CN103364074A - 一种次声监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种次声监测系统，该系统包括若干个数据采集子系统和一服务器组成，所述的数据采集子系统包括集成在一起的敏感子系统和信号采集及预处理子系统；所述的敏感子系统包括：次声传感器、温湿度传感器、风速计和GPS模块，用于采集次声、温度、湿度、风速、空间和时间信息，并将其转换为电信号后送入信号采集及预处理子系统；所述的信号采集及预处理子系统，用于对次声、温度、湿度和风速这四种物理信息进行平滑和预处理，完成信号去噪和畸变校正，并将得到的具有空间信息和时间信息的有效次声信号送入服务器；所述的服务器，用于通过克里金插值的方法处理接收到的有效次声信号生成次声图像，并利用时间反转技术完成对次声源的确定。

Description

一种次声监测系统

技术领域

本发明涉及一种次声监测系统，以实现对自然或人工灾害产生的次声传播监测和次声源定位的目的。

背景技术

长时间观测以及国内外研究表明，自然灾害事件和人工灾害事件发生过程中都会产生次声波，不同类型的灾害事件可以产生不同频段的次声波。通过在大范围区域内布置次声传感器，组成网络监测系统，实现对次声波信息的实时监测，挖掘次声波信息，可以实现对灾害事件监控的目的。

目前，国外的CTBTO组织使用传感器网络监测次声，但是由于其采用的传感器频带以及空间位置的限制，其监测范围主要是1Hz到20Hz的次声源，其次，其次声传感器等设备装置体积过大，需要占用大量空间，同时有电力设备供应功耗很大，而且必须有人员值守。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的上述不足，从而提供一种体积小、功耗低、高度集成的次声监测系统，适用于对自然或人工灾害产生的次声传播进行监测和对次声源进行定位。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种次声网络监测系统，包括：次声传感器、温湿度传感器、风速计、GPS模块和数据处理模块，其特征在于：该次声网络监测系统包括若干个数据采集子系统1和一服务器2组成，所述的数据采集子系统1包括敏感子系统11和信号采集及预处理子系统12；

所述的敏感子系统11包括：次声传感器111、温湿度传感器112、风速计113和GPS模块114，用于采集次声、温度、湿度、风速、空间和时间信息，并将其转换为电信号后送入信号采集及预处理子系统12；

所述的信号采集及预处理子系统12，用于对次声、温度、湿度和风速这四种物理信息进行平滑和预处理，完成信号去噪和畸变校正，并将得到的具有空间信息和时间信息的有效次声信号送入服务器2；

所述的服务器2，用于通过克里金插值的方法处理接收到的有效次声信号生成次声图像，并利用时间反转技术完成对次声源的确定。

作为上述技术方案的一种改进，所述的次声传感器111，用于实现对次声信息的敏感，将其转换成相应的电信号并进行放大的处理。

作为上述技术方案的一种改进，所述的温湿度传感器112，用于实现对温度和湿度信息的敏感，并将其转换成相应的电信号。

作为上述技术方案的一种改进，所述的风速计113，用于实现对风速信息的敏感，并将其转换成相应的电信号。

作为上述技术方案的一种改进，所述的GPS模块114，用于接收GPS信息并解算出时间信息和空间信息。

作为上述技术方案的一种改进，所述的信号采集及预处理子系统12包括：A/D转换模块121、串口模块122、数据处理模块123、存储器124、时钟电路125和电源模块126，其中，所述的A/D转换模块121，用于将从敏感子系统11输出的次声、温度湿度物理信息转换成数字信号；所述的串口模块122，用于将从敏感子系统11输出的风速物理信息和时间空间信息传递给数据处理模块123；所述的时钟电路125，用于为数据处理模块123提供时钟信号，所述的存储器124，用于为数据处理模块123提供数据存储空间；所述的电源模块126，用于为信号采集及预处理子系统12提供电源。

作为上述技术方案的再一种改进，所述的信号采集及预处理子系统12还包括FLASH存储模块127，用于数据备份。

作为上述技术方案的再一种改进，所述的信号采集及预处理子系统12还包括SD卡存储器128，用于和存储器124一起为数据处理模块123提供数据存储空间。

作为上述技术方案的再一种改进，所述的存储器124采用SDRAM存储器。

作为上述技术方案的再一种改进，所述的数据处理模块123采用ARM芯片。

本发明是利用次声传感器和温度传感器、风速计、GPS敏感物理信息与时间空间信息，经过A/D变换成数字信号，完成信号去噪、畸变校正的功能，将所得的具有空间和时间信息的有效次声信号送入服务器中，时钟电路为ARM芯片提供时钟信号，SDRAM芯片为ARM芯片存储软件程序，FLASH芯片和SD卡存储器为ARM芯片提供数据存储空间，电源模块为信号采集及预处理子系统提供电源，最后多个数据采集系统得到的校准后的次声数据送入综合处理子系统并进行声像图的计算，动态显示次声传播规律，利用时间反转技术完成对次声源的确定。

