基于声源定位技术的滑坡破裂面追踪系统

潘忠晴，熊庆国，陈开端

（1.武汉科技大学 信息科学与工程学院，武汉 430081；2.长江勘测技术研究所，武汉 430011）

我国是多丘陵、多山地的国家，山体滑坡等自然灾害一旦发生，常常会造成路基破坏、危害车站站场、砸坏站房、中断交通运输等不可挽回的伤亡事故[1]。滑坡作为一种斜坡变形形式，常发生在山地、丘陵地区的斜坡上，山体滑坡的破裂面伴有以弹性波形式释放出应力，应变的声发射现象[2]产生，声发射技术借助传感器探测，经记录、分析声发射信号并推断声发射源位置，它是研究山体滑坡破裂面演化过程的一个良好工具，能够连续、实时地监测山体滑坡破裂面的位移情况，定位破裂面，使监测人员对山体滑坡的破裂面有更准确的了解，对山体滑坡进行预警从而保护人民的生命财产安全。

1 声源定位原理

声源定位技术通过灵敏的传感器探头采集声发射信号、处理信号，对声发射源进行定位计算，最终实现对山体滑坡破裂面的追踪[2]。本系统采用基于时延估计的声源定位技术对单声源进行定位。声源定位技术原理如图1所示。

图1 声源定位技术原理图Fig.1 Schematic diagram of the sound source localization technology

1.1 声源定位最小二乘法

空间两点之间的距离为

式中：（x，y，z）为产生声源的位置空间坐标；（xi，yi，zi）为声发射探头的空间坐标。

首先，将声源定位模型线性化[3]可得：

线性化后的声源定位模型为

式中：ti为第i个声发射探头接收到声波的时刻；t为声波产生的时刻；v为各种材质中声源的传播速度。

改进上式得声源定位模型为

由分析可知，设传感器数量有n个，如果有关系式n≥4，则有方程AX=W成立，故方程最小二乘解为

最终求得声源位置为

式中：A+为矩阵A的伪逆矩阵；

伪逆矩阵是矩阵的广义形式[5]，若矩阵秩亏损，那么将此矩阵做奇异值分解后求得一个逆矩阵的近似矩阵，使得此矩阵与原矩阵相乘的结果近似于单位矩阵。

1.2 时差文件计算方法

各探头获取到的声源信号的时间差很小，通常在毫秒（ms）级，使用电脑的系统时间无法满足时间精度的要求，系统采用信号处理器中的时钟晶振来计时。系统运行首先对信号处理器进行参数设置并发送同步指令使计时器从零开始计时，当探头采集到的声发射信号大于设置的触发值时，计时器停止计时并上传该计时值。信号处理器保存事件触发的前500个预采集点和触发点后采集到的N-500个点的数据，等待上位机读取采集到的数据。

系统上位机软件根据同步的时间和信号处理器计时器的计时值确定各探头获取的声发射信号的时间值，然后系统对采集到的声发射信号绘制波形并显示出来，通过各探头采集到信号波形的比较得到各探头获取声源声发射信号的准确时间值，以进行下一步的最小二乘拟合的定位计算。

2 系统实现

滑坡破裂面追踪系统基于某勘测技术研究所具体项目，分为下位机数据采集和上位机破裂面定位2个部分。下位机采用自主研发的声发射采集器，声发射探头采集到的声发射信号经放大滤波、A/D转换等处理，采集测点处声发射信号，通过KYL_320M无线电台发送至上位机。上位机控制下位机的数据采集，对下位机上传的声发射数据进行处理和分析，实现对滑坡破裂面的定位追踪。定位结果最终通过AutoCAD2008图直观地显示。系统整体结构如图2所示。机界面，各通道采集波形的实时显示，波形的时差计算、最终声源定位及数据的保存。串口操作采用多线程串口编程实现，首先设置好串口参数，再开启串口监测工作线程，串口监测工作线程监测到串口接收到的数据、流控制事件或其他控制事件后，就以消息方式通知主程序，激发消息处理函数来进行数据处理，发送数据可以直接向串口发送，软件流程如图3所示。

