专利名称：一种探测矿难幸存人员信息的方法
技术领域：
本发明属于弱信号检测和处理技术。
背景技术：
进入21世纪以来，人类生命搜索与定位技术和设备的研制开发工作已引起许多国家的关注，一些发达国家甚至通过立法或采取其他措施将其落到实处。我国由于遭遇的自然灾害和矿难事故时有发生，因此，如何在救援设备领域有所突破成为新话题。以煤炭行业为例，由于矿洞的地理位置深埋于地下，地层结构复杂，常规电子信息难以穿透底层传递到地面，另一方面，地下设备通常在地震过程中易于损坏，这个给矿难后生存人员的及时发现和营救带来了困难。如常规电磁信号要在地下两、三百米左右发射信号而地面能接收到，其发射和接收设备都会很复杂(如超长波设备)，且受到外界物理打击容易损坏。而声波(介于20赫与20千赫间)当介于频率4-24kHz时，其穿透力对于一般粗糙石砾而言约2m，泥土约40m ;当频率介于2_16kHz时，其穿透力对于一般粗糙石砾6m，泥土 80m，因此声波(含超声波)也不适于矿井下发射。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，一种适用于矿难救助的难幸存人员信息探测方法。本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种探测矿难幸存人员信息的方法，其特征在于，分别设置多个传感器于延伸至地面的多根金属管道上；传感器以矿区中的管道网络为传输媒介接收矿洞内敲击金属管道产生的震动波；各传感器将接收到的信号通过数据采集单元发送至数据处理单元，数据处理单元对各传感器接收到的信号进行数据处理与融合。本发明针对矿难时地下和地面信息传递的不便，提出了以矿区内现成金属管道网络为传输媒介，通过震动波传递信息，以地面多个传感器为接收单元，检测矿洞内敲击金属管道产生的震动波来探测矿洞中幸存人员的方案。震动波在岩层中能够以每秒I 2千米的速度传播，即便在浮土层，也能有每秒数百米的传播速度。由于矿洞的地理位置深埋于地下，要将震动波传至地面，震动波传播媒介需要考虑衰减小的媒介。矿区内普遍存在大量金属管网，从矿洞内直至地面，并且在矿难发生后，由于金属媒介抗物理损坏的能力强，金属管网的破坏并不会影响震动波的传播。因此，本发明采用矿区内现有的金属管网作为传输媒介具有传播快，传播损耗小，抗破坏性强的特点。由于矿洞内金属管网四通八达，可经由多个地点到达地面，为了增加信号检测率，对抗由于局部物理损坏造成的局部管道断裂的情况，在多个地面管道延伸点都安装传感器，构成传感器组。进一步的，当数据处理单元能通过分析接收到的震动波准确还原敲击方式，就能为矿洞中幸存人员通过一定的敲击编码来传递信息提供可靠的技术支持，信息可以包括如幸存人员的具体位置以及人员数目等。具体的，所述传感器为三分量传感器。数据处理单元通过小波分解对各传感器中三个分量数据进行分析，再合并三分量的接收数据得到来自该传感器的震动波数据。本发明的有益效果是，能可靠地探测出敲击金属管道产生的震动波确定被困人员的存在，进一步通过准确地还原敲击方式获得矿难幸存人员相关信息，有助于及时地开展救援工作，提高救援效率。
图1为实施例系统构成示意图；图2为系统传感器安置不意图；图3为传感器接收元多向性示意图；图4为实施例幸存人员人数信息编码图；图5为实施例幸存人员位置信息编码6为实施例单传感器各分量原始信号(a)及检测结果(b)；图7为实施例不同传感器接收情况；图8为实施例数据融合结果。
具体实施例方式针对煤矿震动波探测，系统如图1所示，包括η个三分量高精度传感器、η个数据采集单元以及数据处理单元，每个三分量高精度传感器通过与其相连的数据采集单元将接收到的三个分量上的数据发送至数据处理单元。地面金属管道出口有η个，则在这η个出口处用管夹将三分量高精度传感器固定其上，如图2所示。三分量高精度传感器如图3所示，从相互垂直的x、y、z三个分量方向采集震动波。由敲击金属而产生的震动波的频率在几到几十赫兹之间。这里传感器的接收信号的频率范围应该包含敲击震动波的频率范围，为了保证接收的可靠性，扩展传感器组的接收频率范围，各传感器设置的接收中心频率可有所偏移，如传感器I的中心频率为13Hz，传感器2的中心频率为16Hz，传感器η的中心频率为20Hz。编码和敲击方式约定:主要传递两个重要信息，一是当前地点幸存人员数目，二是大致地理位置。比如，幸存人员数目信息传递以33为信息码码头，表示后续信息为幸存人员数目信息，后面以3位10进制表示千以内人员数目。