CN111895939B - 一种基于多源声呐定位的水下滑坡体变形监测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多源声呐定位的水下滑坡体变形监测装置和方法，通过固定布置在坡体表面的标识声呐设备对监测目标进行识别跟踪，由水平布置于水面的浮漂型多源声呐发射接收装置获取水下反射声呐数据，对声呐数据处理得到监测目标的空间坐标信息并结合GNSS接收机获取的设备当前的大地坐标进行坐标转换，通过水下温度传感器获取实时水温数据，最后数据传输装置基于网络通讯技术实时将位置信息和水温数据传输到数据中心系统并建立相应的时间序列。

Description

一种基于多源声呐定位的水下滑坡体变形监测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于多源声呐定位技术的水下滑坡体变形监测装置和方法，属于岩土工程及地质灾害智能监测与预警领域。

背景技术

随着我国西南水电资源的持续开发，我国的高坝大库工程快速发展，伴随着水库水位的快速蓄涨-消落和降雨等水动力因素的联合作用，进而触发库区内的众多滑坡，使得边坡体发生变形破坏。因此滑坡成为了我国西南地区的主要地质灾害之一，且单次灾难性的滑坡，及其次生灾害对生命财产安全和社会造成严重影响。近几十年来，随着计算机计算和遥感技术的快速发展，运用遥感和GPS卫星定位技术，对不稳定边坡及潜在滑坡进行监测和预测逐渐成为滑坡类地质灾害监测和预警的一种重要技术手段。边坡变形和滑坡体多处于高山峡谷区域、其内部地质构造复杂且外部环境因素多变化，使得对库岸滑坡体及其周边环境因素的长期精确监测成为了一项具有挑战性的工作。

现阶段在应对滑坡灾害的监测和预警研究中，如今应用广泛的基于卫星遥感和GPS 定位的监测技术只适用于地质体的水上部分变形测量，且该方法对天气等环境因素和GPS信号强度要求较高，对于因水库水位上涨而淹没的水下滑坡体部分的位移等物理量的变化监测无法适用。同时，水下滑坡体的变形运动规律的精确监测对边坡失稳及滑坡预测-预警至关重要，且现阶段暂未有较好的解决方案和监测设备。

发明内容

本发明为克服因水库水位上涨淹没部分地质体，使得原有GPS监测设备无法继续对其变形及其它物理量继续监测的不足，提出了一种基于多源声呐定位技术的水下滑坡体变形监测的装置和方法。

技术方案：一种基于多源声呐定位技术的水下滑坡体变形监测装置，包括：固定布置在坡体表面的标识声呐设备、水平布置于水面的浮漂型多源声呐发射接收装置和数据中心系统；

所述标识声呐设备用于发射声呐信号；

所述浮漂型多源声呐发射接收装置用于确定水下监测目标并对监测目标进行跟踪监测，其包括：

固定架、布置在固定架上的多个声呐设备，用于发射或接收声呐信号；

设置在固定架中心处上端的GNSS信号接收机，用于与GPS卫星连接以获取浮漂型多源声呐发射接收装置的当前大地坐标；

设置在固定架中心处下端的温度传感器，用于获取水体温度；

设置在固定架中心处上端的系统控制及数据处理单元，用于基于多个声呐设备获取监测目标的声呐数据，对监测目标的声呐数据进行空间坐标计算，并结合GNSS信号接收机获取到的当前大地坐标，得到监测目标的声呐数据的三维坐标信息，及通过温度传感器获取实时水体温度；

