CN203894911U - 一种泥石流次声监测报警装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种泥石流次声监测报警装置，其特征在于，包括泥石流次声信号的数据采集单元(1)、数据处理单元(2)、信息报警单元(3)、通信单元(4)、数据存储单元(5)和系统供电单元(6)；数据采集单元(1)、信息报警单元(3)、通信单元(4)、数据存储单元(5)和系统供电单元(6)分别与数据处理单元(2)连接，其中所述数据采集单元(1)由传感器(1_1)、放大电路(1_2)、二阶有源低通滤波器(1_3)、幅值调理电路(1_4)、比较电路(1_5)和ADC电路(1_6)组成；数据处理单元(2)由原始数据提取电路(2_1)、数字低通滤波电路(2_2)、阈值持续时间T判定电路(2_3)和数据分析、记录电路(2_4)组成。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子监控设备领域，尤其涉及一种泥石流次声监测报警装置。
背景技术
泥石流是一种广泛分布在世界各国一些具有特殊地形、地貌状况地区的自然灾害。我国是多山之国，受岩层断裂构造的影响，许多山体陡峭，岩石结构不稳定，森林覆盖面积不多，遇到季风气候的连阴雨、大暴雨天气，常发生严重的泥石流灾害。对这类灾害的实时监控、预警和应急处置需求极为迫切。
泥石流在形成和运动过程中的声发射信号中包含次声成分，这种次声成份是一种频率低于人类可听到声波频率范围的声波，频率范围大致为4Hz～20Hz，为确定性信号(即有确定的时域和频域特性)，几乎不衰减且约等于声速，以空气为介质传递。因为泥石流次声速度约为340米/秒，远大于泥石流运动速度(通常为10米/秒左右)，若能探测到这些微小的次声信号，则在泥石流到达之前报警装置就能有足够的提前量来实现报警，对于人类研究泥石流的规律以及防灾减灾，都有重要的意义。
现有技术中的泥石流次声报警装置存在由于车辆经过等环境干扰导致误报率较高的缺陷。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种泥石流次声监测报警装置，通过对泥石流产生的次声信号进行处理与鉴别，以实现泥石流灾害的提前预警。
本实用新型所采用的技术方案如下：
一种泥石流次声监测报警装置，包括泥石流次声信号的数据采集单元(1)、数据处理单元(2)、信息报警单元(3)、通信单元(4)、数据存储单元(5)和系统供电单元(6)；其中数据采集单元(1)、信息报警单元(3)、通信单元(4)、数据存储单元(5)和系统供电单元(6)分别与数据处理单元(2)连接，系统供电单元(6)为各单元提供工作电压；其中数据采集单元(1)用于对泥石流次声信号进行采集并转换获得泥石流次声原始电信号，所述数据处理单元(2)用于对泥石流次声原始电信号进行处理，得到处理后的泥石流次声电信号；将泥石流次声原始电信号和处理后的泥石流次声原始电信号分别存储到数据存储单元(5)中，并向信息报警单元(3)发送信息报警指令，同时将泥石流次声原始电信号和处理后的泥石流次声原始电信号通过通信单元(4)发送到远程监控中心(6)。
所述数据采集单元(1)由传感器(1_1)、放大电路(1_2)、二阶有源低通滤波器(1_3)、幅值调理电路(1_4)、比较电路(1_5)和ADC电路(1_6)组成；其中所述传感器(1_1)，用于完成声信号到电信号的转换，将低频范围声信号转换成电信号进行输出；所述传感器输出的电信号被传输至放大电路(1_2)进行功率放大，再经由二阶有源低通滤波器(1_3)完成高频噪声滤除；滤除高频噪声后的电信号通过幅值调理电路(1_4)和比较电路(1_5)。当比较电路(1_5)输出高电平(图4)，使能ADC电路(1_6)进行数据采集。
