CN101498790A - 微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统 - Google Patents

Abstract

一种遥感勘测领域的微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统。其数据检测控制系统对扫描定向控制系统进行控制；扫描定向控制系统对超低频声波发射系统和微电子机械频率耦合传感器阵列控制并将反馈信息传递给数据分析系统；超低频声波集束发射系统向地质结构发射检测声波，通过微电子机械频率耦合传感器阵列；微电子机械频率耦合传感器阵列接收并进行低频信号混频耦合，将低频信号转化成中频频率信号，将测量频率耦合信号传递给模数转换数据传输网络进行模拟数字信号转换，同时将测量数据传输给数据分析系统与数据检测控制系统进行信息交换，分析数据结果及反馈信息传递给数据检测控制系统。该系统测试速度快、快速反应能力强、数据传输质量高。

Description

微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统

技术领域

本发明涉及遥感勘测领域中的一种基于微电子机械系统技术的次声波传感器阵列系统，特别涉及到一种具有成本低、环境适应性强、精度稳定性高、快速反应能力强、大规模覆盖程度高的微电子机械次声传感器阵列遥感勘测系统。

背景技术

遥感勘测技术是现代工业的基础组成部分，大规模勘测系统的优劣对大型油气田及煤层气资源开发、地震监测地质结构测绘等国家能源和土地安全问题有着决定性的影响。遥感勘测系统的准确性、快速反应能力、大规模覆盖程度是能源和土地安全问题的基石。当前的遥感技术主要利用电磁、光学、超声和热力学等测量手段来对相关的地球物理参数进行统计分析。然而遥感勘测传感器网络系统的价格昂贵、环境适应能力差、快速反应能力低，这些缺点成为了传感器网络大规模勘测系统设计的瓶颈和难点。然而随着航空航天技术和无线通信的发展，传感器器件的小型化、规模化和集化成已经成了遥感勘测技术发展的必然趋势，一种新型微电子机械次声传感器阵列遥感勘测系统的发明呼之欲出。

发明内容

本发明的目的就是针对传统传感器网络遥感勘测系统的高昂价格、环境适应能力差、快速反应能力低、难于集成、难于小型化的缺陷和技术上的不足，提供一种具有成本低、环境适应性强、精度稳定性高、快速反应能力强、大规模覆盖程度高的微电子机械次声传感器阵列遥感勘测系统。

实现上述发明目的采用以下技术方案：一种微电子机械次声传感器阵列遥感勘测系统，包括超低频声波集束发射系统、微电子机械频率耦合传感器阵列、模数转换数据传输网络、扫描定向控制系统、数据分析系统和数据检测控制系统六个部分，所述的数据检测控制系统为控制中枢，该系统通过控制指令对扫描定向控制系统进行控制，所述扫描定向控制系统接受数据检测控制系统的指令对超低频声波发射系统和微电子机械频率耦合传感器阵列进行控制，同时将反馈信息传递给数据分析系统，超低频声波集束发射系统向地质结构发射检测声波，地质结构将反射接收到的检测声波传给微电子机械频率耦合传感器阵列；微电子机械频率耦合传感器阵列对反射声波进行接收并进行低频信号混频耦合，将低频信号转化成为高精度的中频频率信号，同时将测量频率耦合信号传递给模数转换数据传输网络；模数转换数据传输网络对测量信号进行模拟数字信号转换，同时将测量数据传输给数据分析系统，数据分析系统接受数据检测控制系统对数据控制的指令要求，同时与数据检测控制系统进行信息交换，将分析数据结果传递给数据检测控制系统，将扫描定向控制系统的反馈信息传递给数据检测控制系统。

本发明的优点是：

1、对大型油气田及煤层气资源开发、地震监测地质结构测绘等国家能源和土地安全的重大问题提供了一种大规模系统勘测手段。勘测系统测试速度快、快速反应能力强、数据传输质量高、系统安全性高、大规模覆盖程度高。

2、本系统建设周期短、长期投资小、维护容易、模块集成化程度高、传感器阵列升级更新简单、动态工作能力强、适应复杂的地质勘探条件、环境适应能力强、可在高温高压高辐射条件下工作。

