专利名称：一种地雷谐振强度测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及浅层地下柔性掩埋物的探测技术领域，尤其是一种地雷谐振强度测量装置及测量方法，是声波探测非金属地雷研究中地雷的共振与反共振作用对声波激发的地表振动影响的测量装置及方法。
背景技术：
迄今为止，塑料等非金属地雷的安全、可靠探测仍是一个世界性难题。惯用的金属探雷器基于电磁感应原理只能探测金属地雷，对金属含量很少的塑料等非金属地雷的探测效果很差。对基于红外、探地雷达、X射线等成像技术，在探测机理上难以区分出埋藏物为地雷还是岩石、砖头或其它碎片；对于中子分析、生物探雷(如探雷蜜蜂、探雷狗和探雷草等)等非成像技术，尚处于探索或应用可行性论证阶段。
基于地雷机械特性和声-地震耦合原理的声共振探测技术具有潜在的应用前景。 地雷由雷体、气腔和引信等构成，具有相比埋藏其中的土壤有更高的声顺或柔性，能与其上方的土壤构成“质量-弹簧”谐振系统。声-地震耦合是指当频率在IkHz以下的低频声波由空气入射到地表时，能激发出快纵波、慢纵波和横波等多种成分的地震波。在声波耦合的地震波的作用下，“土壤-地雷”构成的“质量-弹簧”谐振系统会发生复杂的共振与反共振现象，这种共振和反共振分别会增强和减弱声波激发的地表振动，表现为有、无地雷埋藏时的地表振动速度的比值分别大于1和小于1。目前的声共振探雷装置缺乏对地雷反共振作用机理的利用，致使其谐振强度不足以充分体现地雷的机械特征，以致在机理上限制了声波探雷系统灵敏度的提高。
一个典型的地雷谐振强度测量方法应综合利用地雷共振和反共振作用，测量装置包括声波发射系统和地表振动速度检测系统，而目前的测量方法只利用了地雷的共振作用，而忽略了地雷反共振作用的影响，本发明正是针对这一关键技术进行展开的。发明内容
本发明的目的在于克服目前的声波探雷技术不能综合利用地雷共振和反共振作用的问题，提供一种地雷谐振强度测量装置及测量方法，可实现对地雷谐振强度的高精度、 快速测量。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案一种地雷谐振强度测量装置，包括信号发生器、调音台、功率放大器、扬声器，所述信号发生器通过导线依次连接所述调音台、所述功率放大器和所述扬声器，构成的声波发射系统；本装置还包括地震检波器、数据采集卡和计算机，所述地震检波器通过数据线经所述数据采集卡与所述计算机连接，构成的地表振动速度检测系统。
—种地雷谐振强度测量方法，采用上述的测量装置，本方法具体实施步骤为1)检测并计算在无地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线；2)检测并计算在有地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线；3)对上述步骤的两条曲线求比值，得到有、无地雷地表振动速度相对值的幅频特性曲线。
上述步骤1)中检测并计算在无地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线，其具体步骤如下(1)使声波发射系统的所述扬声器发声端口正对待测地表位置；(2)使所述地震检波器插入到所述待测地表位置，所述地震检波器的输出端口由数据线连接到所述数据采集卡的输入端口上，所述数据采集卡的输出端口由数据线连接到所述计算机的输入端口；(3)所述信号发生器发出频率为A的起始正弦波信号，依次通过所述调音台和所述功率放大器放大后由所述扬声器发出高强度正弦声波；(4)所述地震检波器测量所述待测地表位置的地表振动速度，并由所述计算机记录；(5)使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 (/o+l)，采取与步骤(3) - (4)相同的步骤，记录该频率声波激励下所述待测地表位置处的地表振动速度；(6)重复步骤(5)的操作，记录至预设频率为(Α+ΛΟ时的所述待测地表位置的地表振动速度，并在所述计算机中求出并记录所测地表振动速度关于激发正弦波频率/ο、4+1、 /。+2、…、/。