一种地雷声振特性的高精度测量装置及测量方法与流程

本发明涉及地雷探测技术领域，尤其是一种地雷声振特性的高精度测量装置及测量方法，是声波探测地雷研究中地雷的机械振动特性的测量装置及方法。

背景技术：

埋设地雷的安全和有效探测是一个世界范围内的难题。常用的低频金属探测器基于电磁感应原理，在探测机理上无法有效探测金属含量较少的非金属地雷，可靠性低，并且由于其对金属弹片敏感，存在虚警率较高、探测效率低下等问题。其它如探地雷达技术、红外线热成像探雷技术、x射线探雷技术等成像技术，信号处理时间长，识别准确度差，无法有效分辨地雷、碎片、石块或其他埋藏物的种类；一些非成像技术，如中子探雷技术、核电四极矩共振探雷技术，通过检测地雷中炸药的核素反应或原子核的共振信号鉴别地雷，有较高的探测率和探测速度，但其系统复杂，价格昂贵，检测信号较弱，且会受到电磁场干扰，距离实用阶段还有一定距离。另外，生物式探雷方法(如探雷蜜蜂、探雷狗、探雷草和探雷发光细菌等)还处于探索和实验阶段，虽然虚警率较低但可靠性较差。

基于地雷机械特性的声共振探雷技术展示了良好的探测前景，其中地雷的声振特性是衡量地雷机械特性的一个重要特征。地雷的几何尺寸以及通常的埋藏深度，决定了地雷与其上方的埋藏土壤构成的谐振系统的共振频率在低频段，而地雷与其上方土壤构成的谐振系统在声波激励并发生共振的情况下，地雷的雷体罩的振动会表现出特定的声振特性，并影响到地表特定的振动状态。因此，通过检测地雷的声振特性可用于声波识别埋设地雷的研究。

目前缺少商用或专用的地雷声振特性测量装置，一个典型的地雷声振特性测量装置应包括信号激励系统、地雷埋设装置和非接触式振动信号检测系统。目前，在声波发射系统面有商用产品，但缺少与地雷埋设装置的组合使用；在振动信号检测系统方面有专用设备，但结构复杂，不易携带，光线不易校准，且测量结果精度不高，直观性较差，无法对振动物体进行有效的非接触式检测。本发明正是针对这一关键技术进行展开的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前尚无专用的地雷声振特性的高精度测量装置等方面的问题，提供一种地雷声振特性的高精度测量装置和测量方法，可实现对地雷声振特性的高精度测量。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种地雷声振特性的高精度测量装置，包括激光测振仪、脉冲力锤、数据采集卡、模态分析仪、信号发生器、调音台、平衡器、功率放大器、扬声器、计算机和待测地雷；所述激光测振仪通过数据线依次连接所述模态分析仪、所述数据采集卡和所述计算机；所述脉冲力锤通过数据线连接所述数据采集卡；所述信号发生器通过数据线依次连接所述调音台、所述平衡器、所述功率放大器和所述扬声器。

采用上述测量装置，一种地雷声振特性的高精度测量方法，针对于未埋设地雷，具体实施步骤为：

(1)在与所述模态分析仪通过数据线连接的所述计算机中建立所述待测地雷的声振模型，对所述地雷的声振模型进行测试点布置，具体步骤如下：

a)以所述待测地雷上端圆面的直径为基准，绕圆心每次旋转θ角度，其中θ≤20°，将上端圆面均匀划分为2π/θ个扇形部分；

b)将所述待测地雷的上端圆面沿半径r均匀划分为距离间隔为r/x的圆周，其中x≥6，x为正整数；

c)在所述待测地雷的侧面沿高度h均匀划分为距离间隔为h/y的圆周，其中y≥3，y为正整数；

d)对步骤a)-c)中划分所述待测地雷的交点依次进行编号，并标记出mm个标记点，m＝1，2，3…(2π/θ)[(r/x)+(h/y)-1]+1；

e)将所述待测地雷的下端圆面用泡沫胶水平粘合在刚性平台上。

(2)调整所述激光测振仪的激光发射口并对准所述待测地雷的上端圆面的中心位置点，检测中心位置点反射回所述激光测振仪的激光信号；

(3)根据所述待测地雷中心位置点与所述激光测振仪的激光发射点之间的距离，调节所述激光测振仪和所述模态分析仪的对焦参数，保持激光处于对焦状态；

(4)利用所述脉冲力锤依次激励所述待测地雷的上端圆面和侧面上的标记点，位于上端圆面和侧面交界处的标记点激励两次，其他各点激励一次，所述待测地雷的中心位置点作为参考点激励两次，共激励n次，n＝(2π/θ)[(r/x)+(h/y)]+1；