所述数据处理单元(2)由原始数据提取电路(2_1)、数字低通滤波电路(2_2)、阈值持续时间T判定电路(2_3)和数据分析记录电路(2_4)组成；其中，所述原始数据提取电路(2_1)从数据存储单元(5)中提取数据，所提取的数据经由数字低通滤波电路(2_2)进行滤波、再经由阈值持续时间T判定电路(2_3)以及数据分析记录电路(2_4)，最后将分析记录后的数据存储到数据存储单元(5)中；数据分析记录电路(2_4)判断 所述数据是否对应泥石流信号，如果是则将报警指令发送至信息报警单元(3)；并通过通信单元(4)将数据发送到远程监控中心(6)与数据存储单元(5)；如果否、则仅通过通信单元(4)将数据传输至数据存储单元(5)。信息报警单元(3)在接收数据处理单元(2)中的数据分析记录电路(2_4)所发出的报警指令后，完成本地声光报警。
优选地，系统供电单元(6)由太阳能电池板和铅酸蓄电池组成，供电单元为整个系统提供多种直流供电电压，保证各电源功率充分利用且各模块正常运行。
优选地，系统供电方式除采用12V铅酸蓄电池和太阳能板供电外，亦可添加220V交流电的供电方式，提高系统的稳定性和实用性。
优选地，ADC采集电路，可选择适合与低频信号采集的，带有可编程增益功能的其他AD芯片代替，提高数据采集精度。
本实用新型的优点主要有：1、提供两种系统供电方式，提高系统稳定性，2、滤波电路采用二阶有源低通滤波器，频率变化、阻抗变化及负载增加都不会影响系统的可靠性。
上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1示出了根据本实用新型一个具体实施方式的泥石流次声监测报警装置的结构示意图；
图2示出了根据本实用新型的一个具体实施方式的数据采集单元的结构示意图；
图3示出了根据本实用新型另一个具体实施方式的泥石流次声监测报 警装置的结构示意图；
图4示出了根据本实用新型的一个具体实施方式的比较电路的输出结果图；
图5示出了根据本实用新型的一个具体实施方式的阈值持续时间T判定电路；
图6A以及图6B示出了根据本实用新型的一个具体实施方式的声光报警电路；
图7示出了判断条件示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本实用新型所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本实用新型提出的一种泥石流次声监测报警装置的具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示，在本实用新型的一个具体实施方式中，一种泥石流次声监测报警装置，包括泥石流次声信号的数据采集单元(1)、数据处理单元(2)、信息报警单元(3)、通信单元(4)、数据存储单元(5)和系统供电单元(6)，其中数据采集单元(1)、信息报警单元(3)、通信单元(4)和数据存储单元(5)分别与数据处理单元(2)连接。系统供电单元(6)为各单元提供工作电压；数据处理单元(2)用于对泥石流次声原始电信号进行处理，得到处理后的泥石流次声电信号，将泥石流次声原始电信号和处理后的泥石流次声原始电信号分别存储到数据存储单元(5)中，并向信息报警单元(3)发送信息报警指令，同时将泥石流次声原始电信号和处理后的泥石流次声原始电信号通过通信单元(4)发送到远程监控中心(6)。
如图2所示，在本实用新型的一个具体实施方式中，为使数据采集单元(1)所输出信号幅值能够满足ADC电路进行数据采集的需求，需要将 信号通过放大电路进行放大处理；同时，由于复杂环境的干扰，采集信号中会掺杂大量高频噪声，影响低频有效信号的识别和处理，通过二阶有源低通滤波器(1_3)将环境噪声和高频信号滤除；去噪后的低频信号可满足ADC电路采集的需求。所述数据采集单元(1)由传感器(1_1)、放大电路(1_2)、二阶有源低通滤波器(1_3)、幅值调理电路(1_4)、比较电路(1_5)和ADC电路(1_6)组成。其中所述传感器(1_1)，用于完成声信号到电信号的转换，将低频范围声信号转换成电信号进行输出；所述传感器输出的电信号被传输至放大电路(1_2)进行功率放大，再经由二阶有源低通滤波器(1_3)完成高频噪声滤除；滤除高频噪声后的电信号通过幅值调理电路(1_4)和比较电路(1_5)。当比较电路(1_5)输出高电平(图4)，使能ADC电路(1_6)进行数据采集。
