一种基于次声波的泥石流监测与报警系统的制作方法
一种基于次声波的泥石流监测与报警系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及泥石流监测技术领域，特别是涉及一种基于次声波的泥石流监测与报 警系统。
【背景技术】
[0002] 泥石流是一种山区常见的地质灾害，在山谷深壑、地形险峻的地区，由降水（包括 冰川、积雪融化水、暴雨等）将土质松软且含有沙砾的山体稀释后形成，运动过程中夹杂着 大量泥沙以及石块等固体物质的特殊洪流。泥石流具有暴发突然、来势凶猛、迅速的特征， 并经常伴有滑坡、洪水和崩塌的多重破坏作用，破坏力巨大，严重威胁着水利水电、矿山、山 区交通等工程设施和山区当地群众的生命财产安全。近几年来，世界各地频繁地发生大型 泥石流灾害，致使数千人失踪及丧生，给当地居民的生命财产造成巨大的损害。
[0003] 目前对泥石流的监测手段主要是采用视频监测，或者采用人工巡回监测。这种传 统的监测方式，不仅很难保证其效率和准确性，而且对发生在地形险要的山区，人工值守的 方式缺乏监测者的人身安全保障。因此，研宄和设计一种新型泥石流监测系统，对提前做出 泥石流灾害监测，减少泥石流造成的损失有着重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于次声波的泥石流监测与报警系统，对 泥石流灾害的发生进行实时的监测，并实施报警。
[0005] 本发明的发明人发现，当孕育泥石流灾害或者发生泥石流时岩石层会因发生断 裂、摩擦和挤压等现象而产生一种蕴含重要地质信息的次声信号一一次声波。泥石流次声 信号具有频率低（约为〇~20Hz)，波长长，容易发生衍射，在传播过程中遇到障碍物很难 被阻挡等特性。泥石流次声信号在空气中不易被吸收，传播过程中衰减很小，能传很远的距 离，而且它具有极强的穿透能力，频率高的声信号用一张普通的厚纸就可以将它隔住，但是 对泥石流次声信号，就是普通的墙壁也很难隔住它。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于次声波的泥石流监测 与报警系统，包括次声传感器、信号处理电路、数据采集卡和计算机，所述次声传感器用于 采集泥石流次声信号；所述信号处理电路用于对采集到的泥石流次声信号进行放大处理和 滤波处理；所述信号采集卡将经过信号处理后的泥石流次声信号进行模数转换并将转换后 的结果传输到计算机中；所述计算机采用HHT方法对信号进行时频域分析，并计算出信号 的功率谱，得出信号能量，进而进行泥石流灾害的判定。
[0007] 所述计算机进行泥石流灾害的判定时，以背景噪声次声段信号的最高频谱能量值 作为一个参考能量，并据此定一个高于此参考能量的阈值，当采集到的次声段信号频谱能 量最高值超过所述阈值时，就进行一次触发，然后重置能量，计算下一次的信号能量，再进 行判定，以此类推，计算出一定时间内的触发次数从而对泥石流灾害进行判定，并判断是否 启动报警系统。
[0008] 所述次声传感器为B&K公司的4189型号传感器。
[0009] 所述数据采集卡为NI9234数据采集卡。
[0010] 有益效果
[0011] 由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果：本发明针对泥石流灾害发生时产生的次声波的机理进行了深入研宄，对采集到的次声 波信号特征采用Hilbert-Hang变换（HHT)，其对非线性及非平稳信号有较好的分析和处理 效果，可将泥石流产生的次声波和背景噪声进行了有效的分离。本发明将次声波传感器采 集到的泥石流次声信号，经过数据采集卡转换为数字信号送入计算机，使用MATLAB软件和 HHT等数字信号处理方法，依据次声波信号的特征进行数据的处理和分析，最终依据设定的 阈值，来对泥石流灾害的发生进行实时的监测，并实施报警。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的系统总体框图；
[0013] 图2是背景噪声频谱图；
[0014] 图3是混凝土搅拌机工作时采集到的信号频谱图；
[0015] 图4是数据采集模块显示的信号波形图；
