CN102980633A - 一种山洪泥石流电磁波泥水位监测装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种山洪泥石流电磁波泥水位监测装置及系统，相应的装置的所述传感器模块的信号输出端与所述信号放大器的信号输入端连接，所述信号放大器的信号输出端与所述A/D转换器的信号输入端连接，所述A/D转换器的信号输出端与所述主控单元的信号输入端连接，所述主控单元的信号输出端分别与所述无线传输模块的信号输入端和所述报警模块的信号输入端连接，所述报警模块的信号输出端与所述无线传输模块的报警信号输入端连接。本发明不受温度、压力、惰性气体和蒸汽的影响，也不受被测介质物理特性变化等影响，测量精度可达到毫米级，并且能源消耗少，使用寿命长，可实现很高的防护等级，适用于无人值守的野外环境。

Description

一种山洪泥石流电磁波泥水位监测装置及系统

技术领域

本发明涉及一种山洪泥石流电磁波泥水位监测装置及系统，属于地质安全监测技术领域。

背景技术

泥石流是一种能够短时间造成巨大经济损失和大量人员伤亡的自然灾害，具有突发性强、预测预报难度大、来势猛、成灾快、破坏性强、季节性强、频率高、地域性明显、易发性强等特点。现有的对泥石流灾害的监测方法主要采用在野外建立建议监测点，利用超声波测量仪器对泥水位进行测量。

采用超声波泥水位监测的方法存在以下缺陷和不足：超声波作为一种机械波，在传播的过程中容易受到周围环境以及传播介质的影响，温度、大气压力等都会影响超声波测量的精度。由于超声波传播速度较低，所以用于实时监测会有一定的滞后性。超声波测距过程中要求超声波发射端与接受端垂直于被测面，否则将会导致接收到的超声波信号过低而无法测量，这就对仪器的安装提出了较高的要求，并且在泥石流发生时液面波动剧烈，无法保持与仪器的垂直，这种情况下，利用超声波对泥水位监测的可靠性无法保证。

发明内容

本发明为解决现有的采用超声波泥水位监测技术中存在的容易受环境和传播介质的影响、存在一定的滞后性、设备安装要求较高以及可靠性较差的问题，进而提供了一种山洪泥石流电磁波泥水位监测装置及系统。为此，本发明提供了如下的技术方案：

一种山洪泥石流电磁波泥水位监测装置，包括传感器模块、信号放大器、A/D转换器、主控单元、无线传输模块和报警模块，所述传感器模块的信号输出端与所述信号放大器的信号输入端连接，所述信号放大器的信号输出端与所述A/D转换器的信号输入端连接，所述A/D转换器的信号输出端与所述主控单元的信号输入端连接，所述主控单元的信号输出端分别与所述无线传输模块的信号输入端和所述报警模块的信号输入端连接，所述报警模块的信号输出端与所述无线传输模块的报警信号输入端连接。

一种山洪泥石流电磁波泥水位监测系统，包括数据中继站、远程服务器和山洪泥石流电磁波泥水位监测装置；

所述山洪泥石流电磁波泥水位监测装置用于对监测点的雨量、地声、泥水位进行采集，并将采集的数据通过AD转换后发送给数据中继站，同时分析采集的数据，若满足发生山洪泥石流的条件则向所述数据中继站发出相应级别的预警信号；

所述数据中继站用于将所述山洪泥石流电磁波泥水位监测装置发送的数据和预警信号发送给所述远程服务器；

所述远程服务器用于保存所述山洪泥石流电磁波泥水位监测装置发送的数据，并且当将所述山洪泥石流电磁波泥水位监测装置发送预警信号时，提示工作人员。

本发明采用微波雷达对泥水位进行监测，微波雷达采用非接触测量的方式，应用范围广，可用于液体、乳状体、熔融体等形态物体的野外测量，被侧介质可以是易燃、易爆、腐蚀性强的高温、高压状态物质；微波雷达采用高频电磁波进行测量，具有不受温度、压力、惰性气体和蒸汽的影响，也不受被测介质物理特性变化等影响，测量精度可达到毫米级，优于机械波的相关特性；微波雷达发射的电磁波功率仅为1mW，能源消耗少，并且由于其内部没有机械部件，不易磨损，使用寿命长，可实现很高的防护等级，适用于无人值守的野外环境；结合传统的泥石流预测机制，以超声波泥水位监测为主，雨量监测、地声监测为辅，形成多级预警系统；监测信息通过中继站传输到远程服务器，在发生泥石流时，预警信息可通知到相关负责人。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式提供的山洪泥石流电磁波泥水位监测装置的结构示意图；