+#的幅频特性曲线；上述步骤2)中检测并计算在有地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线，其具体步骤如下(1)整体移动所述的声波发射系统，使所述扬声器发声端口正对地下有地雷的待测地表位置；保持所述的声波发射系统的参数设置以及所述扬声器发声端口相对所述待测地表位置的高度与上述步骤1)中没有地雷埋藏情况下相对待测地表位置的高度一致；(2)使所述地震检波器插入到所述待测地表位置，保持与土壤的耦合状态与上述步骤 1)中没有地雷的所述待测地表位置的耦合状态相同，所述地震检波器的输出端口由数据线连接到所述数据采集卡的输入端口上，所述数据采集卡的输出端口由数据线连接到所述计算机的输入端口；(3)所述信号发生器发出频率为A的起始正弦波信号，依次通过所述调音台和所述功率放大器放大后由所述扬声器发出高强度正弦声波；(4)所述地震检波器测量所述待测地表位置的地表振动速度，并由所述计算机记录；(5)使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 (/o+l)，采取与步骤(3) - (4)相同的步骤，记录该频率声波激励下所述待测地表位置处的地表振动速度；(6)重复步骤(5)的操作，记录至预设频率为(Α+ΛΟ时的所述待测地表位置的地表振动速度，并在所述计算机中求出并记录所测地表振动速度关于激发正弦波频率/ο、4+1、 /。+2、…、/。+#的幅频特性曲线；上述步骤3)具体步骤如下(1)对所求的有地雷情况下的所述待测地表位置的地表振动速度幅频特性曲线和无地雷情况下的所述待测地表位置的地表振动速度幅频特性曲线求比值，得到有、无地雷地表振动速度相对值的幅频特性曲线；(2)对步骤(1)中的相对值幅频特性曲线进行数值调理，对幅值大于1，即共振作用影响的比值采用该值本身；对幅值于小于1，即反共振作用影响的比值采用该值的倒数，其数学表达式如下ir(l)r( €) > 11 Iyr(Ji)HJi) <1其中，r(/；)表示在任一激发频率处经调理前的幅频特性曲线的幅值，Wi)表示在对应激发频率处经调理后的幅频特性曲线的幅值。
(3)对步骤(2)经调理后的幅频特性曲线进行频域上的面积积分，即得有地雷情况下所述待测地表位置的地雷谐振强度，其数学表达式如下
其中，I表示地雷谐振强度，Z0和/N分别表示积分的下限和上限。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点 将地雷的反共振对声波激发的地表振动的减弱作用转化为与地雷的共振对声波激发的地表振动一致的增强作用，解决了反共振对声波探雷系统灵敏度提高的限制问题，通过所述的地雷谐振强度检测装置可快速、高精度地测量地雷的机械特性对声波激发的地表振动的影响。
图1是本发明的声波发射系统和地表振动速度检测结构示意图； 图2是地雷谐振强度测量方法实施步骤框图；图3是检测并计算在无地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线实施步骤框图； 图4是检测并计算在有地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线实施步骤框图； 图5是地雷谐振强度检测算法原理示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图论述如下如图ι所示，一种地雷谐振强度测量装置，包括信号发生器101、调音台102、功率放大器103、扬声器104，所述信号发生器101通过导线依次连接所述调音台102、所述功率放大器103和所述扬声器104，构成的声波发射系统；本装置还包括地震检波器105、数据采集卡107和计算机108，所述地震检波器105通过数据线经所述数据采集卡107与所述计算机 108连接，构成的地表振动速度检测系统。
本实施例中用到的信号发生器101采用Tektronix公司生产的AFG3022任意波形 /函数发生器，调音台102采用Yamaha公司生产的MG8/2FX调音台，功率放大器103采用杭州声博电子科技有限公司生产的PA2000功率放大器，扬声器104采用Soimdking集团有限公司生产的JB215专业音箱，地震检波器105阵列采用威海双丰公司生产的地震检波器，用到的数据采集卡107采用美国国家仪器(Ni)有限公司生产的NI-5112数字化仪。
如图2所示，一种地雷谐振强度测量方法，采用上述的测量装置，本方法具体实施步骤为1)检测并计算在无地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线；2)检测并计算在有地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线；3)对上述步骤的两条曲线求比值，得到有、无地雷地表振动速度相对值的幅频特性曲线。
