基于微震監測技術的地下田野文物監控系統設計與實現

我國歷史悠久，古墓葬、地下遺址等地下田野文物資源豐富。我國地下田野文物監管的現狀是：地下田野文物分布點多、線長、面廣，且所處位置大都較為偏僻，交通不便，地下田野文物管理人員數量少，巡查難度大，監管技術落后。這給不法分子盜竊文物等違法行為以可乘之機，盜竊行為時有發生。針對這種現狀，本文利用微震監測技術實現了對地下田野文物保護系統的設計。通過在目標區域建立監控系統，完成對震動信號的采集、分析、判別，判斷是否有盜掘行為的發生，實現對田野文物監控的目的。微震監測技術是微地震研究的一個應用領域，本設計是微震監測技術在文物監控領域的一個應用。
1 系統設計總體概述
系統包含檢波監測網、調理電路、工業控制計算機三部分，如圖1所示。其中，檢波監測網采集人為活動產生的震動參數，并可多節點定位，調理電路完成對原始信號的放大、變換、濾波等處理，信號采集PCI卡通過工控機的PCI插槽完成對工業控制計算機的數據傳輸，數據經工業控制計算機軟件分析、處理、判別后做出識別，通過有線或者無線網絡向遠程控制中心發出報警信號，遠程控制中心收到報警，采取相應措施。

2 系統硬件設計
2.1 檢波監測網
檢波監測點對目標區域實行監控，實質是監測目標區域內的各種震動信號。
檢波監測網由N個檢波監測點組成，檢波監測點的個數可根據實際需要自行設定。本設計采用HK20DX-10S系列地震檢波器作為檢波監測設備。該系列地震檢波器采用引線簧結構，具有體積小、重量輕、假頻高、耦合好等特點。該系列檢波器適合沼澤、淺海、丘陵、山地、戈壁等不同地表環境的工作。其技術指標如下：自然頻率10±5%，開路阻尼系數0.3，閉路阻尼系數(并1 kΩ)0.7±5%，開路靈敏度0.28 V/（cm·s-1），閉路靈敏度（并1 kΩ）0.2±5%，線圈電阻395±5% Ω，并聯電阻后直流電阻（并1 kΩ）283±5% Ω，失真度≤0.2%，假頻≥400 Hz，懸體質量11 g，最大位移（P-P）1.5 mm，允許傾斜角度＜10°。
該系列地震檢波器假頻大于400 Hz，具有很強的抗橫向干擾能力，大幅度提高了檢波器的通頻帶寬度及信噪比。采用引線簧焊接導電結構，保證檢波器的高可靠性。檢波器體積小，易于埋置，與大地的耦合性好，抗干擾能力強，有效提高了檢波器的分辨率和信噪比。
2.2 調理電路
調理電路對地震檢波器采集到的電壓信號進行濾波、放大，調整成適合工業控制計算機處理的信號，其單路設計如圖2所示。

IN端是地震檢波器信號采集端，OUT端是工業控制計算機端，R00、R01、C01可以根據濾波、放大需要進行相應設計，調理電路路數可以根據實際需要進行設計。
2.3 工業控制計算機
本設計采用的工業計算機包括工業控制計算機核心、高速模擬量數據采集卡、網絡模塊等部分，系統框圖如圖1所示。
2.3.1 工業控制計算機核心
本設計采用GT-6355工業控制計算機，英特爾凌動230處理器，主頻1.6 GHz，主板采用英特爾945GC+ICH7芯片組，雙通道內存接口，最多支持4 GB的DDR2 533/677 MHz內存，顯示卡采用英特爾GMA950圖形媒體加速器，最大共享內存224 MB，1個英特爾82573L PCI-E千兆網絡控制器，2個SATA硬盤接口，1個RS-232接口，1個RS-232/422/485接口，6個USB2.0接口，PICMG1.0總線，支持PCI及ISA擴展設備，含PCI擴展單槽。該工業控制計算機性能穩定、資源豐富、使用方便，且能適應惡劣環境。
2.3.2 高速模擬量數據采集卡
本設計采用PCI-1713型高速模擬量數據輸入卡。該卡是一款PCI總線的隔離高速模擬量輸入卡，提供32路差分模擬量輸入或者組合輸入通道，每個輸入通道的增益可編程控制，可對不同通道使用不同增益，并采用單端和差分輸入的不同組合方式來完成多通道采樣。模擬量輸入范圍為：雙極性時，±0.625 V，±1.25 V，±2.5 V，±5 V，±10 V；單極性時，0~1.25 V，0~2.5 V，0~5 V，0~10 V，最大輸入過載電壓±30 V；A/D轉換器的采樣頻率可達100 kS/s、分辨率為12 bit；帶有一個4 KB采樣FIFO緩沖器，該特性提供了Windows下連續高速數據傳輸的可靠性；2 500 V(DC)的直流隔離保護，用于保護PC及外設免受輸入線上高壓電的損害；支持軟件內部定時器觸發或外部定時觸發；工作溫度-20 ℃~+70 ℃，能適應戶外工作要求。
數據采集過程如圖3所示。

3 系統軟件設計
軟件系統采用Windows XP作為操作系統平臺，符合用戶的操作習慣。應用軟件采用微軟公司的開發工具Visual Studio 2005進行設計開發。