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一種淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng)

閱讀:495發(fā)布:2020-05-14

專利匯可以提供一種淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng)專利檢索,專利查詢,專利分析的服務(wù)。并且本實用新型公開了一種淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括: 聲波 發(fā)射組件,聲波接收組件和 頻譜 分析儀;所述聲波發(fā)射組件,用于發(fā)射兩個不同 頻率 的聲源/振源 信號 ;所述聲波接收組件,用于接收信號,進行放大和濾波后發(fā)送至 頻譜分析儀 ;所述頻譜分析儀,用于對采集的信號進行快速傅里葉變換,繪制信號的頻譜圖,在信號頻譜圖中檢測除了兩個聲源/振源的頻率以外是否存在和頻或差頻信號,如果存在,則埋地物體為非金屬物,從而實現(xiàn)對埋地非金屬物體的探測。本實用新型的系統(tǒng)通過材料的聲學(xué)特性差異來識別非金屬物體,具有操作簡便、成本低廉、易于實施、不受天氣和 土壤 濕度影響的優(yōu)點。(ESM)同樣的 發(fā)明 創(chuàng)造已同日 申請 發(fā)明 專利,下面是一種淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng)專利的具體信息內(nèi)容。

1.一種淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),其特征在于,所述系統(tǒng)包括:聲波發(fā)射組件,聲波接收組件和頻譜分析儀;
所述聲波發(fā)射組件,用于發(fā)射兩個不同頻率的聲源/振源信號
所述聲波接收組件,用于接收信號,進行放大和濾波后發(fā)送至頻譜分析儀;
所述頻譜分析儀,用于對采集的信號進行快速傅里葉變換,繪制信號的頻譜圖,在信號頻譜圖中檢測除了兩個聲源/振源的頻率以外是否存在和頻或差頻信號,如果存在,則埋地物體為非金屬物,從而實現(xiàn)對埋地非金屬物體的探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),其特征在于,所述聲波發(fā)射組件包括2個聲源,每個聲源發(fā)射的聲波信號具有不同頻率;所述聲源包括:信號發(fā)生器、功率放大器和揚聲器;
所述信號發(fā)生器產(chǎn)生探測需要的激勵信號,所述激勵信號為頻率范圍低于2000Hz的單頻激勵、隨機激勵或掃頻激勵;
所述功率放大器采用放大倍數(shù)可調(diào)的功率放大器,對信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號進行功率放大;
所述揚聲器將功率放大器輸出的電信號轉(zhuǎn)化為地面激勵信號,并且將激振能量輻射土壤中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),其特征在于,所述聲波發(fā)射組件包括2個振源,每個振源發(fā)射的振動信號具有不同頻率;所述振源包括:信號發(fā)生器、功率放大器和激振器;
所述信號發(fā)生器產(chǎn)生探測需要的激勵信號,所述激勵信號為頻率范圍低于2000Hz的單頻激勵、隨機激勵或掃頻激勵;
所述功率放大器采用放大倍數(shù)可調(diào)的功率放大器,對信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號進行功率放大;
所述激振器將功率放大器輸出的電信號轉(zhuǎn)化為地面激勵信號,并且將激振能量輻射到土壤中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),其特征在于,所述聲波接收組件包括:傳感器陣列、前置放大器、模擬濾波器和信號采集卡;
所述傳感器陣列為多個傳感器組成陣列,用于將聲波信號/振動信號轉(zhuǎn)化為電信號;
所述前置放大器,用于對電信號進行放大;
所述模擬濾波器,用于對放大的電信號進行濾波;
所述信號采集卡,用于將濾波后的模擬電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電信號,輸出至所述頻譜分析儀。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),其特征在于,所述傳感器為地震檢波器、加速度計或測振儀。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),其特征在于,所述信號采集卡的通道數(shù)不低于傳感器陣列中傳感器的數(shù)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),其特征在于,所述信號采集卡的信號采樣頻率為傳感器頻率的3-5倍。

說明書全文

一種淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng)

技術(shù)領(lǐng)域

[0001] 本實用新型涉及物探技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng)。

背景技術(shù)