图2是本发明的具体实施方式提供的电磁波泥水位传感器测量原理图；

图3是本发明的具体实施方式提供的电磁波泥水位传感器发射的电磁波信号周期状态示意图；

图4是本发明的具体实施方式提供的山洪泥石流电磁波泥水位监测系统的结构示意图；

图5是本发明的具体实施方式提供的山洪泥石流电磁波泥水位监测系统的预警逻辑框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的具体实施方式提供了一种山洪泥石流电磁波泥水位监测装置，如图1所示，包括传感器模块11、信号放大器12、A/D转换器13、主控单元14、无线传输模块15和报警模块16，传感器模块11的信号输出端与信号放大器12的信号输入端连接，信号放大器12的信号输出端与A/D转换器13的信号输入端连接，A/D转换器13的信号输出端与主控单元14的信号输入端连接，主控单元14的信号输出端分别与无线传输模块15的信号输入端和报警模块16的信号输入端连接，报警模块16的信号输出端与无线传输模块15的报警信号输入端连接。

具体的，传感器模块11可以包括电磁波雷达、地声检波器和雨量计。电磁波雷达主要用于泥水位测量，电磁波具有直线性好、受传播介质影响小、抗干扰能力强、对复杂页面测量准确的特性，非常适合用于泥水混浆以及混杂石块和波浪的泥石流液面测量；地声检波器负责对地声信号的采集，主要针对低频震动信号，当泥石流发生时可以有效采集石块撞击泥石流沟壁以及波浪拍打泥石流沟壁产生的低频震动；雨量计主要负责对降雨量进行采集，并可根据监测点的环境特点设置阈值，对相应的雨量导致山洪泥石流发生的可能性进行分析。信号放大器12负责将传感器模块11采集的信号放大为0-5V标准电压信号；A/D转换器13负责将放大后的0-5V标准电压信号(模拟信号)准换为数字信号；主控单元14(可采用MCU)是负责对采集的信号进行计算和分析，对于常规的采集信号直接送到数据传输模块上传，当采集的信号满足报警设定的阈值时通过报警模块将报警信号发送。

另外，由于野外无法使用市电作为电源，因此可采用太阳能板或单独的供电模块(如蓄电池)为传感器模块11、信号放大器12、A/D转换器13、主控单元14、无线传输模块15和报警模块16供电。当日照充足的情况下太阳能板负责能源供应并且给供电模块充电，在夜晚或阴天等无日照的情况下利用供电模块供电。

本具体实施方式提供的山洪泥石流电磁波泥水位监测装置的原理是：

由于泥石流发生时伴随着大量泥浆以及高速运动的石块等物，若采用接触式测量方式对泥水位进行测量，传感器极易被损坏，所以利用接触式测量方式对泥水位进行测量在泥石流监测预警中是不适用的。图2给出了电磁波泥水位传感器测量原理，对泥水位进行非接触式测量，能有效避免泥浆和石块对传感器造成损害，能够实现长时间有效监测。利用电磁波进行测量具有测量精度高、方向性好、受介质影响小、对被测平面水平程度要求低等优势。电磁波由天线发出，在空间介质中以光速传播(3*108m/s)当遇到被测物体后反射回来，回波由传感器的天线接收，通过计算电磁波发射与接收到回波间的时间差可得出天线与被测物之间的距离D，即：

