基于微震檢測技術的田野文物監控系統方案硬件設計

葛 寧

（1.西安科技大學 陜西 西安 710054；2.西安航空職業技術學院 西安 閻良 710089）

文物是歷史上物質文化和精神文化的遺存，是人民群眾智慧的結晶，是人類寶貴的歷史文化遺產；同時，文物是不可再生的文化資源，是歷史文化的重要見證和載體，文物反映了人類連綿不絕的生存、斗爭和發展歷史，具有重要的歷史價值。田野文物是我國優秀歷史文化遺產的重要組成部分，保護好、管理好、利用好田野文物，對于繼承和弘揚中華優秀文化，增強民族凝聚力，推動科技進步，促進經濟發展，滿足人民群眾精神文化需求，提高全民文化素質都有著重要的意義。大量的古墓、古石刻、壁畫等田野文物，這些文物都具有很高的藝術、研究、欣賞、歷史價值[1]。保護文物有利于精神文明建設，有利于促進當地經濟發展，能給后人留下寶貴的文化財富。由于田野文物位于野外、分布面廣，要實時的進行監控保護具有一定的難度。目前對于已開發和未被開發的田野文物的監管主要是通過人工巡查和視頻監控、紅外監控[2]相結合的方法實施保護。但是這些方法對于地下挖掘或者夜間爆破等盜掘活動具有一定的局限性，加上其他安全保護措施不完善，使得古墓等田野文物被盜的案件層出不窮，大量的珍貴文物被破壞或被盜走，給國家造成了巨大的損失。本方案提出了一種基于微震動檢測技術[3]的田野文物監控系統，主要利用一些低功耗、體積小的傳感器組成檢測網絡，以有線通訊方式和主控系統組成一個完整的監控系統。

1 微震監控系統方案概述

本方案設計遵循技術先進、功能齊全、性能穩定、節約成本的原則。并綜合考慮施工、維護及操作因素，并將為今后的發展、擴建、改造等因素留有擴充的余地。本系統設計內容具有科學性、合理性、可操作性。主要依據以下原則:

1）先進性與適用性

2）經濟性與實用性

3）可靠性與安全性

4）可擴充性

5）追求最優化的系統設備配

6）保留足夠的擴展容

田野文物監控系統主要包括監測部分、控制中心和遠程控制中心3部分，如圖1所示。檢測部分由很多檢測點組成，這些檢測點分散在文物古跡所在的區域，對各種震動環境參數進行采集（震動參數要能區分洛陽鏟，汽車震動，爆破行等等），并將采集到的信號進行調理、A/D轉換等操作最終傳遞給控制中心；控制中心對檢測到的信號進行對數據進行分析、處理、判別后做出模式識別響應，判斷是否有危害文物的行為發生，提示報警，以便工作人員做出正確判斷。

圖1 田野文物監控系統框圖Fig.1 Field of cultural relicsmonitoringsystem block diagram

2 硬件方案設計

田野文物監控的硬件設計首先應該考慮文物所處的地理環境、分布特點及監控設備使用的穩定性，其次還要顧及到它的開發成本、后期維護和性能指標力求達到最優化的設計。其中硬件設計的關鍵是信號采集部分。

本設計監控系統的硬件主要由檢波監測網、調理電路、傳輸線纜、信號采集卡、PC機、視頻和音頻采集設備部分組成[4]。信號采集系統框圖如圖2所示：多個檢波點的檢波器把震動物理量轉變為電量；通過調理電路對電信號進行放大、變換、濾波等處理；信號采集完成A/D轉換等處理，PCI卡通過計算機的PCI插槽完成對計算機的數據傳輸，數據經計算機軟件分析、處理、判別后做出識別，通過有線傳輸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。本硬件設計主要集中在信號檢測與信號調理部分。

