葛 宁

（1.西安科技大学 陕西 西安 710054；2.西安航空职业技术学院 西安 阎良 710089）

文物是历史上物质文化和精神文化的遗存，是人民群众智慧的结晶，是人类宝贵的历史文化遗产；同时，文物是不可再生的文化资源，是历史文化的重要见证和载体，文物反映了人类连绵不绝的生存、斗争和发展历史，具有重要的历史价值。田野文物是我国优秀历史文化遗产的重要组成部分，保护好、管理好、利用好田野文物，对于继承和弘扬中华优秀文化，增强民族凝聚力，推动科技进步，促进经济发展，满足人民群众精神文化需求，提高全民文化素质都有着重要的意义。大量的古墓、古石刻、壁画等田野文物，这些文物都具有很高的艺术、研究、欣赏、历史价值[1]。保护文物有利于精神文明建设，有利于促进当地经济发展，能给后人留下宝贵的文化财富。由于田野文物位于野外、分布面广，要实时的进行监控保护具有一定的难度。目前对于已开发和未被开发的田野文物的监管主要是通过人工巡查和视频监控、红外监控[2]相结合的方法实施保护。但是这些方法对于地下挖掘或者夜间爆破等盗掘活动具有一定的局限性，加上其他安全保护措施不完善，使得古墓等田野文物被盗的案件层出不穷，大量的珍贵文物被破坏或被盗走，给国家造成了巨大的损失。本方案提出了一种基于微震动检测技术[3]的田野文物监控系统，主要利用一些低功耗、体积小的传感器组成检测网络，以有线通讯方式和主控系统组成一个完整的监控系统。

1 微震监控系统方案概述

本方案设计遵循技术先进、功能齐全、性能稳定、节约成本的原则。并综合考虑施工、维护及操作因素，并将为今后的发展、扩建、改造等因素留有扩充的余地。本系统设计内容具有科学性、合理性、可操作性。主要依据以下原则:

1）先进性与适用性

2）经济性与实用性

3）可靠性与安全性

4）可扩充性

5）追求最优化的系统设备配

6）保留足够的扩展容

田野文物监控系统主要包括监测部分、控制中心和远程控制中心3部分，如图1所示。检测部分由很多检测点组成，这些检测点分散在文物古迹所在的区域，对各种震动环境参数进行采集（震动参数要能区分洛阳铲，汽车震动，爆破行等等），并将采集到的信号进行调理、A/D转换等操作最终传递给控制中心；控制中心对检测到的信号进行对数据进行分析、处理、判别后做出模式识别响应，判断是否有危害文物的行为发生，提示报警，以便工作人员做出正确判断。

图1 田野文物监控系统框图Fig.1 Field of cultural relicsmonitoringsystem block diagram

2 硬件方案设计

田野文物监控的硬件设计首先应该考虑文物所处的地理环境、分布特点及监控设备使用的稳定性，其次还要顾及到它的开发成本、后期维护和性能指标力求达到最优化的设计。其中硬件设计的关键是信号采集部分。

本设计监控系统的硬件主要由检波监测网、调理电路、传输线缆、信号采集卡、PC机、视频和音频采集设备部分组成[4]。信号采集系统框图如图2所示：多个检波点的检波器把震动物理量转变为电量；通过调理电路对电信号进行放大、变换、滤波等处理；信号采集完成A/D转换等处理，PCI卡通过计算机的PCI插槽完成对计算机的数据传输，数据经计算机软件分析、处理、判别后做出识别，通过有线传输向远程控制中心发出报警信号，远程控制中心收到报警，采取相应措施。本硬件设计主要集中在信号检测与信号调理部分。

图2 信号采集系统框图Fig.2 Signal acquisition system block diagram

2.1 检波监测网

在文物所处的一定区域范围外，间隔一定距离多处埋下检波器即地波探头，组成一个检波监测网。其中每个监测点通过埋在监测位置地下的地波探头感知并采集单元附近区域的震动信息，比如汽车、行人路过或是洛阳铲、爆炸等震动信号[5]。检波器使用时需要埋于地下所以必须考虑到检波器的使用寿命、维修的方便性及抗腐蚀性等因素，因此在本设计中为了延长使用时间、减小后期维护的费用将HK20DX-10S检波器安装不锈钢外壳，树脂密封，改进的地波探头如图3所示，将震动物理量转换为电量，传送到采集卡。检波监测点对目标区域可以执行实时监控，监测目标区域内的各种震动信号。根据监测区域的特点，监测系统可分为平面式监测和立体式监测。平面式监测是指在需要监控区域周围内，建立监测点，且各监测点的监测区域是互相覆盖的，如田野文物，只在文物附近一定区域内设置监测点，就可有效地监测挖掘等活动。立体式监测主要指目标区域是立体式空间，在区域内设置足够多的监测点，可实现对整个立体区域的监控。在实际应用中，可根据监测区域的地理特点、安全等级以及投入成本选择不同的监测系统。

图3 地波探头Fig.3 Ground wave probe

2.2 调理电路

检波器将一定范围内的震动信息转换成电压信号，转换后的电压信号非常微弱甚至达到uV级，加之传输线路上损耗的存在，信号不能直接输入采集卡。因此，在进入采集卡之前需要对弱信号进行调理。调理即是对信号进行滤波、放大，缓冲或定标的过程，调理后的信号适于模/数转换器的输入[6]。模/数转换是将模拟信号转变成数字信号的过程，同时把数字信号送到后续的数字电路中，数字电路中的器件对数字信号进行存储、分析等下一步处理。本设计调理电路采用外接滑动变阻器的前置放大器AD620，单路调理电路如图4所示。

图4 单路调理电路Fig.4 Single conditioning circuit

AD620是一种通用仪表放大器。尺寸较小、精度高、价格低常用于传感器接口、数据采集系统和工业过程控制等电路。具有失调电压低、漂移小、输入阻抗高（10G）共模抑制比高、输入偏移电流低、消耗功率低（最大供电压电流仅1.3 mA）以及过电压保护等特性AD620供电电源为±5 V，Vref为参考电平。调整RG1将信号增益值在1～10 000之间任意放大，益于信号波形的观察及分析处理。

3 结 论

田野文物的保护是非常重要的，目前大多属于多种保护措施同时应用。本设计应用微震检波器能够对文物现场进行实时监控及现场信号的采集与处理。在实际中得到了初步应用。

[1]林弘.论文物古迹的保护意义及其利用[J].丝绸之路，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.基层田野文物保护初探 [J].人文论坛，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.微地震监测技术在银行系统中的应用[J].微计算机信息，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]孙弋.基于微震检测技术的地下田野文物监控系统设计与实现[J].西安电子科技大学学报，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]常丹华.微信号调理电路的研究 [J].电子测量与仪器学报，2001（1）:7-11.CHANG Dan-hua.The signal regulate circuit research[J].Electronic Measurementand Instrument Journal，2001（1）:7-11.