115基于DTR技术的山体滑坡监测系统设计_朱超平

第25卷第1期

Vol . 25　No . 1重庆工商大学学报(自然科学版) J Chongqing Technol Business Univ . (Nat Sci Ed ) 2008年2月Feb . 2008　　文章编号:1672-058X (2008) 01-0046-04

基于DT R 技术的山体滑坡监测系统设计

朱超平, 林吉海

(重庆工商大学摘　要:, DTR 技术的山体滑坡检测

监视系统; , 向同轴电缆发送测试电磁脉冲, , 就会产生电磁波, 通过测量反射电磁波的传输时间, 即山体内部结构变化的地方, 及时掌握山体的运动情况。

关键词:滑坡; T DR; 嵌入式系统

中图分类号:O 471. 3　　　　文献标识码:A

每年汛期, 特别容易发生山体滑坡等自然灾害, 尤其是山区和河谷地带。为了防患于未然, 必须对滑坡进行监测, 实现滑坡危害的早期预报, 尽力减少人员伤亡和财产损失。目前, 滑坡监测主要靠人工监测, 依靠经验丰富的技术人员在可能发生滑坡的现场进行实地观测, 这是一种较原始的定性监测方法。为了能对尚处于初始变形阶段和稳定变形阶段的滑坡进行监测, 必须借助于多种先进的技术设备。时间域反射测试技术T DR (Ti m e Domain Reflect ometry ) 是一种电子测量技术, 近年来一直被用于各种物体形态特征的测量和空间定位。在美国, 研究人员开始将时间域反射测试技术用于滑坡等地质灾害变形监测,

[1]针对岩石和土体滑坡曾经作过许多的试验研究。T DR 技术的应用研究已经引起研究人员的广泛关注

[2]和政府部门的极大重视, 在国内这方面的研究正在开展和进行。

1　T DR 监测系统的理论分析

1. 1　单一特性阻抗同轴电缆中电磁波的传播

当T DR 测试系统中同轴电缆的阻抗未发生变化时, 电磁波

在其中的传播将不发生反射与透射, 而电压信号和电流信号将有

衰减和相位变化, 定义单一特性阻抗同轴电缆中的传播函数为:

-γ(f ) x -a (f ) x -βj (f ) x (1) H (f, x ) =e =e e 图1　单一特性阻抗同轴电

则当初始电压信号V 0(f ) 经L 长的传播距离后, 如图1所示, 缆中电磁波的传播

该电压信号可表示为:

-a (f ) L -βj (f ) L (2) V L =V 0(f ) H (f, L ) =V 0(f ) e e

1. 2　同轴电缆阻抗变化面处电磁波的反射与透射

当T DR 测试系统中同轴电缆受到剪切或拉伸作用时, 受力区域几何特性的改变将引起该区域同轴电缆特性阻抗的变化, 电磁波在其中的传播将发生反射与透射。同样在不同特性阻抗的同轴电缆结合处, 电磁波也会发生反射与透射。如图2所示, 截面A -A 为特性阻抗分别为Z 0和Z 1的两同轴电缆的交界面, V 0、V r 和V t 分别为入射电压、反射电压和透射电压, 根据相关理论推导则有:

(3) ρ=V r /V0=(Z 1-Z 0) /(Z 1+Z 0) V

收稿日期:2007-07-20; 修回日期:2007-09-24。

作者简介:朱超平(1977-) , 男, 重庆市人, 硕士, 讲师, 从事嵌入式系统与应用研究。

第1期　　　　　　　　　　　　　朱超平, 等:基于DT R 技术的山体滑坡监测系统设计47

(4) τ=V t /V0=2Z 1/(Z 1+Z 0) V

其中电压反射系数ρV (简称反射系数) 是定量分

析剪切面处同轴电缆剪切变形的关键。且由式(3) 可

得, 当Z 1=∞, 即同轴电缆末端为开路时, 末端截面

ρρ==1(在此定义反射系数的单位为ρ, 则ρV V =1

ρ=1000mp ) ; 当Z 1=0, 即末端为短路时, ρV =-1

-1000mp ; 当Z 1=Z 0时, ρV =0, 即同轴电缆阻抗

图不变时, 不发生反射; 当Z 1>Z 0时, ρV >0, 即同轴电

缆连接于阻抗大于自身的另一根同轴电缆时, 反射

系数为正; 当Z 1

一个复杂的过程, 以下的分析先从最简单的情况开

始。

如图3所示长度为L, 阻抗为Z 1的同轴电缆, 传播函数

为H (f, L ) , 信号接入阻抗(仪器阻抗) 为Z 0, 末端负载

阻抗为Z 2。其中在末端负载阻抗处电磁波只发生反图3　实际同轴电缆示意图

射, 将整个系统划分成3个区域, 电脉冲由区域0处发

射, 并在3个区域之中发生反射和透射, 其中反射系数和透射系数的下标定义如下:下标第1个数字代表脉冲起始区域; 第2个数字代表脉冲目的区域; 第3个数字代表脉冲到达区域, 如ρ010:表示由区域0向区域1传播的脉冲反射回区域0时的反射系数。根据式(1) (3) (4) , 并且脉冲在同轴电缆内部反复反射、透射(其中V 0(f ) 为入射电压信号, V r (f ) 为全反射电压信号) 。可见, 电磁波在该系统中的反射与透射是一个无限的过程, 对于多阻抗变化面的T DR 测试系统而言, 电磁波在其中的反射与透射也正是一个无限的过程。

ρ(5) 010=-ρ101=ρ1(f )

ρ(6) 121=ρ2(f )

τ(7) 100=1-ρ1(f )

τ(8) 011=1+ρ1(f )

根据反馈系统理论, 该系统可以简化为一系统函数:

