警。
[0010] 優選地，系統供電單元￠)由太陽能電池板和鉛酸蓄電池組成，供電單元為整個 系統提供多種直流供電電壓，保證各電源功率充分利用且各模塊正常運行。
[0011] 優選地，系統供電方式除采用12V鉛酸蓄電池和太陽能板供電外，亦可添加220V 交流電的供電方式，提高系統的穩定性和實用性。
[0012] 優選地，ADC采集電路，可選擇適合與低頻信號采集的，帶有可編程增益功能的其 他AD芯片代替，提高數據采集精度。
[0013] 本實用新型的優點主要有：1、提供兩種系統供電方式，提高系統穩定性，2、濾波電 路采用二階有源低通濾波器，頻率變化、阻抗變化及負載增加都不會影響系統的可靠性。
[0014] 上述說明僅是本實用新型技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本實用新型的技 術手段，并可依照說明書的內容予以實施，以下以本實用新型的較佳實施例并配合附圖詳 細說明如后。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1示出了根據本實用新型一個【具體實施方式】的泥石流次聲監測報警裝置的結 構示意圖；
[0016] 圖2示出了根據本實用新型的一個【具體實施方式】的數據采集單元的結構示意圖；
[0017] 圖3示出了根據本實用新型另一個【具體實施方式】的泥石流次聲監測報警裝置的 結構示意圖；
[0018] 圖4示出了根據本實用新型的一個【具體實施方式】的比較電路的輸出結果圖； [0019] 圖5示出了根據本實用新型的一個【具體實施方式】的閾值持續時間T判定電路； [0020] 圖6A以及圖6B示出了根據本實用新型的一個【具體實施方式】的聲光報警電路； [0021 ] 圖7示出了判斷條件示意圖。
【具體實施方式】
[0022] 為更進一步闡述本實用新型所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施 例，對依據本實用新型提出的一種泥石流次聲監測報警裝置的【具體實施方式】、特征及其功 效，詳細說明如后。
[0023] 如圖1所示，在本實用新型的一個【具體實施方式】中，一種泥石流次聲監測報警裝 置，包括泥石流次聲信號的數據采集單元（1)、數據處理單元（2)、信息報警單元（3)、通信 單元（4)、數據存儲單元（5)和系統供電單元（6)，其中數據采集單元（1)、信息報警單元 (3)、通信單元（4)和數據存儲單元（5)分別與數據處理單元（2)連接。系統供電單元（6) 為各單元提供工作電壓；數據處理單元（2)用于對泥石流次聲原始電信號進行處理，得到 處理后的泥石流次聲電信號，將泥石流次聲原始電信號和處理后的泥石流次聲原始電信號 分別存儲到數據存儲單元（5)中，并向信息報警單元（3)發送信息報警指令，同時將泥石流 次聲原始電信號和處理后的泥石流次聲原始電信號通過通信單元（4)發送到遠程監控中 心（6)。
[0024] 如圖2所示，在本實用新型的一個【具體實施方式】中，為使數據采集單元（1)所輸 出信號幅值能夠滿足ADC電路進行數據采集的需求，需要將信號通過放大電路進行放大處 理；同時，由于復雜環境的干擾，采集信號中會摻雜大量高頻噪聲，影響低頻有效信號的識 別和處理，通過二階有源低通濾波器（1_3)將環境噪聲和高頻信號濾除；去噪后的低頻信 號可滿足ADC電路采集的需求。所述數據采集單元（1)由傳感器放大電路（1_2)、 二階有源低通濾波器（1_3)、幅值調理電路（1_4)、比較電路（1_5)和ADC電路（1_6)組成。 其中所述傳感器用于完成聲信號到電信號的轉換，將低頻范圍聲信號轉換成電信 號進行輸出；所述傳感器輸出的電信號被傳輸至放大電路（1_2)進行功率放大，再經由二 階有源低通濾波器（1_3)完成高頻噪聲濾除；濾除高頻噪聲后的電信號通過幅值調理電路 (1_4)和比較電路（1_5)。當比較電路（1_5)輸出高電平（圖4)，使能ADC電路（1_6)進行 數據采集。
