[发明专利]敲击声矿难救援定位系统

说明书

技术领域

本发明属于灾难救援技术，具体涉及一种敲击声矿难救援定位系统。

背景技术

作为一个快速发展中的能源生产大国和消耗大国，“矿难”在中国是一个频频出现的字眼。据不完全统计，仅在2010年的1～4月时间内，我国就发生了重特大煤矿生产安全事故30余起，死亡人数达上百人。煤矿安全事故发生之频繁，令人触目惊心。考虑到这些数字仅仅是在煤矿一个领域、4个月之内发生的，其他的矿难及死亡人数还未计算在内，全国的矿难死亡人数必将更加庞大。

防止矿难发生，是解决矿难问题的根本。但是，当矿难不幸发生时，尽快抢救被困人员则是挽回尽可能多的生命的关键。从技术层面上，井下被困人员定位，是及时、准确找到被困人员的保障。矿难被困人员定位系统有许多种类，它们有着各自的特点，并且在不同矿难情况下，起着相互协调、相互补充的作用。但是，已有矿难被困人员定位系统的基本结构都是由井下信号源系统与井上信号接收和处理系统构成。当矿难发生时，井下信号源系统有可能遭到损坏，不能正常运行，使矿难被困人员定位系统无法发挥应有的作用。因此，设计一种不受矿难时井下恶劣环境影响的被困人员求救定位系统，势在必行。

敲击声产生的振动信号，尤其是信号中的低频乃至次声波成分，由于穿透能力强，在固体中可以传播很远。研究显示，大象脚踏地面产生的振动，可以使十几公里以外的同类感受到。声波在固体中传播时，除了具有传播速度快、衰减弱的特点外，还具有纵波、横波等不同的波型，不同波型振动的传播速度各异。利用固体声波的这些特点，通过接受和处理矿难被困人员求救的敲击信号，可以对被困人员加以定位。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的的目的，是要提供一种通过接受和处理矿难被困人员发出的敲击声，对矿难被困人员加以定位的救援系统。系统利用敲击振动中的低频乃至次声波信号穿透能力强的特点，通过纵波波型与横波波型的速度差异和矢量振动传感器的方向性，确定敲击声源的所在位置。系统用最原始的敲击方式作为求救信号源，不受矿难时井下恶劣环境导致电子设备失效的影响。该系统即可以独立使用，也可以与其它定位技术融合，形成矿难综合定位系统。

本发明不限制将其应用于矿难以外的灾难救援领域或声源定位技术。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用以下方案：系统的每个定位测量点由信号采集模块、信号频段分割模块、频段优先级选择模块、求救点定位计算模块和数据无线传输模块五部分组成。每个定位测量点是一个独立系统，负责有效范围内的求救信号定位工作。根据需要，可以由若干个定位测量点形成搜寻网络，覆盖整个探测区域。所有定位测量点数据无线传输到救援指挥中心，供决策机构参考。

以下表述针对一个定位测量点而言，所有测量点结构相同。

1、硬件构成

信号采集模块。由三个矢量振动加速度计(以下简称传感器A、传感器B和传感器C)组成，每个矢量振动加速度计可以同时测量x、y、z三个方向的振动加速度。以传感器A为基准，传感器B的z方向与传感器A的z方向一致，且x方向与传感器A的x方向成45度角；传感器C的x方向与传感器A的x方向一致，且z方向与传感器A的z方向成45度角。采用这种结构，可以实现单点测量对敲击声信号源的定位。三个传感器各自三个方向共9路信号，为表述方便，本发明将9路信号分别称为Ax、Ay、Az、Bx、By、Bz、Cx、Cy、Cz。这9路信号经前置放大后传输给信号频段分割模块，即三个传感器总计9路输出与信号频段分割模块相连。

信号频段分割模块。由27个带通滤波器组成，应用带通滤波器将每一路信号都分为1kHz～5kHz、100Hz～1kHz、10Hz～100Hz三个频段，并进行包络检波。相同频段内的9路信号同步相加，形成该频段总路信号。每个频段的总路信号和本频段原9路信号构成一个信号集合，分别称之为高频信号集、中频信号集和低频信号集，并在各种信号集内各路信号名称前相应冠以字母“H”、“M”和“L”，以示区别。三个信号集共30路信号的每一路均分为两个支路，一路送入频段优先级选择模块，另一路通过电子开关与求救点定位模块相连。

频段优先级选择模块。由电压比较器和电子开关电路组成，依据各个信号集合的强度，通过设定的阈值，按高频、中频和低频的优先级顺序，形成频段选择指令，控制电子开关，使被选定的频段信号集合开关导通，将该信号集合送入求救点定位计算模块。

求救点定位计算模块。由ATMEGA16单片机构成。

无线数据传输模块，由MC55芯片承担，将结果无线传输至救援指挥中心。