敲击声矿难救援定位系统

摘要

本发明属于灾难救援技术，具体涉及一种敲击声矿难救援定位系统。通过接受和处理矿难被困人员发出的敲击声，利用敲击振动中的低频乃至次声波信号穿透能力强的特点，通过纵波波型与横波波型的速度差异和矢量振动传感器的方向性，确定敲击声源的所在位置。系统的每个定位测量点由信号采集模块、信号频段分割模块、频段优先级选择模块、求救点定位计算模块和数据无线传输模块五部分组成。每个定位测量点是一个独立系统，也可以根据需要，由若干个定位测量点形成搜寻网络，覆盖整个探测区域。本发明不受矿难时恶劣环境以及设备失效的影响。即可以独立使用，也可以与其它定位技术融合，形成矿难综合定位系统。

说明书

技术领域

本发明属于灾难救援技术，具体涉及一种敲击声矿难救援定位系统。

背景技术

作为一个快速发展中的能源生产大国和消耗大国，“矿难”在中国是一个频频出现的字眼。据不完全统计，仅在2010年的1～4月时间内，我国就发生了重特大煤矿生产安全事故30余起，死亡人数达上百人。煤矿安全事故发生之频繁，令人触目惊心。考虑到这些数字仅仅是在煤矿一个领域、4个月之内发生的，其他的矿难及死亡人数还未计算在内，全国的矿难死亡人数必将更加庞大。

防止矿难发生，是解决矿难问题的根本。但是，当矿难不幸发生时，尽快抢救被困人员则是挽回尽可能多的生命的关键。从技术层面上，井下被困人员定位，是及时、准确找到被困人员的保障。矿难被困人员定位系统有许多种类，它们有着各自的特点，并且在不同矿难情况下，起着相互协调、相互补充的作用。但是，已有矿难被困人员定位系统的基本结构都是由井下信号源系统与井上信号接收和处理系统构成。当矿难发生时，井下信号源系统有可能遭到损坏，不能正常运行，使矿难被困人员定位系统无法发挥应有的作用。因此，设计一种不受矿难时井下恶劣环境影响的被困人员求救定位系统，势在必行。

敲击声产生的振动信号，尤其是信号中的低频乃至次声波成分，由于穿透能力强，在固体中可以传播很远。研究显示，大象脚踏地面产生的振动，可以使十几公里以外的同类感受到。声波在固体中传播时，除了具有传播速度快、衰减弱的特点外，还具有纵波、横波等不同的波型，不同波型振动的传播速度各异。利用固体声波的这些特点，通过接受和处理矿难被困人员求救的敲击信号，可以对被困人员加以定位。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的的目的，是要提供一种通过接受和处理矿难被困人员发出的敲击声，对矿难被困人员加以定位的救援系统。系统利用敲击振动中的低频乃至次声波信号穿透能力强的特点，通过纵波波型与横波波型的速度差异和矢量振动传感器的方向性，确定敲击声源的所在位置。系统用最原始的敲击方式作为求救信号源，不受矿难时井下恶劣环境导致电子设备失效的影响。该系统即可以独立使用，也可以与其它定位技术融合，形成矿难综合定位系统。

本发明不限制将其应用于矿难以外的灾难救援领域或声源定位技术。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用以下方案：系统的每个定位测量点由信号采集模块、信号频段分割模块、频段优先级选择模块、求救点定位计算模块和数据无线传输模块五部分组成。每个定位测量点是一个独立系统，负责有效范围内的求救信号定位工作。根据需要，可以由若干个定位测量点形成搜寻网络，覆盖整个探测区域。所有定位测量点数据无线传输到救援指挥中心，供决策机构参考。

以下表述针对一个定位测量点而言，所有测量点结构相同。

1、硬件构成

信号采集模块。由三个矢量振动加速度计(以下简称传感器A、传感器B和传感器C)组成，每个矢量振动加速度计可以同时测量x、y、z三个方向的振动加速度。以传感器A为基准，传感器B的z方向与传感器A的z方向一致，且x方向与传感器A的x方向成45度角；传感器C的x方向与传感器A的x方向一致，且z方向与传感器A的z方向成45度角。采用这种结构，可以实现单点测量对敲击声信号源的定位。三个传感器各自三个方向共9路信号，为表述方便，本发明将9路信号分别称为Ax、Ay、Az、Bx、By、Bz、Cx、Cy、Cz。这9路信号经前置放大后传输给信号频段分割模块，即三个传感器总计9路输出与信号频段分割模块相连。