3、本系统利用次声波进行勘测，测试波长、穿透力强、抗干扰能力强、适合大规模勘探测量。

4、本系统传感器体积小、能耗低、易于小型化、易于微电子芯片集成、易于系统封装、易于屏蔽、抗高频辐射性能好。

5、本系统相位噪声小、系统温度漂移小、传感器不易老化、长程稳定性好、阵列多点测量、系统精确性高、勘测信息失真小。

6、本发明功能强大，可以完成地质图谱分析、地质结构三维成像、地质资源勘探、地层结构对比分析、地质活动跟踪监测、地质灾难预警、阵列数据差模提取、非勘测信号测量和地质灾难检测等多项勘测任务。

附图说明

图1是本发明的结构框图。

图2是超低频声波集束发射系统与微电子机械频率耦合传感器阵列结构俯视示意图。

图3是超低频声波集束发射系统与微电子机械频率耦合传感器阵列结构侧视示意图。

图4是微电子机械频率耦合传感器示意图。

图5是扫描定向控制系统示意图。

图6是模数转换数据传输网络示意图。

图7是数据分析系统示意图。

图8是数据检测控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图详述本发明的系统构成和勘测方法：

本发明由超低频声波集束发射系统、微电子机械频率耦合传感器阵列、模数转换数据传输网络、扫描定向控制系统、数据分析系统和数据检测控制系统六个部分组成。它的结构框图见图1。其中数据检测控制系统为本发明的控制中枢。数据检测控制系统通过控制指令对扫描定向控制系统进行控制。扫描定向控制系统接受数据检测控制系统的指令对超低频声波(次声波)发射系统和微电子机械频率耦合传感器阵列进行控制，同时将反馈信息传递给数据分析系统。超低频声波集束发射系统向地质结构发射检测声波(入射次声波)，地质结构将反射接收到的检测声波(反射次声波)传给微电子机械频率耦合传感器阵列。微电子机械频率耦合传感器阵列对反射声波进行接收并进行低频信号混频耦合，将低频信号转化成为高精度的中频频率信号，同时将测量频率耦合信号传递给模数转换数据传输网络。模数转换数据传输网络对测量信号进行模拟数字信号转换，同时将测量数据传输给数据分析系统。数据分析系统接受数据检测控制系统对数据控制的指令要求，同时与数据检测控制系统进行信息交换，将分析数据结果传递给数据检测控制系统，将扫描定向控制系统的反馈信息传递给数据检测控制系统。

见图2，图3，超低频声波集束发射系统与微电子机械频率耦合传感器阵列的系统构成和工作原理：

超低频声波集束发射系统由NxN阵列次声波发声器组成，所发射次声波受到信号发射总线的控制。微电子机械频率耦合传感器阵列由MxM阵源阵列微电子机械率耦合传感器组成，本发射系统可以发出方向性很高的集束入射次声波。方向性很高的入射次声波在地层层结构变化处发生反射，产生反射次声波。利用微电子机械频率耦合传感器阵列对反射次声波进行探测。

微电子机械频率耦合传感器阵列由MxM阵列微电子机械频率耦合传感器通过行信号控制总线和列信号控制总线对微电子机械频率耦合传感器阵列进行快速扫描，通过数据读取总线输出传感器阵列的测量结果。

超低频声波集束发射系统发出次声波，其测量波长很长，可以通过信号衍射和绕射穿透或绕过复杂地层或地形深入地下地质资源。

阵列超低频声波发声器通过阵列声波干涉，可以产生方向性极好的集束声波，可以深入数十公里的地层深处。

阵列超低频声波发声器通过低声学阻抗的声学透镜可以对声波进行阵列聚焦，可以精确定位和控制测量深度和测量方向。

阵列超低频声波发声器通过调节发声器阵列中的发声器发射方向，可以聚焦发声器阵列的声波，控制声波的测量深度和测量方向，实现地质结构的三维测量.

