南京理工地面运动目标地震动信号的模拟技术研究
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南京理工地面运动目标地震动信号的模拟技术研究,毕业设计论文
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硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 I摘 要 本文主要研究了地面运动目标地震动信号的模拟技术。针对三种典型战场地面运动目标（人员、车辆、坦克）引起的地震动信号，实现实验室振动台的波形再现。其主要内容分为三大部分，即上位机串行通信软件部分，振动台驱动电路部分，振动台数据采集电路部分。 文中首先对地面运动目标引起的地震动信号和振动台的随机振动作了分析，分析表明振动台实验系统准确再现地震动信号须要求两个随机振动统计特性相同；接着，介绍了串行通信并实现了上位机串行通信软件的编制；结合上位机软件设计了下位机接收、数模转换控制的振动台驱动电路，并对功 率放大器，振动台作了详细的分析；最后，基于振动台设计了数据采集系统，实现了采集与传输、过零点算法的识别功能。 关键词：地震动信号，振动台，串行通信，单片机 nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 IIAbstract The simulation technology of the Seismic signals which by a target of military interest moving on the ground is mainly discussed in the article. In allusion to three types of representative moving targets, we realize the wave recurrence of vibration test instrument in the laboratory. It consists of three parts, which are serial communication software on PC, the drive circuit of vibration test instrument, the data acquisition system based on vibration instrument. In this article, the Seismic signals and the random vibration processes of vibration instrument, has been analyzed firstly. On the base of this theory, we deduce that the vibration test instrument recur Seismic signals exactly in the laboratory, which need they have a similar statistical characteristic of random vibration. Secondly, we introduce serial communication and program serial communication software. Base on the software, we design receive and digital to analogy circuit which drive vibration instrument, and analyze the structure and principle of power amplifier and vibration instrument in detail. Finally, we design data acquisition system based on vibration instrument, which realize data acquisition and transfers, and target identification based on zero-crossing arithmetic. Keywords: seismic signals, vibration instrument, serial communication, MCU nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 III目 录 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 地震动信号模拟振动台技术发展背景 . 