本发明的优点在于，本发明实现了一种体积小、低功耗的次声网络监测系统，对实现自然或人工灾害的监控具有重要的实践意义。敏感子系统实现对次声信息、温度信息、湿度信息、风速信息、空间信息和时间信息的采集，并将其转换为电信号后送入信号采集及预处理子系统，信号采集及预处理子系统对次声、温度、湿度、风速这四种物理信息进行平滑和预处理，并将所得的具有空间信息和时间信息的有效次声信号送入服务器，服务器将接收到有效次声信号通过克里金插值的方法生成次声图像，并利用时间反转技术完成对次声源的确定。

本发明与现有技术相比：(1)声成像算法简单，易于参数设置和优化，以及工程实现成熟的优点，适用于大范围内次声网络监测系统的布设；(2)将温湿度信息和GPS单元与处理单元集成在一起，明显提高了系统的集成度，减小了系统的质量，体积和功耗；(3)针对各子系统功能需求，采用具有处理速度快、控制能力强等显著特点的ARM芯片，实现系统的小型化和一体化设计；(4)采用声像图方法来动态显示次声数据传播过程，数据采集系统的位置不受地理位置条件的限制；(5)为保证声像图能够准确反映次声传播规律，采用温湿度信息和风速信息对次声信息进行在线误差补偿。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图；

图2为本发明的数据采集系统的构成图；

图3为本发明的信号采集及预处理子系统构成图；

图4为本发明的总体信号流程图；

图5为本发明基于克里金插值和时间反转技术的次声监测系统的处理流程图。

具体实施方式

如图1和2所示，本发明由N个数据采集子系统1和综合处理子系统2组成。数据采集子系统1包括敏感子系统11和信号采集及预处理子系统12组成。敏感子系统11包括次声传感器111、温湿度传感器112和风速计113，GPS接收模块114，其中，次声传感器111实现对次声信息的敏感，将其转换成相应的电信号并进行放大的处理；温湿度传感器112实现对温度和湿度信息的敏感，并将其转换成相应的电信号，风速计113实现对风速信息的敏感，并将其转换成相应的电信号，GPS模块114接收GPS信息并解算出时间信息和空间信息。信号采集及预处理子系统12对次声、温度、湿度、风速这四种物理信息进行平滑和预处理，完成信号去噪、畸变校正等功能。

本实施例采用的次声传感器111为中科院声学所生产的InSYS2008次声传感器，该次声传感器低功耗，具有较大的探测频率，探测范围为0.001～100Hz。

本实施例采用的温湿度传感器112为DHT11型号温湿度传感器，该传感器由一个电阻式测湿元件和一个NTC测温元件高度集成，功耗很低，可以同时提供温度和湿度信息，采集时仅需要一个I/O口，传感器内部湿度和温度数据40Bit的数据一次性传给信号与预处理子系统12，数据采用校验和方式进行校验，有效的保证数据传输的准确性。

本实施例采用的风速计113为型号BHYR-M196457的三维超声风速计，该风速计将测量的风速信息通过串口输出通道输出给信号与预处理子系统12。

本实施例采用的GPS接收模块114采用HOLUX的M-87的GPS模块，该GPS具有小体积，低功耗，快速定位等优点，GPS将结算的时间和经纬度信息通过串口传输给信号与预处理子系统12。

如图3所示，本发明采用的信号及预处理子系统12结构示意图，该子系统包括A/D转换模块121、串口模块122、ARM芯片123、SDRAM存储器124、时钟电路125，电源模块126，FLASH芯片127和SD卡存储器128，其中A/D转换模块121将从敏感子系统11输出的次声，温度湿度物理信息转换成数字信号，串口模块122将从敏感子系统11输出的风速物理信息和时间空间信息传递给ARM芯片123；其中ARM芯片123芯片采用三星公司ARM9系列的S3C2440A芯片，该芯片属于系列配套产品，避免了兼容问题的出现。在ARM芯片123的外围外扩了SDRAM存储器124，用以对来自敏感子系统11的次声，温度，湿度，风速物理信息进行缓存。时钟电路125为本子系统提供时钟信号，电源模块126为信号采集及预处理子系统12中的所有芯片提供所需要的电源1.3V和3.3V。在本实例中，先由A/D转换器121对接收到的次声，温度，湿度物理信息进行转换，然后将信息传输到ARM9芯片123中。风速信息和时间和空间信息经过串口模块122传输到ARM9芯片123中，ARM9芯片123周围配置了容量为64Mbyte的SDRAM存储器124，可以对处理前、后的数据进行临时存储，起到很好的缓冲作用；在NAND FLASH芯片127中预先装入了实现对信号去噪，畸变校正的软件程序，当网络拥堵或者故障而不传输数据时，8G的SD卡存储器128提供大量数据的存储空间。