见图4，微电子机械频率耦合传感器的系统构成和工作原理：

微电子机械频率耦合传感器阵列由微电子机械系统共振器、相移频率控制器、放大器、缓冲器和低频信号混频耦合器五个部分组成。反射次声波信号由低频信号耦合器处输入端输入，并与微电子机械系统共振器的频率信号进行频率耦合，来实现低频信号加载功能。微电子机械系统共振器、相移频率控制器和放大器三个器件组成正反馈回路，实现信号的自激放大。当上述正反馈回路工作稳定时，可以将加载了低频信息的振荡信号通过缓冲器进行模拟输出，输出的是频率合成模拟信号。通过施加外界控制信号，可以对相移频率控制器进行频率相位调制，来控制微电子机械系统共振器的工作状态和工作频率。

微电子机械频率耦合传感器阵列通过调节传感器阵列中的传感器接收方向，可以接收发声器阵列的超低频声波，测量声源的深度和方向，实现地质结构的三维测量。

微电子机械频率耦合传感器可以实现频率耦合器的功能。这种耦合利用了微电子机械系统共振器输入电场的非线性特性，产生了高阶频率谐波和频率合成谐波。

微电子机械频率耦合传感器带有带通滤波器的功能。微电子机械频率耦合传感器对输入信号有带通滤波的作用，微电子机械频率耦合传感器只对其微电子机械系统共振器的共振频率附近的频率信号保持低阻抗，对远离共振频率的频率信号保持高阻抗。

扫描定向控制系统见图5：

扫描定向控制系统由模拟系统时钟、扫描定向系统中央处理器、信号发射控制单元、系统信号发射总线、相位相干分析仪、信号接收控制单元、方向控制器、信源控制器、信号发声器、输出控制器、方向控制器和阵列控制器十二个部分组成。扫描定向系统中央处理器接收数据检测控制系统的控制指令，对信号发射控制单元、系统信号发射总线和信号接收控制单元进行控制。模拟系统时钟为扫描定向控制中央处理器提供系统时钟。信号发射控制单元通过方向控制器和信源发声器对超低频声波集束发生系统进行控制，同时接收方向控制器和信源发声器的反馈信号。系统信号发射总线通过信号发声器对信源发声器进行信号调制。信号接收控制单元通过对输出控制器、方向控制器和阵列控制器对微电子机械频率耦合传感器阵列进行控制，同时接收输出控制器、方向控制器和阵列控制器的反馈信号。相位相干分析仪接收系统信号发射总线和信号接收控制单元的时钟信号，对地质测量的信号进行相位相干分析，并将分析结果反馈给扫描定向系统中央处理器。扫描定向系统中央处理器将反馈信息传递给数据分析系统。

其中，相位相干分析仪对频率的相位进行分析，对系统信号发射总线和信号接收控制单元的相位调制信号进行相位解调，对解调后相位编码的相干性进行分析，从而计算出超低频声波从超低频声波集束发射系统发射到达微电子机械频率耦合传感器阵列接收的时间。

下面结合图6，详述模数转换数据传输网络的系统组成和工作原理：

模数转换数据传输网络由频率信号解调、模数转换模块、数字信号发射系统、传输网络、数字信号接收系统、行列编码加载系统和行列编码恢复系统七个部分组成。频率信号解调对测量信号进行频率解调后，将解调数据传递给模数转换模块进行模数转换。行列编码加载系统将传感器阵列的行编码与列编码输入到模数转换模块中进行模数转换。模数转换模块将综合数据传递给数字信号发射系统。数字信号发射系统通过传输网络传输数据。数字信号接收系统接收数据并输出，同时将信号输出给行列编码恢复系统输出行列编码。

下面结合图7，详述数据分析系统：

数据分析系统的任务是：完成地质图谱分析、地质结构三维成像、地质资源勘探、地层结构对比分析、地质活动跟踪监测、地质灾难预警、阵列数据差模提取、非勘测信号测量和地质灾难检测九项任务。其中数据分析系统通过分析测量数据和对照行列编码，可进行地质图谱分析，从而得到地质结构三维成像，达到地质资源勘探的目的。数据分析系统通过进行地层结构对比分析，从而可以对地质活动进行跟踪监测，达到地质灾难预警的目的；数据分析系统通过差模提取阵列数据信号，从而得到非勘探测量信号，达到地质灾难监测的目的。数据分析系统接收扫描定向控制系统的反馈信息，并对信息做综合分析。

