基于聲源定位技術的滑坡破裂面追蹤系統(tǒng)

潘忠晴，熊慶國，陳開端

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

我國是多丘陵、多山地的國家，山體滑坡等自然災害一旦發(fā)生，常常會造成路基破壞、危害車站站場、砸壞站房、中斷交通運輸?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力，應變的聲發(fā)射現(xiàn)象[2]產(chǎn)生，聲發(fā)射技術借助傳感器探測，經(jīng)記錄、分析聲發(fā)射信號并推斷聲發(fā)射源位置，它是研究山體滑坡破裂面演化過程的一個良好工具，能夠連續(xù)、實時地監(jiān)測山體滑坡破裂面的位移情況，定位破裂面，使監(jiān)測人員對山體滑坡的破裂面有更準確的了解，對山體滑坡進行預警從而保護人民的生命財產(chǎn)安全。

1 聲源定位原理

聲源定位技術通過靈敏的傳感器探頭采集聲發(fā)射信號、處理信號，對聲發(fā)射源進行定位計算，最終實現(xiàn)對山體滑坡破裂面的追蹤[2]。本系統(tǒng)采用基于時延估計的聲源定位技術對單聲源進行定位。聲源定位技術原理如圖1所示。

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

1.1 聲源定位最小二乘法

空間兩點之間的距離為

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

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個聲發(fā)射探頭接收到聲波的時刻；t為聲波產(chǎn)生的時刻；v為各種材質(zhì)中聲源的傳播速度。

改進上式得聲源定位模型為

由分析可知，設傳感器數(shù)量有n個，如果有關系式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逆矩陣的近似矩陣，使得此矩陣與原矩陣相乘的結果近似于單位矩陣。

1.2 時差文件計算方法

各探頭獲取到的聲源信號的時間差很小，通常在毫秒（ms）級，使用電腦的系統(tǒng)時間無法滿足時間精度的要求，系統(tǒng)采用信號處理器中的時鐘晶振來計時。系統(tǒng)運行首先對信號處理器進行參數(shù)設置并發(fā)送同步指令使計時器從零開始計時，當探頭采集到的聲發(fā)射信號大于設置的觸發(fā)值時，計時器停止計時并上傳該計時值。信號處理器保存事件觸發(fā)的前500個預采集點和觸發(fā)點后采集到的N-500個點的數(shù)據(jù)，等待上位機讀取采集到的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)上位機軟件根據(jù)同步的時間和信號處理器計時器的計時值確定各探頭獲取的聲發(fā)射信號的時間值，然后系統(tǒng)對采集到的聲發(fā)射信號繪制波形并顯示出來，通過各探頭采集到信號波形的比較得到各探頭獲取聲源聲發(fā)射信號的準確時間值，以進行下一步的最小二乘擬合的定位計算。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

滑坡破裂面追蹤系統(tǒng)基于某勘測技術研究所具體項目，分為下位機數(shù)據(jù)采集和上位機破裂面定位2個部分。下位機采用自主研發(fā)的聲發(fā)射采集器，聲發(fā)射探頭采集到的聲發(fā)射信號經(jīng)放大濾波、A/D轉換等處理，采集測點處聲發(fā)射信號，通過KYL_320M無線電臺發(fā)送至上位機。上位機控制下位機的數(shù)據(jù)采集，對下位機上傳的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行處理和分析，實現(xiàn)對滑坡破裂面的定位追蹤。定位結果最終通過AutoCAD2008圖直觀地顯示。系統(tǒng)整體結構如圖2所示。機界面，各通道采集波形的實時顯示，波形的時差計算、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現(xiàn)，首先設置好串口參數(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)整體結構圖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)硬件設計

下位機的聲發(fā)射采集器采用Cygnal公司的C8051F020作為采集器的處理器，同時配有MAXIM公司的MAX262濾波芯片，MAX262為CMOS雙二階通用開關電容有源濾波器，每個MAX262器件含有2個二階濾波器，可構成低通、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，可實時通過上位機調(diào)整放大倍數(shù)達到更好的信號采集效果。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KYL_320M以19200 b/s的速率無線傳輸至上位機。接收電臺與上位機電腦之間通過串口服務器將串口轉換成網(wǎng)口，提高了系統(tǒng)的適應性，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)擴大系統(tǒng)的遠程監(jiān)測距離和靈活性，同時極大提升了系統(tǒng)的兼容性[6]。