[0025] 由于泥石流次聲信號具有突發性，對于信號的持續監測和處理會嚴重浪費人力物 力資源，使監測報警工作的效率急劇下降。根據對各種次聲波產生環境，如車輛、地震、泥石 流的樣本數據進行分析、研究和總結，同時記錄各種次聲波的振幅、時長等屬性，可以更精 確判斷泥石流發生時，次聲波的屬性。不同環境產生次聲信號的能量集中的頻率范圍不同， 持續時間也不相同。例如：火箭發射、核爆炸或飛機飛過時，其能量主要集中在0.02?4Hz， 轉換成電信號時為幾個mv，持續時間約為30s (秒）；海浪沖擊海岸激發的次聲波頻率通常 在2?5Hz，轉換成電信號時波動范圍較大，在某一幅值下的持續時間很短，為幾秒鐘；強風 吹響陡峭山體產生次聲波頻率為〇. 02?0. 05Hz，轉換成電信號為幾十個mv，持續時間為 20?50s ;而泥石流發生時產生的次聲波能量集中在5?20Hz，轉換成電信號約為50mv，持 續時間大于3min(分鐘）。將幅值調理電路（1_4)將前端輸出信號調理為V，預先設置比較 電路（1_5)的基準比較電壓VI為2伏特，預先設置閾值持續時間T判定電路的T1為3min， 當前端采集信號輸出電壓V >比較電路（1_5)的基準比較電壓VI，且持續時間T >閾值持 續時間T判定電路的T1，則判斷采集信號為泥石流次聲信號。
[0026] 如圖3所示，在本實用新型的一個【具體實施方式】中，數據處理單元（2)用于對數據 采集單元（1)輸出的泥石流次聲原始電信號進行處理。所述數據處理單元（2)由原始數 據提取電路（2_1)、數字低通濾波電路（2_2)、閾值持續時間T判定電路（2_3)和數據分析 記錄電路（2_4)組成。其中，所述原始數據提取電路（2_1)從數據存儲單元（5)中提取數 據，所提取的數據經由數字低通濾波電路（2_2)進行濾波、再經由閾值持續時間T判定電路 (2_3)以及數據分析記錄電路（2_4)，最后將分析記錄后的數據以存儲到數據存儲單元（5) 中。
[0027] 根據數據采集單元（1)中的幅值調理電路（1_4)和比較電路（1_5)，同時結合數據 處理單元（2)中的閾值持續時間T判定電路（2_3)判斷采集信號是否為泥石流次聲信號的 結論；根據判斷結果選擇是否進行報警信息發送與數據存儲；。當前端采集信號輸出電壓 V >比較電路（1_5)的基準比較電壓VI，且持續時間T >閾值持續時間T判定電路的T1，可 判斷采集信號為泥石流次聲信號。如果判斷所述數據對應泥石流信號，則將報警指令發送 至信息報警單元（3);并通過通信單元（4)將數據發送到遠程監控中心（6)與數據存儲單 元（5);如果判斷所述數據不對應泥石流信號，則僅通過通信單元（4)將數據傳輸至數據存 儲單元（5)。信息報警單元（3)在接收數據處理單元⑵中的數據分析記錄電路（2_4)所 發出的報警指令后，完成本地聲光報警。
[0028] 如圖4所示，在本實用新型的一個【具體實施方式】中，當幅值調理電路（1_4)輸出信 號時，為了確定次聲信號的強度大小，設計了比較電路（1_5)用于對信號幅值強度大小進 行判斷。將幅值調理電路（1_4)的輸出信號與比較電路（1_5)設定好的幅值進行比較，若 比較電路（1_5)輸出高電平，則觸發ADC電路進行數據采集。
[0029] 如圖5所示，在本實用新型的一個【具體實施方式】中，閾值持續時間T判定電路，通 過RC電路設定特定閾值持續時間的大小。
[0030] 如圖6A及圖6B所示，在本實用新型的一個【具體實施方式】中，聲光報警電路由蜂鳴 器驅動電路（6_1)和報警指示電路（6_2)組成。圖6A蜂鳴器驅動電路（6_1)的工作原理 是當BELL端為高電平時，Q3的1腳與3腳導通后，2腳與3腳也導通，此時2腳為低電平， U6導通，蜂鳴器發出報警聲；圖6B報警指示電路（6_2)的工作原理是當LED0端為高電平 時，Q10的1腳與3腳導通后，2腳與3腳也導通，此時2腳為低電平，RED指示燈亮。如此 實現聲光報警，即通過判斷確定信號為泥石流次聲信號，就可聽到報警聲，同時紅色指示燈 按一定頻率閃爍。
[0031] 另外，在本實用新型中，考慮實用性與電能高效利用，在本實用新型的一個具體實 施方式中，系統供電單元（6)由太陽能電池板和鉛酸蓄電池組成，供電單元為整個系統提 供多種直流供電電壓，保證各電源功率充分利用且各模塊正常運行。
[0032] 在本實用新型的一個【具體實施方式】中，系統供電方式除采用12V鉛酸蓄電池和太 陽能板供電外，亦可添加220V交流電的供電方式，提高系統的穩定性和實用性。