圖2 信號采集系統框圖Fig.2 Signal acquisition system block diagram

2.1 檢波監測網

在文物所處的一定區域范圍外，間隔一定距離多處埋下檢波器即地波探頭，組成一個檢波監測網。其中每個監測點通過埋在監測位置地下的地波探頭感知并采集單元附近區域的震動信息，比如汽車、行人路過或是洛陽鏟、爆炸等震動信號[5]。檢波器使用時需要埋于地下所以必須考慮到檢波器的使用壽命、維修的方便性及抗腐蝕性等因素，因此在本設計中為了延長使用時間、減小后期維護的費用將HK20DX-10S檢波器安裝不銹鋼外殼，樹脂密封，改進的地波探頭如圖3所示，將震動物理量轉換為電量，傳送到采集卡。檢波監測點對目標區域可以執行實時監控，監測目標區域內的各種震動信號。根據監測區域的特點，監測系統可分為平面式監測和立體式監測。平面式監測是指在需要監控區域周圍內，建立監測點，且各監測點的監測區域是互相覆蓋的，如田野文物，只在文物附近一定區域內設置監測點，就可有效地監測挖掘等活動。立體式監測主要指目標區域是立體式空間，在區域內設置足夠多的監測點，可實現對整個立體區域的監控。在實際應用中，可根據監測區域的地理特點、安全等級以及投入成本選擇不同的監測系統。

圖3 地波探頭Fig.3 Ground wave probe

2.2 調理電路

檢波器將一定范圍內的震動信息轉換成電壓信號，轉換后的電壓信號非常微弱甚至達到uV級，加之傳輸線路上損耗的存在，信號不能直接輸入采集卡。因此，在進入采集卡之前需要對弱信號進行調理。調理即是對信號進行濾波、放大，緩沖或定標的過程，調理后的信號適于模/數轉換器的輸入[6]。模/數轉換是將模擬信號轉變成數字信號的過程，同時把數字信號送到后續的數字電路中，數字電路中的器件對數字信號進行存儲、分析等下一步處理。本設計調理電路采用外接滑動變阻器的前置放大器AD620，單路調理電路如圖4所示。

圖4 單路調理電路Fig.4 Single conditioning circuit

AD620是一種通用儀表放大器。尺寸較小、精度高、價格低常用于傳感器接口、數據采集系統和工業過程控制等電路。具有失調電壓低、漂移小、輸入阻抗高（10G）共模抑制比高、輸入偏移電流低、消耗功率低（最大供電壓電流僅1.3 mA）以及過電壓保護等特性AD620供電電源為±5 V，Vref為參考電平。調整RG1將信號增益值在1～10 000之間任意放大，益于信號波形的觀察及分析處理。

3 結 論

田野文物的保護是非常重要的，目前大多屬于多種保護措施同時應用。本設計應用微震檢波器能夠對文物現場進行實時監控及現場信號的采集與處理。在實際中得到了初步應用。

[1]林弘.論文物古跡的保護意義及其利用[J].絲綢之路，2010（12）:99-100.LIN Hong.Concerning the protection of cultural relics and its utilization significance[J].Silk Road，2010（12）:99-100.

[2]袁保明.基層田野文物保護初探 [J].人文論壇，2010（5）:223-224.YUAN Bao-ming.The cultural relics protection field research[J].Humanistic BBS，2010（5）:223-224.

[3]平健，李仕雄，夏媛之.微地震監測技術在銀行系統中的應用[J].微計算機信息，2010（7）:101-103.PING Jian，LI Shi-xiong，XIA Yuan-zhi.The earthquake monitoring technology in the banking system application[J].Micro Computer Information，2010（7）:101-103.

[4]孫弋.基于微震檢測技術的地下田野文物監控系統設計與實現[J].西安電子科技大學學報，2011（7）:37-39.SUN Yi.Design and implementation of field cultural relic information collection system based on seismic monitoring technology[J].Xian University of Electronic Science and Technology Journal，2011（7）:37-39.

[5]Varanini M，De paolis G，Em din Metal.Spectral analys isofcardiovascular t ime series by the stransform[J].IEEE Comput Cardiology，1997，24（3）:383-386.

[6]常丹華.微信號調理電路的研究 [J].電子測量與儀器學報，2001（1）:7-11.CHANG Dan-hua.The signal regulate circuit research[J].Electronic Measurementand Instrument Journal，2001（1）:7-11.