[0016] 图5是HHT变换以后的次声信号时频图；
[0017] 图6是灾害判定流程图；
[0018] 图7是背景噪声功率谱图；
[0019] 图8是实验中采集到的信号功率谱图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0021] 本发明的实施方式涉及一种基于次声波的泥石流监测与报警系统，如图1所示， 包括次声传感器、信号处理电路、数据采集卡和计算机，所述次声传感器用于采集泥石流次 声信号；所述信号处理电路用于对采集到的泥石流次声信号进行放大处理和滤波处理；所 述信号采集卡将经过信号处理后的泥石流次声信号进行模数转换并将转换后的结果传输 到计算机中；所述计算机采用HHT方法对信号进行时频域分析，并计算出信号的功率谱，得 出信号能量，进而进行泥石流灾害的判定。
[0022] 系统前端的次声传感器采用B&K公司的4189型号传感器，将其采集到的泥石流次 声信号进行前置放大和滤波处理，再经过NI9234数据采集卡的AD转换和釆样之后进入计 箅机。针对泥石流次声信号的特征，计算机基于MATLAB平台下的信号釆集、处理和分析的 软件系统，结合先进的HHT变换等数字信号处理技术，完成泥石流次声信号的处理，波形显 示和特征分析，最后实现泥石流灾害的监测与报警。
[0023] 本发明采用的HHT是一种新的信号处理方法，它的目的是为了使信号更适合 进行出Hilbert变换。它主要由两个部分组成，一是经验模态分解（EmpiricalMode Decomposition,EMD)，也是最主要的部分，该部分的核心思想为本征模态函数（Intrinsic ModeFunction,IMF)，任意信号经过经验模态分解可得到有限个能够进行Hilbert变换的 本征模态函数；二是Hilbert谱分析。信号经过Hilbert变换，可得到瞬时振幅、瞬时相位、 瞬时频率等属性信息，进而得Hilbert边际谱。
[0024] HHT变换准确地反映了信号的时频特征，可以十分清楚识别出信号在时刻点的频 率突变位置，准确分辨主频成分且不存在交叉项，此外还具有很好的时频聚集性。以往的时 频分析方法要受到Heisenberg不确定原理的限制，其时间分辨率和频率分辨率是不相容 的，但这种现象在Hibert-Huang变换中并不存在，则Hilbert谱是直接通过计算制IMF分 量的瞬时频率和瞬时幅值而得到的，其时间和频率分辨率是相互独立的。
[0025] 下面以一个具体的实施例来进一步说明本发明。
[0026] 泥石流灾害具有偶发性和很大危险性，所以直接釆集泥石流次声信号是非常困难 的。因此，在对泥石流次声信号特征做了分析和研宄后，发明人设计模拟泥石流次声信号的 实验，釆集与泥石流灾害发生时产生的次声信号的特征相似的次声信号。经过研宄后发现， 混凝土搅拌机工作或者输送机进行倒沙土作业的地点也会产生和泥石流次声信号的特征 相似的次声信号。据此，选择一处有混凝土搅拌机作业的工地作为采集次声信号的场地。
[0027] 实验釆集了两种情况下的次声信号数据，一种情况是只釆集背景噪声，第二种情 况是背景噪声和次声信号都存在。两种情况 下实验仪器的设置相同，每隔1秒进行一次采 样，釆样时间设置为2分钟，釆样频率为22. 5KHz，以下是实验数据的记录情况：
[0028] (1)背景噪声
[0029] 背景噪声是在混凝土搅拌机不作业时采集到的环境声音信号，此时采集到的信号 频谱图如图2所示。图2的横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为功率，单位为dB，可以从频 谱图中看出位于20Hz以下的频段的能量大约在-20dB和-10dB之间。
[0030] (2)釆集混凝土搅拌机工作时的音频信号
[0031] 不改变实验仪器的设置，在混凝土搅拌机正常进行作业时采集音频信号，图3所 示为混凝土搅拌机正常工作过程中釆集到的音频数据。从图3中可以看出，混凝土搅拌机 工作时20Hz以下次声频段的信号能量产生了变化，尤其是16Hz以下频率范围内的信号能 量发生了较大的变化。而20Hz以上及高频段部分的能量基本没有大变化，其原因在于，采 集数据时周围的环境中存在着各种噪声，如车辆和人员移动。故大于20Hz的可听频段部分 的能量始终保持一定的状态，没有明显的变化。