2 1.3 地震动信号模拟实验平台简介 . 3 1.4 本文的主要工作 . 4 本章小结 . 5 2 地震动信号与振动信号分析 . 6 2.1 地面运动目标地震动信号 . 6 2.1.1 地震波分类及其传播特性 . 6 2.1.2 瑞雷波 . 7 2.1.3 地面运动目标地震动信号采集 . 8 2.2 振动台振动信号 . 9 2.2.1 随机振动信号统计特性分析 . 9 2.2.2 随机振动控制 . 11 2.2.3 随机振动信号采集 . 13 本章小节 . 14 3 上位机的串行通信实现 . 15 3.1 串行数据通信 . 15 3.1.1 基本概念 . 15 3.1.2 串行通信接口 . 15 3.1.3 串行通信协议 . 16 3.2 串行通信软件实现 . 16 3.2.1 串行通信软件的总体结构 . 16 3.2.2 串行通信关键技术 . 17 3.2.3 软件实现 . 18 本章小结： . 20 4 振动台驱动电路软硬件设计 . 21 4.1 系统设计概要 . 21 4.1.1 系统设计流程 . 21 4.1.2 系统设计描述 . 22 4.2 PC 机与下位机通信接口电路 . 23 nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 IV4.2.1 PC 机串行接口 . 23 4.2.2 电平转换芯片 . 24 4.2.3 AT89C51 单片机 . 24 4.2.4 AT89C51 串行通信的时钟配置 . 25 4.3 数模转换电路设计 . 26 4.3.1 D/A 转换器的选型 . 26 4.3.2 AT89C51 与 MAX530 接口电路 . 27 4.3.3 信号的低通滤波 . 28 4.4 系统外围电路设计 . 30 4.4.1 系统电源设计 . 30 4.4.2 系统时钟电路及复位电路 . 30 4.5 电路板制作 . 31 4.5.1 PCB 设计 . 31 4.5.2 电源线和地线设计 . 32 4.6 系统软件设计 . 33 4.6.1 串行通信部分 . 33 4.6.2 D/A 转换部分 . 35 4.6.3 软件抗干扰部分 . 37 4.6.4 下位机程序的总体设计 . 38 4.7 功率放大器 . 38 4.8 振动台 . 40 本章小结： . 42 5. 基于振动台的数据采集系统的设计 . 43 5.1 系统设计 . 43 5.1.1 硬件部分 . 43 5.1.2 软件算法部分 . 44 5.2 测振传感器选型 . 44 5.3 信号调理电路 . 46 5.4 模数转换电路 . 47 5.4.1 A/D 转换器选型 . 47 5.4.2 具有 ISP 功能的 AT89S8252 . 48 5.4.2.1 AT89S8252 的结构功能 . 48 5.4.2.2 ISP 编程 . 49 5.4.3 AT89S8252 与 MAX191 接口设计 . 49 nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 V5.4.4 AT89S8252 与上位机接口 . 51 5.5 数据采集系统的外围电路设计 . 51 5.6 数据采集与传输的软件设计 . 52 5.6.1 数字滤波部分 . 53 5.6.2 数据采集部分 . 55 5.6.3 程序总体设计 . 56 5.7 过零点识别算法 . 57 5.7.1 过零点识别算法介绍 . 58 5.7.2 人员、车辆信号的过零数分析 . 58 5.7.3 过零识别算法实现 . 60 本章小结 . 61 6. 课题前景展望 . 62 6.1 引言 . 62 6.2 上位机软件的改进 . 62 6.3 反馈控制部分 . 62 6.4 硬件部分 . 63 6.5 系统扩展 . 63 本章小结 . 63 结 束 语 . 64 致 谢 . 65 参 考 文 献 . 66 nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 11 绪论 1.1 引言 现代战争已不是传统意义上的作战，而是高科技的、信息化的战争。传统的枪炮、飞机、坦克、军舰、导弹这些有形的“硬性”杀伤武器不能保证战争的胜利。而要在战争中取得主导地位，赢得战争的胜利，还必须掌握敌方的各种情报这个软性杀伤武器。正如拿破仑所说那样，战争的胜负 90取决于信息。现代战争中，敌对双方将紧紧围绕战场的“透明度”展开角逐，以此捕捉战机、创造战机和把握战机 2 。 从古到今，通过准确获取敌方军事情报而取得战争胜利的战例不胜枚举。如1942 年中途岛大海战中，美军设在珍珠港的情报机构截收和破译了日军的两份电报。从而得知日军的意图，美军很快作了相应的兵力部署。