由于泥石流次声信号具有突发性，对于信号的持续监测和处理会严重浪费人力物力资源，使监测报警工作的效率急剧下降。根据对各种次声波产生环境，如车辆、地震、泥石流的样本数据进行分析、研究和总结，同时记录各种次声波的振幅、时长等属性，可以更精确判断泥石流发生时，次声波的属性。不同环境产生次声信号的能量集中的频率范围不同，持续时间也不相同。例如：火箭发射、核爆炸或飞机飞过时，其能量主要集中在0.02～4Hz，转换成电信号时为几个mv，持续时间约为30s(秒)；海浪冲击海岸激发的次声波频率通常在2～5Hz，转换成电信号时波动范围较大，在某一幅值下的持续时间很短，为几秒钟；强风吹响陡峭山体产生次声波频率为0.02～0.05Hz，转换成电信号为几十个mv，持续时间为20～50s；而泥石流发生时产生的次声波能量集中在5～20Hz，转换成电信号约为50mv，持续时间大于3min(分钟)。将幅值调理电路(1_4)将前端输出信号调理为V，预先设置比较电路(1_5)的基准比较电压V1为2伏特，预 先设置阈值持续时间T判定电路的T1为3min，当前端采集信号输出电压V＞比较电路(1_5)的基准比较电压V1，且持续时间T＞阈值持续时间T判定电路的T1，则判断采集信号为泥石流次声信号。
如图3所示，在本实用新型的一个具体实施方式中，数据处理单元(2)用于对数据采集单元(1)输出的泥石流次声原始电信号进行处理。所述数据处理单元(2)由原始数据提取电路(2_1)、数字低通滤波电路(2_2)、阈值持续时间T判定电路(2_3)和数据分析记录电路(2_4)组成。其中，所述原始数据提取电路(2_1)从数据存储单元(5)中提取数据，所提取的数据经由数字低通滤波电路(2_2)进行滤波、再经由阈值持续时间T判定电路(2_3)以及数据分析记录电路(2_4)，最后将分析记录后的数据以存储到数据存储单元(5)中。
根据数据采集单元(1)中的幅值调理电路(1_4)和比较电路(1_5)，同时结合数据处理单元(2)中的阈值持续时间T判定电路(2_3)判断采集信号是否为泥石流次声信号的结论；根据判断结果选择是否进行报警信息发送与数据存储；。当前端采集信号输出电压V＞比较电路(1_5)的基准比较电压V1，且持续时间T＞阈值持续时间T判定电路的T1，可判断采集信号为泥石流次声信号。如果判断所述数据对应泥石流信号，则将报警指令发送至信息报警单元(3)；并通过通信单元(4)将数据发送到远程监控中心(6)与数据存储单元(5)；如果判断所述数据不对应泥石流信号，则仅通过通信单元(4)将数据传输至数据存储单元(5)。信息报警单元(3)在接收数据处理单元(2)中的数据分析记录电路(2_4)所发出的报警指令后，完成本地声光报警。
如图4所示，在本实用新型的一个具体实施方式中，当幅值调理电路(1_4)输出信号时，为了确定次声信号的强度大小，设计了比较电路(1_5)用于对信号幅值强度大小进行判断。将幅值调理电路(1_4)的输出信号与 比较电路(1_5)设定好的幅值进行比较，若比较电路(1_5)输出高电平，则触发ADC电路进行数据采集。
如图5所示，在本实用新型的一个具体实施方式中，阈值持续时间T判定电路，通过RC电路设定特定阈值持续时间的大小。
如图6A及图6B所示，在本实用新型的一个具体实施方式中，声光报警电路由蜂鸣器驱动电路(6_1)和报警指示电路(6_2)组成。图6A蜂鸣器驱动电路(6_1)的工作原理是当BELL端为高电平时，Q3的1脚与3脚导通后，2脚与3脚也导通，此时2脚为低电平，U6导通，蜂鸣器发出报警声；图6B报警指示电路(6_2)的工作原理是当LED0端为高电平时，Q10的1脚与3脚导通后，2脚与3脚也导通，此时2脚为低电平，RED指示灯亮。如此实现声光报警，即通过判断确定信号为泥石流次声信号，就可听到报警声，同时红色指示灯按一定频率闪烁。
