基于微震檢測技術(shù)的田野文物監(jiān)控系統(tǒng)方案硬件設(shè)計

葛 寧

（1.西安科技大學(xué) 陜西 西安 710054；2.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 西安 閻良 710089）

文物是歷史上物質(zhì)文化和精神文化的遺存，是人民群眾智慧的結(jié)晶，是人類寶貴的歷史文化遺產(chǎn)；同時，文物是不可再生的文化資源，是歷史文化的重要見證和載體，文物反映了人類連綿不絕的生存、斗爭和發(fā)展歷史，具有重要的歷史價值。田野文物是我國優(yōu)秀歷史文化遺產(chǎn)的重要組成部分，保護(hù)好、管理好、利用好田野文物，對于繼承和弘揚中華優(yōu)秀文化，增強民族凝聚力，推動科技進(jìn)步，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，滿足人民群眾精神文化需求，提高全民文化素質(zhì)都有著重要的意義。大量的古墓、古石刻、壁畫等田野文物，這些文物都具有很高的藝術(shù)、研究、欣賞、歷史價值[1]。保護(hù)文物有利于精神文明建設(shè)，有利于促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，能給后人留下寶貴的文化財富。由于田野文物位于野外、分布面廣，要實時的進(jìn)行監(jiān)控保護(hù)具有一定的難度。目前對于已開發(fā)和未被開發(fā)的田野文物的監(jiān)管主要是通過人工巡查和視頻監(jiān)控、紅外監(jiān)控[2]相結(jié)合的方法實施保護(hù)。但是這些方法對于地下挖掘或者夜間爆破等盜掘活動具有一定的局限性，加上其他安全保護(hù)措施不完善，使得古墓等田野文物被盜的案件層出不窮，大量的珍貴文物被破壞或被盜走，給國家造成了巨大的損失。本方案提出了一種基于微震動檢測技術(shù)[3]的田野文物監(jiān)控系統(tǒng)，主要利用一些低功耗、體積小的傳感器組成檢測網(wǎng)絡(luò)，以有線通訊方式和主控系統(tǒng)組成一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)。

1 微震監(jiān)控系統(tǒng)方案概述

本方案設(shè)計遵循技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、性能穩(wěn)定、節(jié)約成本的原則。并綜合考慮施工、維護(hù)及操作因素，并將為今后的發(fā)展、擴建、改造等因素留有擴充的余地。本系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容具有科學(xué)性、合理性、可操作性。主要依據(jù)以下原則:

1）先進(jìn)性與適用性

2）經(jīng)濟(jì)性與實用性

3）可靠性與安全性

4）可擴充性

5）追求最優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)備配

6）保留足夠的擴展容

田野文物監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)測部分、控制中心和遠(yuǎn)程控制中心3部分，如圖1所示。檢測部分由很多檢測點組成，這些檢測點分散在文物古跡所在的區(qū)域，對各種震動環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集（震動參數(shù)要能區(qū)分洛陽鏟，汽車震動，爆破行等等），并將采集到的信號進(jìn)行調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換等操作最終傳遞給控制中心；控制中心對檢測到的信號進(jìn)行對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、判別后做出模式識別響應(yīng)，判斷是否有危害文物的行為發(fā)生，提示報警，以便工作人員做出正確判斷。

圖1 田野文物監(jiān)控系統(tǒng)框圖Fig.1 Field of cultural relicsmonitoringsystem block diagram

2 硬件方案設(shè)計

田野文物監(jiān)控的硬件設(shè)計首先應(yīng)該考慮文物所處的地理環(huán)境、分布特點及監(jiān)控設(shè)備使用的穩(wěn)定性，其次還要顧及到它的開發(fā)成本、后期維護(hù)和性能指標(biāo)力求達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計。其中硬件設(shè)計的關(guān)鍵是信號采集部分。

本設(shè)計監(jiān)控系統(tǒng)的硬件主要由檢波監(jiān)測網(wǎng)、調(diào)理電路、傳輸線纜、信號采集卡、PC機、視頻和音頻采集設(shè)備部分組成[4]。信號采集系統(tǒng)框圖如圖2所示：多個檢波點的檢波器把震動物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?；通過調(diào)理電路對電信號進(jìn)行放大、變換、濾波等處理；信號采集完成A/D轉(zhuǎn)換等處理，PCI卡通過計算機的PCI插槽完成對計算機的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)經(jīng)計算機軟件分析、處理、判別后做出識別，通過有線傳輸向遠(yuǎn)程控制中心發(fā)出報警信號，遠(yuǎn)程控制中心收到報警，采取相應(yīng)措施。本硬件設(shè)計主要集中在信號檢測與信號調(diào)理部分。