其分析方法是：

1、数据分析系统对测量数据进行采样处理，取NxN平方米划分网格(N典型值可取5，10，20，30，50)，通过数据处理计算出网格内的地质资源分布图谱，得出地质图谱分析。

2、数据分析系统对地质结构进行三维结构扫描，得出地质结构的三维结构图谱。

3、其地质结构三维成像数据分析系统对测量数据进行采样处理，取NxN平方米划分网格(N典型值可取5，10，20，30，50)，通过数据处理计算出网格内的地质资源分布图谱。对数据监测控制系统进行反馈，指令扫描定向控制系统对超低频声波集束发射系统和微电子机械频率耦合传感器阵列进行控制，得到地质结构的深度测量信息。

4、数据分析系统可以利用地质图谱分析和地质结构三维成像进行地质资源勘探。

结合图8，详述数据检测控制系统：

数据检测控制系统由人机界面和数据检测控制中央处理器两个部分构成。数据检测控制系统利用人机界面接收工作人员指令，通过数据检测控制中央处理器对扫描定向控制系统和数据分析系统进行控制，同时接收数据分析系统的分析数据。

数据分析系统的地质灾难预警的数据分析系统对地质测量数据进行时时监测，对潜在自然灾害进行模式识别，对异常测量信号即时上报有关部门。

其阵列数据差模提取的数据分析系统对地质测量数据进行模式识别，对异常信号进行数据差模提取，分析数据异常情况和异常地质情况方位。

数据分析系统的非勘测信号测量的数据分析系统对地质测量数据进行模式识别，对异常信号进行数据差模提取，并针对数据异常地质地区向数据监测控制系统反馈信息，要求对地质活动异常地区时时检测和地质灾难预警分析。

地质灾难监测的数据分析系统对地质测量数据进行时时监测，对自然灾害的发展情况做出动态分析比对，同时估计灾难损失并对连带次级自然灾害进行地质灾难预警。

本发明的超低频声波集束发射系统、微电子机械频率耦合传感器阵列、模数转换数据传输网络、扫描定向控制系统、数据分析系统和数据检测控制系统六个部分根据用户实际勘测任务设计。本发明六个部分的连接结构见图1：数据检测控制系统分别与扫描定向控制系统、数据分析系统连接，扫描定向控制系统与数据分析系统、超低频声波集束发射系统、微电子机械频率耦合传感器阵列连接，微电子机械频率耦合传感器阵列与模数转换数据传输网络连接。

以上公开的仅为本发明的具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1、一种微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统，包括它由超低频声波集束发射系统、微电子机械频率耦合传感器阵列、数据传输网络、扫描定向控制系统、数据分析系统和数据检测控制系统六个部分，其特征在于所述的数据检测控制系统为控制中枢，该系统通过控制指令对扫描定向控制系统进行控制；所述扫描定向控制系统接受数据检测控制系统的指令对超低频声波发射系统和微电子机械频率耦合传感器阵列进行控制，同时将反馈信息传递给数据分析系统；超低频声波集束发射系统向地质结构发射检测声波，地质结构将反射接收到的检测声波传给微电子机械频率耦合传感器阵列；微电子机械频率耦合传感器阵列对反射声波进行接收并进行低频信号混频耦合，将低频信号转化成为高精度的中频频率信号，同时将测量频率耦合信号传递给模数转换数据传输网络；模数转换数据传输网络对测量信号进行模拟数字信号转换，同时将测量数据传输给数据分析系统，数据分析系统接受数据检测控制系统对数据控制的指令要求，同时与数据检测控制系统进行信息交换，将分析数据结果传递给数据检测控制系统，将扫描定向控制系统的反馈信息传递给数据检测控制系统。

2、根据权利要求1所述的微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统，其特征在于，所述的超低频声波集束发射系统由NxN阵列次声波发声器组成，所发射的次声波受到信号发射总线的控制。