结果，美军以极少代价，炸沉了日军的四艘航空母舰和一艘巡洋舰，而且击毁了日军海军航空队的332 架飞机。战后，美国太平洋舰队的司令官说：“中途岛作战本质是情报的胜利。”由此可见，信息侦察在现代战争中所占据的重要地位 1 。 随着现代科学技术 的不断发展，战场信息侦察也正向立体化、精确化、实时化、综合化方向发展。从信息侦察技术的发展轨迹来看，冷兵器时代的情报是分散产生，数量有限，侦察手段少，战争取胜主要靠指挥员的应变能力。热兵器时代情报比较集中，数量大，精确度提高，侦察手段多，地面、海上、空中、太空各种侦察设备组成一个联动化的有机整体 2 。 早期的侦察手段局限于侦察兵和特工情报人员进行侦察搜索敌方情报，获取的信息量相对较少；现代高科技的信息侦察使用电子侦察设备和光电侦察设备，利用地面侦察站、海上侦察船、空 中侦察飞机、太空侦察卫星等手段，全面详细地查明敌方军事电子装备和武器系统的部署位置、数量、类型、技术性能参数以及军队的部署与调动和军事企图等重要军事情报。若使用侦察兵或特工人员则无法完成这些任务，而使用现代信息侦察手段，其侦察范围广泛，可覆盖敌方整个战区和后方，迅速获得可靠的军事情报，为作战计划和作战行动提供可靠的依据，在战争中会达到“知已知彼，百战不殆”的目的。 在陆海空天四维空间侦察中，地面侦察是不可或缺的一维。这是因为地面侦察在复杂的地形物理条件下甚至是严密伪装的情况下仍能充分发挥其作用，而这正是光学 侦察、无线电侦察和雷达侦察的盲区。人员、装备等在地面上运动时，必然会发出声响、引起地面震动、使红外辐射发生变化，携带武器的人员或装备nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 2还会引起电场、磁场的变化。地面传感器即可通过探测这些物理量的变化来发现与识别运动目标 3 。本课题将围绕地面侦察技术进行，把地面运动目标的地震动信号作为研究对象，在实验室中重现地面运动目标引起的地震动信号。该平台的研究，可加快地面运动目标探测识别技术的研究进程，可以在实验室通过以前采集到的数据随时模拟出运动目标的地震动信号情况，以供研究； 同时在军事学科教学当中，为同学们提供了一个完整的、半实物的地面运动目标地震动的仿真实验平台，使得教学更加直观、生动。 1.2地震动信号模拟振动台技术发展背景 131210 为了满足各种实验研究和教学需求，各行各业都设计了适合自己专业特色的实验仿真平台。其中用于地震动信号模拟的仿真实验平台国内外的研究机构也有一些相应的研究开发。 地震动信号模拟实验平台的研究应用非常广。在地震工程、建筑工程、交通工程等领域，地震动信号模拟振动台都是重要试验设备之一。在各种结构模型的抗震试验和重要 设备的抗震性能考核试验中，地震动信号模拟振动台可以按照人们的需要，或者模拟地震波的再现，或者进行某种特定的振动，而被试验的结构和设备的反应，经相似换算后，可以作为原型在真实地震下的反应。 自 1966年日本建成世界上第一台正弦波振动台以来，经过 30年的发展，目前世界上已经建成了不少的振动台。 1971 年前研制的振动台均为单自由度 (单轴向 )运动系统。 1971 年后开始研制双轴向运动的系统。 1978年后，开始研制 3轴向和 6自由度系统。到 80年代中期后， 3轴 6自由度地震模拟振动台系统已较为普遍，原来是单轴和双轴的系统 也开始向 3轴 6 自由度系统进行改造完善。 在控制方式上， 1972 年以前均采用位移控制，以后逐渐发展到位移、速度和加速度的三参量反馈控制系统，拓宽了系统的使用频带，提高了系统的稳定性。 在国内，于 1996 年 8 月由中国地震局工程力学所研制成功的大型地震动模拟振动台，是我国自行研制的最大的三向地震模拟振动台，于 1997 年 5 月通过国家鉴定。 对于振动台控制系统的研究，一般需解决的两个问题：一是使试验台响应信号尽可能地接近振动台的驱动信号；二是保证计算机能够正确记录下所有传感器及振动台在试验过程中的振动信号。 在国外， 这方面的研究比较多，如：美国 SD 公司，研制开发的 美洲豹振动控制仪系列是一种多通道的数字信号处理器，它能高速获得数据，高速分析和高速产生输出信号。具有振动控制程序（如随机、正弦或冲击）的美洲豹 VCS 提nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 3供了数字式实时闭环振动台控制，诸如产品试验 、 设计品质认定 、 可靠性试验应用 、 原件定义 、 模拟正弦的闭环控制和振动台系统的瞬间励磁。 在国内，由泰司电子公司研制的 ZHT-1 型综合实验平台，如图 1.1所示。 图 1.1 ZHT-1型综合实验平台 这是一套综合实验平台的产品 ，配有相应的应用软件，功能较强大。可以实现简谐振动振幅、频率的测量；机械振动固有频率测量；二自由度及多自由度系统的固有频率和主振频率型测量；振动信号的 FFT 分析等等功能。