布设在固定架其余位置的太阳能发电面板，用于为浮漂型多源声呐发射接收装置进行供电；

数据传输装置，用于实现系统控制及数据处理单元与数据中心系统间的数据通讯；

所述GNSS信号接收机、多个声呐设备、温度传感器、数据传输装置均与系统控制及数据处理单元电连接；

所述数据中心系统，用于根据系统控制及数据处理单元回传的数据建立相应的位移和环境水温时间序列。

进一步的，所述系统控制及数据处理单元回传的数据包括监测目标的声呐数据的三维坐标信息和实时水体温度。

进一步的，所述监测目标的声呐数据包括一声呐设备发射声呐信号到其他声呐设备接收到反射信号的时间差。

本发明还公开了一种基于多源声呐定位技术的水下滑坡体变形监测方法，包括以下步骤：

步骤1：通过固定布置在坡体表面的标识声呐设备和水平布置于水面的浮漂型多源声呐发射接收装置，对水下监测目标进行识别确定；

步骤2：浮漂型多源声呐发射接收装置中的一个声呐设备向确定的监测目标发射声呐信号，由其余声呐设备接收并识别声呐信号，获取水下监测目标的声呐数据；

步骤3：对监测目标的声呐数据进行空间坐标计算，并结合浮漂型多源声呐发射接收装置的当前大地坐标，得到监测目标的声呐数据的三维坐标信息；

步骤4：通过水下温度传感器获取实时水温数据；

步骤5：基于监测目标的声呐数据的三维坐标信息和实时水温数据，建立相应的位移和环境水温时间序列；

步骤6；根据位移和环境水温时间序列，实现实时监测水下边坡的变形破坏过程。

进一步的，所述步骤1具体包括：

标识声呐设备发射声呐信号S₁，同时浮漂型多源声呐装置对监测区域发射声呐信号 S₂，并接受声呐信号S₁和其自身发出的遇到目标后反射回来的信号S₂′；

对比声呐信号S₁和信号S₂′的相位差，若两信号的相位差为π，则可确定标识声呐设备位置处为监测目标。

进一步的，所述步骤2具体包括：

采用浮漂型多源声呐发射接收装置中的一个声呐设备向确定的监测目标发射声呐信号，由其余声呐设备接收并识别声呐信号，分别记录声呐设备发射声呐信号到其他声呐设备接收到的反射信号的时间差。

进一步的，所述步骤3具体包括：

步骤3.1：假设发射声呐信号的声呐设备为声呐设备1，接收并识别声呐信号的声呐设备为声呐设备i，其中i＝2,3,4…n,n为浮漂型多源声呐发射接收装置中声呐设备的总数，声呐设备1从发射声呐信号到其接收反射信号的时间为t，则声呐设备1到目标的时间为t/2，其他声呐设备收到反射信号的时间差记为t_i，得到目标到声呐设备i的时间；

步骤3.2：根据目标到各声呐设备的时间，得到目标到各声呐设备的距离；

步骤3.3：以声呐设备1为原点(0,0,0)建立局部三维直角坐标系，根据各声呐设备之间的几何投影关系，得到监测目标在该坐标系下的三维坐标坐标(x,y,z)；

步骤3.4：获取浮漂型多源声呐发射接收装置的当前大地坐标，得到声呐设备1的在大地坐标下的坐标，通过坐标转化，得到大地坐标下的监测目标的坐标。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)本方法为精确定位地质体水下监测目标的三维坐标和相关环境因素监测，运用成熟的声呐技术和相关理论、多传感器集成及网络通讯技术，实现了水下监测目标位置的精确定位和相关环境因素的实时监测，为水下地质体运动及变形的长期安全监测装置和监测方法提供了一条新路径；

(2)将水下监测目标的位置信息和环境水温数据的信号采集、存储、处理分析和传输集成一体化，并采用太阳能发电储能装置为设备自主供电，可对高山峡谷区的库岸边坡、滑坡的水下目标点进行24小时无间断监测，具有全天候、高精度和自动化特征和优点，对复杂地质条件下库岸岩土边坡工程的安全监测分析具有重要的应用价值和工程意义。

附图说明

图1是本发明的监测方法流程图；

图2是本发明中监测装置结构示意图；

图3是用于水下监测目标定位装置布置图；

图4是用于水下监测目标定位装置侧视图；

图5是以声呐设备1建立局部坐标，求解监测目标点三维坐标示意图。

具体实施方式

现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。

声呐技术利用声波在水中传播过程中的衰减小的特点，使用声波在水中进行测量和观察，通过信号在水下传播途中障碍物或目标反射的回波来进行探测。由于目标信息保存在回波之中，以此根据接收到的回波信号来判断目标的存在，并测量或估计目标的距离、方位、速度等物理参量。本实施例将声呐技术运用于水下岩土地质灾害的监测和分析的方法，可应用于高山峡谷区域的库岸边坡、滑坡等地质体水下部分的运动规律的长期监测和分析研究。

