CN103994814B - 地雷多模态振型测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种地雷多模态振型的测量装置和方法，包括信号发生器、声发射单元、声级计、激光多普勒振动计、多通道数据采集卡、计算机和地雷箱；信号发生器通过数据线连接声发射单元；声级计和激光多普勒振动计分别通过数据线依次连接多通道数据采集卡和计算机；通过信号发生器和声发射单元发出连续扫频的高强度低频声波，并通过声级计和激光多普勒振动计分别检测地雷上端面的声压级和振动速度的幅频特性曲线，测出地雷的多阶固有频率；通过信号发生器和声发射单元发出以地雷固有频率为输出频率的高强度声波信号，由激光多普勒振动计、多通道数据采集卡和计算机检测并显示、记录地雷的多模态振型。本发明实现地雷多模态振型非接触式快速准确测量。
Description
技术领域
本发明涉及地雷探测技术领域，尤其是一种地雷多模态振型测量装置及测量方法，是声波探测地雷研究中地雷的机械振动特性的测量装置及方法。
背景技术
迄今为止，塑料等非金属地雷的安全、可靠探测仍是一个世界性难题。惯用的金属探雷器基于电磁感应原理只能探测金属地雷，对金属含量很少的塑料等非金属地雷的探测效果很差。对基于红外、探地雷达、X射线等成像技术，在探测机理上难以区分出埋藏物为地雷还是岩石、砖头或其它碎片；对于中子分析、生物探雷（如探雷蜜蜂、探雷狗和探雷草等）等非成像技术，尚处于探索或应用可行性论证阶段。
基于地雷机械特性的声共振探雷技术展示了良好的探测前景，其中地雷的多模态振动是衡量地雷机械特性的一个重要特征。地雷的几何尺寸以及通常的埋藏深度，决定了地雷与其上方的埋藏土壤构成的谐振系统的共振频率在低频段，而地雷与其上方土壤构成出谐振系统在声波激励并发生共振的情况下，地雷的雷体罩的振动会呈现特定的振型，并影响到地表特定的振动状态。因此，通过检测地雷的多模态振型可用于声波识别掩埋地雷的研究。
目前缺少商用或专用的地雷多模态振型测量装置，一个典型的地雷多模态振型测量装置应包括声波发射单元、地雷固有频率检测单元和雷体罩各点振动检测单元。目前，在声波发射系统和振动信号检测系统方面有商用产品，但缺少与地雷掩埋装置和雷体振动检测装置以及地雷固有频率检测装置的组合使用，并且没有地雷多模态振型的专业测量装置和测量方法。本发明正是针对这一关键技术进行展开的。
发明内容
本发明的目的在于克服目前尚无专用的地雷多模态振型测量装置等方面的问题，提供一种高精度地雷多模态振型测量装置和测量方法，可实现对地雷多模态振型的高精度、快速度的非接触测量。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种地雷多模态振型测量装置，包括信号发生器、声发射单元、声级计、激光多普勒振动计、多通道数据采集卡、计算机和地雷箱；所述信号发生器通过数据线连接所述声发射单元；所述声级计通过数据线依次连接所述多通道数据采集卡和所述计算机；所述激光多普勒振动计通过数据线依次连接所述多通道数据采集卡和所述计算机。
采用上述测量装置，一种地雷多模态振型测量方法，具体实施步骤为：
（1）将所述地雷箱装满细沙土，将待测地雷雷体埋藏于所述地雷箱，将待测地雷的上端面裸露于空中，并将待测地雷的上端面与所述地雷箱中的所述细沙土表面重合；
（2）将所述声发射单元的发声端口对准待测地雷的上端面的中心位置点；
（3）将所述声级计放置于所述待测地雷的上端面的中心位置点；
（4）将所述信号发生器发出频率为f 0Hz的起始正弦波信号，通过所述声发射单元放大功率后发出高强度正弦声波；
（5）保持所述信号发生器和所述声发射单元的能量输出功率参数设置不变，采用通过数据线依次连接的所述声级计、所述多通道数据采集卡和所述计算机测量并记录待测地雷的上端面的中心位置点的声压级；
（6）保持所述信号发生器和所述声发射单元的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1）Hz，采取与步骤（4）-（5）相同的步骤，测量并记录该频率声波激励下所述待测地雷的上端面的中心位置点的声压级；
（7）重复步骤（6）的操作，测量并记录至预设频率为（f 0+N）Hz时的所述待测地雷的上端面的中心位置点的声压级，其中N为自然数；
（8）在所述计算机中求出并记录所测的所述待测地雷的上端面的中心位置点的声压级关于激发正弦波频率f 0Hz、（f 0+1）Hz、（f 0+2）Hz、…、（f 0+N）Hz的幅频特性曲线；
（9）保持所述信号发生器和所述声发射单元的能量输出功率参数设置不变，移走声级计，将所述激光多普勒振动计对准待测地雷的上端面的中心位置点，发射出检测光束信号；
（10）保持所述信号发生器和所述声发射单元的能量输出功率参数设置不变，采取与步骤（4）相同的步骤，将所述信号发生器发出频率为f 0Hz的起始正弦波信号，通过所述声发射单元放大功率后发出高强度正弦声波；
（11）保持所述信号发生器和所述声发射单元的能量输出功率参数设置不变，采用通过数据线依次连接的所述激光多普勒振动计、所述多通道数据采集卡和所述计算机测量并记录待测地雷的上端面的中心位置点的振动速度；
（12）保持所述信号发生器和所述声发射单元的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1）Hz，采取与步骤（10）-（11）相同的步骤，测量并记录该频率声波激励下所述待测地雷的上端面的中心位置点的振动速度；
（13）重复步骤（12）的操作，测量并记录至预设频率为（f 0+N）Hz时的所述待测地雷的上端面的中心位置点的振动速度；
