本發(fā)明涉及次聲波監(jiān)測領(lǐng)域，特別涉及一種基于MEMS微氣壓計的差分式次聲波監(jiān)測儀。

背景技術(shù)：

我國是自然災(zāi)害多發(fā)國家，除了地震臺站和氣象臺站對我國境內(nèi)的地震和惡劣天氣進(jìn)行監(jiān)測以外，大氣次聲波擾動與自然災(zāi)害(如地震、大氣強(qiáng)對流、臺風(fēng)、泥石流、火山)有密切的關(guān)聯(lián)性。目前我國多家科研單位建立次聲觀測系統(tǒng)并開展大氣次聲波觀測研究，然而這些觀測系統(tǒng)并沒有形成一套整體系統(tǒng)，且布局較分散，監(jiān)測站點(diǎn)也較少，其中重要的因素是大氣次聲波傳感器成本較高，在獲得國家重點(diǎn)資助支持前，難以大區(qū)域、高密度地安裝布設(shè)，而且目前的傳感器由于聲學(xué)機(jī)械部分本身存在的頻響一致性問題，將會對陣列觀測精度造成一定影響，因此無法形成高分辨率觀測網(wǎng)絡(luò)。

MEMS(Micro electro mechanical Systems，微型電子機(jī)械系統(tǒng))，是指可批量制作的，將微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS傳感器已在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車工業(yè)、醫(yī)療保健、機(jī)器人及自動化工業(yè)、太空衛(wèi)星、運(yùn)載火箭、航空航天設(shè)備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。采用MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的次聲波傳感器具有生產(chǎn)成本較低，且一致性的控制較容易等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地克服現(xiàn)有次聲觀測系統(tǒng)所存在的不足，具有在次聲觀測領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛前景。

目前美國使用MEMS芯片制造次聲波傳感器，建立了一個名為USarray的次聲監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該次聲監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)頻段為0～0.02Hz次聲波的監(jiān)測任務(wù)，具有較高分辨率和較高的網(wǎng)絡(luò)密度。這與采用MEMS芯片所制造的次聲波傳感器的低成本優(yōu)勢是分不開的。該次聲波監(jiān)測系統(tǒng)能夠以對USarray所在的區(qū)域的各種自然災(zāi)害(颶風(fēng)、龍卷風(fēng)、雷暴、大氣強(qiáng)對流天氣、地震等)進(jìn)行較高精度的觀測。但該系統(tǒng)沒有應(yīng)用差分式設(shè)計，無法有效地去除干擾。

近年來，美國夏威夷大學(xué)次聲實(shí)驗(yàn)室使用基于APPLE iphone6手機(jī)內(nèi)置的MEMS微氣壓計模塊開展次聲波分布式陣列觀測研究，該模塊能夠?qū)κ謾C(jī)周邊的微小氣壓/次聲波進(jìn)行監(jiān)測，并通過該實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的REDVOX軟件將信號采集，并發(fā)送回實(shí)驗(yàn)室的綜合服務(wù)器，然而該服務(wù)器位于美國，暫時無法設(shè)置傳送到中國境內(nèi)。且使用該軟件可能面臨相關(guān)信息安全問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服已有的次聲波監(jiān)測系統(tǒng)生產(chǎn)成本較高、頻響一致性存在問題等缺陷，從而提供一種成本較低、頻響一致性較高的次聲波監(jiān)測系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于MEMS微氣壓計的差分式次聲波監(jiān)測儀，包括：MEMS微氣壓計模塊、信號輸出模塊、信號遠(yuǎn)程傳輸模塊；其中，

所述MEMS微氣壓計模塊有偶數(shù)個，這些MEMS微氣壓計模塊成差分式結(jié)構(gòu)；所述MEMS微氣壓計模塊用于采集次聲波信號，所采集的次聲波信號經(jīng)信號輸出模塊輸出，并由所述信號遠(yuǎn)程傳輸模塊傳輸?shù)酵獠康倪h(yuǎn)程服務(wù)器。