[0032] 在釆集信号过程中，可以发现混凝土搅拌机在作业和不作业时釆集到的信号是 有明显变化的。混凝土搅拌机在没有进行作业时，采集到信号的次声段能量大约在-10dB 到-20dB之间，次声段以上频段的信号能量大致是_20dB左右。混凝土搅拌机开始作业 以后，釆集到的信号次声段能量则变化为-10dB以上，2~8Hz频段信号能量更是达到了 10dB。但此时次声频率以上频段的信号能量仍然维持在-20dB左右。因此，通过实验可以 得出信号次声段的能量比背景噪声次声段能量有更为显著的增加，即在次声频段的能量强 度上泥石流信号比背景噪声有明显的提高，从而可以将泥石流信号与背景噪声进行分离。
[0033] 实验中釆集到的音频信号导入到系统中进行处理。在时域，这些信号波形都是一 个杂乱无章的非平稳信号，无法直接进行分析，且需要关注的是低于20Hz的次声信号，而 釆集进来的数据是完整频段上的，因此需要对其进行一系列处理，包括对信号进行低通滤 波、降噪等处理。如图4所示为数据釆集模块显示采集到的波形。
[0034] 将釆集的次声信号波形数据处理后，对其进行时频域分析，釆用HHT方法，如图5 所示。可以从结果发现，从HHT的时频域图中能看出不同时刻，信号中所存在的频率分量， 且信号的能量分布也可由时频图的颜色变化，即信号强度的变化中体现出来。从而可以很 好的了解次声信号频率成分的变化，反映了各频率的能量聚焦情况，对于研宄泥石流信号 具有很重要的意义。
[0035] 经过一系列信号处理，如低通滤波、降噪等处理，再使用HHT分析方法对信号进行 分析后，最后算出信号的功率谱，得出信号能量，进而可以进行灾害判定。要对泥石流次声 信号进行FFT分析和能量监测，以能量为标准判定泥石流灾害的发生。为了分析方便同时 简化计算，因此把时域上的问题转变到频域中进行处理，用Fourier级数表示为：
[0037] 其中，a^为常数项，ajP0为傅里叶系数，n为谐波数。
[0038] 对上式进行傅里叶变换：
[0040] 接下来将时域波形变成频谱函数：
[0042] 其中，《为角频率，f(t)为周期函数。
[0043] 能量信号定义为指定时间（0，_<-)上信号的能量，用字母E表示：
[0045] 用频谱函数F(jw)表示能量E，则可以得到：
[0047] 交换积分次序可得：
[0049] 基于上述理论，用MATLAB设计一个阈值与触发程序，通过触发，提取信号中的片 段。通过对釆集到的声音数据的分析和研宄，可以设计一个判定算法。以背景噪声次声段 信号的最高频谱能量值作为一个参考能量，据此定一个高于此能量的阈值，当采集到的次 声段信号频谱能量最高值超过这个阈值时，就进行一次触发。然后重置能量，计算下一次的 信号能量，再进行判定等步骤，以此类推，计算出一定时间内的触发次数，判断是否启动报 警系统。这段判定触发次数的时间需要设置得恰到好处，不宜过长，也不宜过短。时间太短 会出现误报的情况，如果时间设置的太长则会有漏报的危险。灾害判定流程图如图6所示。
[0050] 具体步骤是：根据实验中采集到的背景噪声数据，能量阈值设定为_5dB，且发出 警报的条件设定为2秒内触发次数达到4次。即如果监测模块在2秒内触发次数达到4次 以上，就发出灾害警报。图7是背景噪声功率谱，图8是实验中采集到的信号功率谱。
[0051] 从图7中可以看出，在背景噪声20Hz以下频率范围内，最高能量值约为-10dB，没 有超过-5dB的阈值，不进行触发。然而图8显示，最高能量值在8dB左右，即采集到的信号 次声频段内最高能量值大于_5dB的能量阈值，满足了触发条件，进行一次触发。
[0052] 发生泥石流灾害时，研宄泥石流信号随时间引起的变换，首先求出泥石流信号的 功率谱，然后分析信号各频率分量的能量变化，在灾害发生过程中，泥石流信号次声段的功 率谱能量和背景噪声次声段能量相比将有显著的增加，即在能量强度上泥石流信号比背景 噪声明显提高，从而可以将泥石流信号与背景噪声次声段分离。最后，通过监测泥石流次声 信号的能量值在设定时间内，是否超过能量阈值，且超过阈值的次数达到设定值以上，再进 行灾害判定并报警。