（14）在所述计算机中求出并记录所测的所述待测地雷的上端面的中心位置点的振动速度关于激发正弦波频率f 0Hz、（f 0+1）Hz、（f 0+2）Hz、…、（f 0+N）Hz的幅频特性曲线；
（15）将步骤（14）中求得的所述待测地雷的上端面的中心位置点的振动速度的幅频特性曲线与步骤（8）中求得的所述待测地雷的上端面的中心位置点的声压级的幅频特性曲线的对应幅值求比值，得出该比值的幅频特性曲线；
（16）根据步骤（15）中求得的所述待测地雷的上端面的中心位置点的振动速度的幅频特性曲线的幅值与声压级的幅频特性曲线的对应幅值的比值的幅频特性曲线，按频率由小到大的顺序，根据比值极大的幅值和对应的频率点，找出并记录所述待测地雷的多阶固有频率f r1Hz，f r2Hz，…，f rm Hz，其中，f r表示固有频率，m≥1，表示固有频率的阶数；
（17）保持所述信号发生器和所述声发射单元的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器发出频率为f ri Hz的正弦波信号，其中，f r表示固有频率，i=1,2,…,m，通过所述声发射单元放大功率后发出高强度正弦声波；
（18）保持所述信号发生器和所述声发射单元的能量输出功率参数设置不变，采用通过数据线依次连接的所述激光多普勒振动计、所述多通道数据采集卡和所述计算机测量并记录待测地雷的上端面各位置点的振动速度；
（19）将步骤（18）测得的待测地雷的上端面各位置点的振动速度绘制关于待测地雷的上端面对应二维空间位置的三维图，即得待测地雷在第f ri 阶阶固有频率对应的振动模态下的振型，其中，f r表示固有频率，i=1,2,…,m，采用所述计算机显示和记录。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：
本发明提供的地雷多模态振型的测量装置及方法能实现地雷多模态振型的非接触式快速准确测量。
附图说明 图1是本发明的地雷多模态振型测量装置结构示意图；
图2是地雷的上端面振动速度的扫描测量方法示意图；
图3是地雷多模态振型测量方法实施步骤框图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图论述如下：
参见图1，一种地雷多模态振型测量装置，包括信号发生器101、声发射单元102、声级计103、激光多普勒振动计104、多通道数据采集卡105、计算机106和地雷箱107；所述信号发生器101通过数据线连接所述声发射单元102；所述声级计103通过数据线依次连接所述多通道数据采集卡105和所述计算机106；所述激光多普勒振动计104通过数据线依次连接所述多通道数据采集卡105和所述计算机106。
本实施例中用到的信号发生器101采用Tektronix公司生产的AFG3022任意波形/函数发生器，声发射单元102采用由Yamaha公司生产的MG8/2FX调音台、杭州声博电子科技有限公司生产的PA2000功率放大器和Soundking集团有限公司生产的JB215专业音箱构成的音响系统，声级计103采用北京声望声电技术有限公司生产的BSWA801声级计，激光多普勒振动计104采用德国Polytec公司生产的PDV-100激光多普勒振动计，多通道数据采集卡105采用美国国家仪器（NI）有限公司生产的NI-PXI多通道数据采集系统，地雷箱107是由木板制成的中空、无盖的圆筒形结构。
参见图1和图3，一种地雷多模态振型的测量方法，采用上述测量装置，本方法具体实施步骤为：
（1）将所述地雷箱107装满细沙土110，将待测地雷108雷体埋藏于所述地雷箱107内，将待测地雷108的上端面111裸露于空中，并将待测地雷108的上端面111与所述地雷箱107中的所述细沙土110表面重合；
（2）将所述声发射单元102的发声端口对准待测地雷108的上端面111的中心位置点109；
（3）将所述声级计103放置于所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109；
（4）将所述信号发生器101发出频率为f 0Hz的起始正弦波信号，通过所述声发射单元102放大功率后发出高强度正弦声波；
（5）保持所述信号发生器101和所述声发射单元102的能量输出功率参数设置不变，采用通过数据线依次连接的所述声级计103、所述多通道数据采集卡105和所述计算机106测量并记录待测地雷108的上端面111的中心位置点109的声压级；
（6）保持所述信号发生器101和所述声发射单元102的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器101发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1）Hz，采取与步骤（4）-（5）相同的步骤，测量并记录该频率声波激励下所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109的声压级；
（7）重复步骤（6）的操作，测量并记录至预设频率为（f 0+N）Hz时的所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109的声压级，其中N为自然数；
（8）在所述计算机106中求出并记录所测的所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109的声压级关于激发正弦波频率f 0Hz、（f 0+1）Hz、（f 0+2）Hz、…、（f 0+N）Hz的幅频特性曲线；