上述技術(shù)方案中，所述MEMS微氣壓計模塊成差分式結(jié)構(gòu)包括：

一個MEMS微氣壓計模塊為密閉腔室結(jié)構(gòu)，其包括前腔與后腔，前腔與后腔之間通過一前后腔隔板隔離，在所述前后腔隔板的兩側(cè)各自安裝有一個MEMS模塊核心感應(yīng)芯片，在所述前后腔隔板上安裝有一壓力平衡管，在前腔與后腔上還分別向外伸出一根傳聲導(dǎo)管：入口導(dǎo)管和出口導(dǎo)管；

一個MEMS微氣壓計模塊的入口導(dǎo)管作為外界大氣通道，其出口導(dǎo)管與另一個MEMS微氣壓計模塊的入口導(dǎo)管通過傳聲管道連接，所述另一個MEMS微氣壓計模塊的出口導(dǎo)管作為外界大氣通道，這兩個MEMS微氣壓計模塊形成一個子系統(tǒng)；同一子系統(tǒng)內(nèi)的MEMS微氣壓計模塊相隔至少10米；所有MEMS微氣壓計模塊在圓周上間隔相同的角度分布且屬于同一子系統(tǒng)的兩個MEMS微氣壓計模塊在圓周上對角分布。

上述技術(shù)方案中，所述傳聲導(dǎo)管為硬質(zhì)管道。

上述技術(shù)方案中，所述MEMS微氣壓計模塊輸出模擬信號，則所述信號輸出模塊為模擬乘法器；各個子系統(tǒng)的差分輸出進(jìn)入模擬乘法器，以進(jìn)一步放大差分輸出的信號。

上述技術(shù)方案中，所述MEMS微氣壓計模塊輸出數(shù)字信號，則所述信號輸出模塊對所接收到的各個數(shù)字信號做差分計算；包括：

各個子系統(tǒng)所輸出的數(shù)字信號輸入到所述信號輸出模塊中，所述信號輸出模塊采用廣義互相關(guān)算法對所接收到的各個數(shù)字信號做差分計算。

上述技術(shù)方案中，所述入口導(dǎo)管帶有防塵罩。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明的基于MEMS微氣壓計的差分式次聲波監(jiān)測儀采用MEMS微氣壓計模塊作為次聲波傳感器的感應(yīng)部件，相比傳統(tǒng)次聲傳感器，在成本、體積、頻響一致性等多個方面有了明顯的進(jìn)步；

2、本發(fā)明的基于MEMS微氣壓計的差分式次聲波監(jiān)測儀采用了差分式結(jié)構(gòu)，能夠增強(qiáng)有效信號，降低噪聲干擾。

附圖說明

圖1是在一個實(shí)施例中，本發(fā)明的基于MEMS微氣壓計的差分式次聲波監(jiān)測儀中的MEMS微氣壓計模塊的示意圖；

圖2是在一個實(shí)施例中，本發(fā)明的基于MEMS微氣壓計的差分式次聲波監(jiān)測儀中的各個MEMS微氣壓計模塊的連接示意圖；

圖3是當(dāng)MEMS微氣壓計模塊所輸出的信號是模擬信號時，MEMS微氣壓計模塊與信號輸出模塊的連接示意圖。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明的基于MEMS微氣壓計的差分式次聲波監(jiān)測儀包括：MEMS微氣壓計模塊、信號輸出模塊、信號遠(yuǎn)程傳輸模塊；其中，所述MEMS微氣壓計模塊有偶數(shù)個，這些MEMS微氣壓計模塊成差分式結(jié)構(gòu)；所述MEMS微氣壓計模塊用于采集次聲波信號，所采集的次聲波信號經(jīng)信號輸出模塊輸出，并由所述信號遠(yuǎn)程傳輸模塊傳輸?shù)酵獠康倪h(yuǎn)程服務(wù)器。