信号频段分割模块。由27个带通滤波器组成，应用带通滤波器将每一路信号都分为1kHz～5kHz、100Hz～1kHz、10Hz～100Hz三个频段，并进行包络检波。相同频段内的9路信号同步相加，形成该频段总路信号。每个频段的总路信号和本频段原9路信号构成一个信号集合，分别称之为高频信号集、中频信号集和低频信号集，并在各种信号集内各路信号名称前相应冠以字母“H”、“M”和“L”，以示区别。三个信号集共30路信号的每一路均分为两个支路，一路送入频段优先级选择模块，另一路通过电子开关与求救点定位模块相连。

频段优先级选择模块。由电压比较器和电子开关电路组成，依据各个信号集合的强度，通过设定的阈值，按高频、中频和低频的优先级顺序，形成频段选择指令，控制电子开关，使被选定的频段信号集合开关导通，将该信号集合送入求救点定位计算模块。

求救点定位计算模块。由ATMEGA16单片机构成。

无线数据传输模块，由MC55芯片承担，将结果无线传输至救援指挥中心。

硬件结构框图见图1。

2、信号处理方法

(1)信号频率高，时间分辨率高，但传播距离近。信号频率低，传播距离远，但时间分辨率低，测量误差大。所以，采集到的信号首先进行频段分割，并优先使用信号的高频成分。当信号源距离较远时，信号高频成分强度不够，则依次选用信号的中频成分和低频成分。使用信号的低频成分时，虽然测量误差较大，但信号源距离较远，所以，相对误差并不很大。

(2)一般的，声波纵波的传播速度是横波传播速度的1.4～2倍，应用测量区域纵波和横波声速资料，通过纵波与横波的时间差，求得求救信号源与传感器的距离L。

(3)根据Ay与Ax之比以及By与Bx之比，确定声源在x-y平面上的方位线。进而，将声源定位在z方向与其x-y平面上的方位线所在平面内，以测量点为圆心，以L为半径的圆周上。

(4)根据Az与Ay之比以及Cz与Cy之比，确定声源在y-z平面上的方位线。进而，将声源定位在x方向与其y-z平面上的方位线所在平面内，以测量点为圆心，以L为半径的另一个圆周上。

(5)由(3)和(4)两步所得的两个圆周的地下交点，即为求救信号源位置。

(6)算出求救信号源位置坐标，并将结果通过数据无线传输模块传输至救援指挥中心。

本方法的用途与优越性

1、本发明采用最原始的敲击方式作为求救信号源，不受矿难时井下恶劣环境导致电子设备失效的影响。

2、本发明将三个矢量振动传感器集合为一体，属于单点定位，测量点布设方便、灵活。

3、系统体积小，耗电量低，信号无线传输，属于便携式设备。因此，既可定点测量，也可以车载或人员携带进行移动测量。

4、多个测量设备可以组成测量网络，由救援指挥中心综合各点数据，进行多处求救声源的定位测量。

5、该系统即可以独立使用，也可以与其它定位技术融合，形成矿难综合定位系统。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是以高频段信号集合为例，对判断信号集合是否可用的逻辑电路原理图。其中，信号集合总和不参与判断；

图3是依据高频、中频、低频顺序的优先级频段选取电路示意图。其中每套电子开关由10路开关并联，并由频段选取指令统一控制；

图4是声源定位、结果无线传输模块。声源定位计算由ATMEGA16单片机完成，结果通过主控芯片ATMEGA16发送给MC55，MC55则通过GPRS网络传送到指定IP地址的救援指挥中心。

具体实施方式

方案中举例应用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

1、信号采集：

传感器使用三矢量振动加速度计TG-3，由三个三矢量振动加速度计(以下简称传感器A、传感器B和传感器C)组成，每个三矢量振动加速度计可以同时测量x、y、z三个方向的振动加速度。以传感器A为基准，传感器B的z方向与传感器A的z方向一致，且x方向与传感器A的x方向成45度角；传感器C的x方向与传感器A的x方向一致，且z方向与传感器A的z方向成45度角。三个传感器各自三个方向共9路信号经前置放大后传输给信号频段分割模块。为表述方便，本发明将9路信号分别称为Ax、Ay、Az、Bx、By、Bz、Cx、Cy、Cz。

2、信号频段分割：

信号频率高，时间分辨率高，但传播距离近。信号频率低，传播距离远，但时间分辨率低，测量误差大。所以，应该优先使用信号的高频成分。当信号源距离较远，信号高频成分强度不够时，再依次选用信号的中频成分和低频成分。

应用带通滤波器将方式1中每一路信号分为1kHz～5kHz、100Hz～1kHz、10Hz～100Hz三个频段，并进行包络检波。带通滤波器由LM307为核心构成。以Ax路信号为例，输出的信号命名为HAx、MAx和LAx，用以分别代表Ax路信号的高频段、中频段和低频段。将各路相同频段的信号组成一个信号集合，并将每个信号集合的9路包络通过模拟加法器同步求和，形成该信号集合的总路信号，用频段代码命名，如H路。这样，每个频段的信号集合由10路信号组成，三个信号集共30路信号每路均分为两个支路，一路称为“开关形成支路”，送入频段优先级选择判断系统，形成优先级选择开关信号。另一路称为“信号支路”，通过电子开关输入信号处理模块，电子开关由优先级选择开关信号控制。

