專利名稱：敲擊聲礦難救援定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于災(zāi)難救援技術(shù)，具體涉及一種敲擊聲礦難救援定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
作為一個(gè)快速發(fā)展中的能源生產(chǎn)大國和消耗大國，“礦難”在中國是一個(gè)頻頻出現(xiàn) 的字眼。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在2010年的1 4月時(shí)間內(nèi)，我國就發(fā)生了重特大煤礦生產(chǎn)安 全事故30余起，死亡人數(shù)達(dá)上百人。煤礦安全事故發(fā)生之頻繁，令人觸目驚心?？紤]到這 些數(shù)字僅僅是在煤礦一個(gè)領(lǐng)域、4個(gè)月之內(nèi)發(fā)生的，其他的礦難及死亡人數(shù)還未計(jì)算在內(nèi)， 全國的礦難死亡人數(shù)必將更加龐大。防止礦難發(fā)生，是解決礦難問題的根本。但是，當(dāng)?shù)V難不幸發(fā)生時(shí)，盡快搶救被困 人員則是挽回盡可能多的生命的關(guān)鍵。從技術(shù)層面上，井下被困人員定位，是及時(shí)、準(zhǔn)確找 到被困人員的保障。礦難被困人員定位系統(tǒng)有許多種類，它們有著各自的特點(diǎn)，并且在不同 礦難情況下，起著相互協(xié)調(diào)、相互補(bǔ)充的作用。但是，已有礦難被困人員定位系統(tǒng)的基本結(jié) 構(gòu)都是由井下信號(hào)源系統(tǒng)與井上信號(hào)接收和處理系統(tǒng)構(gòu)成。當(dāng)?shù)V難發(fā)生時(shí)，井下信號(hào)源系 統(tǒng)有可能遭到損壞，不能正常運(yùn)行，使礦難被困人員定位系統(tǒng)無法發(fā)揮應(yīng)有的作用。因此， 設(shè)計(jì)一種不受礦難時(shí)井下惡劣環(huán)境影響的被困人員求救定位系統(tǒng)，勢(shì)在必行。敲擊聲產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，尤其是信號(hào)中的低頻乃至次聲波成分，由于穿透能力強(qiáng)， 在固體中可以傳播很遠(yuǎn)。研究顯示，大象腳踏地面產(chǎn)生的振動(dòng)，可以使十幾公里以外的同類 感受到。聲波在固體中傳播時(shí)，除了具有傳播速度快、衰減弱的特點(diǎn)外，還具有縱波、橫波等 不同的波型，不同波型振動(dòng)的傳播速度各異。利用固體聲波的這些特點(diǎn)，通過接受和處理礦 難被困人員求救的敲擊信號(hào)，可以對(duì)被困人員加以定位。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的的目的，是要提供一種通過接受和處理礦難被困人員發(fā)出的敲擊聲，對(duì) 礦難被困人員加以定位的救援系統(tǒng)。系統(tǒng)利用敲擊振動(dòng)中的低頻乃至次聲波信號(hào)穿透能力 強(qiáng)的特點(diǎn)，通過縱波波型與橫波波型的速度差異和矢量振動(dòng)傳感器的方向性，確定敲擊聲 源的所在位置。系統(tǒng)用最原始的敲擊方式作為求救信號(hào)源，不受礦難時(shí)井下惡劣環(huán)境導(dǎo)致 電子設(shè)備失效的影響。該系統(tǒng)即可以獨(dú)立使用，也可以與其它定位技術(shù)融合，形成礦難綜合 定位系統(tǒng)。本發(fā)明不限制將其應(yīng)用于礦難以外的災(zāi)難救援領(lǐng)域或聲源定位技術(shù)。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下方案系統(tǒng)的每個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)由信號(hào)采集模塊、 信號(hào)頻段分割模塊、頻段優(yōu)先級(jí)選擇模塊、求救點(diǎn)定位計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)無線傳輸模塊五部 分組成。每個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，負(fù)責(zé)有效范圍內(nèi)的求救信號(hào)定位工作。