基于STM32的地震动信号检测识别系统设计.pdf

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1、研 究与开 发己口第 年月卷第期基于的地震动信号检测识别系统设计王杰雷秦栋泽裴水源赵田丽（中北大学机电工程学院太原）摘要： 地震动信号检测识别在边防预警、军事战争、石油管道监护、安全监控等领域有广泛应用，对此，设计了地震动信号检测识别系统。系统主要有以下部分：地震检波器检测震动信号；处理器进行转换、识别算法的实现；北斗定位模块实现目标的定位； 无线传输模块进行数据无线传输。通过大量实验验证，该系统使用方便、 性能可靠，能够准确识别人员和车辆目标。关键词：；地震动；信号检测：目标识别中图分类号：文献标识码：国家标准学科分类代码：（ ， ，）：， ， ， ， ， ，：；引言随着信息化和传感器技术的

2、发展，现代侦查技术与监视技术有了显著的提高。光学、无线电、雷达等多样化侦察手段的运用，大大提高了侦查能力的精确性。地面传感器侦察系统凭借抗电磁干扰能力强、探测距离远、隐蔽性控制器，并结合北斗定位模块和无线传输模块，设计了一种新型的地震动信号检测识别系统。系统总体方案设计地震动信号检测识别系统如图所示，地震动传感器对震动信号进行检测，信号调理电路对检测信号进行放大、 滤波处理。处理器内部集成对处理后的信号进行模数转换。处理器配置北斗模块，将位置信息和目标识别信息通过无线传输模块发送至上位机， 从而实现远程的预警监控。好、能够在恶劣的环境下全天候工作的独特性能，使其在各重大领域被广泛的应用 】”

3、。目前国内已有很多对地震动信号检测的识别方法，其大多运用定点单片机和作为运算控制器。传统的位、位定点没有浮点运算单元，运算速度慢，硬件结构不够完善。而现在较流行运算性能高的处理器， 虽然其精度高， 运算速度快，但是由于其高额的成本和较大的功耗，不利于市场的推广。在此情况下，以系统硬件电路设计传感器地震动信号由地面物体运动引起介质偏离平衡位置产生。地震动传感器又称为地震检波器，是一种能够直内核的位处理器作为系统主收稿日期： 基金项目：中北大学研究生科技立项基金（）项目资助 一国外电子测量技术中国科技核心期刊己口年月第卷第期图地震动信号检测识别系统接拾取地表震动并将其转换为电能的装置。其种类有很多

4、种，按其工作原理可分为感应检波器、压电检波器、激光检波器等。目前电磁感应式传感器应用较广泛，其依据是电磁感应原理： 地面的震动引起传感器内部电磁线圈上下震动，线圈切割由内部永磁体形成的磁感应线，进而形成感应电动势来反应震动信号。这种传感器原理简单， 无需电源供电，价格便宜，具有较强的环境适应力。选用一一地震检波器，能够检测频率以下的垂直或水平地震波，适用于被检测人员和车辆的低频率特点。规格参数如表所示。表地震动检波器参数参数数值自然频率假频失真度开路灵敏度（）开路阻尼线圈电阻信号调理电路由于传感器产生的感应电动势为毫伏级，在复杂环境干扰下容易被噪声信号所淹没，根据地面振动信号的带宽主要集中在

5、以下的特点，设计了一种低通放大滤波电路如图所示， 其具有低功耗、 低噪声的特点。图信号调理电路该信号调理电路使用仪用运放作为核心放大芯片。该芯片是一款高精度、低噪声、低功耗的轨到轨中国科技核心期刊研 究与开 发仪表放大器，该器件的超低失真性能有利于信号的还原，在整个输出范围内负载不受影响。电压输出函数为：（一一）（）其中放大倍数为：一（）电路的放大倍数通过调节电位器来改变。信号输入和输出都采用低通滤波电路去除高频噪声。处理器介绍本系统采用的处理器为 ，具有丰富的外设、出色的数据运算能力及低功耗的特点。处理器基于高性能的 的位内核，工作频率高达，带有位单精度硬件，支持多种指令集，具有很高的处理速

6、度和运算能力“。该处理器还具有个位能够完成信号的模数转换；个控制器，传输方式无需控制传输，通过硬件直接开辟一条到的数据传输通道，加快了数据的处理；个串口能够完成控制器和北斗定位模块、无线传输模块数据的交互。北斗定位模块一￥一模块是一款高性能斗双定位模块。该模块体积小巧、性能优异，使用方便，可以通过串口设置参数， 并保存至内部。模块自带有源天线接口， 定位精度为 ， 更新速度为。该模块兼容 电平， 方便与处理器连接。模块与连接如图所示。图斗模块和连接示意图无线传输模块无线传输模块采用一无线透明数传模块，该模块能够在不改变数据及协议的情况下，完成无线数据传输功能。通过的串口可以灵活配置模块的通讯速

7、率、发射功率、工作信道等参数。其接收灵敏度高达， 传输距离为以上。通过的 引脚高低电平配置其休眠、唤醒状态。系统没有检测到目标时为休眠状态，电流小于时开启低功耗模式，目标出现即开始发送数据。系统软件设计目标信号识别过零分析是指确定的时间段内时域上信号幅值与设定阀值的比较， 计算出信号的正向越过和负向越过阀值的次数。其本质表征一定采样频率下，信号过零点数和国外电子测量技术一 研 究 与 开 发】己口年月第卷第期信号频谱的密切关系。若信号是频率为厂的正弦信号，则其过零数。（）器并计算过零点数。 内过零点数若大于分界数，则确定目标为车辆，反之目标为人。此时唤醒无线数传模块， 发送位置和预警信息给上位