圖2 信號采集系統(tǒng)框圖Fig.2 Signal acquisition system block diagram

2.1 檢波監(jiān)測網(wǎng)

在文物所處的一定區(qū)域范圍外，間隔一定距離多處埋下檢波器即地波探頭，組成一個檢波監(jiān)測網(wǎng)。其中每個監(jiān)測點通過埋在監(jiān)測位置地下的地波探頭感知并采集單元附近區(qū)域的震動信息，比如汽車、行人路過或是洛陽鏟、爆炸等震動信號[5]。檢波器使用時需要埋于地下所以必須考慮到檢波器的使用壽命、維修的方便性及抗腐蝕性等因素，因此在本設(shè)計中為了延長使用時間、減小后期維護(hù)的費用將HK20DX-10S檢波器安裝不銹鋼外殼，樹脂密封，改進(jìn)的地波探頭如圖3所示，將震動物理量轉(zhuǎn)換為電量，傳送到采集卡。檢波監(jiān)測點對目標(biāo)區(qū)域可以執(zhí)行實時監(jiān)控，監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的各種震動信號。根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的特點，監(jiān)測系統(tǒng)可分為平面式監(jiān)測和立體式監(jiān)測。平面式監(jiān)測是指在需要監(jiān)控區(qū)域周圍內(nèi)，建立監(jiān)測點，且各監(jiān)測點的監(jiān)測區(qū)域是互相覆蓋的，如田野文物，只在文物附近一定區(qū)域內(nèi)設(shè)置監(jiān)測點，就可有效地監(jiān)測挖掘等活動。立體式監(jiān)測主要指目標(biāo)區(qū)域是立體式空間，在區(qū)域內(nèi)設(shè)置足夠多的監(jiān)測點，可實現(xiàn)對整個立體區(qū)域的監(jiān)控。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)監(jiān)測區(qū)域的地理特點、安全等級以及投入成本選擇不同的監(jiān)測系統(tǒng)。

圖3 地波探頭Fig.3 Ground wave probe

2.2 調(diào)理電路

檢波器將一定范圍內(nèi)的震動信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，轉(zhuǎn)換后的電壓信號非常微弱甚至達(dá)到uV級，加之傳輸線路上損耗的存在，信號不能直接輸入采集卡。因此，在進(jìn)入采集卡之前需要對弱信號進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理即是對信號進(jìn)行濾波、放大，緩沖或定標(biāo)的過程，調(diào)理后的信號適于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入[6]。模/數(shù)轉(zhuǎn)換是將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號的過程，同時把數(shù)字信號送到后續(xù)的數(shù)字電路中，數(shù)字電路中的器件對數(shù)字信號進(jìn)行存儲、分析等下一步處理。本設(shè)計調(diào)理電路采用外接滑動變阻器的前置放大器AD620，單路調(diào)理電路如圖4所示。

圖4 單路調(diào)理電路Fig.4 Single conditioning circuit

AD620是一種通用儀表放大器。尺寸較小、精度高、價格低常用于傳感器接口、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和工業(yè)過程控制等電路。具有失調(diào)電壓低、漂移小、輸入阻抗高（10G）共模抑制比高、輸入偏移電流低、消耗功率低（最大供電壓電流僅1.3 mA）以及過電壓保護(hù)等特性AD620供電電源為±5 V，Vref為參考電平。調(diào)整RG1將信號增益值在1～10 000之間任意放大，益于信號波形的觀察及分析處理。

3 結(jié) 論

田野文物的保護(hù)是非常重要的，目前大多屬于多種保護(hù)措施同時應(yīng)用。本設(shè)計應(yīng)用微震檢波器能夠?qū)ξ奈铿F(xiàn)場進(jìn)行實時監(jiān)控及現(xiàn)場信號的采集與處理。在實際中得到了初步應(yīng)用。

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