本实施例使用的服务器3为IBM System x3400 M3(7379I03)型号的服务器，其上安装FTP软件来控制和接收各个数据采集子系统1传输的有效次声信号。

如图4所示，为本发明的总体信号流程图，次声、温度、湿度物理信息分别通过次声传感器111，温湿度传感器112转换成模拟信号，经过A/D转换模块121转换成数字信号进入ARM9芯片122进行预处理；同时ARM9芯片123通过串口模块接收GPS模块114结算的时间和经纬度信息和经过风速计113解算的风速信息，并且接收来自服务器2的控制信息，控制采集存储信息的网络传输。经ARM9芯片123预处理之后的信息通过以太网络或者3G无线网络传输到服务器2上。

本发明的信号采集及预处理子系统12的电源模块，由外界提供220V的交流电源，分别经过电压转换芯片AS1117-3.3和MIC5219BMM进行电压转换，为ARM9芯片122提供所需的1.3V和3.3V电压。

本发明的信号采集及预处理子系统12的串口模块，该模块使用两个MAX3232EEAE芯片，配置成三个串口，串口0用于调试ARM9芯片112，串口1用于接收GPS模块解算的经纬度信息和位置信息，串口2接收风速计发送的风速信息，并将信息传送给ARM9芯片用于处理。

如图5所示，本发明的基于克里金插值算法和时间反转技术次声源定位的流程图，初始化后，由次声传感器111敏感次声数据，由温湿度传感器112测量的温度和湿度数据和风速传感器113测量的风速数据对次声数据进行误差补偿，计算出有效次声信息，该信息的时间和空间信息由GPS模块114解算得到，利用克里金插值实时生成声像图，利用时间反转技术可以确定声源信息，程序结束。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种次声网络监测系统，包括：次声传感器、温湿度传感器、风速计、GPS模块和数据处理系统，其特征在于：该次声网络监测系统包括若干个数据采集子系统(1)和一服务器(2)组成，所述的数据采集子系统(1)包括集成在一起的敏感子系统(11)和信号采集及预处理子系统(12)；

所述的敏感子系统(11)包括：次声传感器(111)、温湿度传感器(112)、风速计(113)和GPS模块(114)，用于采集次声、温度、湿度、风速、空间和时间信息，并将其转换为电信号后送入信号采集及预处理子系统(12)；

所述的信号采集及预处理子系统(12)，用于对次声、温度、湿度和风速这四种物理信息进行平滑和预处理，完成信号去噪和畸变校正，并将得到的具有空间信息和时间信息的有效次声信号送入服务器(2)；

所述的服务器(2)，用于通过克里金插值的方法处理接收到的有效次声信号生成次声图像，并利用时间反转技术完成对次声源的确定。

2.根据权利要求1所述的次声网络监测系统，其特征在于：所述的次声传感器(111)，用于实现对次声信息的敏感，将其转换成相应的电信号并进行放大的处理。

3.根据权利要求1所述的次声网络监测系统，其特征在于：所述的温湿度传感器(112)，用于实现对温度和湿度信息的敏感，并将其转换成相应的电信号。

4.根据权利要求1所述的次声网络监测系统，其特征在于：所述的风速计(113)，用于实现对风速信息的敏感，并将其转换成相应的电信号。

5.根据权利要求1所述的次声网络监测系统，其特征在于：所述的GPS模块(114)，用于接收GPS信息并解算出时间信息和空间信息。

6.根据权利要求1所述的次声网络监测系统，其特征在于：所述的信号采集及预处理子系统(12)包括：A/D转换模块(121)、串口模块(122)、数据处理模块(123)、存储器(124)、时钟电路(125)和电源模块(126)，其中，所述的A/D转换模块(121)，用于将从敏感子系统(11)输出的次声、温度湿度物理信息转换成数字信号；所述的串口模块(122)，用于将从敏感子系统(11)输出的风速物理信息和时间空间信息传递给数据处理模块(123)；所述的时钟电路(125)，用于为数据处理模块(123)提供时钟信号，所述的存储器(124)，用于为数据处理模块(123)提供数据存储空间；所述的电源模块(126)，用于为信号采集及预处理子系统(12)提供电源。

7.根据权利要求6所述的次声网络监测系统，其特征在于：所述的信号采集及预处理子系统(12)还包括FLASH存储模块(127)，用于数据备份。

8.根据权利要求6所述的次声网络监测系统，其特征在于：所述的信号采集及预处理子系统(12)还包括SD卡存储器(128)，用于和存储器(124)一起为数据处理模块(123)提供数据存储空间。

9.根据权利要求6或8所述的次声网络监测系统，其特征在于：所述的存储器(124)采用SDRAM存储器。

10.根据权利要求6所述的次声网络监测系统，其特征在于：所述的数据处理模块(123)采用ARM芯片。

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