專利名稱：地表聲阻抗率非接觸測量裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及物探技術領域，尤其是聲波探測非金屬地雷研究中的地表聲阻抗率非接觸測量裝置及方法。
背景技術：
塑料等非金屬地雷的安全、可靠探測一直是國際排雷事業(yè)亟待解決的瓶頸問題。常用的金屬探測器因是基于電磁感應原理只能探測金屬地雷，對金屬含量很少的塑料等非金屬地雷探測效果較差。對于紅外、探地雷達、X射線等成像技術，在探測機理上難以辨別埋藏物是否為地雷；對于非成像技術，如中子分析，它通過檢測炸藥的化學特性具有較強的地雷鑒別能力，但系統(tǒng)特別復雜、檢測信號過于微弱，尚處于應用可行性論證階段?；诼?地震耦合原理的聲波探測技術具有潛在的應用前景，但缺少聲波探雷模型研究的商用實驗研究裝置。聲-地震耦合是指當頻率在IKHz以下的低頻聲波由空氣入射到地表時，形成快縱波、慢縱波和橫波等多種成分的地震波；相應地，地表聲壓與耦合的地表振動速度的比值稱為地表聲阻抗率。當耦合的地震波遇到地雷時會發(fā)生反射或散射現(xiàn)象而回到地表，并改變地表的振動速度，進而改變地表聲阻抗率的大小。因此，通過檢測地表聲阻抗率的變化異常情況，可用于非金屬地雷探測方面的研究，但目前尚無專用非接觸檢測方式的地表聲阻抗率測量裝置。一個典型的非接觸地表聲阻抗率測量裝置應包括高指向性聲波發(fā)射系統(tǒng)和非接觸地表振動速度檢測系統(tǒng)，“地雷對地表聲阻抗率的影響研究”，王馳等，傳感器與微系統(tǒng)，2008年，第27卷第8期，第36-38頁，研究的聲發(fā)射系統(tǒng)基于音響系統(tǒng)，不能做到高指向性、遠距離的聲波發(fā)射，地表振動速度檢測系統(tǒng)基于地震檢波器這種接觸式速度傳感器，不能進行地表振動速度的非接觸檢測，本發(fā)明正是針對這一關鍵技術進行展開的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服目前尚無專用的聲-地震耦合機理研究的測量裝置等方面的問題，提供一種地表聲阻抗率非接觸檢測裝置和檢測方法，可實現(xiàn)對地表聲阻抗率的高精度、快速的非接觸測量。為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案
一種地表聲阻抗率非接觸測量裝置，包括計算機、信號處理器、聲學參量陣、多普勒振動計、數(shù)據(jù)采集卡和聲級計，所述計算機依次通過導線連接所述數(shù)據(jù)采集卡、所述信號處理器和所述聲學參量陣構成的聲波發(fā)射系統(tǒng)，所述聲級計與所述數(shù)據(jù)采集卡和所述計算機通過數(shù)據(jù)線連接構成的聲波檢測系統(tǒng)，由所述多普勒振動計與所述數(shù)據(jù)采集卡和所述計算機通過數(shù)據(jù)線連接構成的地表振動檢測系統(tǒng)。一種地表聲阻抗率非接觸測量方法，采用上述的地表聲阻抗率非接觸測量裝置來測量計算，測量步驟如下 (1)使聲學參量陣發(fā)聲端口對準待測地表位置；
(2)把聲級計放于待測地表位置，并使聲級計通過導線連接數(shù)據(jù)采集卡和計算機；
(3)通過計算機發(fā)出差頻為&的兩列高頻正弦波信號，依次通過數(shù)據(jù)采集卡、信號處理器后由聲學參量陣發(fā)出高指向性正弦聲波；
(4)改變聲學參量陣相對待測地表位置的距離和方向，至聲級計測出頻率為&且聲壓級達到極大值的聲波，并在計算機中記錄該聲壓級的極大值。(5)保持計算機、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理器和聲學參量陣構成的聲波發(fā)射系統(tǒng)的連接、參數(shù)設置及聲學參量陣相對待測地表位置的距離和方向不變，即保持聲級計在待測地表位置檢測到的聲波頻率為且聲壓級達到極大值；
(6)移走聲級計，利用多普勒振動計、數(shù)據(jù)采集卡和計算機構成的地表振動檢測系統(tǒng)測量待測地表位置的地表振動速度，由計算機記錄；
(7)對所測的待測地表位置處的聲壓級極大值和所測的待測地表位置處的地表振動速度求比值，即得待測地表位置處在激勵聲波頻率為f0時的地表聲阻抗率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點將計算機、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理器和聲學參量陣連接，解決了低頻聲波輸出的高指向性問題，改善了聲波發(fā)射系統(tǒng)性能；在地表振動速度檢測時，通過利用多普勒振動計和多通道數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)了對地表振動速度的非接觸快速檢測。


圖1是本發(fā)明的待測地表聲阻抗率非接觸測量裝置結構示意 圖2是地表聲阻抗率非接觸測量步驟框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結合附圖論述如下
實施例一參見圖1，本地表聲阻抗率非接觸測量裝置的結構包括計算機101、信號處理器102、聲學參量陣103、多普勒振動計104、數(shù)據(jù)采集卡105和聲級計106，所述計算機101依次通過導線連接所述數(shù)據(jù)采集卡105、所述信號處理器102和所述聲學參量陣103構成聲波發(fā)射系統(tǒng)，所述聲級計106與所述數(shù)據(jù)采集卡105和所述計算機101通過數(shù)據(jù)線連接構成聲波檢測系統(tǒng)，由所述多普勒振動計104與所述數(shù)據(jù)采集卡105和所述計算機101通過數(shù)據(jù)線連接構成地表振動檢測系統(tǒng)。本實施例中用到的聲學參量陣103和信號處理器102采用由美國Holosonics公司生產的24英寸音頻聚光燈超聲換能器陣列(24-1n diameter Audio Spotlightultrasonic transducer array)和與其配套的信號處理放大器(Processor/Amplifier),數(shù)據(jù)采集卡采用美國國家儀器(NI)有限公司生產的N1-PXI多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，多普勒振動計采用德國Polytec公司生產的PDV-100激光多普勒振動計。實施例二 參見圖2，本地表聲阻抗率非接觸測量方法，采用實施例一的裝置測量計算地表聲阻抗率，測量步驟如下
