一种土质滑坡次声信号识别与野外监测的装置及方法与流程

本发明涉及土质滑坡监测测量技术领域，特别涉及一种土质滑坡次声信号识别与野外监测的装置及方法。

背景技术：

滑坡是我国分布最广泛和发生最频繁的地质灾害。其特点是具有突发性和高破坏性，严重威胁着人民生命财产安全。从坡体失稳的力学角度来看，导致滑坡发生的本质是下滑力大于抗滑力。水文参数的变化是导致滑面处力学状态变化的诱因，而位移变化则是滑面处力学状态变化导致应变发生的外部宏观表现。所以，无论是监测水文参数还是位移变化，都没有落脚到滑坡发生的本质上来，因而很难建立一个可靠的滑坡预警阈值，导致滑坡预警的准确率不高。

次声作为一种重要的监测手段在地质灾害监测预警中得到越来越广泛的应用，成为研究的热点。在土质滑坡表面或深部位移发生前，斜坡上部分岩土在重力的长期作用下发生挤压、剪切和摩擦，会释放出次声波。滑面处的非平衡力学状态会首先导致滑面发生应变而产生微变形滑动，土体属于典型的非均匀离散材料，微滑动发生的同势必伴随着滑面处颗粒间的摩擦，进而产生次声信号。依据该特性，建立次声信号监测，分析出微滑动产生次声波的规律和物理特征，包括频率和幅度。次声波具有频率低、波长长、穿透能力强、衰减慢等传播特性，次声信号能够在很远的距离外被次声传感器监测到，可实现远距离监测。

次声波可以实现区域监测，在较大区域监测滑坡，不必将设备安装在滑坡区，避免传统方法在监测区域不滑坡，附近非监测区域产生滑坡的问题。但是目前次声监测方法监测滑坡存在的问题是：由于大气中存在较多的次声干扰源，次声方法监测土质滑坡容易受到环境噪声的干扰，导致出现虚警。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术的不足，克服次声方法监测土质滑坡容易受到环境噪声的干扰，提供了一种土质滑坡次声信号识别与野外监测的装置及方法，采集地上和地下的次声信号，剔除干扰源，实现对滑坡的有效预警。

为了实现上述目的，本发明提供了一种土质滑坡次声信号识别与野外监测的装置，所述装置包括：组成阵列的若干个地上次声监测站点和一个地下次声监测站点；所述地上监测站点与地下监测站点分别与数据采集中心连接；所述地上次声监测站点包括：监测桩1、台基3、第一次声传感器4和防水盒5，所述监测桩1安装固定在地表的台基3上，所述第一次声传感器4安装在监测桩1上的防水盒中5。

作为上述装置的一种改进，所述监测桩1通过预埋件2安装固定在地表的台基3上；所述第一次声传感器4通过信号传输线路与数据采集中心连接。

作为上述装置的一种改进，所述地上次声监测站点还包括：声学导管6，所述第一次声传感器4通过声学导管6连通外面大气，所述声学导管6的末端埋入地下浅层，并使用石子堆7掩盖。

作为上述装置的一种改进，所述地上次声监测站点组成阵列为三元三角阵、四元三角阵、五元中心阵、五边形阵或六元中心阵。

作为上述装置的一种改进，所述地下次声监测站点包括：地下声学管道9，若干个沿着地下声学管道9长度方向的进声孔10和第二次声传感器8，所述第二次声传感器8设置在地下声学管道9的上端伸出地面处，所述第二次声传感器8通过信号传输线路与数据采集中心联接。

基于上述装置实现的一种土质滑坡次声信号识别和野外监测方法，所述方法包括：

步骤1)数据采集中心对地上次声监测站点的第一次声传感器4发送的数据进行联合，得到联合次声信号；

步骤2)对联合次声信号进行多通道相关分析，消除大气环境中的干扰次声源；

步骤3)对消除干扰次声源的联合次声信号通过时延估计方法和几何定位方法进行处理，计算出信号的方位角，并对方位角进行统计分析，初步判断是否为滑坡信号，如果是，转入步骤4)，否则，转入步骤1)；