D＝C*T/2

其中为C为光速，T为电磁波发射与回波接收之间的时间差。

电磁波的发射采用脉冲式，通过天线不断发出周期为278ns的脉冲包，在每个脉冲包中包含一个周期为1ns的发射脉冲，在发射脉冲期间天线发射出6.3GHz的电磁波，另外，可根据实际工作环境，针对不同的干扰情况以及量程要求调整电磁波的频率：频率越高干扰的影响越小可实现的量程越大，但同时消耗的功率也越高。图3给出的是电磁波泥水位传感器发射的电磁波信号的周期状态。

本具体实施方式提供的山洪泥石流电磁波泥水位监测装置的电磁波雷达用于发射和接收测量距离所用的6.3GHZ电磁波，接收到的信号通过信号放大器12放大及通过A/D转换器13进行AD转换后送入主控单元14，通过主控单元14计算电磁波发射与接收间的时间差进而计算出被测物与传感器模块11之间的距离；电磁波发射脉冲主要有PWM脉宽调制模块实现，所测量的泥水位数据通过无线传输模块15(可采用HART通信模块)输出，HART通信采用两线制，简化了接线的复杂程度，并且输出为通用的4-20mA信号，方便后期数据采集和处理；LCD显示模块主要用于显示传感器的各项参数以及测量结果，控制按钮主要用于对传感器各项参数以及显示内容的设定。

本具体实施方式还提供了一种山洪泥石流电磁波泥水位监测系统，如图4所示，包括山洪泥石流电磁波泥水位监测装置1、数据中继站2和远程服务器3；

山洪泥石流电磁波泥水位监测装置1用于对监测点的雨量、地声、泥水位进行采集，并将采集的数据通过AD转换后发送给数据中继站2，同时分析采集的数据，若满足发生山洪泥石流的条件则向数据中继站2发出相应级别的预警信号；

数据中继站2用于将山洪泥石流电磁波泥水位监测装置1发送的数据和预警信号发送给远程服务器3；

远程服务器3用于保存山洪泥石流电磁波泥水位监测装置1发送的数据，并且当将山洪泥石流电磁波泥水位监测装置1发送预警信号时，提示工作人员。

山洪泥石流电磁波泥水位监测装置1安装在选择的监测点上对相应地点的各项指标进行监测，在监测的过程中主要对监测点的雨量、地声、泥水位等物理量进行综合检测与分析，并将监测数据以及报警信号通过无线信号进行发送。数据中继站2主要负责接收山洪泥石流电磁波泥水位监测装置1通过无线链路发送过来的相应监测点的监测数据以及报警信号，可布置在附近的村民家中或设立专门的中继站。对于监测数据，数据中继站2将其进行相应处理(例如数据融合等)后通过有线网络、GPRS或卫星等可实现远距离发送的方式发送到远程服务器3，当数据中继站2接收到的报警信号时会立即通过相应的报警装置(扩音器、警示灯、电话拨号以及短信发送等)进行报警，并且将报警相关信息作为数据记录上传到远程服务器3。远程服务器3作为上位机布置在监测中心，接收通过数据中继站2上传的远程数据，并对数据进行分析处理和记录。通过远程服务器3可实现对监测点的远程监控，及时了解相关监测点的各项监测指标；还可以对各监测点的雨量、地声、泥水位等物理量以及报警信息进行记录和分析，这些记录和分析的数据可作为相关研究的重要依据。

山洪泥石流电磁波泥水位监测装置1由于布置在野外环境中，通常环境较为恶劣，不具备市电等条件，所以可采用太阳能进行供电，利用200-400MHz的电磁波信号进行数据传输，并且根据实际耗电情况设置是否需要休眠；数据中继站2可布置在条件较好、有市电供电的环境中，并且为了对山洪泥石流电磁波泥水位监测装置1发骚的数据的及时、完整上传，故采用持续工作方式，而且，可根据实际情况选用Internet、GPRS网络或者卫星等方式实现远距离通讯；远程数据库3作为数据的传输终端和监控的上位机必须实现对各个监测点的实时状态监测和完整数据的收集与处理，所以需要24小时不间断工作，并且配备完善的UPS备用供电系统以及可靠的冗余系统，避免数据的丢失。