(1)使聲學參量陣103發(fā)聲端口對準待測地表位置107；
(2)把聲級計106放于待測地表位置107，并使聲級計106通過導線連接數(shù)據(jù)采集卡105和計算機101 ；
(3)通過計算機101發(fā)出差頻為&的兩列高頻正弦波信號，依次通過數(shù)據(jù)采集卡105、和信號處理器102后由聲學參量陣103發(fā)出高指向性正弦聲波；
(4)改變聲學參量陣103相對待測地表位置107的距離和方向，至聲級計106測出頻率為f0且聲壓級達到極大值的聲波，并在計算機101中記錄該聲壓級的極大值。(5)保持計算機101、數(shù)據(jù)采集卡105、信號處理器102和聲學參量陣103構成的聲波發(fā)射系統(tǒng)的連接、參數(shù)設置及聲學參量陣103相對待測地表位置107的距離和方向不變，即保持聲級計106在待測地表位置107檢測到的聲波頻率為且聲壓級達到極大值；
(6)移走聲級計106，利用多普勒振動計104、數(shù)據(jù)采集卡105和計算機101構成的地表振動檢測系統(tǒng)測量待測地表位置107的地表振動速度，由計算機101記錄；
(7)對所求的待測地表位置107處的聲壓級極大值和所測的待測地表位置107處的地表振動速度求比值，即得待測地表位置107處在激勵聲波頻率為f0時的地表聲阻抗率。
權利要求
1.一種地表聲阻抗率非接觸測量裝置，包括計算機(101)、信號處理器(102)、聲學參量陣(103)、多普勒振動計(104)、數(shù)據(jù)采集卡(105)和聲級計(106)，其特征在于所述計算機(101)依次通過導線連接所述數(shù)據(jù)采集卡(105)、所述信號處理器(102)和所述聲學參量陣(103)，構成聲波發(fā)射系統(tǒng)；所述聲級計(106)與所述數(shù)據(jù)采集卡(105)和所述計算機(101)通過數(shù)據(jù)線連接，構成聲波檢測系統(tǒng)；由所述多普勒振動計(104)與所述數(shù)據(jù)采集卡(105)和所述計算機(101)通過數(shù)據(jù)線連接，構成地表振動檢測系統(tǒng)。
2.—種地表聲阻抗率非接觸測量方法，采用根據(jù)權利要求1所述的地表聲阻抗率非接觸測量裝置來測量計算，其特征在于，測量步驟如下Cl)使聲學參量陣(103)發(fā)聲端口對準待測地表位置(107)；(2)把聲級計(106)放置于待測地表位置(107)，并使聲級計(106)通過導線連接數(shù)據(jù)采集卡(105)和計算機(101)；(3)通過計算機(101)發(fā)出差頻為A的兩列高頻正弦波信號，依次通過數(shù)據(jù)采集卡(105)和信號處理器(102)后由聲學參量陣(103)發(fā)出高指向性正弦聲波；(4)改變聲學參量陣(103)相對待測地表位置(107)的距離和方向，至聲級計(106)測出頻率為A且聲壓級達到極大值的聲波，并在計算機(101)中記錄該聲壓級的極大值；(5)保持計算機(101)、數(shù)據(jù)采集卡(105)、信號處理器(102)和聲學參量陣(103)構成的聲波發(fā)射系統(tǒng)的連接、參數(shù)設置及聲學參量陣(103)相對待測地表位置(107)的距離和方向不變，即保持聲級計(106)在待測地表位置(107)檢測到的聲波頻率為A且聲壓級達到極大值；(6)移走聲級計(106)，利用多普勒振動計(104)、數(shù)據(jù)采集卡(105)和計算機(101)構成的地表振動檢測系統(tǒng)測量待測地表位置(107)的地表振動速度，由計算機(101)記錄；(7)對所測的待測地表位置(107)處的聲壓級極大值和所測的待測地表位置(107)處的地表振動速度求比值，即得待測地表位置(107)處在激勵聲波頻率為f,時的地表聲阻抗率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地表聲阻抗率非接觸測量裝置及方法，包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、待測地表聲波檢測裝置和待測地表振動速度檢測裝置。聲波發(fā)射系統(tǒng)包括計算機、數(shù)據(jù)采集卡、信號處理放大器和聲學參量陣；待測地表聲波檢測裝置包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、聲級計和計算機；待測地表振動速度檢測裝置包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、多普勒振動計、數(shù)據(jù)采集卡和計算機。聲波發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出高指向性的高頻聲波，在待測地表位置產生低頻聲波，由聲壓級檢測裝置檢測待測地表位置處的聲壓級，并由地表振動速度檢測裝置檢測待測地表位置處的振動速度，所測地表處的聲壓級與振動速度的比值即為地表聲阻抗率。本發(fā)明能實現(xiàn)地表聲阻抗率的非接觸式、高精度、快速測量。
文檔編號G01H15/00GK103017892SQ20121053219
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月12日 優(yōu)先權日2012年12月12日
發(fā)明者王馳, 周瑜秋, 丁衛(wèi), 沈高煒, 吳文雯 申請人:上海大學