图2 系统整体结构图Fig.2 Structure diagram of the overall system

图3 软件流程图Fig.3 Flow chart of software

2.1 系统硬件设计

下位机的声发射采集器采用Cygnal公司的C8051F020作为采集器的处理器，同时配有MAXIM公司的MAX262滤波芯片，MAX262为CMOS双二阶通用开关电容有源滤波器，每个MAX262器件含有2个二阶滤波器，可构成低通、带通、高通、陷波及全通配置，且不需外部元件。本系统中MAX262芯片的工作模式、中心频率f0以及品质因数Q都可通过编程来设置。芯片采用4位地址输入和2位数据输入的方式来设置滤波器的工作参数，并将工作参数保存在芯片的寄存器中。

声发射采集器采用TI公司推出的可编程程控放大芯片PGA308，可实时通过上位机调整放大倍数达到更好的信号采集效果。声发射探头采用YD83-D高灵敏度的压电陶瓷加速度传感器[9]，传感器探头中自带一个前置放大器。最后声发射采集器采集的数据通过无线电台KYL_320M以19200 b/s的速率无线传输至上位机。接收电台与上位机电脑之间通过串口服务器将串口转换成网口，提高了系统的适应性，解决了部分笔记本电脑串口接入的兼容性问题。通过网口使系统可借用TCP/IP的局域网扩大系统的远程监测距离和灵活性，同时极大提升了系统的兼容性[6]。

2.2 系统软件设计

系统上位机软件在Microsoft Visual Studio 2010环境下以C#语言进行编写，数据库采用SQL Server Management Studio 2008，采用AutoCAD2008画出实验场地的平面示意图。上位机主要完成对下位机采集的控制，处理下位机上传数据，操作系统的人

为了达到采集时间的精度要求，采用下位机的晶振计时。系统在每10 min无有效事件触发数据采集时自动重新进行参数设置和下位机同步，重新开始计时，消除晶振的累积误差。系统在每个循环开始时发送参数设置命令，表示上次数据采集结束，重新设置时间代码，然后发送不需应答的时间同步命令，下位机在收到同步命令后的n秒（可在参数设置命令中进行设置）自动同步。同步后开始采集数据，当采集数据的电压值达到门槛值，单片机开始保存采集到的规定数目的数据。

上位机发送数据读取命令时，单片机会记录采集数据到达门槛电压时的时间，将采集数据到达门槛电压时的时间上传给上位机，计算出每次采集数据的开始时间，再进行定位计算，最后将定位结果保存于本地电脑和数据库中。定位计算部分阈值的选取避免了程序陷入死循环，当迭代次数大于1000次或位置残差小于0.001 m，2个条件满足其中1个即停止迭代，求得声源位置：x=x0+dx。

声源坐标空间位置的初始值选取不当，会造成系数矩阵奇异，近似处理后会造成所求定位结果不准确。为减少误差，可选取适当初始值，适当选取传感器排布阵形；增加传感器数量，可采集到数据的传感器数量增加到大于4个，大大提高系统定位的可靠性。

3 数据分析

某停车场分布采集试验定位结果如图4所示。图中倒三角表示探头埋放点，圆圈围起来的正三角表示激发点的位置（J1～J6），圆形表示定位结果。将6个激发点周围作放大处理，激发点J2实际位置为857.160，880.510，5.945，在此敲击 5 次。以激发点 J2为例，坐标X最大误差为0.270，最小误差为0.099；坐标Y最大误差为0.230，最小误差为0.011。从图4中可以看出定位结果均分布在激发点附近，最大误差为0.2 m，定位计算达到预期效果。

图4 某停车场室外分布采集试验定位结果Fig.4 Outside distribution collection test result of a parking lot

4 结语

系统将探头阵法和最小二乘拟合法相结合得到滑坡破裂面声源信号的最优定位结果，通过定位结果与实验中激发点坐标对比分析，可看出系统能够实现对滑坡破裂面进行精确的追踪。此外，系统上位机与下位机之间采用无线数据传输的方式降低了成本。改进时差计算方法获得更精确的时差文件，可以进一步提升系统的定位精度。系统经过长期实际运行，工作稳定、定位准确，具有较高应用前景与推广价值。

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