本具体实施方式提供的山洪泥石流电磁波泥水位监测系统采用多级预警的方式，通过综合分析各个监测的物理量和各物理量变化导致山洪泥石流发生的几率进行多级预警，可以有效避免误报导致的浪费和损失，同时多级报警可以让当地政府和人民根据实际情况进行准备和防御，避免准备不足和撤离不及时的情况发生。图5给出了山洪泥石流电磁波监测预警系统的报警逻辑。首先，要根据监测点的地质环境状况和往年山洪泥石流地质灾害发生的情况设定合理的泥水位、雨量阈值，当一轮监测开始后，采集电磁波雷达、低声检波器和雨量计测量的数据，将数据分别进行放大与A/D转换后送入MCU，由MUC将监测数据进行分析，当下列条件：①电磁波雷达探测到的泥水位超过设定阈值②至少两路地声检波器监测到地声信号③雨量计测得的雨量达到或超过设定阈值，三个条件全部满足时，立即发出以及警报(最高级警报)；若其中两个条件同时满足另一个条件不满足时发出二级预警信号；若其中仅有一个条件满足时发出三级预警信号；若三个条件均不满足则传感器节点进行休眠等待下一次检测。

采用本具体实施方式提供的技术方案，通过采用微波雷达对泥水位进行监测，微波雷达采用非接触测量的方式，应用范围广，可用于液体、乳状体、熔融体等形态物体的野外测量，被侧介质可以是易燃、易爆、腐蚀性强的高温、高压状态物质；微波雷达采用高频电磁波进行测量，具有不受温度、压力、惰性气体和蒸汽的影响，也不受被测介质物理特性变化等影响，测量精度可达到毫米级，优于机械波的相关特性；微波雷达发射的电磁波功率仅为1mW，能源消耗少，并且由于其内部没有机械部件，不易磨损，使用寿命长，可实现很高的防护等级，适用于无人值守的野外环境；结合传统的泥石流预测机制，以超声波泥水位监测为主，雨量监测、地声监测为辅，形成多级预警系统；监测信息通过中继站传输到远程服务器，在发生泥石流时，预警信息可通知到相关负责人。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种山洪泥石流电磁波泥水位监测装置，其特征在于，包括传感器模块、信号放大器、A/D转换器、主控单元、无线传输模块和报警模块，所述传感器模块的信号输出端与所述信号放大器的信号输入端连接，所述信号放大器的信号输出端与所述A/D转换器的信号输入端连接，所述A/D转换器的信号输出端与所述主控单元的信号输入端连接，所述主控单元的信号输出端分别与所述无线传输模块的信号输入端和所述报警模块的信号输入端连接，所述报警模块的信号输出端与所述无线传输模块的报警信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的洪泥石流电磁波泥水位监测装置，其特征在于，所述传感器模块包括电磁波雷达、地声检波器和雨量计。

3.根据权利要求1所述的洪泥石流电磁波泥水位监测装置，其特征在于，所述装置还包括供电模块，所述供电模块用于为所述传感器模块、信号放大器、A/D转换器、主控单元、无线传输模块和报警模块供电。

4.根据权利要求1所述的滑坡崩塌位移光纤视频监控装置，其特征在于，所述装置还包括太阳能板，所述太阳能板用于为所述传感器模块、信号放大器、A/D转换器、主控单元、无线传输模块和报警模块供电。

5.一种山洪泥石流电磁波泥水位监测系统，其特征在于，包括数据中继站、远程服务器和权利要求1至4任意一项所述的山洪泥石流电磁波泥水位监测装置；

所述山洪泥石流电磁波泥水位监测装置用于对监测点的雨量、地声、泥水位进行采集，并将采集的数据通过AD转换后发送给数据中继站，同时分析采集的数据，若满足发生山洪泥石流的条件则向所述数据中继站发出相应级别的预警信号；

所述数据中继站用于将所述山洪泥石流电磁波泥水位监测装置发送的数据和预警信号发送给所述远程服务器；

所述远程服务器用于保存所述山洪泥石流电磁波泥水位监测装置发送的数据，并且当将所述山洪泥石流电磁波泥水位监测装置发送预警信号时，提示工作人员。

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