[0002] 淺層埋地非金屬物體是指埋在地下1米以內(nèi)的非金屬物體,由于其柔性相對于金屬、巖石等剛性物體要大的多,所以也被稱為柔性物體。隨著科學(xué)技術(shù)的進步,許多非金屬材料的物理和化學(xué)特性有了質(zhì)的飛躍,并且由于這些非金屬材料具有成本低、重量輕、無毒、耐腐蝕、易加工制造和維修等優(yōu)勢,使得它們在一些領(lǐng)域逐漸可以替代金屬材料,比如市政施工中的非金屬供和供氣管線、石油化工和制藥行業(yè)的非金屬容器、軍事上非金屬地雷和炸彈等。
[0003] 傳統(tǒng)的物探技術(shù)領(lǐng)域,由于被探測的目標物體主要是金屬制品,所以研究人員開發(fā)了許多基于電學(xué)和磁學(xué)原理的探測方法,但是由于非金屬材料不(弱)導(dǎo)電、不(弱)導(dǎo)磁的特性,導(dǎo)致這些傳統(tǒng)方法在探測非金屬物體時效果不理想。實用新型內(nèi)容
[0004] 本實用新型的目的在于克服上述技術(shù)缺陷,針對淺層埋地非金屬物體,提出了一種基于非線性共振效應(yīng)的聲學(xué)探測系統(tǒng)及方法。由于非金屬物體的聲學(xué)特性(特性阻抗)與土壤、金屬物體、巖石區(qū)別較大,所以能夠有效避免土壤中干擾物體的影響,使非金屬物體探測的準確度更高。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的,本實用新型提出了一種淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括:聲波發(fā)射組件,聲波接收組件和頻譜分析儀;
[0006] 所述聲波發(fā)射組件,用于發(fā)射兩個不同頻率的聲源/振源信號
[0007] 所述聲波接收組件,用于接收信號,進行放大和濾波后發(fā)送至頻譜分析儀
[0008] 所述頻譜分析儀,用于對采集的信號進行快速傅里葉變換,繪制信號的頻譜圖,在信號頻譜圖中檢測除了兩個聲源/振源的頻率以外是否存在和頻或差頻信號,如果存在,則埋地物體為非金屬物,從而實現(xiàn)對埋地非金屬物體的探測。
[0009] 作為上述系統(tǒng)的一種改進,所述聲波發(fā)射組件包括2個聲源,每個聲源發(fā)射的聲波信號具有不同頻率;所述聲源包括:信號發(fā)生器、功率放大器和揚聲器;
[0010] 所述信號發(fā)生器產(chǎn)生探測需要的激勵信號,所述激勵信號為頻率范圍低于2000Hz的單頻激勵、隨機激勵或掃頻激勵;
[0011] 所述功率放大器采用放大倍數(shù)可調(diào)的功率放大器,對信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號進行功率放大;
[0012] 所述揚聲器將功率放大器輸出的電信號轉(zhuǎn)化為地面激勵信號,并且將激振能量輻射到土壤中。
[0013] 作為上述系統(tǒng)的一種改進,所述聲波發(fā)射組件包括2個振源,每個振源發(fā)射的振動信號具有不同頻率;所述振源包括:信號發(fā)生器、功率放大器和激振器;
[0014] 所述信號發(fā)生器產(chǎn)生探測需要的激勵信號,所述激勵信號為頻率范圍低于2000Hz的單頻激勵、隨機激勵或掃頻激勵;
[0015] 所述功率放大器采用放大倍數(shù)可調(diào)的功率放大器,對信號發(fā)生器產(chǎn)生的激勵信號進行功率放大;
[0016] 所述激振器將功率放大器輸出的電信號轉(zhuǎn)化為地面激勵信號,并且將激振能量輻射到土壤中。
[0017] 作為上述系統(tǒng)的一種改進,所述聲波接收組件包括:傳感器陣列、前置放大器、濾波器和信號采集卡;
[0018] 所述傳感器陣列為多個傳感器組成陣列,用于將聲波信號/振動信號轉(zhuǎn)化為電信號;
[0019] 所述前置放大器,用于對電信號進行放大;
[0020] 所述模擬濾波器,用于對放大的電信號進行濾波;
[0021] 所述信號采集卡,用于將濾波后的模擬電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電信號,輸出至所述頻譜分析儀。
[0022] 作為上述系統(tǒng)的一種改進,所述傳感器為地震檢波器加速度計或測振儀。
[0023] 作為上述系統(tǒng)的一種改進,所述信號采集卡的通道數(shù)不低于傳感器陣列中傳感器的數(shù)量。
[0024] 作為上述系統(tǒng)的一種改進,所述信號采集卡的信號采樣頻率為傳感器頻率的3-5倍。
[0025] 本實用新型的優(yōu)勢在于:
[0026] 1、本實用新型的系統(tǒng)通過材料的聲學(xué)特性差異來識別非金屬物體,具有操作簡便、成本低廉、易于實施、不受天氣和土壤濕度影響的優(yōu)點;
[0027] 2、本實用新型的系統(tǒng)采用的非線性共振效應(yīng)能夠有效避免金屬、巖石等干擾物對探測結(jié)果的影響,具有很強的針對性,能夠極大地提高探測準確性。附圖說明
[0028] 圖1為淺層埋地非金屬物體探測示意圖;
[0029] 圖2(a)為土壤-埋地物體穩(wěn)定狀態(tài)圖;
[0030] 圖2(b)為土壤-埋地物體壓縮狀態(tài)圖;
[0031] 圖2(c)為土壤-埋地物體拉伸狀態(tài)圖;
[0032] 圖3為土壤-埋地非金屬物體非線性等效模型;
[0033] 圖4(a)為無物體的探測信號頻譜示意圖;
[0034] 圖4(b)為剛體的探測信號頻譜示意圖;
[0035] 圖4(c)為非金屬物體的探測信號頻譜示意圖;
[0036] 圖5為本實用新型的埋地非金屬物體探測系統(tǒng)示意圖。