（9）保持所述信号发生器101和所述声发射单元102的能量输出功率参数设置不变，移走声级计103，将所述激光多普勒振动计104对准待测地雷108的上端面111的中心位置点109，发射出检测光束信号；
（10）保持所述信号发生器101和所述声发射单元102的能量输出功率参数设置不变，采取与步骤（4）相同的步骤，将所述信号发生器101发出频率为f 0Hz的起始正弦波信号，通过所述声发射单元102放大功率后发出高强度正弦声波；
（11）保持所述信号发生器101和所述声发射单元102的能量输出功率参数设置不变，采用通过数据线依次连接的所述激光多普勒振动计104、所述多通道数据采集卡105和所述计算机106测量并记录待测地雷108的上端面111的中心位置点109的振动速度；
（12）保持所述信号发生器101和所述声发射单元102的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器101发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1）Hz，采取与步骤（10）-（11）相同的步骤，测量并记录该频率声波激励下所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109的振动速度；
（13）重复步骤（12）的操作，测量并记录至预设频率为（f 0+N）Hz时的所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109的振动速度，其中N为自然数；
（14）在所述计算机106中求出并记录所测的所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109的振动速度关于激发正弦波频率f 0Hz、（f 0+1）Hz、（f 0+2）Hz、…、（f 0+N）Hz的幅频特性曲线；
（15）将步骤（14）中求得的所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109的振动速度的幅频特性曲线与步骤（8）中求得的所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109的声压级的幅频特性曲线的对应幅值求比值，得出该比值的幅频特性曲线；
（16）根据步骤（15）中求得的所述待测地雷108的上端面111的中心位置点109的振动速度的幅频特性曲线的幅值与声压级的幅频特性曲线的对应幅值的比值的幅频特性曲线，按频率由小到大的顺序，根据比值极大的幅值和对应的频率点，找出并记录所述待测地雷108的多阶固有频率f r1Hz，f r2Hz，…，f rm Hz，其中，f r表示固有频率，m≥1，表示固有频率的阶数；
（17）保持所述信号发生器101和所述声发射单元102的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器101发出频率为f ri Hz的正弦波信号，其中，f r表示固有频率，i=1,2,…,m，通过所述声发射单元102放大功率后发出高强度正弦声波；
（18）保持所述信号发生器101和所述声发射单元102的能量输出功率参数设置不变，采用通过数据线依次连接的所述激光多普勒振动计104、所述多通道数据采集卡105和所述计算机106测量并记录待测地雷108的上端面111各位置点的振动速度；
（19）将步骤（18）测得的待测地雷108的上端面111各位置点的振动速度绘制关于待测地雷108的上端面111对应二维空间位置的三维图，即得待测地雷108在第f ri 阶固有频率对应的振动模态下的振型，其中，f r表示固有频率，i=1,2,…,m，采用所述计算机106显示和记录。
本实施例中用到的待测地雷108样品采用69式反坦克塑料教练地雷。参见图2，本实施例中测量并记录待测地雷108的上端面111各位置点的振动速度，采用图2所示的网状方格结构，按顺序依次测量网状各方格位置点的振动速度。
Claims (1)
1.一种地雷多模态振型测量方法，采用地雷多模态振型测量装置进行测量，该装置包括信号发生器（101）、声发射单元（102）、声级计（103）、激光多普勒振动计（104）、多通道数据采集卡（105）、计算机（106）和地雷箱（107）；所述信号发生器（101）通过数据线连接所述声发射单元（102）；所述声级计（103）通过数据线依次连接所述多通道数据采集卡（105）和所述计算机（106）；所述激光多普勒振动计（104）通过数据线依次连接所述多通道数据采集卡（105）和所述计算机（106）；其特征在于该方法的具体实施步骤为：
（1）将所述地雷箱（107）装满细沙土（110），将待测地雷（108）雷体埋藏于所述地雷箱（107）内，将待测地雷（108）的上端面（111）裸露于空中，并将待测地雷（108）的上端面（111）与所述地雷箱（107）中的所述细沙土（110）表面重合；
（2）将所述声发射单元（102）的发声端口对准待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）；
（3）将所述声级计（103）放置于所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）；
（4）将所述信号发生器（101）发出频率为f 0Hz的起始正弦波信号，通过所述声发射单元（102）放大功率后发出高强度正弦声波；
（5）保持所述信号发生器（101）和所述声发射单元（102）的能量输出功率参数设置不变，采用通过数据线依次连接的所述声级计（103）、所述多通道数据采集卡（105）和所述计算机（106）测量并记录待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的声压级；