步骤4)对联合次声信号进行信号分析，分析其频谱、时频、能量变化和小波分析，找出联合次声信号的主频率；并提取信号的特征量；

步骤5)基于滑坡次声信号的特征库，根据联合次声信号的主频率和特征量，进一步确定联合次声信号是否为滑坡信号，如果是，转入步骤6)，否则，转入步骤1)；

步骤6)将联合次声信号与数据采集中心采集的第二次声传感器8的信号进行相关性分析；如果两个信号是相关的，则确定是滑坡信号，发布滑坡预警信号。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、本发明的方法通过建立次声传感器阵列和使用阵列技术，能够定位出次声源的位置，确定出滑坡发生的确切地点；

2、在土质滑坡表面或深部位移发生前，斜坡上部分岩土在重力的长期作用下发生挤压、剪切和摩擦，会释放出次声波，本发明的方法可以在滑坡前较早阶段监测到与滑坡相关联的次声异常信号，提前预警；

3、本发明采用地表和地下联合监测方法，剔除环境中次声源的干扰，提高滑坡次声信号的检测能力；

4、本发明地表次声传感器接入声学导管并且末端采用石子等多孔介质铺设，消除环境中风的影响，获得更好的信号；

5、本发明采用地下管道并且沿管道长度方向开孔方式，接收地下滑面产生的次声波信号，由于管道传播衰减小，可以获得更好的地下次声波信号；

6、本发明的方法建立滑坡微滑动产生次声波的规律和物理特征，如频率和幅度等，落脚到滑坡发生的本质上来，可建立一个可靠的滑坡预警阈值，提高滑坡预警的准确率；

7、本发明的装置建设成本低、监测范围广、容易安装，因而整套监测方法现场适应性强，应用广泛。

附图说明

图1是本发明的地上次声监测站点的结构示意图；

图2是本发明的声学导管的安装示意图；

图3是次声传感器阵列多种阵形和不同传感器数目的示意图(从左到右分别是三元三角阵，四元三角阵，四元正方阵，五元中心阵，五边形阵，六元中心阵)；

图4是地上次声监测站点的结构示意图；

图5是建立滑坡模型实验示意图；

图6是模型滑坡实验信号波形图；

图7是模型滑坡实验信号频谱图；

图8是多次实验统计分析主频的频率范围的示意图。

附图标识：

1、监测桩2、预埋件3、台基4、第一次声传感器

5、防水盒6、声学导管7、石子堆8、第二次声传感器

9、地下声学管道10、进声孔

具体实施方式

本发明的技术原理如下：

其一，次声波具有频率低、波长长、穿透能力强、衰减慢等传播特性，次声信号能够在很远的距离外被次声传感器监测到，可实现远距离监测。因此，次声波可以实现区域监测，将次声波传感器布设在较大滑坡区域，可以监测到多个滑坡事件。

其二，采用次声传感器阵列技术，利用多通道信号信息，进行相关分析和融合处理，具有强的环境噪声干扰能力，能够定位出次声源的位置，确定出滑坡发生的确切地点。

其三，本发明采用地下管道并且沿管道长度方向开孔方式，接收地下滑面产生的次声波信号，由于管道传播衰减小，可以获得更好的地下次声波信号，并且与地表传感器进行相关分析，两者来源于不同介质传播来胡次声波，但来源于同一次声源。通过对两者的相关分析，可以滤作环境噪声的干扰，互相验证，提高滑坡次声信号检测正确率，减小虚警率。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示，一种土质滑坡次声信号识别与野外监测的装置，所述装置包括：若干个组成阵列的地上次声监测站点和地下次声监测站点；地上监测站点与地下监测站点分别与数据采集中心连接。

所述地上次声监测站点包括：监测桩1、台基3、第一次声传感器4、防水盒5和声学导管6，监测桩1通过预埋件2安装固定在地表的台基3上，第一次声传感器4安装在监测桩1上的防水盒中5，第一次声传感器4分别通过信号传输线路与数据采集中心联接。

