一种含水土质埋压人员救援现场边坡安全监测预警装置及方法与流程

本发明涉及地质灾害应急救援安全监测，尤其涉及边坡变形微波遥感差分干涉形变测量，特别涉及一种含水土质埋压人员救援现场边坡安全监测预警装置及方法。

背景技术：

1、我国地质灾害事故影响区域分布面积广、被困人员埋压深度大、埋压环境土质含水率高，救援时需使用工程机械向下开挖，移除埋压覆盖物，转运伤员，救援过程将形成一个含水土质斜坡，由于受工程扰动和含水率影响，形变发展快，滑坡、坍塌隐患严重威胁被困伤员、救援人员和救援装备安全，加之埋压人员位置分散，需对各个救援点均开展监测预警，保障救援安全。

2、传统的裂缝计、位移计等接触式监测技术存在不易安装架设、监测频率低、监测精度差等问题，现有的机械运动式边坡雷达等非接触式微波遥感设备体积大、重量重，只能远距设站监测边坡位移这一个参量，导致深部埋压人员位置因电磁波视线被遮挡而在图像中形成阴影、机械运动实现合成孔径监测周期长易使回波失相干、单测点单参量无法有效预警含水土质埋压人员救援现场边坡隐患等问题，目前尚无专门适用于含水土质埋压人员救援现场边坡安全监测预警的装置和方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明通过对救援现场的复杂环境分析，研制含水土质埋压人员救援现场边坡安全监测装置，用于含水土质埋压人员救援现场边坡监测预警。基于含水土质自身松软、含水率高等特点，提出“三参量”联动监测预警方法，将多传感器集成到毫米波测量单元安装立杆中，通过硬件创新和监测流程创新，实现了监测装备在应急救援现场的快速安装和综合监测；通过“三参量”综合监测，实现了动态面域预警。

2、具体而言，本发明提供了如下技术方案：

3、一方面，本发明提供了一种含水土质埋压人员救援现场边坡安全监测预警装置，所述装置包括集成式安装立杆、毫米波测量单元、含水率测量单元、三轴倾角测量单元、温湿度传感器、系统控制单元、stm32信号处理及控制板、5g数传模块、lora模块、声光报警器；所述集成式安装立杆包含下部、上部伸缩部，所述集成式安装立杆为可伸缩结构，上部伸缩部可套接在集成式安装立杆下部的内部，以实现长度可变的伸缩调节；

4、所述含水率测量单元、三轴倾角测量单元、stm32信号处理及控制板集成于所述集成式安装立杆内部；

5、所述毫米波测量单元设置于所述集成式安装立杆顶端；所述含水率测量单元设置于所述集成式安装立杆下部的内部；

6、所述集成式安装立杆下部的顶部设置有稳定圆盘。

7、优选的，所述毫米波测量单元分别与所述含水率测量单元、三轴倾角测量单元之间进行数据交互；所述系统控制单元分别与所述毫米波测量单元、含水率测量单元、三轴倾角测量单元连接；

8、所述系统控制单元与所述5g数传模块、lora模块连接；

9、所述4g输出模块连接云端服务器；所述lora模块与所述声光报警器连接。

10、优选的，所述装置的布设方式如下：

11、步骤一、基于埋压人员位置，确定所述装置布设点；

12、步骤二、基于埋压人员位置及周边边坡情况，确定所述设备数量；

13、步骤三、在埋压人员位置靠近滑坡体一侧，布设不少于2个所述设备；

14、步骤四、在埋压人员位置远离滑坡体一侧，布设至少2个所述设备，其中一个设备监测整个边坡变形情况，另一个设备监测开挖区域周边边坡变形情况；

15、步骤五、启动布设的设备进行监测，并分析监测结果，基于监测结果确定是否触发预警。

16、优选的，所述毫米波测量单元包含四个级联的单片调频连续波雷达收发器；

17、所述单片调频连续波雷达收发器接收到的adc数据通过频域、时域校准后，进过距离向fft、方位向fft及成像聚焦后，生成雷达图像；

18、雷达图像经过图像配准、生成干涉图和相干图，再经过相位解缠及大气校正后，得到形变图，供监测使用。

19、优选的，所述含水率测量单元通过stm32信号处理及控制板中的串口，与所述系统控制单元连接；

20、所述含水率测量单元包括8个含水率监测单元，含水率监测单元包含环形电极对、压控振荡器、分频电路、电压比较器、计数器；

21、所述电极对和含水土质构成的等效电容在不同含水率的土质中输出不同的电容值，与压控振荡器产生谐振，然后通过分频电路，转化为方波信号，方波信号经电压比较器后转化为便于采集的频率信号，并输出。

22、优选的，所述三轴倾角测量单元通过stm32信号处理及控制板中的串口，与所述系统控制单元连接；

23、所述三轴倾角测量单元包括三轴mems加速度传感器、磁场传感器。

24、优选的，所述系统控制单元包括fpga控制器、dsp控制器、数据缓存器、串口收发器；

25、所述fpga控制器通过串口收发器接收所述三轴倾角测量单元、含水率测量单元、温湿度传感器的数据，并进行数据阈值比较；

26、所述dsp控制器接收所述毫米波测量单元的数据，处理后形成形变图。

27、优选的，所述数据阈值比较包括：通过预先设定的阈值，对比三轴倾角测量单元和含水率测量单元的监测结果，当三轴倾角测量单元监测结果大于倾角预警阈值后，立即发出倾角异常提示，并提高雷达采样频率；当含水率监测结果大于含水率预警阈值时，立即发出含水率异常提示，并提高雷达采样频率。

28、优选的，所述串口收发器与所述stm32信号处理及控制板进行数据交互。

29、另一方面，本发明还提供了一种含水土质埋压人员救援现场边坡安全监测预警方法，该方法包括：

30、s1、现场布设完成的监测设备启动数据采集，同步采集多参量监测数据；

31、s2、设置不同参量的预警阈值，包括含水率预警阈值、倾角预警阈值、雷达数据阈值；

32、s3、当含水率、倾角分别超过阈值时，发出第一报警提示，并动态调整边坡雷达采样频率；

33、s4、雷达监测结果的最大值与雷达预警阈值比较，若小于等于雷达预警阈值，则返回s3，否则，计算对应的面积；

34、s5、判断所述面积是否大于面积阈值，如果小于等于面积阈值，则返回s3，否则，根据所述面积及预警值，确定预警级别；

35、s6、确定预警级别后，导入预警值及预警面积，在显示界面上标识预警位置及预警级别；

36、s7、若搜索到预警面积，则进行预警记录并上报。

37、与现有技术相比，本发明技术方案采用改进的雷达布设方案，以及插杆式布设方法，同时将多种测量单元集成到边坡雷达插杆内部，提高了现场布设效率，实现了“三参量”联合监测方法；通过高集成度的射频芯片，替代了分立射频元件，并且利用内嵌dsp信号处理器完成了雷达数据处理算法的实时计算，实现了边坡雷达的轻量化、低功耗的工作方式，通过硬件加速，实现了数据的实时处理，提高了监测效率；根据含水土质特点，提出了“三参量”综合预警方法，该方法根据现场含水率和倾角变化，动态调整边坡雷达采样率，实现“三参量”面域动态预警。