该平台由压电加速度计，程控电荷放大器，程控应变放大器，并口采集仪，低频扫频功率信号源，笔记本电脑等组成。 苏州东菱振动试验仪器公司开发的 RVC-2 随机振动控制仪，可实现振动实验、冲击实验和信号分析的仪器。该系统包括三大部分：智能接口，数据采集和低通滤波器。该系统能较好的实现正弦、随机、冲击实验控制，具有正弦 +随机，随机 +随机，扫频驻留以及 数据分析功能。控制系统如图 1.2 所示。 图 1.2 RVC-2 随机控制仪 诸如此类的控制实验平台，功能比较齐全，有很多值得借鉴的地方，但是它们都有着自己独特的特点，限于一定领域。对于地面运动目标震动信号模拟仿真这一特定领域的研究和教学应用，并不能直接拿来所用，而且有很多功能也是冗余的。针对这种情况，本课题将紧密结合地面运动目标地震动信号的特性，以及在室验室对地震动信号的一些研究需要，研究开发出一套地震动信号模拟仿真实验平台。 1.3 地震动信号模拟实验平台简介 随着现 代 电子技术，通信技术，传感技术，信号处理技术，计算机技术等先nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 4进技术的飞速发展，开发出一套完整的地震动信号模拟实验平台成为可能。 实现的模拟实验平台的主要功能为：通过上位机的串行通信软件的控制把实际场地中采集到的地震动数据，经计算机串口发送出来，由下位机接收，并实现数模转换、滤波等功能，通过功率放大器，对信号进行放大，以达到激励振动台的目的，激励起来的振动台能够实现现场地震动情况的模拟仿真。振动台起振后，通过测振传感器、数据采集系统，将振动信号采集传输到上位机，或进行信号处理，对目标进行分类判别，并由 LED 显示出判别结果。系统的结构框图如图 1.3所示： 图 1.3 地震动信号模拟实验平台结构框图 1.4 本文的主要工作 目前国内外虽然有很多功能非常强大的振动控制实验系统，但他们普遍价格昂贵。附加在价格上的很多功能我们也不能用到，另外所运用的场合也稍有差异，因此我们针对这种情况设计了一套适用于地震动信号模拟仿真的实验平台。 本文的主要任务有： 1.分析介绍了地面运动目标引起的地震波的产生及传播机理，以及随机振动的一些算法理论，为实验平台的设计提供了一定的理论基础。 2.设计了上位机的串行通信软件，实现了数据 发送、接收、显示、保存等功能。 3.设计了基于 AT89C51的数模转换卡，实现了数据的接收，数字信号到模拟低通滤波器平滑 示波器 已采集到的信号 （存储于 PC机中） 串口发送 D/A 转换 功率放大器 振动台 传感器 信号采集及实时处理 目标分类识别判断 LED 显示结果 外场数据采集 下位机接收 串口发送 PC 机接收 nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 5信号的转换，去噪等功能 ,并通过功率放大器，对振动台进行驱动。 4.设计了基于振动台的数据采集卡，实现了信号的调理、采集、传输，以及在此基础上实现了人员、车辆的过零点算法识别。 本章小结 本章首先对国内外电子侦察技术作了一些简述，引出了课题研究的大背景，接着针对本课题的研究，介绍了国内外模拟振动台和振动控制系统的一些研究情况。然后，概要的介绍了地震动信号实验平台的基本组成，以及实现的功能。在本章的 最后，总结了在课题研究中的主要工作。 nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 62 地震动信号与振动信号分析 本课题所研究的振动台振动系统用于模拟地面运动目标行进时对地表产生的震动情况。震源是人员行走、车辆行驶、坦克行进时对地表产生的激励，该激励引起非刚体的地球介质变形，这一物理变形将在地球内部形成弹性波，并在地球介质中进行传播形成地震波；而振动台振动系统将把地面运动目标引起的地震波动在实验室中再现出来。 2.1 地面运动目标地震动信号 2.1.1 地震波分类及其传播特性 43 为了较好的分析目标运动的地震动信号特征，应该清楚地震波的种类，以及其在介质层中的传播特性。当地球表面由于激励产生震动时，地球介质层中地震波的传播波型一般有四种： a) 压缩波：又称纵波， P 波，由压缩扰动引起。质点的振动方向与波的传播方向相同。波速为： PV = 2 ， 其中 是剪切模量， 是介质的拉梅（ Lame）常数， 是介质密度。 b) 剪切波：又称横波， S 波，由剪切扰动引起。质点的振动方向垂直于波的传播方向，波速为 SV= 。 其中 是剪切模量， 是介质密度。 c) 瑞雷波：瑞雷波是由英国学者 Rayleigh 于 1887 年提出的，它是一种在介质的自由界面附近传播的，它的形成与传播，直接与介质的物 理特性有关瑞雷波在二维空间传播时，其介质的质点振动图像呈逆时针椭圆形，椭圆的长轴垂直于自由界面，短轴与波的传播方向平行，长轴约为短轴的 1.5 倍。