技术领域
[0001] 本实用新型涉及物探技术领域，特别涉及一种浅层埋地非金属物体探测系统。
背景技术
[0002] 浅层埋地非金属物体是指埋在地下1米以内的非金属物体，由于其柔性相对于金属、
岩石等刚性物体要大的多，所以也被称为柔性物体。随着科学技术的进步，许多非金属材料的物理和化学特性有了质的飞跃，并且由于这些非金属材料具有成本低、重量轻、无毒、耐
腐蚀、易加工制造和维修等优势，使得它们在一些领域逐渐可以替代金属材料，比如市政施工中的非金属供
水和供气管线、石油化工和制药行业的非金属
压力容器、军事上非金属地雷和炸弹等。
[0003] 传统的物探技术领域，由于被探测的目标物体主要是金属制品，所以研究人员开发了许多基于电学和磁学原理的探测方法，但是由于非金属材料不(弱)导电、不(弱)导磁的特性，导致这些传统方法在探测非金属物体时效果不理想。实用新型内容
[0004] 本实用新型的目的在于克服上述技术
缺陷，针对浅层埋地非金属物体，提出了一种基于非线性共振效应的声学探测系统及方法。由于非金属物体的声学特性(特性阻抗)与
土壤、金属物体、岩石区别较大，所以能够有效避免土壤中干扰物体的影响，使非金属物体探测的准确度更高。
[0005] 为了实现上述目的，本实用新型提出了一种浅层埋地非金属物体探测系统，所述系统包括：
声波发射组件，声波接收组件和
频谱分析仪；
[0006] 所述声波发射组件，用于发射两个不同
频率的声源/振源
信号；
[0007] 所述声波接收组件，用于接收信号，进行放大和滤波后发送至
频谱分析仪；
[0008] 所述频谱分析仪，用于对采集的信号进行快速傅里叶变换，绘制信号的频谱图，在信号频谱图中检测除了两个声源/振源的频率以外是否存在和频或差频信号，如果存在，则埋地物体为非金属物，从而实现对埋地非金属物体的探测。
[0009] 作为上述系统的一种改进，所述声波发射组件包括2个声源，每个声源发射的声波信号具有不同频率；所述声源包括：信号发生器、功率
放大器和扬声器；
[0010] 所述信号发生器产生探测需要的
激励信号，所述激励信号为
频率范围低于2000Hz的单频激励、随机激励或扫频激励；
[0011] 所述
功率放大器采用放大倍数可调的功率放大器，对信号发生器产生的激励信号进行功率放大；
[0012] 所述扬声器将功率放大器输出的
电信号转化为地面激励信号，并且将激振
能量辐射到土壤中。
[0013] 作为上述系统的一种改进，所述声波发射组件包括2个振源，每个振源发射的振动信号具有不同频率；所述振源包括：信号发生器、功率放大器和激振器；
[0014] 所述信号发生器产生探测需要的激励信号，所述激励信号为频率范围低于2000Hz的单频激励、随机激励或扫频激励；
[0015] 所述功率放大器采用放大倍数可调的功率放大器，对信号发生器产生的激励信号进行功率放大；
[0016] 所述激振器将功率放大器输出的电信号转化为地面激励信号，并且将激振能量辐射到土壤中。
[0017] 作为上述系统的一种改进，所述声波接收组件包括：
传感器阵列、前置放大器、
滤波器和信号采集卡；
[0018] 所述传感器阵列为多个传感器组成阵列，用于将声波信号/振动信号转化为电信号；
[0019] 所述前置放大器，用于对电信号进行放大；
[0020] 所述
模拟滤波器，用于对放大的电信号进行滤波；
[0021] 所述信号采集卡，用于将滤波后的模拟电信号转变为数字电信号，输出至所述频谱分析仪。
[0022] 作为上述系统的一种改进，所述传感器为
地震检波器、
加速度计或测振仪。
[0023] 作为上述系统的一种改进，所述信号采集卡的通道数不低于传感器阵列中传感器的数量。
[0024] 作为上述系统的一种改进，所述信号采集卡的信号
采样频率为传感器频率的3-5倍。
[0025] 本实用新型的优势在于：
[0026] 1、本实用新型的系统通过材料的声学特性差异来识别非金属物体，具有操作简便、成本低廉、易于实施、不受天气和土壤湿度影响的优点；
[0027] 2、本实用新型的系统采用的非线性共振效应能够有效避免金属、岩石等干扰物对探测结果的影响，具有很强的针对性，能够极大地提高探测准确性。
附图说明
[0028] 图1为浅层埋地非金属物体探测示意图；
[0029] 图2(a)为土壤-埋地物体稳定状态图；
[0030] 图2(b)为土壤-埋地物体压缩状态图；
[0031] 图2(c)为土壤-埋地物体拉伸状态图；
[0032] 图3为土壤-埋地非金属物体非线性等效模型；
[0033] 图4(a)为无物体的探测信号频谱示意图；
[0034] 图4(b)为刚体的探测信号频谱示意图；
[0035] 图4(c)为非金属物体的探测信号频谱示意图；
[0036] 图5为本实用新型的埋地非金属物体探测系统示意图。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图对本实用新型进行详细的说明。