8、机。图初始化；配置： ； 模块；配置并休眠无线数传模块式中：是为比例系数。对于频率范围为 厂厂的平稳高斯随机信号，单位时间内的过零点数与功率谱（，）的关系为：厅一 （厂）（，）（）开启转换； 使能，式（）表明，信号的主频越高， 则单位长度信号中过零点数越多。图、分别是经过信号调理电路滤波放大后，获得的人员脚步震动信号和车辆震动信号，采样率为 。在的采样时间内，人员脚步信号可以看做离散的脉冲信号， 而车辆信号频率较高，可近似为连续信号。运用过零分析原理设定过零阀值，信号过零数，过零分界数。通过比较和的大小即可分辨出目标是人还是车。 员脚步震动信号图车辆振动信号滤波去噪信号处于复杂环境时， 外部环

9、境的干扰会使信号出现波动。系统要对采样的信号进行均值滤波，滤除随机干扰信号，使信号更加平滑，以便更好的还原震动目标信号。控制系统程序设计控制系统程序设计流程如图所示，系统上电对进行初始化，配置并启动北斗模块进行定位； 配置无线数传模块使其进入休眠状态；启动转换， 使能进行数据转换存储，对转换的数据进行均值滤波。当检测到采样值大于预设阀值时，说明发现目标， 此时开启定时器，计时，当定时器溢出时关闭定时 一国外电子测量技术均值滤波开启定时器计时定时器溢出 嘉计 算 过 零 点 数 唤醒无线数传模块唤醒无线数传模块发送位置和目标信息发送位置和目标信息（目标为车）（目标为人）图控制系统流程实验结果与分

10、析此试验在硬质路面进行，天气晴朗，微风，人员目标和车辆目标与传感器的距离分别为、。每组实验进行次，实验结果如表所示。通过实验可知，距离 以内时，系统有较高的正确预警率，距离增大到 时，出现一定的虚假预警但是概率很小。对比车辆和人的测试结果，相同距离下车辆目标的正确预警率高于人员目标。实验结果表明该系统有较高的可靠性。表实验测试结果结论针对现有地震动检测系统存在的缺陷，设计了基于中国科技核心期刊己口年月第卷第期口研 究与开 发地震动信号检测识别系统。实验结果表明，系统有较高的准确性，能够进行目标的定位、预警信息的远程传输。随着距离的增加，系统的预警率降低。当距离达到时， 对车辆的正确识别率为，对

11、人的识别率可达；距离增加到时，对车辆的识别率为 石云波，刘俊，王玲地面运动目标的震动信号的特性分析 传感技术学报，（）：荣少巍基于的实收实发超声波检测系统研究国外电子测量技术，（）：， 冉国栋， 梁振地震勘探仪器前放的作用及增益参数，对人的识别率为。系统结构简单、使用方便，具有较高的实际应用价值。但系统也存在一些不足，可对算法进行进一步优化，以达到更高的预警率。选择研究化工管理，（）： 郑一维，李长俊，吴讯驰，等基于的电能质量检测技术研究 国外电子测量技术，（）：参考 文献， 吴甜甜， 张云， 刘永明， 等北斗组合定位方法李秀成基于地震动传感信号的目标识别研究 无遥感学报， ，（）：线电工程，

12、（）：， 王建平，焦国太，秦栋泽，等基于地震动信号的目标李剑， 韩焱， 陈县辉一种新型地下震动传感器设计 识别科学技术与工程，（）：仪器仪表学报，（）：， 刘勇，赵河明，张亚，等地面震动信号采集及分析技李淑清基于与的光栅地震检波器的信术研究 水电能源科学，（）：，号处理国外电子测量技术， ，（）：许永峰，贺玉成，周林血压脉搏振荡波的三重软件王京伟基于地震动信号的人员定位和跟踪滤波 滤波提取算法电子测量与仪器学报，成都：西南交通大学， （）：吴学兵，刘英明，高侃干涉型光纤地震检波器研发作 者简介及效果分析 石油物探，（）：贝翠琳，杨金鹏基于光纤光栅传感的地震检波器设王杰雷，年出生，硕士研究生，主

13、要研究方向为计计量与测试技术，（）：探测制导与控制。管明波基于与机的地震动信号采集与处：理系统的研究与实现南京： 南京理工大学， （上接第页） 李云涛，陈永光， 邓云凯，等方位多通道合成孔径雷究长沙：国防科学技术大学，达数据重建方法 电子与信息学报，（）： 杨桃丽星载多通道高分辨宽测绘带合成孑径雷达成像处理技术研究西安：西安电子科技大 郜参观高分辨率宽测绘带合成孔径雷达的新体制学，研究北京：中国科学院研究生院， 刘艳阳，李真芳，索志勇，等一种星载多通道高分辨， 率宽测绘带系统通道相位偏差估计新方法 电子与信息学报，（）： ， ，：作者简 介， 徐青多通道雷达系统阵列误差校正方法研究李舆坤，年出生，硕士生，研究方向为星载方位西安：西安电子科技大学， 马喜乐，孙造宇，董臻，等方位多通道信号重多通道定标理论与技术。：建性能分析电子与信息学报，（）：洪峻，年出生，研究员，博士生导师，长期从事合， 赖涛星载多通道高分辨宽测绘带成像方法研成孑径雷达定标及定量遥感应用技术研究。究长沙：国防科学技术大学，明峰，年出生，副研究员，从事定标理论与， 马喜乐偏置相位中心多子带技术研定量化的研究。中国科技核心期刊国外电子测量技术一一