它的波速比横波略小，约为横波的 0.92 倍。乐夫面波只有当表层介质的横波传播速度小于下层介质的横波传播速度时才能传播，介质质点的运动方向垂直于波的传播方向且平行于界面。 d) 乐夫波：当半无限弹性介质表面上有一层均匀介质的表层时存在，质点nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 7在与波传播方向成垂直的水平方向上进行振动。乐夫波与横波速度相差不大，通常很难从地震波记录上看出。 在这四种波中，纵波、横波又称体波 ，它们能在地球内部各方向自由传播。瑞雷波、乐夫波称为面波，面波是体波在一定的条件下形成相长干涉并叠加产生出的频率较低、能量较强的次生波，主要沿着介质的分界面传播，其能量随着深度的增加呈指数函数急剧衰减。 地震勘探、工程物探中，常选用纵波、横波或瑞雷波作为有效波。这三种地震弹性波中，纵波传播速度最快，频率较高；横波速度较低，能量较弱，以致来自同一界面的横波总是比纵波到达得晚而以续至波的形式出现，但它的分辨率较高；沿自由表面传播的瑞雷波频率较低，能量最强。 这三种波的传播速度、频率之间的关系如图 2.1 所示。 2.1.2 瑞雷波 在一圆形振板上作上下激振，得到纵波、横波、瑞雷波所占的相对能量如表2.1 743 。 表 2.1 P 波、 S 波、瑞雷波的能量比 波的类型 占全部能量的百分比 瑞雷波 67 纵波 7 横波 26 图 2.1 各种波的频率谱与视速度 nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 8可见瑞雷波占全部能量的 2/3，而且，体波振幅的衰减与r1（ r 为振源到波前的距离）成正比，瑞雷波振幅的衰减与r1 成正比，即瑞雷波的衰减要比体波慢得多 。 瑞雷波因为具有能量最强、衰减较慢、频率较低、容易分辨，在自由表面传播且传播距离较远等特性，因而相比于纵波、横波，瑞雷波更适合用于远距离地面运动目标的探测与识别。 瑞雷波的能量主要集中在地表下的某一波长范围，其频率特性主要表现为两个方面： 1. 一般来讲，瑞雷波的频率较低，其主要频率成分集中在 0-150Hz 范围内。 2. 在均匀介质条件下，瑞雷波的频率与其传播速度无关，即瑞雷波的传播速度没有频散性。而在非均匀介质条件下，瑞雷波速度随频率变化而变化，即非均匀介质将导致瑞雷波的频散。 2.1.3 地面运动 目标地震动信号采集 3 前面提到瑞雷波相对于纵波、横波能量较强、衰减较慢、频率较低、容易分辨，所以对运动目标震动信号检测采用瑞雷波检测法。瑞雷波检测方法一般分为瞬态法和稳态法两种，这两种方法的区别在于震源不同瞬态法是在激震时产生一定频率范围的瑞雷波，并以复频波的形式传播；稳态法是在激震时产生单一频率的瑞雷波，并以单一频率波的形式传播。我们对地面运动目标震动信号的检测可以采用瞬态瑞雷波检测和稳态瑞雷波检测相结合的方法。 人员走动时脚步施加于地面的激励为脉冲激励。地表 在脉冲载荷作用下，在离震源较远处，传感器记录的基本上是瑞雷波的垂直分量。车辆行进时车轮或履带施加的激励是多频稳态激励，而且震源与传感器之间的距离随时间而变化。因此传感器测得的是各次激振各频率谐波的叠加。 我们在外场进行了人员行走、车辆行驶时的地震动信号数据采集实验；人员图 2.2 脚步与车辆时域波形图 nts 硕士论文 地面运动目标地震动信号的模拟技术研究 9行走时其频率数一般不超过 6 步 /秒 ， 而轮式车或履带式车的信号的主频都大于20Hz，虽然地质条件复杂，但这个特征还是稳定的。图 2.2 给出了人员和车辆的典型信号时域图形。 2.2 振动台振动信号 本课题是通过振动台模拟地面运动目标的地震动信号情况 。在研究地表结构的响应时，通常将一定距离范围内运动引起的地震动信号近似归结为广义平稳随机信号。振动台的振动可分为确定性振动和随机振动两大类。为把平稳随机振动环境在实验室中准确的再现，须要求两个随机振动统计特性相同。 2.2.1 随机振动信号统计特性分析 151411 随机振动是一种非确定性振动。当物体作随机振动时，我们预先是不能确定物体上某监测点未来某个时刻运动参量的瞬时值。因此随机性振动和确定性振动有本质不同，是不能用时间的确定性函数来描述的一种振动现象。但是从总体来看，这 种振动现象存在着一定的统计规律性，能用该现象的统计特性来描述。 随机振动又分为平稳随机振动和非平稳随机振动。所谓平稳随机振动是指其统计特性不随时间而变化。严格地说，实际工程中一切随机过程都是非平稳的，但是从“近似”的角度出发，不少工程问题是可以看作为平稳随机过程的。 对于平稳随机过程，随机振动的统计特征参数如下： 一、均值 随机过程 x(t)在
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