基于微震監(jiān)測技術的地下田野文物監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

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(jiān)管的現(xiàn)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(shù)量少，巡查難度大，監(jiān)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(fā)生。針對這種現(xiàn)狀，本文利用微震監(jiān)測技術實現(xiàn)了對地下田野文物保護系統(tǒng)的設計。通過在目標區(qū)域建立監(jiān)控系統(tǒng)，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(fā)生，實現(xiàn)對田野文物監(jiān)控的目的。微震監(jiān)測技術是微地震研究的一個應用領域，本設計是微震監(jiān)測技術在文物監(jiān)控領域的一個應用。
1 系統(tǒng)設計總體概述
系統(tǒng)包含檢波監(jiān)測網、調理電路、工業(yè)控制計算機三部分，如圖1所示。其中，檢波監(jiān)測網采集人為活動產生的震動參數(shù)，并可多節(jié)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(yè)控制計算機的數(shù)據傳輸，數(shù)據經工業(yè)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(fā)出報警信號，遠程控制中心收到報警，采取相應措施。

2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 檢波監(jiān)測網
檢波監(jiān)測點對目標區(qū)域實行監(jiān)控，實質是監(jiān)測目標區(qū)域內的各種震動信號。
檢波監(jiān)測網由N個檢波監(jiān)測點組成，檢波監(jiān)測點的個數(shù)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(jiān)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(huán)境的工作。其技術指標如下：自然頻率10±5%，開路阻尼系數(shù)0.3，閉路阻尼系數(shù)(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(lián)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(yè)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(yè)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(shù)可以根據實際需要進行設計。
2.3 工業(yè)控制計算機
本設計采用的工業(yè)計算機包括工業(yè)控制計算機核心、高速模擬量數(shù)據采集卡、網絡模塊等部分，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2.3.1 工業(yè)控制計算機核心
本設計采用GT-6355工業(yè)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(yè)控制計算機性能穩(wěn)定、資源豐富、使用方便，且能適應惡劣環(huán)境。
2.3.2 高速模擬量數(shù)據采集卡
本設計采用PCI-1713型高速模擬量數(shù)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(xù)高速數(shù)據傳輸?shù)目煽啃裕? 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(fā)或外部定時觸發(fā)；工作溫度-20 ℃~+70 ℃，能適應戶外工作要求。
數(shù)據采集過程如圖3所示。

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