具體實施方式

[0037] 下面結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細的說明。
[0038] 本實用新型的原理為:基于非線性共振效應(yīng)的淺層埋地非金屬物體探測示意圖如圖1所示。采用雙重聲源或振源(或者能夠同時發(fā)射兩種激勵信號的單獨聲源或振源)激勵地面,當?shù)乇硐聸]有埋藏物體時,聲波在向土壤深部傳播的過程中會逐漸衰減,在地表只能檢測到激勵源信號和干擾噪聲信號,因此,接收信號和激勵源信號的頻率成份相似度非常高,只是幅值上存在一定程度的衰減。當?shù)乇硐麓嬖诼癫匚矬w時,土壤-埋地物體可以看作是一個受迫振動系統(tǒng),耦合進土壤的聲波傳播到達物體表面時,首先,由于埋地物體與土壤之間存在較大的聲阻抗差異,因此會在土壤-埋地物體界面發(fā)生強烈的反射或散射現(xiàn)象;其次,在聲壓的作用下,土壤-埋地物體構(gòu)成的系統(tǒng)會發(fā)生共振,從而增加了目標物體反射回波的強度;第三,由于非金屬物體具有較大的柔性,在聲壓的作用下會發(fā)生非線性效應(yīng),這種非線性效應(yīng)會改變聲波的頻率成份,實際上是對兩種聲波信號進行了和頻(或差頻)的調(diào)制。經(jīng)過埋地物體調(diào)制的信號反射傳播回地表,通過在地表安裝的傳感器陣列拾取該回波信號,然后對采集的信號進行快速傅里葉變換(FFT),繪制信號的頻譜圖,通過對比頻譜圖中的信號成份和激勵源信號頻率成份的區(qū)別,即可判斷探測區(qū)域內(nèi)是否存在埋地非金屬物體。
[0039] 土壤-埋地物體受迫振動的非線性效應(yīng)是指:當系統(tǒng)未受外力時,系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài),如圖2(a)所示;當土壤受外力作用時,會存在壓縮和拉伸兩個過程,由于非金屬物體柔性較大,在壓縮過程時,土壤擠壓非金屬物體引起變形,兩者之間的界面緊密結(jié)合,如圖2(b)所示;在拉伸過程時,土壤和非金屬物體的柔形不同,導(dǎo)致兩者的界面發(fā)生一定程度的分離,如圖2(c)所示。壓縮和拉伸階段的等效機械模型如圖3所示,其中,k1,k2分別表示土壤和埋地物體的剛度。
[0040] 非線性效應(yīng)會對土壤-埋地非金屬物體界面的聲波信號進行調(diào)制,產(chǎn)生新的和頻或差頻信號,如公式(1)所示:
[0041] f=mf1±nf2(m,n為自然數(shù))???(1)
[0042] 圖4(a)、圖4(b)以及圖4(c)分別展示了無埋地物體、埋地物體為剛體(如金屬或者巖石)以及埋地物體為非金屬時的探測信號頻譜示意圖。通過頻譜圖中的頻率成份分析即可實現(xiàn)埋地非金屬物體的探測。
[0043] 如圖5所示,本實用新型提出了一種淺層埋地非金屬物體探測系統(tǒng),探測系統(tǒng)主要包括三個部分:聲波發(fā)射部分、聲波接收部分和信號處理部分,其中信號發(fā)射部分采用2個聲源/振源分別發(fā)射不同頻率成份的信號(或者采用能夠同時發(fā)射2種激勵信號的單獨聲源/振源),具體包括:信號發(fā)生器1和2、功率放大器1和2、揚聲器(激振器)1和2;信號接收部分包括:傳感器陣列(傳感器采用地震檢波器、加速度計或測振儀等振動測量儀器)、前置放大器、濾波器、信號采集卡;信號分析部分包括:頻譜分析儀。