根據(jù)需 要，可以由若干個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)形成搜尋網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)探測(cè)區(qū)域。所有定位測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)骄仍笓]中心，供決策機(jī)構(gòu)參考。以下表述針對(duì)一個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)而言，所有測(cè)量點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同。1、硬件構(gòu)成信號(hào)采集模塊。由三個(gè)矢量振動(dòng)加速度計(jì)(以下簡稱傳感器A、傳感器B和傳感 器C)組成，每個(gè)矢量振動(dòng)加速度計(jì)可以同時(shí)測(cè)量X、y、Z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度。以傳感 器A為基準(zhǔn)，傳感器B的ζ方向與傳感器A的ζ方向一致，且χ方向與傳感器A的χ方向成 45度角；傳感器C的χ方向與傳感器A的χ方向一致，且ζ方向與傳感器A的ζ方向成45 度角。采用這種結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量對(duì)敲擊聲信號(hào)源的定位。三個(gè)傳感器各自三個(gè)方 向共9路信號(hào)，為表述方便，本發(fā)明將9路信號(hào)分別稱為Ax、Ay、Az, Bx, By、Bz, Cx, Cy、Cz0 這9路信號(hào)經(jīng)前置放大后傳輸給信號(hào)頻段分割模塊，即三個(gè)傳感器總計(jì)9路輸出與信號(hào)頻 段分割模塊相連。信號(hào)頻段分割模塊。由27個(gè)帶通濾波器組成，應(yīng)用帶通濾波器將每一路信號(hào)都分 為1 kHz ^Hz、100Hz IkHz、10Hz IOOHz三個(gè)頻段，并進(jìn)行包絡(luò)檢波。相同頻段內(nèi)的9 路信號(hào)同步相加，形成該頻段總路信號(hào)。每個(gè)頻段的總路信號(hào)和本頻段原9路信號(hào)構(gòu)成一 個(gè)信號(hào)集合，分別稱之為高頻信號(hào)集、中頻信號(hào)集和低頻信號(hào)集，并在各種信號(hào)集內(nèi)各路信 號(hào)名稱前相應(yīng)冠以字母“H”、“M”和“L”，以示區(qū)別。三個(gè)信號(hào)集共30路信號(hào)的每一路均分 為兩個(gè)支路，一路送入頻段優(yōu)先級(jí)選擇模塊，另一路通過電子開關(guān)與求救點(diǎn)定位模塊相連。頻段優(yōu)先級(jí)選擇模塊。由電壓比較器和電子開關(guān)電路組成，依據(jù)各個(gè)信號(hào)集合的 強(qiáng)度，通過設(shè)定的閾值，按高頻、中頻和低頻的優(yōu)先級(jí)順序，形成頻段選擇指令，控制電子開 關(guān)，使被選定的頻段信號(hào)集合開關(guān)導(dǎo)通，將該信號(hào)集合送入求救點(diǎn)定位計(jì)算模塊。求救點(diǎn)定位計(jì)算模塊。由ATMEGA16單片機(jī)構(gòu)成。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，由MC55芯片承擔(dān)，將結(jié)果無線傳輸至救援指揮中心。硬件結(jié)構(gòu)框圖見圖1。2、信號(hào)處理方法(1)信號(hào)頻率高，時(shí)間分辨率高，但傳播距離近。信號(hào)頻率低，傳播距離遠(yuǎn)，但時(shí)間 分辨率低，測(cè)量誤差大。所以，采集到的信號(hào)首先進(jìn)行頻段分割，并優(yōu)先使用信號(hào)的高頻成 分。當(dāng)信號(hào)源距離較遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)高頻成分強(qiáng)度不夠，則依次選用信號(hào)的中頻成分和低頻成 分。使用信號(hào)的低頻成分時(shí)，雖然測(cè)量誤差較大，但信號(hào)源距離較遠(yuǎn)，所以，相對(duì)誤差并不很 大。