如图3所示，所述步骤1)中检测并计算在无地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线，其具体步骤如下(1)使声波发射系统的所述扬声器104发声端口正对待测地表位置106；(2)使所述地震检波器105插入到所述待测地表位置106，所述地震检波器105的输出端口由数据线连接到所述数据采集卡107的输入端口上，所述数据采集卡107的输出端口由数据线连接到所述计算机108的输入端口 ；(3)所述信号发生器101发出频率为/。的起始正弦波信号，依次通过所述调音台102 和所述功率放大器103放大后由所述扬声器104发出高强度正弦声波；(4)所述地震检波器105测量所述待测地表位置106的地表振动速度，并由所述计算机 108记录；(5)使所述信号发生器101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(4+1)，采取与步骤(3)- (4)相同的步骤，记录该频率声波激励下所述待测地表位置 106处的地表振动速度；(6)重复步骤(5)的操作，记录至预设频率为(Α+ΛΟ时的所述待测地表位置106的地表振动速度，并在所述计算机108中求出并记录所测地表振动速度关于激发正弦波频率A、 /。+1、/q+2、…、/。+#的幅频特性曲线；如图4所示，所述步骤2)中检测并计算在有地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线， 其具体步骤如下(1)整体移动所述的声波发射系统，使所述扬声器104发声端口正对地下有地雷110的待测地表位置109 ；保持所述的声波发射系统的参数设置以及所述扬声器104发声端口相对所述待测地表位置109的高度与上述步骤1)中没有地雷埋藏情况下相对待测地表位置 106的高度一致；(2)使所述地震检波器105插入到所述待测地表位置109，保持与土壤的耦合状态与上述步骤1)中没有地雷的所述待测地表位置106的耦合状态相同，所述地震检波器105的输出端口由数据线连接到所述数据采集卡107的输入端口上，所述数据采集卡107的输出端口由数据线连接到所述计算机108的输入端口 ；(3)所述信号发生器101发出频率为/。的起始正弦波信号，依次通过所述调音台102 和所述功率放大器103放大后由所述扬声器104发出高强度正弦声波；(4)所述地震检波器105测量所述待测地表位置109的地表振动速度，并由所述计算机 108记录；(5)使所述信号发生器101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(4+1)，采取与步骤(3)- (4)相同的步骤，记录该频率声波激励下所述待测地表位置 109处的地表振动速度；(6)重复步骤(5)的操作，记录至预设频率为(Α+ΛΟ时的所述待测地表位置109的地表振动速度，并在所述计算机108中求出并记录所测地表振动速度关于激发正弦波频率A、/。+1、/q+2、…、/。+#的幅频特性曲线；如图5所示，所述步骤3)具体步骤如下(1)对所求的有地雷110情况下的所述待测地表位置109的地表振动速度幅频特性曲线和无地雷情况下的所述待测地表位置106的地表振动速度幅频特性曲线求比值，得到有、无地雷地表振动速度相对值的幅频特性曲线；(2)对步骤(1)中的相对值幅频特性曲线进行数值调理，对幅值大于1，即共振作用影响的比值201采用该值本身；对幅值于小于1，即反共振作用影响的比值202采用该值的倒数203，其数学表达式如下
权利要求
1.一种地雷谐振强度测量装置，其特征在于，包括信号发生器(101)、调音台(102)、 功率放大器(103)、扬声器(104)，所述信号发生器(101)通过导线依次连接所述调音台 (102)、所述功率放大器(103)和所述扬声器(104)，构成的声波发射系统；本装置还包括地震检波器(105)、数据采集卡(107)和计算机(108)，所述地震检波器(105)通过数据线经所述数据采集卡(107)与所述计算机(108)连接，构成的地表振动速度检测系统。
2.2. 一种地雷谐振强度测量方法，采用如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，本方法具体实施步骤为1)检测并计算在无地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线；2)检测并计算在有地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线；3)对上述步骤的两条曲线求比值，得到有、无地雷地表振动速度相对值的幅频特性曲线。
