潘忠晴，熊慶國，陳開端

（1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081；2.長江勘測技術(shù)研究所，武漢 430011）

我國是多丘陵、多山地的國家，山體滑坡等自然災(zāi)害一旦發(fā)生，常常會(huì)造成路基破壞、危害車站站場、砸壞站房、中斷交通運(yùn)輸?shù)炔豢赏旎氐膫鍪鹿蔥1]。滑坡作為一種斜坡變形形式，常發(fā)生在山地、丘陵地區(qū)的斜坡上，山體滑坡的破裂面伴有以彈性波形式釋放出應(yīng)力，應(yīng)變的聲發(fā)射現(xiàn)象[2]產(chǎn)生，聲發(fā)射技術(shù)借助傳感器探測，經(jīng)記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)并推斷聲發(fā)射源位置，它是研究山體滑坡破裂面演化過程的一個(gè)良好工具，能夠連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測山體滑坡破裂面的位移情況，定位破裂面，使監(jiān)測人員對(duì)山體滑坡的破裂面有更準(zhǔn)確的了解，對(duì)山體滑坡進(jìn)行預(yù)警從而保護(hù)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 聲源定位原理

聲源定位技術(shù)通過靈敏的傳感器探頭采集聲發(fā)射信號(hào)、處理信號(hào)，對(duì)聲發(fā)射源進(jìn)行定位計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)山體滑坡破裂面的追蹤[2]。本系統(tǒng)采用基于時(shí)延估計(jì)的聲源定位技術(shù)對(duì)單聲源進(jìn)行定位。聲源定位技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 聲源定位技術(shù)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the sound source localization technology

1.1 聲源定位最小二乘法

空間兩點(diǎn)之間的距離為

式中：（x，y，z）為產(chǎn)生聲源的位置空間坐標(biāo)；（xi，yi，zi）為聲發(fā)射探頭的空間坐標(biāo)。

首先，將聲源定位模型線性化[3]可得：

線性化后的聲源定位模型為

式中：ti為第i個(gè)聲發(fā)射探頭接收到聲波的時(shí)刻；t為聲波產(chǎn)生的時(shí)刻；v為各種材質(zhì)中聲源的傳播速度。

改進(jìn)上式得聲源定位模型為

由分析可知，設(shè)傳感器數(shù)量有n個(gè)，如果有關(guān)系式n≥4，則有方程AX=W成立，故方程最小二乘解為

最終求得聲源位置為

式中：A+為矩陣A的偽逆矩陣；

偽逆矩陣是矩陣的廣義形式[5]，若矩陣秩虧損，那么將此矩陣做奇異值分解后求得一個(gè)逆矩陣的近似矩陣，使得此矩陣與原矩陣相乘的結(jié)果近似于單位矩陣。

1.2 時(shí)差文件計(jì)算方法

各探頭獲取到的聲源信號(hào)的時(shí)間差很小，通常在毫秒（ms）級(jí)，使用電腦的系統(tǒng)時(shí)間無法滿足時(shí)間精度的要求，系統(tǒng)采用信號(hào)處理器中的時(shí)鐘晶振來計(jì)時(shí)。系統(tǒng)運(yùn)行首先對(duì)信號(hào)處理器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并發(fā)送同步指令使計(jì)時(shí)器從零開始計(jì)時(shí)，當(dāng)探頭采集到的聲發(fā)射信號(hào)大于設(shè)置的觸發(fā)值時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)并上傳該計(jì)時(shí)值。信號(hào)處理器保存事件觸發(fā)的前500個(gè)預(yù)采集點(diǎn)和觸發(fā)點(diǎn)后采集到的N-500個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，等待上位機(jī)讀取采集到的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)上位機(jī)軟件根據(jù)同步的時(shí)間和信號(hào)處理器計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)值確定各探頭獲取的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)間值，然后系統(tǒng)對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)繪制波形并顯示出來，通過各探頭采集到信號(hào)波形的比較得到各探頭獲取聲源聲發(fā)射信號(hào)的準(zhǔn)確時(shí)間值，以進(jìn)行下一步的最小二乘擬合的定位計(jì)算。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

滑坡破裂面追蹤系統(tǒng)基于某勘測技術(shù)研究所具體項(xiàng)目，分為下位機(jī)數(shù)據(jù)采集和上位機(jī)破裂面定位2個(gè)部分。下位機(jī)采用自主研發(fā)的聲發(fā)射采集器，聲發(fā)射探頭采集到的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換等處理，采集測點(diǎn)處聲發(fā)射信號(hào)，通過KYL_320M無線電臺(tái)發(fā)送至上位機(jī)。上位機(jī)控制下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集，對(duì)下位機(jī)上傳的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡破裂面的定位追蹤。定位結(jié)果最終通過AutoCAD2008圖直觀地顯示。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)界面，各通道采集波形的實(shí)時(shí)顯示，波形的時(shí)差計(jì)算、最終聲源定位及數(shù)據(jù)的保存。串口操作采用多線程串口編程實(shí)現(xiàn)，首先設(shè)置好串口參數(shù)，再開啟串口監(jiān)測工作線程，串口監(jiān)測工作線程監(jiān)測到串口接收到的數(shù)據(jù)、流控制事件或其他控制事件后，就以消息方式通知主程序，激發(fā)消息處理函數(shù)來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)送數(shù)據(jù)可以直接向串口發(fā)送，軟件流程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the overall system