另外，在本实用新型中，考虑实用性与电能高效利用，在本实用新型的一个具体实施方式中，系统供电单元(6)由太阳能电池板和铅酸蓄电池组成，供电单元为整个系统提供多种直流供电电压，保证各电源功率充分利用且各模块正常运行。
在本实用新型的一个具体实施方式中，系统供电方式除采用12V铅酸蓄电池和太阳能板供电外，亦可添加220V交流电的供电方式，提高系统的稳定性和实用性。
在本实用新型的一个具体实施方式中，ADC采集电路，可选择适合与低频信号采集的，带有可编程增益功能的其他AD芯片代替，提高数据采集精度。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型 技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种泥石流次声监测报警装置，其特征在于，包括泥石流次声信号的数据采集单元(1)、数据处理单元(2)、信息报警单元(3)、通信单元(4)、数据存储单元(5)和系统供电单元(6)；
其中数据采集单元(1)、信息报警单元(3)、通信单元(4)、数据存储单元(5)和系统供电单元(6)分别与数据处理单元(2)连接，系统供电单元(6)为各单元提供工作电压；
所述数据采集单元(1)用于对泥石流次声信号进行采集并转换获得泥石流次声原始电信号，所述数据处理单元(2)用于对泥石流次声原始电信号进行处理，得到处理后的泥石流次声电信号；将泥石流次声原始电信号和处理后的泥石流次声原始电信号分别存储到数据存储单元(5)中，并向信息报警单元(3)发送信息报警指令，同时将泥石流次声原始电信号和处理后的泥石流次声原始电信号通过通信单元(4)发送到远程监控中心(6)。
2.根据权利要求1所述的泥石流次声监测报警装置，其特征在于，
所述数据采集单元(1)由传感器(1_1)、放大电路(1_2)、二阶有源低通滤波器(1_3)、幅值调理电路(1_4)、比较电路(1_5)和ADC电路(1_6)组成。
3.根据权利要求2所述的泥石流次声监测报警装置，其特征在于，
其中所述传感器(1_1)，用于完成声信号到电信号的转换，将低频范围声信号转换成电信号进行输出；所述传感器输出的电信号被传输至放大电路(1_2)进行功率放大，再经由二阶有源低通滤波器(1_3)完成高频噪声滤除；滤除高频噪声后的电信号通过幅值调理电路(1_4)和比较电路(1_5)，当比较电路(1_5)输出高电平，使能ADC电路(1_6)进行数据采集。
4.根据权利要求1-3任一所述的泥石流次声监测报警装置，其特征在于，
所述数据处理单元(2)有原始数据提取电路(2_1)、数字低通滤波电 路(2_2)、阈值持续时间T判定电路(2_3)和数据分析、记录电路(2_4)。
5.根据权利要求4所述的泥石流次声监测报警装置，其特征在于，
所述原始数据提取电路(2_1)从数据存储单元(5)中提取数据，所提取的数据经由数字低通滤波电路(2_2)进行滤波、再经由阈值持续时间T判定电路(2_3)以及数据分析记录电路(2_4)，最后将分析记录后的数据存储到数据存储单元(5)中。
6.根据权利要求5所述的泥石流次声监测报警装置，其特征在于，
所述数据分析记录电路(2_4)判断所述数据是否对应泥石流次声信号，如果是则将报警指令传输至信息报警单元(3)；并通过通信单元(4)将数据发送到远程监控中心(6)与数据存储单元(5)；如果否、则仅通过通信单元(4)将数据传输至数据存储单元(5)中，信息报警单元(3)在接收数据处理单元(2)中的数据分析记录电路(2_4)所发出的报警指令后，完成本地声光报警。
7.根据权利要求6所述的泥石流次声监测报警装置，其特征在于，
系统供电单元(6)由太阳能电池板和铅酸蓄电池组成，供电单元为整个系统提供多种直流供电电压。
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