(5)通过所述数据采集卡采集由所述脉冲力锤激励所述待测地雷产生的力信号fi(ω)，i＝1，2，3…n，并将力信号fi(ω)数据传输到所述模态分析仪和所述计算机中，ω表示激励频率范围；

(6)由所述激光测振仪采集所述待测地雷产生的响应信号xi(ω)，i＝1，2，3…n，并将响应信号xi(ω)数据传输到所述模态分析仪和所述计算机中；

(7)在所述模态分析仪中，经模数转换与快速傅里叶变换将采集的输入力与输出响应的时域信号变换为频域信号并保存，经所述模态分析仪和所述计算机处理后得到所述待测地雷的各个标记点的频率响应函数hi(ω)＝xi(ω)/fi(ω)，i＝1，2，3…n，再通过数据拟合的方法得出所述待测地雷声振模型的频率响应函数，并由参数识别法解调出所述待测地雷的模态参数；

(8)在所述计算机中处理所述模态分析仪中解调的数据，显示并记录所述待测地雷在振动模式下的传递函数、模态频率及模态振型参数。

采用上述测量装置，一种地雷声振特性的高精度测量方法，针对于埋设地雷，具体实施步骤为：

(ⅰ)将所述待测地雷埋设于沙土中，使所述待测地雷上方的沙土完全覆盖所述待测地雷的上端圆面；

(ⅱ)在所述沙土表面划分网格，使划分的网格区域可完全覆盖所述待测地雷的埋设区域，对网格的交点依次编号为in，n＝1，2，3…m(m≥50)，在与所述模态分析仪通过数据线连接的所述计算机中建立与编号对应的所述待测地雷区域的网格模型；

(ⅲ)将所述扬声器的发声端口正对所述待测地雷区域的中心位置点；

(ⅳ)调整所述激光测振仪的激光发射口并对准所述待测地雷的网格区域中编号为1的网格点，检测该网格点反射回所述激光测振仪的激光信号；

(ⅴ)将所述信号发生器发出频率为f0hz的起始正弦波信号，通过所述调音台调节声压的大小，通过所述平衡器稳定信号波的强度，通过所述功率放大器放大功率后发出高强度正弦声波；

(ⅵ)保持所述信号发生器和所述扬声器的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器发出的正弦声波信号频率增加1hz，即发出正弦波信号的频率为(f0+1)hz，利用通过数据线依次连接的所述激光测振仪、所述模态分析仪、所述数据采集卡和所述计算机测量并记录该频率声波激励下所述待测地雷网格区域中编号为1的测试点的振动响应信号；

(ⅶ)重复步骤(ⅵ)的操作，测量并记录至预设频率为(f0+n)hz时的所述待测地雷网格区域中编号为1的点的振动响应信号；

(ⅷ)采取与步骤(ⅳ)-(ⅶ)相同的操作，在所述计算机中测量并记录编号为2的网格点的振动响应信号；

(ⅸ)重复步骤(ⅷ)的操作，在所述计算机中测量并记录至编号为im的网格点的振动响应信号；

(ⅹ)在所述计算机中，利用catsmdoal分析软件分析并得到编号为1～m的网格点在频率为f0～(f0+n)hz下对应的振动响应幅值曲线，由曲线拟合方法得到所述待测地雷区域的模态指示传递函数，通过解调不同频率下对应网格点的振动幅值，在所述计算机中绘制出网格模型的振动模态，经软件处理后解调出所述待测地雷区域的模态参数。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