3.根据权利要求2所述的一种地雷谐振强度测量方法，其特征在于，所述步骤1)中检测并计算在无地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线，其具体步骤如下(1)使声波发射系统的所述扬声器(104)发声端口正对待测地表位置(106)；(2)使所述地震检波器(105)插入到所述待测地表位置(106)，所述地震检波器(105) 的输出端口由数据线连接到所述数据采集卡(107)的输入端口上，所述数据采集卡(107) 的输出端口由数据线连接到所述计算机(108)的输入端口 ；(3)所述信号发生器(101)发出频率为&的起始正弦波信号，依次通过所述调音台 (102)和所述功率放大器(103)放大后由所述扬声器(104)发出高强度正弦声波；(4)所述地震检波器(105)测量所述待测地表位置(106)的地表振动速度，并由所述计算机(108)记录；(5)使所述信号发生器(101)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(/o+l)，采取与步骤(3)_ (4)相同的步骤，记录该频率声波激励下所述待测地表位置(106)处的地表振动速度；(6)重复步骤(5)的操作，记录至预设频率为(Α+ΛΟ时的所述待测地表位置(106)的地表振动速度，并在所述计算机(108)中求出并记录所测地表振动速度关于激发正弦波频率 /0、Z0+1、/0+2、...、f0+N 的幅频特性曲线。
4.4.根据权利要求2所述的一种地雷谐振强度测量方法，其特征在于，所述步骤2)中检测并计算在有地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线，其具体步骤如下(1)整体移动所述的声波发射系统，使所述扬声器(104)发声端口正对地下有地雷 (110)的待测地表位置(109)；保持所述的声波发射系统的参数设置以及所述扬声器(104) 发声端口相对所述待测地表位置(109)的高度与上述步骤1)中没有地雷埋藏情况下相对待测地表位置(106)的高度一致；(2)使所述地震检波器(105)插入到所述待测地表位置(109)，保持与土壤的耦合状态与上述步骤1)中没有地雷的所述待测地表位置(106)的耦合状态相同，所述地震检波器 (105)的输出端口由数据线连接到所述数据采集卡(107)的输入端口上，所述数据采集卡 (107)的输出端口由数据线连接到所述计算机(108)的输入端口 ；(3)所述信号发生器(101)发出频率为&的起始正弦波信号，依次通过所述调音台 (102)和所述功率放大器(103)放大后由所述扬声器(104)发出高强度正弦声波；(4)所述地震检波器(105)测量所述待测地表位置(109)的地表振动速度，并由所述计算机(108)记录；(5)使所述信号发生器(101)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(/o+l)，采取与步骤(3) - (4)相同的步骤，记录该频率声波激励下所述待测地表位置(109)处的地表振动速度；(6)重复步骤(5)的操作，记录至预设频率为(Α+ΛΟ时的所述待测地表位置(109)的地表振动速度，并在所述计算机(108)中求出并记录所测地表振动速度关于激发正弦波频率 /0、Z0+1、/0+2、...、f0+N 的幅频特性曲线。
5. 5.根据权利要求2所述的一种地雷谐振强度测量方法，其特征在于，所述步骤3)具体步骤如下(1)对所求的有地雷(110)情况下的所述待测地表位置(109)的地表振动速度幅频特性曲线和无地雷情况下的所述待测地表位置(106)的地表振动速度幅频特性曲线求比值， 得到有、无地雷地表振动速度相对值的幅频特性曲线；(2)对步骤(1)中的相对值幅频特性曲线进行数值调理，对幅值大于1，即共振作用影响的比值(201)采用该值本身；对幅值于小于1，即反共振作用影响的比值(202)采用该值的倒数(203)，其数学表达式如下其中，r(/；)表示在任一激发频率处经调理前的幅频特性曲线的幅值，Wi)表示在对应激发频率处经调理后的幅频特性曲线的幅值。
6. (3)对步骤(2)经调理后的幅频特性曲线进行频域上的面积积分，即得有地雷(110) 情况下所述待测地表位置(109)的地雷谐振强度，其数学表达式如下L·其中，I表示地雷谐振强度，Z0和/N分别表示积分的下限和上限。
全文摘要
本发明公开了一种地雷谐振强度测量装置，包括信号发生器、调音台、功率放大器、扬声器，信号发生器通过导线依次连接调音台、功率放大器和扬声器，构成的声波发射系统；本装置还包括地震检波器、数据采集卡和计算机，地震检波器通过数据线经数据采集卡与计算机连接，构成的地表振动速度检测系统。一种地雷谐振强度测量方法，采用上述的测量装置，具体实施步骤为1)检测并计算在无地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线；2)检测并计算在有地雷情况下地表振动速度幅频特性曲线；3)对上述步骤的两条曲线求比值，得到有、无地雷地表振动速度相对值的幅频特性曲线。本发明测量装置和测量方法能实现地雷谐振强度的高精度、快速测量。
文档编号G01H1/00GK102540245SQ20121000264
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者丁卫, 于瀛洁, 周瑜秋, 沈高炜, 王驰 申请人:上海大学