(2) 一般的，聲波縱波的傳播速度是橫波傳播速度的1. 4 2倍，應(yīng)用測(cè)量區(qū)域縱 波和橫波聲速資料，通過縱波與橫波的時(shí)間差，求得求救信號(hào)源與傳感器的距離L。(3)根據(jù)Ay與Ax之比以及By與Bx之比，確定聲源在x-y平面上的方位線。進(jìn) 而，將聲源定位在ζ方向與其x-y平面上的方位線所在平面內(nèi)，以測(cè)量點(diǎn)為圓心，以L為半 徑的圓周上。(4)根據(jù)h與Ay之比以及Cz與Cy之比，確定聲源在y-z平面上的方位線。進(jìn) 而，將聲源定位在χ方向與其y-ζ平面上的方位線所在平面內(nèi)，以測(cè)量點(diǎn)為圓心，以L為半 徑的另一個(gè)圓周上。(5)由(3)和(4)兩步所得的兩個(gè)圓周的地下交點(diǎn)，即為求救信號(hào)源位置。(6)算出求救信號(hào)源位置坐標(biāo)，并將結(jié)果通過數(shù)據(jù)無線傳輸模塊傳輸至救援指揮中心。本方法的用途與優(yōu)越性1、本發(fā)明采用最原始的敲擊方式作為求救信號(hào)源，不受礦難時(shí)井下惡劣環(huán)境導(dǎo)致 電子設(shè)備失效的影響。2、本發(fā)明將三個(gè)矢量振動(dòng)傳感器集合為一體，屬于單點(diǎn)定位，測(cè)量點(diǎn)布設(shè)方便、靈 活。3、系統(tǒng)體積小，耗電量低，信號(hào)無線傳輸，屬于便攜式設(shè)備。因此，既可定點(diǎn)測(cè)量， 也可以車載或人員攜帶進(jìn)行移動(dòng)測(cè)量。4、多個(gè)測(cè)量設(shè)備可以組成測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，由救援指揮中心綜合各點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行多處求 救聲源的定位測(cè)量。5、該系統(tǒng)即可以獨(dú)立使用，也可以與其它定位技術(shù)融合，形成礦難綜合定位系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是以高頻段信號(hào)集合為例，對(duì)判斷信號(hào)集合是否可用的邏輯電路原理圖。其 中，信號(hào)集合總和不參與判斷；圖3是依據(jù)高頻、中頻、低頻順序的優(yōu)先級(jí)頻段選取電路示意圖。其中每套電子開 關(guān)由10路開關(guān)并聯(lián)，并由頻段選取指令統(tǒng)一控制；圖4是聲源定位、結(jié)果無線傳輸模塊。聲源定位計(jì)算由ATMEGA16單片機(jī)完成，結(jié) 果通過主控芯片ATMEGA16發(fā)送給MC55，MC55則通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到指定IP地址的救援 指揮中心。
具體實(shí)施例方式方案中舉例應(yīng)用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。1、信號(hào)采集傳感器使用三矢量振動(dòng)加速度計(jì)TG-3，由三個(gè)三矢量振動(dòng)加速度計(jì)(以下簡稱傳 感器A、傳感器B和傳感器C)組成，每個(gè)三矢量振動(dòng)加速度計(jì)可以同時(shí)測(cè)量χ、y、ζ三個(gè)方 向的振動(dòng)加速度。以傳感器A為基準(zhǔn)，傳感器B的ζ方向與傳感器A的ζ方向一致，且χ方 向與傳感器A的χ方向成45度角；傳感器C的χ方向與傳感器A的χ方向一致，且ζ方向 與傳感器A的ζ方向成45度角。三個(gè)傳感器各自三個(gè)方向共9路信號(hào)經(jīng)前置放大后傳輸 給信號(hào)頻段分割模塊。為表述方便，本發(fā)明將9路信號(hào)分別稱為AX、Ay、h、BX、By、BZ、CX、 Cy λ Cz02、信號(hào)頻段分割信號(hào)頻率高，時(shí)間分辨率高，但傳播距離近。信號(hào)頻率低，傳播距離遠(yuǎn)，但時(shí)間分辨 率低，測(cè)量誤差大。所以，應(yīng)該優(yōu)先使用信號(hào)的高頻成分。當(dāng)信號(hào)源距離較遠(yuǎn)，信號(hào)高頻成 分強(qiáng)度不夠時(shí)，再依次選用信號(hào)的中頻成分和低頻成分。應(yīng)用帶通濾波器將方式1中每一路信號(hào)分為IkHz ^Hz、100Ηζ IkHzUOHz IOOHz三個(gè)頻段，并進(jìn)行包絡(luò)檢波。帶通濾波器由LM307為核心構(gòu)成。以Ax路信號(hào)為例，輸 出的信號(hào)命名為ΗΑχ、ΜΑχ和LAx，用以分別代表Ax路信號(hào)的高頻段、中頻段和低頻段。將各