3、频段优先级选取

通过电压比较器和单稳电路，开关形成支路中高于阈值的信号成为持续一定时间的高电平，持续时间可根据具体情况预先设定。由逻辑电路对每个信号集合进行可用判断，输出是否可用逻辑值。以高频段信号集合H为例，其可用逻辑值为

HK＝[HAx·HAy+HAy·HAz+HAz·HAx]·

    [HBx·HBy+HBy·HBz+HBz·HBx]·                (1)

    [HCx·HCy+HCy·HCz+HCz·HCy]

当HK为高电平时，说明高频段信号集合可用，相应逻辑电路见图2。三个信号集合可用逻辑信号通过优先级判断逻辑电路，输出对相应信号集合电子开关的导通指令。优先级逻辑值为

$Y=\mathrm{HK}+\overline{\mathrm{HK}}·\mathrm{MK}+\overline{\mathrm{HK}}·\overline{\mathrm{MK}}·\mathrm{LK}---\left(2\right)$

式中，Y为选定的信号集合开关指令，MK和LK分别为中频段信号集合和低频段信号集合可用信号，当可用信号为高电平时，表明该路信号集合可用。优先级指令信号的确定由74LS148芯片承担，接74LS148芯片端，接74LS148芯片端，接74LS148芯片端，74LS148芯片端置高电平。74LS148芯片输出端分别控制高频信号集合、中频信号集合、低频信号集合的电子开关，根据优先级指令，导通选定信号集合，并将它们送入信号处理模块(见图3)。

4、求救信号源定位

由ATMEGA16单片机完成。由距离确定和方向确定两步组成。以高频信号集合被选定为例，步骤如下：

1)由于纵波信号速度比横波信号速度快，且对于同一个信号源，纵波与横波时间差不变，而且远小于求救人员两次敲击间隔。所以，通过测量H路相邻信号间隔，时差较小且较稳定的一对信号，即为同一次敲击信号分解出的纵波与横波。每对信号中，前一个为纵波信号，后一个为横波信号。

2)设测量所在区域的声波纵波波速和横波波速分别为v_l和v_s，测得的纵波与横波时间差为Δt，则声源到测量点的距离

$L=\frac{v_l·v_s}{v_l-v_s}·\mathrm{\Delta t}---\left(3\right)$

由公式(3)可以确定，声源在以测量点为球心，以L为半径的球面上。

3)以下计算均取纵波信号进行。取传感器A同一时刻x、y两路信号，并求其幅度比值，令

$k_1=\pm \frac{\mathrm{HAy}}{\mathrm{HAx}}---\left(4\right)$

k₁即为声源方位线与传感器A的x轴正向的斜率。由于HAy和HAx无符号，所以斜率有两种情况。

4)取传感器B上述时刻x、y两路信号，并求其幅度比值，令

$k_1^{\prime }=1-\pm \frac{\mathrm{HBy}}{\mathrm{HBx}}---\left(5\right)$

k′₁亦为声源方位线与传感器A的x轴正向的斜率。

5)客观上，声源方位线与传感器A的x轴正向的斜率是唯一的，设为k_x，则

k_x＝k₁    当且仅当k₁＝k′₁时            (6)

由公式(6)可得声源在传感器A构成的空间坐标中所在平面方程

k_xx+y＝0                                (7)

6)分别取传感器A和传感器C上述时刻y、z两路信号，按照3)～5)做法，可得声源在传感器A构成的空间坐标中所在另一个平面的方程

k_yy+z＝0                                (8)

7)应用直角坐标系与球极坐标的关系

联立公式(3)、公式(7)和公式(8)，并令

由联立方程(10)即可得声源相对于传感器A坐标的位置

5、数据无线传输

主要采用GPRS模块实现远程传输，设计方案以AVR单片机(ATMEGA16)和GPRS模块MC55为基础，将测量点的数据，通过主控芯片ATMEGA16发送给MC55，MC55则通过GPRS网络传送到指定IP地址的救援指挥中心或手机上。同时，救援指挥中心可控制MC55选择以TCP、UDP、短信3种方式发送数据。多个测量点可以组成测量网络，由救援指挥中心综合各点数据，进行多处求救声源的定位测量。

6、声速标定

测量所在区域纵波速度和横波速度事先根据地质资料或实地测量确定，并存入单片机。测量时，单片机根据GPS地理定位决定所选声速值。

声源定位计算与数据传输模块示意图见图4。