具体表示方法为:以间隔3秒左右连击η下表示传递的数字η，数字O以连击10下来表示。如需要传递当前位置幸存人员数目为421个人，则实际发送码字为33421，以如图4的方式敲击金属管道。如需反复发送该信息，则在上一次信息完成后间隔15秒以上重发33421。地理位置信息传递以22为信息码码头，表示后续信息为幸存人员地理位置信息。地理位置信息是由矿区预先根据矿道实际形状和大小以网格形式划分，再进行编号。例如，如需要告知地面在121号区域存在幸存人员，则发送22121，具体敲击方式如图5所示。如需反复发送该信息，则在上一次信息完成后间隔15秒以上重发22121。地理信息和人数信息可交替发送，如发送完33421后，间隔15秒如发送的是22121，则表示接下来发送的是地理位置信息。如事先没有敲击方式约定，传感器系统则只能通过检测到有规律的敲击震荡波来确定幸存人员的存在。敲击信号通过地面附着在金属管道上的单传感器传送至数据采集器后，送至数据处理单元，采用Daubechies小波基进行5级离散小波分解，提取小波分解中第3级细节系数CA3，根据CA3还原敲击方式。以实际采集的数据为例进行分析，敲击地点离接收地点I公里左右。传递信息字为3，间隔5秒连击3下金属管道，地面的传感器组中某一三分量传感器接收到的信号如图6(a)所示，接收到的信息经数据采集器采集后发送至数据处理单元。图6(b)为经过信号检测后处理结果，其中，考虑到一些噪声影响，数据处理单元将间隔小于O. 5秒的脉冲滤掉，可以从图6(b)看出处理结果，由于震荡波传播的特性和媒介的多向性，导致传感器三个分量中只有一个进行了有效接收。解码为3。实现了正确信息传递。同一次敲击对于不同接收单元，其到达时间有所差异，但是由于金属媒介传播速度快，所以各接收单元震荡波到达时间小于I秒，因此，在处理各接收单元数据时，来自不同接收单元的相隔±0.5秒以内的震荡波认为是来自同一个源。由于传播路径的质量好坏不同，可能会出现某些接收单元漏检的问题，但由于是多传感器接收，可认为在大致相同的时刻只要有多数传感器接收到信号，则认为该时刻存在敲击信号。经过数据处理单元对多传感器数据融合，可以在一定程度降低敲击信号的漏检率，提高信息还原程度。比如，当传感器组由3个传感器组成时，由于传播路径的不同，这3个传感器接收信号如图7所示，导致3个传感器接收到的信号均有不同，从图中看出，I号传感器接收信息位21121，2号传感器接收信息位22111，3号传感器接收信息位12121。数据处理单元经过相同时刻接收情况比对，最后系统综合输出为图8所示结果，即22121，解释为“地理位置在121号区域”从而有效地还原通过金属管道传递信息。
权利要求
1.一种探测矿难幸存人员信息的方法，其特征在于，包括: 分别设置多个传感器于延伸至地面的多根金属管道上； 传感器以矿区中的管道网络为传输媒介接收矿洞内敲击金属管道产生的震动波； 各传感器将接收到的信号通过数据采集单元发送至数据处理单元，数据处理单元对各传感器接收到的信号进行数据处理与融合。
2.如权要求I所述一种探测矿难幸存人员信息的方法，其特征在于，所述传感器为三分量传感器。
3.如权要求2所述一种探测矿难幸存人员信息的方法，其特征在于，数据处理单元通过小波分解对各传感器中三个分量数据进行分析，再合并三分量的接收数据得到来自该传感器的震动波数据。
4.如权要求I所述一种探测矿难幸存人员信息的方法，其特征在于，数据处理单元滤掉来自于同一传感器的间隔小于最小时间间隔的脉冲。
5.如权要求I所述一种探测矿难幸存人员信息的方法，其特征在于，数据处理单元在对来自不同传感器的数据进行融合时，将来自不同传感器的相隔为最小时间间隔内的震荡波脉冲判断为同一个震荡波脉冲。
6.如权要求4或5所述一种探测矿难幸存人员信息的方法，其特征在于，所述最小时间间隔为0.5秒。
全文摘要
本发明提供一种探测矿难幸存人员信息的方法，针对矿难时地下和地面信息传递的不便，提出了以矿区内现成金属管道网络为传输媒介，通过震动波传递信息，以地面多个传感器为接收单元，检测矿洞内敲击金属管道产生的震动波来探测矿洞中幸存人员的方案。本发明能可靠地探测出敲击金属管道产生的震动波确定被困人员的存在。
文档编号E21F17/18GK103075183SQ201210576519
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月27日 优先权日2012年12月27日
发明者付毓生, 任春辉, 魏平 申请人:电子科技大学