5路相同頻段的信號(hào)組成一個(gè)信號(hào)集合，并將每個(gè)信號(hào)集合的9路包絡(luò)通過模擬加法器同步 求和，形成該信號(hào)集合的總路信號(hào)，用頻段代碼命名，如H路。這樣，每個(gè)頻段的信號(hào)集合由 10路信號(hào)組成，三個(gè)信號(hào)集共30路信號(hào)每路均分為兩個(gè)支路，一路稱為“開關(guān)形成支路”， 送入頻段優(yōu)先級(jí)選擇判斷系統(tǒng)，形成優(yōu)先級(jí)選擇開關(guān)信號(hào)。另一路稱為“信號(hào)支路”，通過電 子開關(guān)輸入信號(hào)處理模塊，電子開關(guān)由優(yōu)先級(jí)選擇開關(guān)信號(hào)控制。3、頻段優(yōu)先級(jí)選取通過電壓比較器和單穩(wěn)電路，開關(guān)形成支路中高于閾值的信號(hào)成為持續(xù)一定時(shí)間 的高電平，持續(xù)時(shí)間可根據(jù)具體情況預(yù)先設(shè)定。由邏輯電路對(duì)每個(gè)信號(hào)集合進(jìn)行可用判斷， 輸出是否可用邏輯值。以高頻段信號(hào)集合H為例，其可用邏輯值為
權(quán)利要求
1.敲擊聲礦難救援定位系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)的每個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)由信號(hào)采集模塊、信號(hào) 頻段分割模塊、頻段優(yōu)先級(jí)選擇模塊、求救點(diǎn)定位計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)無線傳輸模塊五部分組 成，每個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，負(fù)責(zé)有效范圍內(nèi)的求救信號(hào)定位工作，或由若干個(gè)定 位測(cè)量點(diǎn)形成搜尋網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)探測(cè)區(qū)域，所有定位測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)骄仍笓]中 心，所有測(cè)量點(diǎn)結(jié)構(gòu)相同，以下表述針對(duì)一個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)信號(hào)采集模塊，由三個(gè)矢量振動(dòng)加速度計(jì)組成，以下簡稱傳感器A、傳感器B和傳感器 C，每個(gè)矢量振動(dòng)加速度計(jì)可以同時(shí)測(cè)量x、y、z三個(gè)方向的振動(dòng)加速度，以傳感器A為基準(zhǔn)， 傳感器B的ζ方向與傳感器A的ζ方向一致；且χ方向與傳感器A的χ方向成45度角 ’傳 感器C的χ方向與傳感器A的χ方向一致，且ζ方向與傳感器A的ζ方向成45度角，采用 這種結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)測(cè)量對(duì)敲擊聲信號(hào)源的定位，三個(gè)傳感器各自三個(gè)方向共9路信號(hào)，本 發(fā)明將9路信號(hào)分別稱為Ax、Ay、Az, Bx, By、Bz, Cx, Cy、Cz，這9路信號(hào)經(jīng)前置放大后傳輸 給信號(hào)頻段分割模塊，即三個(gè)傳感器總計(jì)9路輸出與信號(hào)頻段分割模塊相連；信號(hào)頻段分割模塊，由27個(gè)帶通濾波器組成，應(yīng)用帶通濾波器將每一路信號(hào)都分為 IkHz 5kHz、IOOHz IkHzUOHz IOOHz三個(gè)頻段，并進(jìn)行包絡(luò)檢波，相同頻段內(nèi)的9路 信號(hào)同步相加，形成該頻段總路信號(hào)，每個(gè)頻段的總路信號(hào)和本頻段原9路信號(hào)構(gòu)成一個(gè) 