本发明装置中的激光测振仪基于激光自混频干涉原理，克服了传统干涉测量实验设备复杂、系统庞大、光束不易准直、不易携带等缺点，可以对粗糙的发散表面进行精确的非接触振动信号测量，且模态分析仪中解调的数据可在计算机端3d动画和可视化显示，操作更直观、更简单。

附图说明

图1是本发明的地雷声振特性的高精度测量装置结构示意图；

图2是地雷的表面测试点布置示意图；

图3是地雷声振特性的高精度测量方法实施步骤框图；

图4是埋设地雷网格区域测试点布置示意图；

图5是埋设地雷声振特性的高精度测量方法实施步骤框图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图论述如下：

参见图1，一种地雷声振特性的高精度测量装置，包括激光测振仪101、脉冲力锤102、数据采集卡103、模态分析仪104、信号发生器112、调音台113、平衡器114、功率放大器115、扬声器116、计算机105、未埋设待测地雷106和埋设待测地雷119；所述激光测振仪101通过数据线依次连接所述模态分析仪104、所述数据采集卡103和所述计算机105；所述脉冲力锤102通过数据线连接所述数据采集卡103；所述信号发生器112通过数据线依次连接所述调音台113、所述平衡器114、所述功率放大器115和所述扬声器116。

本实施例中用到的激光测振仪和模态分析仪采用julight公司生产的vsm1000l-ext-scan系统模块，脉冲力锤采用美国pcb压电公司生产的086系列脉冲力锤，数据采集卡采用美国国家仪器(ni)有限公司生产的ni-pxi多通道数据采集卡，信号发生器选择泰克科技(tektronix)有限公司生产的afg3022c型任意波形/函数发生器，扬声器选择音王(soundking)有限公司生产的jb215大功率音箱，调音台选择雅马哈(yamaha)公司生产的mg8/2fx专业音频调音台，平衡器选择雅马哈(yamaha)公司生产的q2031b系列平衡器，功率放大器选择东莞东雅音响有限公司生产的pa系列功率放大器。

如图3所示，一种地雷声振特性的高精度测量方法，采用上述测量装置，针对于未埋设地雷，本方法具体实施步骤为：

(1)在与所述模态分析仪104通过数据线连接的所述计算机105中建立所述未埋设待测地雷106的声振模型，对所述未埋设待测地雷106的声振模型进行测试点布置，如图2所示，具体步骤如下：

a)以所述未埋设待测地雷106上端圆面109的直径为基准，绕圆心每次旋转θ角度，其中θ≤20°，将上端圆面109均匀划分为2π/θ个扇形部分；

b)将所述未埋设待测地雷106的上端圆面109沿半径r均匀划分为距离间隔为r/x的圆周，其中x≥6，x为正整数；

c)在所述未埋设待测地雷106的侧面108沿高度h均匀划分为距离间隔为h/y的圆周，其中y≥3，y为正整数；

d)对步骤a)-c)中划分所述未埋设待测地雷106的交点依次进行编号，并标记出mm个标记点，m＝1，2，3…(2π/θ)[(r/x)+(h/y)-1]+1；

e)将所述未埋设待测地雷106的下端圆面110用泡沫胶水平粘合在刚性平台111上。

(2)调整所述激光测振仪101的激光发射口并对准所述未埋设待测地雷106的上端圆面109的中心位置点107，检测中心位置点107反射回所述激光测振仪101的激光信号；

(3)根据所述未埋设待测地雷106中心位置点107与所述激光测振仪101的激光发射点之间的距离，调节所述激光测振仪101和所述模态分析仪104的对焦参数，保持激光处于对焦状态；

(4)利用所述脉冲力锤102依次激励所述未埋设待测地雷106的上端圆面109和侧面108上的标记点，位于上端圆面109和侧面108交界处的标记点激励两次，其他各点激励一次，所述未埋设待测地雷106的中心位置点107作为参考点激励两次，共激励n次，n＝(2π/θ)[(r/x)+(h/y)]+1；

(5)通过所述数据采集卡103采集由所述脉冲力锤102激励所述未埋设待测地雷106产生的力信号fi(ω)，i＝1，2，3…n，并将力信号fi(ω)数据传输到所述模态分析仪104和所述计算机105中，ω表示激励频率范围；

