CN105222751A - 基于光纤曲率传感器的水下表面变形实时监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下地形测量技术领域，旨在提供一种基于光纤曲率传感器的水下表面变形实时监测系统。该系统包括主控计算机、多个长条带状的光纤曲率传感器阵列；各光纤曲率传感器阵列分别通过测量模块连接至主控计算机；所述测量模块包括微控制器与多个数据采集子模块，数据采集子模块与光纤曲率传感器阵列的数量相匹配，微控制器通过电缆连接至主控计算。本发明能将不同位置的传感器变形差异所带来的信号衰减变化，用于数据分析以进一步实现对水下地形地貌的直接测量，能有效地提高测量的速度以及降低成本。本发明同样适用于陆地上的表面变形实时监测，尤其对于矿山工程、隧道工程等不具备视像条件下巷道围岩等变形监测。

Description

基于光纤曲率传感器的水下表面变形实时监测系统

技术领域

本发明涉及水下地形测量技术领域，更具体涉及一种基于光纤曲率传感器的水下表面变形实时监测系统。

背景技术

海洋蕴藏了大量生物、矿藏资源，在海洋勘探、开发等工程中需要众多技术设备以及兴建港口码头、铺设海底管道、测设航道等。水域的水下地形图等水下表面变形的研究是水下工程及应用的基础。

目前采用的水下地形地貌测量方法主要是通过测深技术来实现，大致分为竹竿铅垂原始测深、单波束回声测深仪常规测深以及多波束测深系统三个阶段。常规的单波束测深仪只能得到测量船正下方的水深，获取的地形数据量少，测量所需时间长。多波束测深系统集测深与侧扫声呐功能于一身，相比于单波束具有测量范围大、速度快等优点。但是多波束测深系统获得的是水底多个点的水深值，随着测量船的前进，测得一条带状大量的水深数据，再通过定位系统实时提供的测量船的坐标，最终利用专业软件得到测区内的水下地形图，其体积庞大、系统复杂、勘测成本高，测量范围有限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种基于光纤曲率传感器的水下表面变形实时监测系统。

为解决技术问题，本发明是通过如下技术方案实现：

本发明提供了一种基于光纤曲率传感器的水下表面变形的实时监测系统，包括主控计算机；该系统还包括多个长条带状的光纤曲率传感器阵列；各光纤曲率传感器阵列分别通过测量模块连接至主控计算机；

所述测量模块包括微控制器与多个数据采集子模块，数据采集子模块与光纤曲率传感器阵列的数量相匹配；数据采集子模块包括依次连接的函数发生器、光发射器和光纤分束器，以及依次连接的光探测器阵列、滤波器、放大器和数据采集卡；其中，光纤分束器和光探测器阵列分别与光纤曲率传感器阵列连接，数据采集卡连接至微控制器，微控制器则通过电缆连接至主控计算；

所述光纤曲率传感器阵列具有如下结构：若干个光纤曲率传感器等间隔排列，由硫化橡胶实现位置固定，并使光纤曲率传感器阵列的整体呈长条带状；光纤曲率传感器阵列中各光纤曲率传感器分别通过导线连接至数据采集子模块中的光纤分束器和光探测器阵列。(光纤分束器与光探测器阵列均有多个接口，每个接口连接一条光纤曲率传感器，各光纤曲率传感器或光纤曲率传感器阵列之间没有相互连接)。

本发明中，所述由硫化橡胶层实现位置固定，是指：由硫化橡胶以注塑的方式实现一体化固定，或由上下两层设有安装槽的硫化橡胶层以箝位方式实现固定。

本发明的实现原理：

光发射器由函数发生器驱动，将光信号通过光纤分束器送入光纤曲率传感器阵列。长条带状的光纤曲率传感器阵列在经过凹凸变形的水下地表时，光纤曲率传感器阵列中不同位置的光纤曲率传感器会因变形不同而产生不同强度的光信号衰减；各路光信号由光探测器阵列接收后转换为电压模拟信号，再经滤波器以及放大器输出到数据采集卡；数据采集卡将采集到的信号经微控制器送至主控计算机，由主控计算机实现数据处理、计算建模，最终显示水下表面变形的三维图。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)将光纤曲率传感器制成带状的传感器阵列后，就能将不同位置的传感器变形差异所带来的信号衰减变化，用于数据分析以进一步实现对水下地形地貌的直接测量，能有效地提高测量的速度以及降低成本。

(2)本发明不仅适用于包括水下地形地貌等水下表面变形实时监测，同样适用于陆地上的表面变形实时监测，尤其对于矿山工程、隧道工程等不具备视像条件下巷道围岩等变形监测。