[0033] 在本實用新型的一個【具體實施方式】中，ADC采集電路，可選擇適合與低頻信號采集 的，帶有可編程增益功能的其他AD芯片代替，提高數據采集精度。
[〇〇34] 以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任何形式上 的限制，雖然本實用新型已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本實用新型，任何熟 悉本專業的技術人員，在不脫離本實用新型技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內 容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本實用新型技術方案的內 容，依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍 屬于本實用新型技術方案的范圍內。
【權利要求】
1. 一種泥石流次聲監測報警裝置，其特征在于，包括泥石流次聲信號的數據采集單元 (1)、數據處理單元（2)、信息報警單元（3)、通信單元（4)、數據存儲單元（5)和系統供電單 元（6); 其中數據采集單元（1)、信息報警單元（3)、通信單元（4)、數據存儲單元（5)和系統供 電單元（6)分別與數據處理單元（2)連接，系統供電單元（6)為各單元提供工作電壓； 所述數據采集單元（1)用于對泥石流次聲信號進行采集并轉換獲得泥石流次聲原始 電信號，所述數據處理單元（2)用于對泥石流次聲原始電信號進行處理，得到處理后的泥 石流次聲電信號；將泥石流次聲原始電信號和處理后的泥石流次聲原始電信號分別存儲到 數據存儲單元（5)中，并向信息報警單元（3)發送信息報警指令，同時將泥石流次聲原始電 信號和處理后的泥石流次聲原始電信號通過通信單元（4)發送到遠程監控中心（6)。
2. 根據權利要求1所述的泥石流次聲監測報警裝置，其特征在于， 所述數據采集單元（1)由傳感器放大電路（1_2)、二階有源低通濾波器（1_3)、 幅值調理電路（1_4)、比較電路（1_5)和ADC電路（1_6)組成。
3. 根據權利要求2所述的泥石流次聲監測報警裝置，其特征在于， 其中所述傳感器用于完成聲信號到電信號的轉換，將低頻范圍聲信號轉換成電 信號進行輸出；所述傳感器輸出的電信號被傳輸至放大電路（1_2)進行功率放大，再經由 二階有源低通濾波器（1_3)完成高頻噪聲濾除；濾除高頻噪聲后的電信號通過幅值調理電 路（1_4)和比較電路（1_5)，當比較電路（1_5)輸出高電平，使能ADC電路（1_6)進行數據 米集。
4. 根據權利要求1-3任一所述的泥石流次聲監測報警裝置，其特征在于， 所述數據處理單元（2)有原始數據提取電路（2_1)、數字低通濾波電路（2_2)、閾值持 續時間T判定電路（2_3)和數據分析、記錄電路（2_4)。
5. 根據權利要求4所述的泥石流次聲監測報警裝置，其特征在于， 所述原始數據提取電路（2_1)從數據存儲單元（5)中提取數據，所提取的數據經由數 字低通濾波電路（2_2)進行濾波、再經由閾值持續時間T判定電路（2_3)以及數據分析記 錄電路（2_4)，最后將分析記錄后的數據存儲到數據存儲單元（5)中。
6. 根據權利要求5所述的泥石流次聲監測報警裝置，其特征在于， 所述數據分析記錄電路（2_4)判斷所述數據是否對應泥石流次聲信號，如果是則將報 警指令傳輸至信息報警單元（3);并通過通信單元（4)將數據發送到遠程監控中心（6)與 數據存儲單元（5);如果否、則僅通過通信單元（4)將數據傳輸至數據存儲單元（5)中，信 息報警單元（3)在接收數據處理單元（2)中的數據分析記錄電路（2_4)所發出的報警指令 后，完成本地聲光報警。
7. 根據權利要求6所述的泥石流次聲監測報警裝置，其特征在于， 系統供電單元（6)由太陽能電池板和鉛酸蓄電池組成，供電單元為整個系統提供多種 直流供電電壓。
【文檔編號】G01H11/06GK203894911SQ201420197774
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月22日 優先權日:2014年4月22日
【發明者】李梅, 武雄, 王祥永, 范文慧, 范東琦 申請人:中國地質大學（北京）