【主权项】
1. 一种基于次声波的泥石流监测与报警系统，包括次声传感器、信号处理电路、数据采 集卡和计算机，其特征在于，所述次声传感器用于采集泥石流次声信号；所述信号处理电路 用于对采集到的泥石流次声信号进行放大处理和滤波处理；所述信号采集卡将经过信号处 理后的泥石流次声信号进行模数转换并将转换后的结果传输到计算机中；所述计算机采用 HHT方法对信号进行时频域分析，并计算出信号的功率谱，得出信号能量，进而进行泥石流 灾害的判定。2. 根据权利要求1所述的基于次声波的泥石流监测与报警系统，其特征在于，所述计 算机进行泥石流灾害的判定时，以背景噪声次声段信号的最高频谱能量值作为一个参考能 量，并据此定一个高于此参考能量的阈值，当采集到的次声段信号频谱能量最高值超过所 述阈值时，就进行一次触发，然后重置能量，计算下一次的信号能量，再进行判定，以此类 推，计算出一定时间内的触发次数从而对泥石流灾害进行判定，并判断是否启动报警系统。3. 根据权利要求1所述的基于次声波的泥石流监测与报警系统，其特征在于，所述次 声传感器为B&K公司的4189型号传感器。4. 根据权利要求1所述的基于次声波的泥石流监测与报警系统，其特征在于，所述数 据采集卡为NI9234数据采集卡。
【专利摘要】本发明涉及一种基于次声波的泥石流监测与报警系统，包括次声传感器、信号处理电路、数据采集卡和计算机，所述次声传感器用于采集泥石流次声信号；所述信号处理电路用于对采集到的泥石流次声信号进行放大处理和滤波处理；所述信号采集卡将经过信号处理后的泥石流次声信号进行模数转换并将转换后的结果传输到计算机中；所述计算机采用HHT方法对信号进行时频域分析，并计算出信号的功率谱，得出信号能量，进而进行泥石流灾害的判定。本发明能够对泥石流灾害的发生进行实时的监测，并实施报警。
【IPC分类】G08B21/10
【公开号】CN104900013
【申请号】CN201510313268
【发明人】官洪运, 张慧, 路昊
【申请人】东华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月9日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及泥石流监测技术领域，特别是涉及一种基于次声波的泥石流监测与报 警系统。
【背景技术】
[0002] 泥石流是一种山区常见的地质灾害，在山谷深壑、地形险峻的地区，由降水（包括 冰川、积雪融化水、暴雨等）将土质松软且含有沙砾的山体稀释后形成，运动过程中夹杂着 大量泥沙以及石块等固体物质的特殊洪流。泥石流具有暴发突然、来势凶猛、迅速的特征， 并经常伴有滑坡、洪水和崩塌的多重破坏作用，破坏力巨大，严重威胁着水利水电、矿山、山 区交通等工程设施和山区当地群众的生命财产安全。近几年来，世界各地频繁地发生大型 泥石流灾害，致使数千人失踪及丧生，给当地居民的生命财产造成巨大的损害。
[0003] 目前对泥石流的监测手段主要是采用视频监测，或者采用人工巡回监测。这种传 统的监测方式，不仅很难保证其效率和准确性，而且对发生在地形险要的山区，人工值守的 方式缺乏监测者的人身安全保障。因此，研宄和设计一种新型泥石流监测系统，对提前做出 泥石流灾害监测，减少泥石流造成的损失有着重要的意义。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于次声波的泥石流监测与报警系统，对 泥石流灾害的发生进行实时的监测，并实施报警。
[0005] 本发明的发明人发现，当孕育泥石流灾害或者发生泥石流时岩石层会因发生断 裂、摩擦和挤压等现象而产生一种蕴含重要地质信息的次声信号一一次声波。泥石流次声 信号具有频率低（约为〇~20Hz)，波长长，容易发生衍射，在传播过程中遇到障碍物很难 被阻挡等特性。泥石流次声信号在空气中不易被吸收，传播过程中衰减很小，能传很远的距 离，而且它具有极强的穿透能力，频率高的声信号用一张普通的厚纸就可以将它隔住，但是 对泥石流次声信号，就是普通的墙壁也很难隔住它。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于次声波的泥石流监测 与报警系统，包括次声传感器、信号处理电路、数据采集卡和计算机，所述次声传感器用于 采集泥石流次声信号；所述信号处理电路用于对采集到的泥石流次声信号进行放大处理和 滤波处理；所述信号采集卡将经过信号处理后的泥石流次声信号进行模数转换并将转换后 的结果传输到计算机中；所述计算机采用HHT方法对信号进行时频域分析，并计算出信号 的功率谱，得出信号能量，进而进行泥石流灾害的判定。