3、根据权利要求1所述的微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统，其特征在于，所述的微电子机械频率耦合传感器阵列由M x M阵列微电子机械频率耦合传感器组成，通过行信号控制总线和列信号控制总线对微电子机械频率耦合传感器阵列进行快速扫描，通过数据读取总线输出传感器阵列的测量结果。

4、根据权利要求1或3所述的微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统，其特征在于，所述的微电子机械频率耦合传感器阵列，它是由微电子机械系统共振器、相移频率控制器、放大器、缓冲器和低频信号混频耦合器五个部分组成，其中反射次声波信号由低频信号耦合器处输入端输入，并与微电子机械系统共振器的频率信号进行频率耦合，来实现低频信号加载功能，微电子机械系统共振器、相移频率控制器和放大器三个器件组成正反馈回路，实现信号的自激放大，当正反馈回路工作稳定时，将加载了低频信息的振荡信号通过缓冲器进行模拟输出，输出的是频率合成模拟信号，通过施加外界控制信号，对相移频率控制器进行频率相位调制，来控制微电子机械系统共振器的工作状态和工作频率。

5、根据权利要求1所述的微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统，其特征在于，所述的扫描定向控制系统由模拟系统时钟、扫描定向系统中央处理器、信号发射控制单元、系统信号发射总线、相位相干分析仪、信号接收控制单元、方向控制器、信源控制器、信号发声器、输出控制器、方向控制器和阵列控制器十二个部分构成，其中扫描定向系统中央处理器接收数据检测控制系统的控制指令，对信号发射控制单元、系统信号发射总线和信号接收控制单元进行控制，模拟系统时钟为扫描定向控制中央处理器提供系统时钟，信号发射控制单元通过方向控制器和信源发声器对超低频声波集束发生系统进行控制，同时接收方向控制器和信源发声器的反馈信号，系统信号发射总线通过信号发声器对信源发声器进行信号调制，信号接收控制单元通过对输出控制器、方向控制器和阵列控制器对微电子机械频率耦合传感器阵列进行控制，同时接收输出控制器、方向控制器和阵列控制器的反馈信号，相位相干分析仪接收系统信号发射总线和信号接收控制单元的时钟信号，对地质测量的信号进行相位相干分析，并将分析结果反馈给扫描定向系统中央处理器，扫描定向系统中央处理器将反馈信息传递给数据分析系统。

6、根据权利要求1所述微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统，其特征在于，所述的模数转换数据传输网络的由频率信号解调、模数转换模块、数字信号发射系统、传输网络、数字信号接收系统、行列编码加载系统和行列编码恢复系统七个部分构成，其中频率信号解调对测量信号进行频率解调后，将解调数据传递给模数转换模块进行模数转换，行列编码加载系统将传感器阵列的行编码与列编码输入到模数转换模块中进行模数转换，模数转换模块将综合数据传递给数字信号发射系统，数字信号发射系统通过传输网络传输数据，数字信号接收系统接收数据并输出，同时将信号输出给行列编码恢复系统输出行列编码。

7、根据权利要求1所述微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统，其特征在于用数据分析系统完成地质图谱分析、地质结构三维成像、地质资源勘探、地层结构对比分析、地质活动跟踪监测、地质灾难预警、阵列数据差模提取、非勘测信号测量和地质灾难检测九项任务，其中数据分析系统通过分析测量数据和对照行列编码，进行地质图谱分析，从而得到地质结构三维成像；数据分析系统通过进行地层结构对比分析，对地质活动进行跟踪监测；数据分析系统通过差模提取阵列数据信号，得到非勘探测量信号，数据分析系统接收扫描定向控制系统的反馈信息，并对信息做综合分析。

8、根据权利要求1所述微电子机械系统次声传感器阵列遥感勘测系统，其特征在于所述的数据检测控制系统是由人机界面和数据检测控制中央处理器两个部分构成，其中数据检测控制系统利用人机界面接收工作人员指令，通过数据检测控制中央处理器对扫描定向控制系统和数据分析系统进行控制，同时接收数据分析系统的分析数据。

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