下面對該差分式次聲波監(jiān)測儀中的各個模塊做進(jìn)一步說明。

MEMS微氣壓計模塊成差分式結(jié)構(gòu)是指將多個MEMS微氣壓計模塊對同一信號或源進(jìn)行感應(yīng)，每個MEMS微氣壓計模塊對這個源或信號的感應(yīng)方向相反，從而能夠?qū)Ω飨蛲孕盘柤从行盘栐谳敵龆似鸬椒糯笞饔?，而對各向異性信?如各種本地干擾)起到衰減作用。

MEMS微氣壓計模塊成差分式結(jié)構(gòu)包括兩個方面：MEMS微氣壓計模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以及MEMS微氣壓計模塊間的連接關(guān)系。

如圖1所示，在一個實(shí)施例中，一個MEMS微氣壓計模塊為密閉腔室結(jié)構(gòu)，其包括前腔與后腔，前腔與后腔之間通過一前后腔隔板隔離，在所述前后腔隔板的兩側(cè)(即在前腔與后腔內(nèi))各自安裝有一個MEMS模塊核心感應(yīng)芯片，在所述前后腔隔板上安裝有一壓力平衡管，以平衡前腔與后腔內(nèi)的大氣壓強(qiáng)，在前腔與后腔上還分別向外伸出一根傳聲導(dǎo)管：入口導(dǎo)管和出口導(dǎo)管，入口導(dǎo)管和和出口導(dǎo)管作為密閉腔室的聲學(xué)結(jié)構(gòu)通氣孔能夠平衡MEMS模塊核心感應(yīng)芯片兩側(cè)的大氣壓強(qiáng)，并保證能夠接收到空氣中次聲波的擾動。所述傳聲管道為硬質(zhì)管道，該硬質(zhì)管道的管壁剛性足夠強(qiáng)，不會受到外界聲波或氣壓的擠壓作用引起的干擾。所述入口導(dǎo)管帶有防塵罩。

在圖2所示的實(shí)施例中，MEMS微氣壓計模塊有四個，這四個MEMS微氣壓計模塊在連接時，第一MEMS微氣壓計模塊A的入口導(dǎo)管作為外界大氣通道，將第一MEMS微氣壓計模塊A的出口導(dǎo)管與第二MEMS微氣壓計模塊B的入口導(dǎo)管連接；第二MEMS微氣壓計模塊B的出口導(dǎo)管作為外界大氣通道，第一MEMS微氣壓計模塊A與第二MEMS微氣壓計模塊B形成第一子系統(tǒng)；類似的，第三MEMS微氣壓計模塊C的入口導(dǎo)管作為外界大氣通道，將第三MEMS微氣壓計模塊C的出口導(dǎo)管與第四MEMS微氣壓計模塊D的入口導(dǎo)管連接；第四MEMS微氣壓計模塊D的出口導(dǎo)管作為外界大氣通道，第三MEMS微氣壓計模塊C與第四MEMS微氣壓計模塊D形成第二子系統(tǒng)；第一MEMS微氣壓計模塊A與第二MEMS微氣壓計模塊B之間的距離至少10m，第三MEMS微氣壓計模塊C與第四MEMS微氣壓計模塊D之間距離至少10m，四個模塊呈四邊形四個頂點(diǎn)進(jìn)行分布。用于連接出口導(dǎo)管與入口導(dǎo)管的導(dǎo)管也是傳聲管道，所述傳聲導(dǎo)管為硬質(zhì)管道，該硬質(zhì)管道的管壁剛性足夠強(qiáng)，不會受到外界聲波或氣壓的擠壓作用引起的干擾。

在其他的實(shí)施例中，MEMS微氣壓計模塊可以是其他數(shù)量的偶數(shù)個，如六個。在一個實(shí)施例中，所述MEMS微氣壓計模塊有六個，如前所述，每兩個MEMS微氣壓計模塊形成一個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)內(nèi)的MEMS微氣壓計模塊之間至少間隔10m，六個MEMS微氣壓計模塊在圓周上呈每隔60度分布一個模塊且屬于同一子系統(tǒng)的兩個MEMS微氣壓計模塊在圓周上對角分布。