如图2所示，所述第一次声传感器4通过一段声学导管6连通外面大气，在空气导管末端埋入地下浅层，开口处使用石子堆7掩盖。石子堆7作为多孔介质，有利于减小风噪声的影响。

如图3所示，多个地上次声监测站点组成阵列，可以是多种阵形，不同数目的次声传感器组成，通过阵列技术对滑坡次声源定位。所述地上次声监测站点组成阵列为三元三角阵、四元三角阵、五元中心阵、五边形阵或六元中心阵

如图4所示，所述地下次声监测站点包括：通过地下钻探往地下打穿滑面到基岩的孔，埋入地下的地下声学管道9，并且沿着管长度方向打有若干个微小的进声孔10，地下声学管道9的上端伸出地面连接第二次声传感器8，第二次声传感器8接收到来自于地下的次声信号，第二次声传感器8通过信号传输线路与数据采集中心联接。

基于上述装置，本发明还提供了一种土质滑坡次声信号识别和监测方法，所述方法包括：

步骤1)数据采集中心对地上多个地上次声监测站点的第一次声传感器4发送的数据进行联合，得到联合次声信号；

步骤2)对联合次声信号进行多通道相关分析，消除大气环境中的干扰次声源；

步骤3)对消除干扰次声源的联合次声信号通过时延估计方法和几何定位方法进行处理，计算出信号的方位角，并对方位角进行统计分析，初步判断是否为滑坡信号，如果是，转入步骤4)，否则，转入步骤1)；

步骤4)对联合次声信号进行信号分析，分析其频谱、时频、能量变化和小波分析，找出联合次声信号的主频率；并提取信号的特征量；

步骤5)基于滑坡次声信号的特征库，根据联合次声信号的主频率和特征量，进一步确定联合次声信号是否为滑坡信号，如果是，转入步骤6)，否则，转入步骤1)；

步骤6)将联合次声信号与数据采集中心采集的第二次声传感器8的信号进行相关性分析；如果两个信号是相关的，则确定是滑坡信号，发布滑坡预警信号。

根据滑坡次声信号出于同一源的特点，地面次声监测站接收的信号应与地下接收的信号相关，但噪声是不相关的，再进行进一步相关确认分析，最终判断是否是滑坡次声信号。

通过在地表上建立多个次声传感器监测桩站点，形成一个次声阵列，通过阵列信号处理方法和多通道相关算法和频谱分析方法，减少环境噪声的干扰，提高对土质滑坡典型次声波检测能力。通过对接收大气中次声的地表次声传感器与接收地下次声波的次声传感器相关处理，可以剔除大气中次声干扰源的影响。由于次声在地下管道传播衰减小，且外面的环境中的干扰源很难进入，因此有较好信噪比。在地表上，更容易建立针对土质滑坡的次声阵列。通过两者结合，能有效消除干扰源的影响，实现对滑坡事件的有效监测。

下面采用本发明的装置和方法开展监测滑坡模型实验：

实验采用人工的方式模拟土质滑坡，实验模型如图5所示，图中水泥台作为基础，上表面设有凹槽，将黏土填入凹槽中，高出水泥台平面的部分用模具堆积成斜坡形，并将所有黏土夯紧压实，使之成为一体。刚性导管起到传导声波的作用，一端与传感器相连，另一端预埋在坡体上部并压实固定用以采集次声信号。传感器与数据采集传输仪通过信号线相连。

实验时，由千斤顶推动推板将力均匀地作用在滑体上，用以模拟滑坡产生时滑体自身重力沿滑移方向的分力，缓慢施加推力直至滑体发生整体滑移为止，水泥台的上表面即为滑坡滑移面。此过程中产生的信号由传感器获取，并通过数据采集传输仪采样后上传给上位机处理分析。图6是模型滑坡实验信号波形图。图7是模型滑坡实验信号频谱图。进行了30组实验，采集到137个频率成份统计分析，滑坡次声信号的主要频率成分呈正态分布，主要频率1-3hz，如图8所示。

对滑坡模型实验产生次声信号数据分析可知，次声信号的主要频率能量集中，处于稳定的频率范围内，由此可以实现利用次声技术对土质滑坡进行监测预警。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。