ρn (f ) +ρn +(f ) H (f, 2L n ) Ψn (f ) =(9) () ρ() () 1+ρf f H f, 2L n n +1n 全反射电压信号V r (f ) =Ψ(f ) V 0(f ) , 由此可得到电磁波在此测试系统中的传播特性及其发射系数ρV =V V 0, 对于非均匀的同轴电缆, 可将其等效为由n 段不同特性阻抗的同轴电缆连接而成, 此时T DR 测试

系统的计算模型可由上述简单情况的模型递推而得。将第n 段同轴电缆与末端负载阻抗看作一个反射单元, 由式(9) 可得该反射单元反射函数为:

ρi (f ) +Ψi+1(f ) H (f, 2L i ) Ψi (f ) =(10) 1+ρi (f ) Ψi+1(f ) H (f, 2L i )

因此, 可把由n 段不同阻抗的同轴电缆组成的传输系统简化为n -1段不同阻抗的同轴电缆组成的传输系统, 其中ρn 将用Ψn (f ) 来代替, 以此类推, 第i 段反射单元的反射函数为:

ρi (f ) +Ψi+1(f ) H (f, 2L i ) Ψi (f ) =(11) 1+ρi (f ) Ψi+1(f ) H (f, 2L i )

按此递推关系式, 最终可得非均匀同轴电缆T DR 测试系统的系统函数Ψ(f ) =Ψ1(f ) , 从而求该系统的反射系数。

48重庆工商大学学报(自然科学版) 　　　　　　　　　　　　　　　第25卷2　宽频电磁波分析理论

由于T DR 测试仪所激发的电脉冲是时域宽频信号, 而前述波动方程及其解是以频域为基础的, 因此计算时先要将T DR 测试仪激发的时域信号变换为频域信号, 时域中的信号x (r ) 可以通过傅立叶变换转换成频域中的信号X (f ) :

X (f ) =∫-∞+∞x (t ) e πt -j 2d f (12)

因此, 对于任意时域信号, 总可得到相应的频域信号, 分析其传播、反射和透射。当要得到经传播就需要运用傅立叶反变换。假设

, :经传播、(f ) =x ′∫-∞+∞X (f ) e πt -j 2d f (13)

(t ) 便是真正的经传播、x ′反射和透射后的时域T DR 信号。

3　监测系统硬件、软件设计

为了能够快速地检测到山体是否发生移动、或者即将要滑坡, 系统使用I ntelPXA255作为主CP U ,

[4, 5]该CP U 符合工业产品应用标准, 符合工业上倡导的M I SP /MV性能, 如图4所示。PXA255是一个32

位处理器, 内核采用ARM 3Versi on5TE 型指令结构, 其中T 指Thu mb 指令集, E (DSP -Enhance ) 指加强的DSP 指令集, 能进行整数和浮点数处理。PXA255工作电压是1. 3V , 功耗更小, 节约了电能。采用0. 18μm 制造工艺, 是一块面积为17mm ×l7mm 、256脚的芯片。PXA255是一个高性能、低价格、低能耗的R I SC 处理器。使用I ntel 公司的TE28F128J3C150作为boot 的Flash 。采用两片TE28F128J3C150构成共32MByte 的32位存储空间, 同时也用作装载操作系统镜像以及大容量的数据存储; S DRAM 被用来运行操作系统以及各类数据的缓存; 由于Flash 存储器的空间有限, 可以通过外接CF 卡来扩展容量; 并采用LCD 显示器和触摸屏来进行人机交互。

系统软件包含4个功能模块, 分别是:数据采集/存储模块, 实时数据分析模块, 数据传输模块, 系统管理模块, 应用软件结构如图5所示。数据采集/存储模块通过US B 接口控制HL8200US B 采集数据, 把数据保存在CF 卡里供分析用, 或者可以通RS232传送给PC 机。PC 机对采集到的数据进一步加工并做出T DR 分析波图。系统管理模块是一个系统具备人机对话的最基本的模块, 系统管理模块中包括系统设置、存储管理和电源管理3个部分。系统设置包括时钟设置、语言设置和数据存储路径设置。存储管理主要对存在的无效数据进行删除、查看剩余存储空间和整理存储数据。电源管理部分包括查看电池使用情况、关机方式等

。[3]

第1期　　　　　　　　　　　　　朱超平, 等:基于DT R 技术的山体滑坡监测系统设计494　实验例证与结论

通过对几个系统模块的

联机调试, 对设备进行了现

场测试, 测试的部分结果摘

要如图6所示。从实际应用

工程出发, 分析了电磁波在

同轴电缆的中传输过程, 及

其计算模型, 结合嵌入式系

统开发技术, 用山体滑坡的安系

统, , 该

系统可以测量山体内部结构

的变化, 对探索预防山体滑

坡将起到积极作用。图6　同轴电缆未剪切和剪切位移6mm 的T DR 波形图

参考文献:

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Analysis of the design in landslide monitoring syste m based on DTR technique

ZHU Chao -p ing, L I N J i -hai

(School of Computer Science and I nfor mati on Engineering, Chongqing Technol ogy and Business

University, Chongqing 400067, China )

Abstract:Landslide brings big l oss t o the peop le . This paper holds landslide monit oring syste m based on DTR technique . W hen coaxial cable has structural dist orti on, its characteristic resistance will change and deliver testing electr omagnetic pulse t o coaxial cable . W hen testing pulse meets the change of the characteristic resist 2ance of the cable, electr omagnetic waves are p r oduced, testing the reflecti on ti m e of the electr omagnetic waves can reveal the l ocati on of the change of resistance, which is the p lace of inner structural change in a mountain, s o that the move ment conditi on of a mountain can be inf or med .

Keywords:landslide; T DR; e mbedded syste m

责任编辑:代晓红