[0007] 所述计算机进行泥石流灾害的判定时，以背景噪声次声段信号的最高频谱能量值 作为一个参考能量，并据此定一个高于此参考能量的阈值，当采集到的次声段信号频谱能 量最高值超过所述阈值时，就进行一次触发，然后重置能量，计算下一次的信号能量，再进 行判定，以此类推，计算出一定时间内的触发次数从而对泥石流灾害进行判定，并判断是否 启动报警系统。
[0008] 所述次声传感器为B&K公司的4189型号传感器。
[0009] 所述数据采集卡为NI9234数据采集卡。
[0010] 有益效果
[0011] 由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果：本发明针对泥石流灾害发生时产生的次声波的机理进行了深入研宄，对采集到的次声 波信号特征采用Hilbert-Hang变换（HHT)，其对非线性及非平稳信号有较好的分析和处理 效果，可将泥石流产生的次声波和背景噪声进行了有效的分离。本发明将次声波传感器采 集到的泥石流次声信号，经过数据采集卡转换为数字信号送入计算机，使用MATLAB软件和 HHT等数字信号处理方法，依据次声波信号的特征进行数据的处理和分析，最终依据设定的 阈值，来对泥石流灾害的发生进行实时的监测，并实施报警。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的系统总体框图；
[0013] 图2是背景噪声频谱图；
[0014] 图3是混凝土搅拌机工作时采集到的信号频谱图；
[0015] 图4是数据采集模块显示的信号波形图；
[0016] 图5是HHT变换以后的次声信号时频图；
[0017] 图6是灾害判定流程图；
[0018] 图7是背景噪声功率谱图；
[0019] 图8是实验中采集到的信号功率谱图。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0021] 本发明的实施方式涉及一种基于次声波的泥石流监测与报警系统，如图1所示， 包括次声传感器、信号处理电路、数据采集卡和计算机，所述次声传感器用于采集泥石流次 声信号；所述信号处理电路用于对采集到的泥石流次声信号进行放大处理和滤波处理；所 述信号采集卡将经过信号处理后的泥石流次声信号进行模数转换并将转换后的结果传输 到计算机中；所述计算机采用HHT方法对信号进行时频域分析，并计算出信号的功率谱，得 出信号能量，进而进行泥石流灾害的判定。
[0022] 系统前端的次声传感器采用B&K公司的4189型号传感器，将其采集到的泥石流次 声信号进行前置放大和滤波处理，再经过NI9234数据采集卡的AD转换和釆样之后进入计 箅机。针对泥石流次声信号的特征，计算机基于MATLAB平台下的信号釆集、处理和分析的 软件系统，结合先进的HHT变换等数字信号处理技术，完成泥石流次声信号的处理，波形显 示和特征分析，最后实现泥石流灾害的监测与报警。
[0023] 本发明采用的HHT是一种新的信号处理方法，它的目的是为了使信号更适合 进行出Hilbert变换。它主要由两个部分组成，一是经验模态分解（EmpiricalMode Decomposition,EMD)，也是最主要的部分，该部分的核心思想为本征模态函数（Intrinsic ModeFunction,IMF)，任意信号经过经验模态分解可得到有限个能够进行Hilbert变换的 本征模态函数；二是Hilbert谱分析。信号经过Hilbert变换，可得到瞬时振幅、瞬时相位、 瞬时频率等属性信息，进而得Hilbert边际谱。