以上是對差分式結(jié)構(gòu)的描述。由于風(fēng)噪聲為各向異性，而有效信號定位各向同性，通俗的理解就是風(fēng)噪聲來自四面八方，產(chǎn)生的方式雜亂無章，而有效信號來自一個方向，指向有規(guī)律可循。因此在前述的差分式結(jié)構(gòu)中，由于同一子系統(tǒng)中的兩個MEMS微氣壓計模塊(如第一MEMS微氣壓計模塊A與第二MEMS微氣壓計模塊B)之間的距離至少10m，通氣孔首尾連接，同性信號將得到差分增強(qiáng)，而異性信號將通過差分效應(yīng)被削弱。

MEMS微氣壓計模塊所輸出的信號可以是模擬信號，也可以是數(shù)字信號。根據(jù)MEMS微氣壓計模塊所輸出信號類型的不同，信號輸出模塊有不同的實(shí)現(xiàn)方式。

若MEMS微氣壓計模塊所輸出的信號是模擬信號，則所述信號輸出模塊為模擬乘法器。在一個包含有四個MEMS微氣壓計模塊的實(shí)施例中，如圖3所示，每個子系統(tǒng)包括正負(fù)兩個輸出端子，在由第一MEMS微氣壓計模塊A與第二MEMS微氣壓計模塊B所形成的第一子系統(tǒng)中，A-與B+端子連接，A+和B-作為子系統(tǒng)的差分輸出；在由第三MEMS微氣壓計模塊C與第四MEMS微氣壓計模塊D所形成的第二子系統(tǒng)中，C-與D+端子連接，C+和B-作為該子系統(tǒng)的差分輸出。兩個子系統(tǒng)的差分輸出進(jìn)入模擬乘法器，進(jìn)一步放大上述兩個差分輸出的信號，從模擬乘法器中輸出結(jié)果即為最后輸出結(jié)果。在另一個包含有六個MEMS微氣壓計模塊的實(shí)施例中，三個子系統(tǒng)的差分輸出進(jìn)入模擬乘法器，由該模擬乘法器放大所述差分輸出的信號。

若MEMS微氣壓計模塊所輸出的信號是數(shù)字信號，則所述信號輸出模塊對所接收到的各個數(shù)字信號做差分計算。在一個包含有四個MEMS微氣壓計模塊的實(shí)施例中，在由第一MEMS微氣壓計模塊A與第二MEMS微氣壓計模塊B所形成的第一子系統(tǒng)中，A和B分別輸出數(shù)字信號S_A、S_B，在由第三MEMS微氣壓計模塊C與第四MEMS微氣壓計模塊D所形成的第二子系統(tǒng)中，C和D分別輸出數(shù)字信號S_C、S_D；所述差分計算的具體計算方式為：

其中S_A,S_B,S_C,S_D為一系列離散數(shù)據(jù)點(diǎn)組成的數(shù)字信號，

S_A＝A[s₁,s₂……s_n],n為信號總長度

S_B＝B[s₁,s₂……s_n],n為信號總長度

S_C＝C[s₁,s₂……s_n],n為信號總長度

S_D＝D[s₁,s₂……s_n],n為信號總長度

S＝GCC{[S_A-S_B],[S_C-S_D]}

其中，GCC是廣義互相關(guān)算法，通過該算法可以增強(qiáng)有效信號，減弱噪聲信號，作用基本類似于前述模擬信號的乘法器；S為最終輸出的經(jīng)過差分增強(qiáng)后的數(shù)字信號。

在另一個包含有六個MEMS微氣壓計模塊的實(shí)施例中，三個子系統(tǒng)將輸出六種數(shù)字信號，對這六種數(shù)字信號進(jìn)行差分計算，得到經(jīng)過差分增強(qiáng)后的數(shù)字信號。

最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。