附图说明

图1是带状光纤曲率传感器阵列的结构图；

图2是测量模块的电路连接示意图；

图3是数据采集子模块的电路连接示意图；

图4是水下表面变形实时监测的系统布置示意图。

图中附图标记：1硫化橡胶，2光纤曲率传感器；31主控计算机，32水面，33电缆，34测量模块，35带状光纤曲率传感器阵列，36水下地表。

具体实施方式

结合附图，将以水下地形地貌监测为例对本发明进行详细说明。

本发明中，基于光纤曲率传感器的水下表面变形的实时监测系统，包括主控计算机31、测量模块34和多个长条带状的光纤曲率传感器阵列35；各光纤曲率传感器阵列35接至测量模块34，测量模块34通过电缆33连接至主控计算机31。

光纤曲率传感器阵列35具有如下结构：若干个光纤曲率传感器2等间隔排列，由硫化橡胶1实现光纤曲率传感器2的位置固定，并使光纤曲率传感器阵列35的整体呈长条带状；光纤曲率传感器阵列35中各光纤曲率传感器2的分别连接数据采集子模块的光纤分束器以及光探测器阵列，各光纤曲率传感器之间没有相互连接；光纤分束器与光探测器阵列均有多个接口，每个接口连接一条光纤曲率传感器。

所述测量模块34包括微控制器与多个数据采集子模块，数据采集子模块与光纤曲率传感器阵列35中的带状光纤传感器2的数量相匹配；数据采集子模块包括依次连接的函数发生器、光发射器和光纤分束器，以及依次连接的光探测器阵列、滤波器、放大器和数据采集卡；其中，光纤分束器和光探测器阵列分别与光纤曲率传感器阵列35中的带状光纤传感器2连接，数据采集卡连接至微控制器，微控制器则通过电缆33连接至主控计算31。

本发明中，硫化橡胶实现光纤曲率传感器的位置固定的方式可以是下述任意一种：由硫化橡胶将排列好的若干个光纤曲率传感器2以注塑的方式实现一体化固定；或由上下两层设有安装槽的硫化橡胶层，将各若干个光纤曲率传感器2装填在安装槽中，以箝位方式实现固定。

本发明中，硫化橡胶具有良好的防水作用，便于光纤曲率传感器阵列35在水下应用。本发明所使用的带状光纤曲率传感器2、函数发生器、光发射器、光纤分束器、光探测器阵列、滤波器、放大器和数据采集卡均为现有技术，本领域技术人员均可基于本发明实现目的以市场采购或自行制作的方式获得。其中，本实施例中的函数发生器产生的是1KHz的正弦波，光发射器采用LED，光探测器阵列可采用APD光探测器阵列。本发明中的带状光纤曲率传感器2可选用加拿大Measurand公司生产的S1280CSShapeTape^TM型号的产品。

下面结合附图介绍本实施例的使用步骤：

(1)制作带状光纤曲率传感器阵列：用硫化橡胶包裹光纤曲率传感器2，固定其相对位置，使带状光纤曲率传感器阵列35具有良好的防水性以及抗压性。

(2)在使用前连接好电路：将各带状光纤曲率传感器阵列35与测量模块34、主控计算机31依次连接。

(3)将带状光纤曲率传感器阵列35沉入水底，并拖动使其沿着水下地表36产生位移，并随水下地表36的凹凸起伏产生变形。

(4)主控计算机通过对检测到的信号数据进行分析和计算，再通过拟合的方式整合成面状的变形情况，即获得水下地形地貌的情况。

本发明中，主控计算机所用的分析计算软件可由本领域技术人员依据现有技术自行完成设计和编程，具体实现方式和手段可以根据现场实际需要进行调整或完善。该部分技术内容不属于本发明保护范围，故不再赘述。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多物体的形状测量。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有三维形状测量，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于光纤曲率传感器的水下表面变形的实时监测系统，包括主控计算机；其特征在于，该系统还包括多个长条带状的光纤曲率传感器阵列；各光纤曲率传感器阵列分别通过测量模块连接至主控计算机；

所述测量模块包括微控制器与多个数据采集子模块，数据采集子模块与光纤曲率传感器阵列的数量相匹配；数据采集子模块包括依次连接的函数发生器、光发射器和光纤分束器，以及依次连接的光探测器阵列、滤波器、放大器和数据采集卡；其中，光纤分束器和光探测器阵列分别与光纤曲率传感器阵列连接，数据采集卡连接至微控制器，微控制器则通过电缆连接至主控计算；

所述光纤曲率传感器阵列具有如下结构：若干个光纤曲率传感器等间隔排列，由硫化橡胶实现位置固定，并使光纤曲率传感器阵列的整体呈长条带状；光纤曲率传感器阵列中各光纤曲率传感器分别通过导线连接至数据采集子模块中的光纤分束器和光探测器阵列。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述由硫化橡胶层实现位置固定，是指：由硫化橡胶以注塑的方式实现一体化固定，或由上下两层设有安装槽的硫化橡胶层以箝位方式实现固定。