（6）保持所述信号发生器（101）和所述声发射单元（102）的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器（101）发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1）Hz，采取与步骤（4）-（5）相同的步骤，测量并记录该频率声波激励下所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的声压级；
（7）重复步骤（6）的操作，测量并记录至预设频率为（f 0+N）Hz时的所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的声压级，其中N为自然数；
（8）在所述计算机（106）中求出并记录所测的所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的声压级关于激发正弦波频率f 0Hz、（f 0+1）Hz、（f 0+2）Hz、…、（f 0+N）Hz的幅频特性曲线；
（9）保持所述信号发生器（101）和所述声发射单元（102）的能量输出功率参数设置不变，移走声级计（103），将所述激光多普勒振动计（104）对准待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109），发射出检测光束信号；
（10）保持所述信号发生器（101）和所述声发射单元（102）的能量输出功率参数设置不变，采取与步骤（4）相同的步骤，将所述信号发生器（101）发出频率为f 0Hz的起始正弦波信号，通过所述声发射单元（102）放大功率后发出高强度正弦声波；
（11）保持所述信号发生器（101）和所述声发射单元（102）的能量输出功率参数设置不变，采用通过数据线依次连接的所述激光多普勒振动计（104）、所述多通道数据采集卡（105）和所述计算机（106）测量并记录待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的振动速度；
（12）保持所述信号发生器（101）和所述声发射单元（102）的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器（101）发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1）Hz，采取与步骤（10）-（11）相同的步骤，测量并记录该频率声波激励下所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的振动速度；
（13）重复步骤（12）的操作，测量并记录至预设频率为（f 0+N）Hz时的所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的振动速度，其中N为自然数；
（14）在所述计算机（106）中求出并记录所测的所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的振动速度关于激发正弦波频率f 0Hz、（f 0+1）Hz、（f 0+2）Hz、…、（f 0+N）Hz的幅频特性曲线；
（15）将步骤（14）中求得的所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的振动速度的幅频特性曲线与步骤（8）中求得的所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的声压级的幅频特性曲线的对应幅值求比值，得出该比值的幅频特性曲线；
（16）根据步骤（15）中求得的所述待测地雷（108）的上端面（111）的中心位置点（109）的振动速度的幅频特性曲线的幅值与声压级的幅频特性曲线的对应幅值的比值的幅频特性曲线，按频率由小到大的顺序，根据比值极大的幅值和对应的频率点，找出并记录所述待测地雷（108）的多阶固有频率f r1Hz，f r2Hz，…，f rm Hz，其中，f r表示固有频率，m≥1，表示固有频率的阶数；
（17）保持所述信号发生器（101）和所述声发射单元（102）的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器（101）发出频率为f ri Hz的正弦波信号，其中，f r表示固有频率，i=1,2,…,m，通过所述声发射单元（102）放大功率后发出高强度正弦声波；
（18）保持所述信号发生器（101）和所述声发射单元（102）的能量输出功率参数设置不变，采用通过数据线依次连接的所述激光多普勒振动计（104）、所述多通道数据采集卡（105）和所述计算机（106）测量并记录待测地雷（108）的上端面（111）各位置点的振动速度；
（19）将步骤（18）测得的待测地雷（108）的上端面（111）各位置点的振动速度绘制关于待测地雷（108）的上端面（111）对应二维空间位置的三维图，即得待测地雷（108）在第f ri 阶固有频率对应的振动模态下的振型，其中，f r表示固有频率，i=1,2,…,m，采用所述计算机（106）显示和记录。
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2014
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