本实施例的监测装置包括固定布置在坡体表面的标识声呐设备、水平布置于水面的浮漂型多源声呐发射接收装置10和数据中心系统。

本实施例的标识声呐设备8为只具有声呐信号发射功能的主动声呐发射装置，其内部集成有电源储能装置。

本实施例的浮漂型多源声呐发射接收装置10用于识别确定水下监测目标并对目标点进行跟踪监测；该浮漂型多源声呐发射接收装置结构示意图如图2所示，其包括金属框架6、布置在金属框架上的声呐设备、设置在金属框架6中心处上端的系统控制及数据处理单元5和GNSS信号接收机11、设置在金属框架6中心处下端的温度传感器12、布设在金属框架6其余位置的太阳能发电面板7和数据传输装置；在本实施例中，该金属框架6为钢结构固定焊接的边长L的正方形金属框架，框架边长L为3米；该声呐设备布置在金属框架6的四角处，逆时针布置编号为声呐设备1，声呐设备2，声呐设备3 和声呐设备4，本实施例的声呐设备为具有声呐信号发射及接收功能一体的声呐设备，本实施例的温度传感器12用于测量水库水体13的温度，太阳能发电面板7用于为整套设备自主提供所需电能。本实施例的GNSS信号接收机11可与GPS卫星连接以获取浮漂型多源声呐发射接收装置10的当前大地坐标。本实施例的数据传输装置基于网络通讯技术将系统控制及数据处理单元5处理得到的数据传输至数据中心系统，系统控制及数据处理单元5处理得到的数据包括监测目标的坐标数据和水温数据。

本实施例的数据中心系统根据接收到的数据建立相应的位移和环境水温时间序列。

本实施例的监测装置实际布置如图3所示，标识声呐设备8固定安装在水下坡体表面，浮漂型多源声呐发射接收装置10放置于标识声呐设备8上方水面，标识声呐设备8 发射声呐信号S₁，同时水平布置在目标上方水面的浮漂型多源声呐发射接收装置10对监测区域发射声呐信号S₂，并同时接受标识声呐的信号S₁和其自身发出的遇到目标后反射回来的信号S₂′；通过系统控制及数据处理单元5对比信号S₁和信号S₂′的相位差，若两信号的相位差为π，则可确定出识别声呐位置处为监测目标。

在监测设备的基础上，提出了一种监测方法，参见图1，现对该方法的每一步骤进行详细说明。

步骤1：将标识声呐设备8固定安装在水下坡体表面，浮漂型多源声呐发射接收装置10放置于标识声呐设备8上方水面，进行水下监测目标的识别确定，并对该监测目标进行跟踪；

步骤2：采用浮漂型多源声呐发射接收装置10的一个声呐设备发射声呐信号，由另外三个声呐设备接收并识别信号，具体的：声呐设备1发射声呐信号，由声呐设备2、声呐设备3和声呐设备4接收并识别反射信号，分别记录从声呐1发射信号到其接收信号的时间t和其它设备收到反射信号的时间差分别为t₂，t₃和t₄，并设在水体中声波的传播速度为C为1.5Km/s，得到水下监测目标的对应声呐信息数据。

步骤3：通过GNSS信号接收机11联接GPS卫星获取设备的当前大地坐标，以发射声呐信号的声呐设备为原点建立局部坐标系，对步骤2获取的声呐信息数据进行空间坐标计算，计算包括：

(1)声呐设备1接收信号时间为t，则声呐设备1到目标的时间为t/2，则从目标到声呐设备2，声呐设备3和声呐设备4的时间分别为：

因此，目标到声呐设备的距离为：

目标到声呐设备1的距离为：

(2)以声呐设备1为原点(0,0,0)建立局部三维直角坐标系，并设监测目标在该坐标系下的三维坐标为(x,y,z)，根据几何投影关系可得下式：

x²+y²+z²＝D₁ ² (1)

(L-x)²+y²+z²＝D₂ ² (2)

(L-x)²+(L-y)²+z²＝D₃ ² (3)

x²+(L-y)²+z²＝D₄ ² (4)

联合求解式(1)-(4)，可求得监测目标的坐标(x,y,z)。

通过GNSS信号接收机11联接GPS卫星获取设备的当前大地坐标为(x₀,y₀,z₀)，则声呐设备1的坐标为：

进而通过坐标转化可得大地坐标下监测目标的坐标为：

实现水下监测目标的声呐信息数据的三维坐标化。

步骤4：通过温度传感器12获取当前水温数据，固定间隔时间2小时将当前时间、监测目标的坐标数据和水温数据传输到数据中心系统，由数据中心系统建立相应的位移和环境水温时间序列，用于后续预测-预警分析和研究，实时监测水下边坡的变形破坏过程。

Claims (4)