[0044] (1)信號發(fā)生器
[0045] 采用任意波型信號發(fā)生器,產(chǎn)生探測需要的激勵信號,一般采用頻率范圍低于2000Hz的單頻激勵、隨機激勵或者掃頻激勵,其中信號發(fā)生器1和2的信號需要存在一定的頻率成份差異。
[0046] (2)功率放大器
[0047] 采用放大倍數(shù)可調(diào)的功率放大器,對信號發(fā)生器產(chǎn)生的調(diào)制信號進行功率放大,從而增加聲波在土壤中的穿透深度,實際應(yīng)用中的具體放大倍數(shù)應(yīng)根據(jù)土壤參數(shù)(如松散度、濕度等)決定。
[0048] (4)揚聲器(激振器)
[0049] 揚聲器(激振器)的作用是將電信號轉(zhuǎn)化為地面激勵信號,并且將激振能量輻射到土壤中。揚聲器與地表是非接觸的,具有不破壞地表植被和基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)點,但是聲波耦合效率相對較低,因此探測深度有限。如果物體埋藏較深時,可以采用接觸式的激振器,這樣激振器和土壤直接機械聯(lián)接,能更大程度地將聲能量傳輸?shù)酵寥乐小?/div>
[0050] (5)傳感器陣列
[0051] 傳感器采用地震檢波器、加速度計或測振儀等測量振動的儀器,將振動信號轉(zhuǎn)化為電信號。理論上可以只采用單個傳感器進行測量,但是為了提高探測系統(tǒng)的可靠性,一般采用多個傳感器組成陣列使用。
[0052] (6)前置放大器和濾波器
[0053] 埋地物體反射回地表的聲波信號,經(jīng)過土壤的衰減相對比較微弱,并且混入了噪聲信號,為了提高信噪比,需要首先采用前置放大器對信號進行放大,然后采用模擬濾波器進行濾波,有利于后期的信號處理和分析。
[0054] (7)信號采集卡
[0055] 信號采集卡將模擬電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字電信號,采集卡的通道數(shù)應(yīng)不低于傳感器陣列中傳感器的數(shù)量,信號采樣頻率一般為傳感器頻率的3-5倍。
[0056] (8)頻譜分析儀
[0057] 頻譜分析儀的作用是對采集的信號進行快速傅里葉變換,得到信號的頻譜圖,并且分析信號的頻率成份,尋找除了激勵源頻率f1和f2以外,信號頻譜圖中是否存在和頻或差頻信號,從而實現(xiàn)對埋地非金屬物體的探測。
[0058] 最后所應(yīng)說明的是,以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本實用新型進行了詳細說明,本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解,對本實用新型的技術(shù)方案進行修改或者等同替換,都不脫離本實用新型技術(shù)方案的精神和范圍,其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當中。
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