2.2 系統(tǒng)軟件設計

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

為了達到采集時間的精度要求，采用下位機的晶振計時。系統(tǒng)在每10 min無有效事件觸發(fā)數(shù)據(jù)采集時自動重新進行參數(shù)設置和下位機同步，重新開始計時，消除晶振的累積誤差。系統(tǒng)在每個循環(huán)開始時發(fā)送參數(shù)設置命令，表示上次數(shù)據(jù)采集結束，重新設置時間代碼，然后發(fā)送不需應答的時間同步命令，下位機在收到同步命令后的n秒（可在參數(shù)設置命令中進行設置）自動同步。同步后開始采集數(shù)據(jù)，當采集數(shù)據(jù)的電壓值達到門檻值，單片機開始保存采集到的規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù)。

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

聲源坐標空間位置的初始值選取不當，會造成系數(shù)矩陣奇異，近似處理后會造成所求定位結果不準確。為減少誤差，可選取適當初始值，適當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，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定位結果如圖4所示。圖中倒三角表示探頭埋放點，圓圈圍起來的正三角表示激發(fā)點的位置（J1～J6），圓形表示定位結果。將6個激發(fā)點周圍作放大處理，激發(fā)點J2實際位置為857.160，880.510，5.945，在此敲擊 5 次。以激發(fā)點 J2為例，坐標X最大誤差為0.270，最小誤差為0.099；坐標Y最大誤差為0.230，最小誤差為0.011。從圖4中可以看出定位結果均分布在激發(fā)點附近，最大誤差為0.2 m，定位計算達到預期效果。

圖4 某停車場室外分布采集試驗定位結果Fig.4 Outside distribution collection test result of a parking lot

4 結語

系統(tǒng)將探頭陣法和最小二乘擬合法相結合得到滑坡破裂面聲源信號的最優(yōu)定位結果，通過定位結果與實驗中激發(fā)點坐標對比分析，可看出系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對滑坡破裂面進行精確的追蹤。此外，系統(tǒng)上位機與下位機之間采用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞浇档土顺杀?。改進時差計算方法獲得更精確的時差文件，可以進一步提升系統(tǒng)的定位精度。系統(tǒng)經(jīng)過長期實際運行，工作穩(wěn)定、定位準確，具有較高應用前景與推廣價值。

[1]何滿潮.滑坡地質(zhì)災害遠程監(jiān)測預報系統(tǒng)及其應用工程[J].巖石力學與工程學報，2009，28（6）：6-15.

[2]李孟源，尚振東，蔡海潮，等.聲發(fā)射檢測及信號處理[M].北京：科學出版社，2010：1-5.

[3]武漢大學測繪學院測量平差學科組.誤差理論與測量平差基礎[M].武漢：武漢大學出版社，2003.

[4]崔希璋，陶本藻.矩陣在測量平差中的應用[M].北京：測繪出版社，1980.

[5]范國慶，楊喜平.偽逆矩陣的一種改進解法及其在自由網(wǎng)平差和擬穩(wěn)平差中的應用[J].測繪通報，2012（9）：11-15.

[6]王瑞.串口設備無線聯(lián)網(wǎng)服務器的研究與設計[D].大連：大連理工大學，2009.

[7]熊迪，熊慶國，周雄偉.基于MSP430系列單片機的聲發(fā)射檢測系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2011，27（5）：101-103.

[8]況海龍，熊慶國.基于串口服務器的聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2013，21（13）：91-93.

[9]尹彥波，李愛兵.基于聲發(fā)射預警準則的柿竹園礦地壓預警研究[J].采礦技術，2010，10（5）：29-31.

[10]邵帥，熊慶國，熊斌，等.聲發(fā)射監(jiān)測儀無線遠程通信的實現(xiàn)[J].電子設計工程，2010，18（8）：19-22.