(6)由所述激光测振仪101采集所述未埋设待测地雷106产生的响应信号xi(ω)，i＝1，2，3…n，并将响应信号xi(ω)数据传输到所述模态分析仪104和所述计算机105中；

(7)在所述模态分析仪104中，经模数转换与快速傅里叶变换将采集的输入力与输出响应的时域信号变换为频域信号并保存，经所述模态分析仪104和所述计算机105处理后得到所述未埋设待测地雷106的各个标记点的频率响应函数hi(ω)＝xi(ω)/fi(ω)，i＝1，2，3…n，再通过数据拟合的方法得出所述未埋设待测地雷106声振模型的频率响应函数，并由参数识别法解调出所述未埋设待测地雷106的模态参数；

(8)在所述计算机105中处理所述模态分析仪104中解调的数据，显示并记录所述未埋设待测地雷106在振动模式下的传递函数、模态频率及模态振型参数。

本实施例中用到的未埋设待测地雷106样品采用69式反坦克塑料教练地雷。参见图2，本实施例中对未埋设待测地雷106的上端圆面109及侧面108进行测试点布置，之后用脉冲力锤102进行激励，并采集产生的力信号与响应信号。

参见图1和图5，一种地雷声振特性的高精度测量方法，采用上述测量装置，针对于埋设地雷，具体实施步骤为：

(ⅰ)将所述埋设待测地雷119埋设于沙土118中，使所述埋设待测地雷119上方的沙土完全覆盖所述埋设待测地雷119的上端圆面120；

(ⅱ)如图4所示，在所述沙土118表面划分网格，使划分的网格区域可完全覆盖所述埋设待测地雷119的埋设区域，对网格的交点依次编号为in，n＝1，2，3…m(m≥50)，在与所述模态分析仪104通过数据线连接的所述计算机105中建立与编号对应的所述待测地雷106区域的网格模型；

(ⅲ)将所述扬声器116的发声端口正对所述埋设待测地雷119区域的中心位置点117；

(ⅳ)调整所述激光测振仪101的激光发射口并对准所述埋设待测地雷119的网格区域中编号为1的网格点，检测该网格点反射回所述激光测振仪101的激光信号；

(ⅴ)将所述信号发生器112发出频率为f0hz的起始正弦波信号，通过所述调音台113调节声压的大小，通过所述平衡器114稳定信号波的强度，通过所述功率放大器115放大功率后发出高强度正弦声波；

(ⅵ)保持所述信号发生器112和所述扬声器116的能量输出功率参数设置不变，将所述信号发生器112发出的正弦声波信号频率增加1hz，即发出正弦波信号的频率为(f0+1)hz，利用通过数据线依次连接的所述激光测振仪101、所述模态分析仪104、所述数据采集卡103和所述计算机105测量并记录该频率声波激励下所述埋设待测地雷119网格区域中编号为1的测试点的振动响应信号；

(ⅶ)重复步骤(ⅵ)的操作，测量并记录至预设频率为(f0+n)hz时的所述埋设待测地雷119网格区域中编号为1的点的振动响应信号；

(ⅷ)采取与步骤(ⅳ)-(ⅶ)相同的操作，在所述计算机105中测量并记录编号为2的网格点的振动响应信号；

(ⅸ)重复步骤(ⅷ)的操作，在所述计算机105中测量并记录至编号为im的网格点的振动响应信号；

(ⅹ)在所述计算机105中，利用catsmdoal分析软件分析并得到编号为1～m的网格点在频率为f0～(f0+n)hz下对应的振动响应幅值曲线，由曲线拟合方法得到所述埋设待测地雷119区域的模态指示传递函数，通过解调不同频率下对应网格点的振动幅值，在所述计算机105中绘制出网格模型的振动模态，经软件处理后解调出所述待测地雷119区域的模态参数。

本实施例中用到的埋设待测地雷119样品采用69式反坦克塑料教练地雷。参见图4，本实施例中对埋设待测地雷119上方区域的沙土进行网格划分，之后按照图4所示网格标记点的顺序依次测量并记录该点的振动响应信号，通过计算机105分析并解调出埋设待测地雷119的声振特性参数。