圖3 軟件流程圖Fig.3 Flow chart of software

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)的聲發(fā)射采集器采用Cygnal公司的C8051F020作為采集器的處理器，同時(shí)配有MAXIM公司的MAX262濾波芯片，MAX262為CMOS雙二階通用開關(guān)電容有源濾波器，每個(gè)MAX262器件含有2個(gè)二階濾波器，可構(gòu)成低通、帶通、高通、陷波及全通配置，且不需外部元件。本系統(tǒng)中MAX262芯片的工作模式、中心頻率f0以及品質(zhì)因數(shù)Q都可通過編程來設(shè)置。芯片采用4位地址輸入和2位數(shù)據(jù)輸入的方式來設(shè)置濾波器的工作參數(shù)，并將工作參數(shù)保存在芯片的寄存器中。

聲發(fā)射采集器采用TI公司推出的可編程程控放大芯片PGA308，可實(shí)時(shí)通過上位機(jī)調(diào)整放大倍數(shù)達(dá)到更好的信號(hào)采集效果。聲發(fā)射探頭采用YD83-D高靈敏度的壓電陶瓷加速度傳感器[9]，傳感器探頭中自帶一個(gè)前置放大器。最后聲發(fā)射采集器采集的數(shù)據(jù)通過無線電臺(tái)KYL_320M以19200 b/s的速率無線傳輸至上位機(jī)。接收電臺(tái)與上位機(jī)電腦之間通過串口服務(wù)器將串口轉(zhuǎn)換成網(wǎng)口，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性，解決了部分筆記本電腦串口接入的兼容性問題。通過網(wǎng)口使系統(tǒng)可借用TCP/IP的局域網(wǎng)擴(kuò)大系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測距離和靈活性，同時(shí)極大提升了系統(tǒng)的兼容性[6]。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)軟件在Microsoft Visual Studio 2010環(huán)境下以C#語言進(jìn)行編寫，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server Management Studio 2008，采用AutoCAD2008畫出實(shí)驗(yàn)場地的平面示意圖。上位機(jī)主要完成對(duì)下位機(jī)采集的控制，處理下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)，操作系統(tǒng)的人

為了達(dá)到采集時(shí)間的精度要求，采用下位機(jī)的晶振計(jì)時(shí)。系統(tǒng)在每10 min無有效事件觸發(fā)數(shù)據(jù)采集時(shí)自動(dòng)重新進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和下位機(jī)同步，重新開始計(jì)時(shí)，消除晶振的累積誤差。系統(tǒng)在每個(gè)循環(huán)開始時(shí)發(fā)送參數(shù)設(shè)置命令，表示上次數(shù)據(jù)采集結(jié)束，重新設(shè)置時(shí)間代碼，然后發(fā)送不需應(yīng)答的時(shí)間同步命令，下位機(jī)在收到同步命令后的n秒（可在參數(shù)設(shè)置命令中進(jìn)行設(shè)置）自動(dòng)同步。同步后開始采集數(shù)據(jù)，當(dāng)采集數(shù)據(jù)的電壓值達(dá)到門檻值，單片機(jī)開始保存采集到的規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)。

上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令時(shí)，單片機(jī)會(huì)記錄采集數(shù)據(jù)到達(dá)門檻電壓時(shí)的時(shí)間，將采集數(shù)據(jù)到達(dá)門檻電壓時(shí)的時(shí)間上傳給上位機(jī)，計(jì)算出每次采集數(shù)據(jù)的開始時(shí)間，再進(jìn)行定位計(jì)算，最后將定位結(jié)果保存于本地電腦和數(shù)據(jù)庫中。定位計(jì)算部分閾值的選取避免了程序陷入死循環(huán)，當(dāng)?shù)螖?shù)大于1000次或位置殘差小于0.001 m，2個(gè)條件滿足其中1個(gè)即停止迭代，求得聲源位置：x=x0+dx。

聲源坐標(biāo)空間位置的初始值選取不當(dāng)，會(huì)造成系數(shù)矩陣奇異，近似處理后會(huì)造成所求定位結(jié)果不準(zhǔn)確。為減少誤差，可選取適當(dāng)初始值，適當(dāng)選取傳感器排布陣形；增加傳感器數(shù)量，可采集到數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)量增加到大于4個(gè)，大大提高系統(tǒng)定位的可靠性。

3 數(shù)據(jù)分析

某停車場分布采集試驗(yàn)定位結(jié)果如圖4所示。圖中倒三角表示探頭埋放點(diǎn)，圓圈圍起來的正三角表示激發(fā)點(diǎn)的位置（J1～J6），圓形表示定位結(jié)果。將6個(gè)激發(fā)點(diǎn)周圍作放大處理，激發(fā)點(diǎn)J2實(shí)際位置為857.160，880.510，5.945，在此敲擊 5 次。以激發(fā)點(diǎn) J2為例，坐標(biāo)X最大誤差為0.270，最小誤差為0.099；坐標(biāo)Y最大誤差為0.230，最小誤差為0.011。從圖4中可以看出定位結(jié)果均分布在激發(fā)點(diǎn)附近，最大誤差為0.2 m，定位計(jì)算達(dá)到預(yù)期效果。

圖4 某停車場室外分布采集試驗(yàn)定位結(jié)果Fig.4 Outside distribution collection test result of a parking lot

4 結(jié)語

系統(tǒng)將探頭陣法和最小二乘擬合法相結(jié)合得到滑坡破裂面聲源信號(hào)的最優(yōu)定位結(jié)果，通過定位結(jié)果與實(shí)驗(yàn)中激發(fā)點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比分析，可看出系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)滑坡破裂面進(jìn)行精確的追蹤。此外，系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)之間采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞浇档土顺杀尽８倪M(jìn)時(shí)差計(jì)算方法獲得更精確的時(shí)差文件，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的定位精度。系統(tǒng)經(jīng)過長期實(shí)際運(yùn)行，工作穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確，具有較高應(yīng)用前景與推廣價(jià)值。

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