1.一种基于多源声呐定位的水下滑坡体变形监测方法，其特征在于：基于监测装置实现，所述监测装置包括固定布置在坡体表面的标识声呐设备(8)、水平布置于水面的浮漂型多源声呐发射接收装置(10)和数据中心系统；

所述标识声呐设备(8)用于发射声呐信号；

所述浮漂型多源声呐发射接收装置(10)用于确定水下监测目标并对监测目标进行跟踪监测，其包括：

固定架、布置在固定架上的多个声呐设备，用于发射或接收声呐信号；

设置在固定架中心处上端的GNSS信号接收机(11)，用于与GPS卫星连接以获取浮漂型多源声呐发射接收装置(10)的当前大地坐标；

设置在固定架中心处下端的温度传感器(12)，用于获取水体温度；

设置在固定架中心处上端的系统控制及数据处理单元(5)，用于基于多个声呐设备获取监测目标的声呐数据，对监测目标的声呐数据进行空间坐标计算，并结合GNSS信号接收机(11)获取到的当前大地坐标，得到监测目标的声呐数据的三维坐标信息，及通过温度传感器(12)获取实时水体温度；

布设在固定架其余位置的太阳能发电面板(7)，用于为浮漂型多源声呐发射接收装置(10)进行供电；

数据传输装置，用于实现系统控制及数据处理单元(5)与数据中心系统间的数据通讯；

所述GNSS信号接收机(11)、多个声呐设备、温度传感器(12)、数据传输装置均与系统控制及数据处理单元(5)电连接；

所述数据中心系统，用于根据系统控制及数据处理单元(5)回传的数据建立相应的位移和环境水温时间序列；

该方法包括以下步骤：

步骤1：通过固定布置在坡体表面的标识声呐设备和水平布置于水面的浮漂型多源声呐发射接收装置，对水下监测目标进行识别确定；

步骤2：浮漂型多源声呐发射接收装置中的一个声呐设备向确定的监测目标发射声呐信号，由其余声呐设备接收并识别声呐信号，获取水下监测目标的声呐数据；

步骤3：对监测目标的声呐数据进行空间坐标计算，并结合浮漂型多源声呐发射接收装置的当前大地坐标，得到监测目标的三维坐标信息；

步骤4：通过水下温度传感器获取实时水温数据；

步骤5：基于监测目标的声呐数据的三维坐标信息和实时水温数据，建立相应的位移和环境水温时间序列；

步骤6；根据位移和环境水温时间序列，实现实时监测水下边坡的变形破坏过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于多源声呐定位的水下滑坡体变形监测方法，其特征在于：所述步骤1具体包括：

标识声呐设备发射声呐信号S₁，同时浮漂型多源声呐装置对监测区域发射声呐信号S₂，并接受声呐信号S₁和其自身发出的遇到目标后反射回来的信号S₂′；

对比声呐信号S₁和信号S₂′的相位差，若两信号的相位差为π，则可确定标识声呐设备位置处为监测目标。

3.根据权利要求1所述的一种基于多源声呐定位的水下滑坡体变形监测方法，其特征在于：所述步骤2具体包括：

采用浮漂型多源声呐发射接收装置中的一个声呐设备向确定的监测目标发射声呐信号，由其余声呐设备接收并识别声呐信号，分别记录声呐设备发射声呐信号到其他声呐设备接收到的反射信号的时间差。

4.根据权利要求1所述的一种基于多源声呐定位的水下滑坡体变形监测方法，其特征在于：所述步骤3具体包括：

步骤3.1：假设发射声呐信号的声呐设备为声呐设备1，接收并识别声呐信号的声呐设备为声呐设备i，其中i＝2,3,4…n,n为浮漂型多源声呐发射接收装置中声呐设备的总数，声呐设备1从发射声呐信号到其接收反射信号的时间为t，则声呐设备1到目标的时间为t/2，其他声呐设备收到反射信号的时间差记为t_i，得到目标到声呐设备i的时间；

步骤3.2：根据目标到各声呐设备的时间，得到目标到各声呐设备的距离；

步骤3.3：以声呐设备1为原点(0,0,0)建立局部三维直角坐标系，根据各声呐设备之间的几何投影关系，得到监测目标在该坐标系下的三维坐标(x,y,z)；

步骤3.4：获取浮漂型多源声呐发射接收装置的当前大地坐标，得到声呐设备1的在大地坐标下的坐标，通过坐标转化，得到大地坐标下的监测目标的坐标。

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