[0038] 本实用新型的原理为：基于非线性共振效应的浅层埋地非金属物体探测示意图如图1所示。采用双重声源或振源(或者能够同时发射两种激励信号的单独声源或振源)激励地面，当地表下没有埋藏物体时，声波在向土壤深部传播的过程中会逐渐衰减，在地表只能检测到激励源信号和干扰噪声信号，因此，接收信号和激励源信号的频率成份相似度非常高，只是幅值上存在一定程度的衰减。当地表下存在埋藏物体时，土壤-埋地物体可以看作是一个受迫振动系统，耦合进土壤的声波传播到达物体表面时，首先，由于埋地物体与土壤之间存在较大的声阻抗差异，因此会在土壤-埋地物体界面发生强烈的反射或散射现象；其次，在声压的作用下，土壤-埋地物体构成的系统会发生共振，从而增加了目标物体反射回波的强度；第三，由于非金属物体具有较大的柔性，在声压的作用下会发生非线性效应，这种非线性效应会改变声波的频率成份，实际上是对两种声波信号进行了和频(或差频)的调制。经过埋地物体调制的信号反射传播回地表，通过在地表安装的传感器阵列拾取该回波信号，然后对采集的信号进行快速傅里叶变换(FFT)，绘制信号的频谱图，通过对比频谱图中的信号成份和激励源信号频率成份的区别，即可判断探测区域内是否存在埋地非金属物体。
[0039] 土壤-埋地物体受迫振动的非线性效应是指：当系统未受外力时，系统处于稳定状态，如图2(a)所示；当土壤受外力作用时，会存在压缩和拉伸两个过程，由于非金属物体柔性较大，在压缩过程时，土壤
挤压非金属物体引起
变形，两者之间的界面紧密结合，如图2(b)所示；在拉伸过程时，土壤和非金属物体的柔形不同，导致两者的界面发生一定程度的分离，如图2(c)所示。压缩和拉伸阶段的等效机械模型如图3所示，其中，k1，k2分别表示土壤和埋地物体的
刚度。
[0040] 非线性效应会对土壤-埋地非金属物体界面的声波信号进行调制，产生新的和频或差频信号，如公式(1)所示：
[0041] f＝mf1±nf2(m,n为自然数) (1)
[0042] 图4(a)、图4(b)以及图4(c)分别展示了无埋地物体、埋地物体为刚体(如金属或者岩石)以及埋地物体为非金属时的探测信号频谱示意图。通过频谱图中的频率成份分析即可实现埋地非金属物体的探测。
[0043] 如图5所示，本实用新型提出了一种浅层埋地非金属物体探测系统，探测系统主要包括三个部分：声波发射部分、声波接收部分和
信号处理部分，其中信号发射部分采用2个声源/振源分别发射不同频率成份的信号(或者采用能够同时发射2种激励信号的单独声源/振源)，具体包括：信号发生器1和2、功率放大器1和2、扬声器(激振器)1和2；信号接收部分包括：传感器阵列(传感器采用地震检波器、加速度计或测振仪等振动测量仪器)、前置放大器、滤波器、信号采集卡；信号分析部分包括：频谱分析仪。
[0044] (1)信号发生器
[0045] 采用任意波型信号发生器，产生探测需要的激励信号，一般采用频率范围低于2000Hz的单频激励、随机激励或者扫频激励，其中信号发生器1和2的信号需要存在一定的频率成份差异。
[0046] (2)功率放大器
[0047] 采用放大倍数可调的功率放大器，对信号发生器产生的调制信号进行功率放大，从而增加声波在土壤中的穿透深度，实际应用中的具体放大倍数应根据土壤参数(如松散度、湿度等)决定。
[0048] (4)扬声器(激振器)
[0049] 扬声器(激振器)的作用是将电信号转化为地面激励信号，并且将激振能量辐射到土壤中。扬声器与地表是非
接触的，具有不破坏地表植被和
基础设施的优点，但是声波耦合效率相对较低，因此探测深度有限。如果物体埋藏较深时，可以采用接触式的激振器，这样激振器和土壤直接机械联接，能更大程度地将声能量传输到土壤中。
[0050] (5)传感器阵列
[0051] 传感器采用地震检波器、加速度计或测振仪等测量振动的仪器，将振动信号转化为电信号。理论上可以只采用单个传感器进行测量，但是为了提高探测系统的可靠性，一般采用多个传感器组成阵列使用。
[0052] (6)前置放大器和滤波器
[0053] 埋地物体反射回地表的声波信号，经过土壤的衰减相对比较微弱，并且混入了噪声信号，为了提高
信噪比，需要首先采用前置放大器对信号进行放大，然后采用模拟滤波器进行滤波，有利于后期的信号处理和分析。
[0054] (7)信号采集卡
[0055] 信号采集卡将模拟电信号转变为数字电信号，采集卡的通道数应不低于传感器阵列中传感器的数量，信号
采样频率一般为传感器频率的3-5倍。
[0056] (8)频谱分析仪
[0057] 频谱分析仪的作用是对采集的信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱图，并且分析信号的频率成份，寻找除了激励源频率f1和f2以外，信号频谱图中是否存在和频或差频信号，从而实现对埋地非金属物体的探测。
[0058] 最后所应说明的是，以上
实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行
修改或者等同替换，都不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的
权利要求范围当中。