信號(hào)集合，分別稱之為高頻信號(hào)集、中頻信號(hào)集和低頻信號(hào)集，并在各種信號(hào)集內(nèi)各路信號(hào) 名稱前相應(yīng)冠以字母“H”、“M”和“L”，以示區(qū)別，三個(gè)信號(hào)集共30路信號(hào)的每一路均分為 兩個(gè)支路，一路送入頻段優(yōu)先級(jí)選擇模塊，另一路通過電子開關(guān)與求救點(diǎn)定位模塊相連；頻段優(yōu)先級(jí)選擇模塊，由電壓比較器和電子開關(guān)電路組成，依據(jù)各個(gè)信號(hào)集合的強(qiáng)度， 通過設(shè)定的閾值，按高頻、中頻和低頻的優(yōu)先級(jí)順序，形成頻段選擇指令，控制電子開關(guān)，使 被選定的頻段信號(hào)集合開關(guān)導(dǎo)通，將該信號(hào)集合送入求救點(diǎn)定位計(jì)算模塊；求救點(diǎn)定位計(jì)算模塊，由ATMEGA16單片機(jī)構(gòu)成；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，由MC55芯片承擔(dān)，將結(jié)果無線傳輸至救援指揮中心。
2.按權(quán)利要求1所述的敲擊聲礦難救援定位系統(tǒng)的信號(hào)處理方法，其特征是(1)采集到的信號(hào)首先進(jìn)行頻段分割，并優(yōu)先使用信號(hào)的高頻成分，當(dāng)信號(hào)源距離較遠(yuǎn) 時(shí)，信號(hào)高頻成分強(qiáng)度不夠，則依次選用信號(hào)的中頻成分和低頻成分；(2)應(yīng)用測(cè)量區(qū)域縱波和橫波聲速資料，通過縱波與橫波的時(shí)間差，求得求救信號(hào)源與 傳感器的距離L ；(3)根據(jù)Ay與Ax之比以及By與Bx之比，確定聲源在χ-y平面上的方位線，進(jìn)而，將聲 源定位在ζ方向與其x-y平面上的方位線所在平面內(nèi)，以測(cè)量點(diǎn)為圓心，以L為半徑的圓周 上；(4)根據(jù)h與Ay之比以及Cz與Cy之比，確定聲源在y_z平面上的方位線，進(jìn)而，將聲 源定位在χ方向與其y_z平面上的方位線所在平面內(nèi)，以測(cè)量點(diǎn)為圓心，以L為半徑的另一 個(gè)圓周上；(5)由(3)和(4)兩步所得的兩個(gè)圓周的地下交點(diǎn)，即為求救信號(hào)源位置；(6)算出求救信號(hào)源位置坐標(biāo)，并將結(jié)果通過數(shù)據(jù)無線傳輸模塊傳輸至救援指揮中心。
全文摘要
本發(fā)明屬于災(zāi)難救援技術(shù)，具體涉及一種敲擊聲礦難救援定位系統(tǒng)。通過接受和處理礦難被困人員發(fā)出的敲擊聲，利用敲擊振動(dòng)中的低頻乃至次聲波信號(hào)穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，通過縱波波型與橫波波型的速度差異和矢量振動(dòng)傳感器的方向性，確定敲擊聲源的所在位置。系統(tǒng)的每個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)由信號(hào)采集模塊、信號(hào)頻段分割模塊、頻段優(yōu)先級(jí)選擇模塊、求救點(diǎn)定位計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)無線傳輸模塊五部分組成。每個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，也可以根據(jù)需要，由若干個(gè)定位測(cè)量點(diǎn)形成搜尋網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)探測(cè)區(qū)域。本發(fā)明不受礦難時(shí)惡劣環(huán)境以及設(shè)備失效的影響。即可以獨(dú)立使用，也可以與其它定位技術(shù)融合，形成礦難綜合定位系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01S5/22GK102096065SQ20101054783
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月16日
發(fā)明者曹曉琳, 沈曉波, 王雙維, 高志華 申請(qǐng)人:東北師范大學(xué)