[0024] HHT变换准确地反映了信号的时频特征，可以十分清楚识别出信号在时刻点的频 率突变位置，准确分辨主频成分且不存在交叉项，此外还具有很好的时频聚集性。以往的时 频分析方法要受到Heisenberg不确定原理的限制，其时间分辨率和频率分辨率是不相容 的，但这种现象在Hibert-Huang变换中并不存在，则Hilbert谱是直接通过计算制IMF分 量的瞬时频率和瞬时幅值而得到的，其时间和频率分辨率是相互独立的。
[0025] 下面以一个具体的实施例来进一步说明本发明。
[0026] 泥石流灾害具有偶发性和很大危险性，所以直接釆集泥石流次声信号是非常困难 的。因此，在对泥石流次声信号特征做了分析和研宄后，发明人设计模拟泥石流次声信号的 实验，釆集与泥石流灾害发生时产生的次声信号的特征相似的次声信号。经过研宄后发现， 混凝土搅拌机工作或者输送机进行倒沙土作业的地点也会产生和泥石流次声信号的特征 相似的次声信号。据此，选择一处有混凝土搅拌机作业的工地作为采集次声信号的场地。
[0027] 实验釆集了两种情况下的次声信号数据，一种情况是只釆集背景噪声，第二种情 况是背景噪声和次声信号都存在。两种情况 下实验仪器的设置相同，每隔1秒进行一次采 样，釆样时间设置为2分钟，釆样频率为22. 5KHz，以下是实验数据的记录情况：
[0028] (1)背景噪声
[0029] 背景噪声是在混凝土搅拌机不作业时采集到的环境声音信号，此时采集到的信号 频谱图如图2所示。图2的横坐标为频率，单位为Hz，纵坐标为功率，单位为dB，可以从频 谱图中看出位于20Hz以下的频段的能量大约在-20dB和-10dB之间。
[0030] (2)釆集混凝土搅拌机工作时的音频信号
[0031] 不改变实验仪器的设置，在混凝土搅拌机正常进行作业时采集音频信号，图3所 示为混凝土搅拌机正常工作过程中釆集到的音频数据。从图3中可以看出，混凝土搅拌机 工作时20Hz以下次声频段的信号能量产生了变化，尤其是16Hz以下频率范围内的信号能 量发生了较大的变化。而20Hz以上及高频段部分的能量基本没有大变化，其原因在于，采 集数据时周围的环境中存在着各种噪声，如车辆和人员移动。故大于20Hz的可听频段部分 的能量始终保持一定的状态，没有明显的变化。
[0032] 在釆集信号过程中，可以发现混凝土搅拌机在作业和不作业时釆集到的信号是 有明显变化的。混凝土搅拌机在没有进行作业时，采集到信号的次声段能量大约在-10dB 到-20dB之间，次声段以上频段的信号能量大致是_20dB左右。混凝土搅拌机开始作业 以后，釆集到的信号次声段能量则变化为-10dB以上，2~8Hz频段信号能量更是达到了 10dB。但此时次声频率以上频段的信号能量仍然维持在-20dB左右。因此，通过实验可以 得出信号次声段的能量比背景噪声次声段能量有更为显著的增加，即在次声频段的能量强 度上泥石流信号比背景噪声有明显的提高，从而可以将泥石流信号与背景噪声进行分离。
[0033] 实验中釆集到的音频信号导入到系统中进行处理。在时域，这些信号波形都是一 个杂乱无章的非平稳信号，无法直接进行分析，且需要关注的是低于20Hz的次声信号，而 釆集进来的数据是完整频段上的，因此需要对其进行一系列处理，包括对信号进行低通滤 波、降噪等处理。如图4所示为数据釆集模块显示采集到的波形。
[0034] 将釆集的次声信号波形数据处理后，对其进行时频域分析，釆用HHT方法，如图5 所示。可以从结果发现，从HHT的时频域图中能看出不同时刻，信号中所存在的频率分量， 且信号的能量分布也可由时频图的颜色变化，即信号强度的变化中体现出来。从而可以很 好的了解次声信号频率成分的变化，反映了各频率的能量聚焦情况，对于研宄泥石流信号 具有很重要的意义。
[0035] 经过一系列信号处理，如低通滤波、降噪等处理，再使用HHT分析方法对信号进行 分析后，最后算出信号的功率谱，得出信号能量，进而可以进行灾害判定。要对泥石流次声 信号进行FFT分析和能量监测，以能量为标准判定泥石流灾害的发生。为了分析方便同时 简化计算，因此把时域上的问题转变到频域中进行处理，用Fourier级数表示为：
[0037] 其中，a^为常数项，ajP0为傅里叶系数，n为谐波数。
[0038] 对上式进行傅里叶变换：
[0040] 接下来将时域波形变成频谱函数：
[0042] 其中，《为角频率，f(t)为周期函数。
[0043] 能量信号定义为指定时间（0，_<-)上信号的能量，用字母E表示：
[0045] 用频谱函数F(jw)表示能量E，则可以得到：
[0047] 交换积分次序可得：
[0049] 基于上述理论，用MATLAB设计一个阈值与触发程序，通过触发，提取信号中的片 段。通过对釆集到的声音数据的分析和研宄，可以设计一个判定算法。以背景噪声次声段 信号的最高频谱能量值作为一个参考能量，据此定一个高于此能量的阈值，当采集到的次 声段信号频谱能量最高值超过这个阈值时，就进行一次触发。然后重置能量，计算下一次的 信号能量，再进行判定等步骤，以此类推，计算出一定时间内的触发次数，判断是否启动报 警系统。这段判定触发次数的时间需要设置得恰到好处，不宜过长，也不宜过短。时间太短 会出现误报的情况，如果时间设置的太长则会有漏报的危险。灾害判定流程图如图6所示。
[0050] 具体步骤是：根据实验中采集到的背景噪声数据，能量阈值设定为_5dB，且发出 警报的条件设定为2秒内触发次数达到4次。即如果监测模块在2秒内触发次数达到4次 以上，就发出灾害警报。图7是背景噪声功率谱，图8是实验中采集到的信号功率谱。
[0051] 从图7中可以看出，在背景噪声20Hz以下频率范围内，最高能量值约为-10dB，没 有超过-5dB的阈值，不进行触发。然而图8显示，最高能量值在8dB左右，即采集到的信号 次声频段内最高能量值大于_5dB的能量阈值，满足了触发条件，进行一次触发。
[0052] 发生泥石流灾害时，研宄泥石流信号随时间引起的变换，首先求出泥石流信号的 功率谱，然后分析信号各频率分量的能量变化，在灾害发生过程中，泥石流信号次声段的功 率谱能量和背景噪声次声段能量相比将有显著的增加，即在能量强度上泥石流信号比背景 噪声明显提高，从而可以将泥石流信号与背景噪声次声段分离。最后，通过监测泥石流次声 信号的能量值在设定时间内，是否超过能量阈值，且超过阈值的次数达到设定值以上，再进 行灾害判定并报警。
【主权项】
1. 一种基于次声波的泥石流监测与报警系统，包括次声传感器、信号处理电路、数据采 集卡和计算机，其特征在于，所述次声传感器用于采集泥石流次声信号；所述信号处理电路 用于对采集到的泥石流次声信号进行放大处理和滤波处理；所述信号采集卡将经过信号处 理后的泥石流次声信号进行模数转换并将转换后的结果传输到计算机中；所述计算机采用 HHT方法对信号进行时频域分析，并计算出信号的功率谱，得出信号能量，进而进行泥石流 灾害的判定。2. 根据权利要求1所述的基于次声波的泥石流监测与报警系统，其特征在于，所述计 算机进行泥石流灾害的判定时，以背景噪声次声段信号的最高频谱能量值作为一个参考能 量，并据此定一个高于此参考能量的阈值，当采集到的次声段信号频谱能量最高值超过所 述阈值时，就进行一次触发，然后重置能量，计算下一次的信号能量，再进行判定，以此类 推，计算出一定时间内的触发次数从而对泥石流灾害进行判定，并判断是否启动报警系统。3. 根据权利要求1所述的基于次声波的泥石流监测与报警系统，其特征在于，所述次 声传感器为B&K公司的4189型号传感器。4. 根据权利要求1所述的基于次声波的泥石流监测与报警系统，其特征在于，所述数 据采集卡为NI9234数据采集卡。
【专利摘要】本发明涉及一种基于次声波的泥石流监测与报警系统，包括次声传感器、信号处理电路、数据采集卡和计算机，所述次声传感器用于采集泥石流次声信号；所述信号处理电路用于对采集到的泥石流次声信号进行放大处理和滤波处理；所述信号采集卡将经过信号处理后的泥石流次声信号进行模数转换并将转换后的结果传输到计算机中；所述计算机采用HHT方法对信号进行时频域分析，并计算出信号的功率谱，得出信号能量，进而进行泥石流灾害的判定。本发明能够对泥石流灾害的发生进行实时的监测，并实施报警。
【IPC分类】G08B21/10
【公开号】CN104900013
【申请号】CN201510313268
【发明人】官洪运, 张慧, 路昊
【申请人】东华大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月9日
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