CN112785815B - 基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置及方法，它包括浮标、铠装扰动监测光缆、质量块、光纤解调系统和信号传输光缆，通过铠装扰动监测光缆与浮标和质量块连接，信号传输光缆与铠装扰动监测光缆和光纤解调系统连接，连接索与岩土体锚固串联多个浮标，浮标浮动于潜在滑坡的水域内，质量块悬垂于水中，光纤解调系统用于铠装扰动监测光缆中信号解调，在涌浪发生时，通过光纤解调系统将监测信号阈值与监测报警阈值比对。克服了原涌浪监测利用水位计点式监测无法对水体内部暗流及其分布特征进行测量，低估水中暗流幅度对沿岸危害的问题。具有结构简单，对涌浪灾害进行在线实时监测和预警，操作简单方便的特点。
Description
技术领域
本发明属于涌浪监测技术领域，涉及一种基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置及方法。
背景技术
滑坡涌浪是一种伴随着岸边滑坡发生的次生灾害，其主要是由于边坡岩土体或河流浸没岩土体突然滑动，并与水体相互作用而产生的波浪。滑坡涌浪的发生可能导致严重灾害，如滑坡涌浪对水库坝体的冲击轻则造成坝体产生裂缝，重则使坝体溃堤，危害沿岸居民的生命财产安全；滑坡涌浪同时也是产生海啸的第二大诱因，其破坏程度有时不亚于地震诱发的海啸，会严重威胁涌浪发生水域过往船只的航行安全。
已有的关于涌浪的研究多集中于经验公式、物理模型和数值模拟方面，学者们希望通过上述研究方法展现涌浪的发生过程及传播规律。然而，对于涌浪的监测与预警方法仍较稀少。现有的涌浪监测方法主要是利用水位计对涌浪的波高、波向进行测量。然而，水位计一般用于水面波高测量，属于点式监测，无法对水体内部暗流及其分布特征进行测量，导致低估了水中暗流幅度及其对沿岸的危害。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置及方法，结构简单，采用铠装扰动监测光缆与浮标和质量块连接，信号传输光缆与铠装扰动监测光缆和光纤解调系统连接，连接索与岩土体锚固串联多个浮标，浮标浮动于潜在滑坡的水域内，质量块悬垂于水中，光纤解调系统用于铠装扰动监测光缆中信号解调，在涌浪发生时，光纤解调系统将监测信号阈值与监测报警阈值比对，对涌浪灾害进行在线实时监测和预警，操作间方便。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置，它包括浮标、铠装扰动监测光缆、质量块、光纤解调系统和信号传输光缆；所述铠装扰动监测光缆的两端分别与浮标和质量块连接，信号传输光缆与铠装扰动监测光缆和光纤解调系统连接，质量块垂直于浮标位于其下部；所述浮标浮动于水面，质量块悬垂于水中，光纤解调系统用于铠装扰动监测光缆中信号解调。
所述浮标为圆锥台结构，截面较小的锥顶朝向质量块，铠装扰动监测光缆与圆锥台的中心连接。
所述质量块为一端设置锥尖的圆柱体，铠装扰动监测光缆与锥尖连接。
所述浮标的数量为多个，由连接索串联，位于连接索两端设置有锚件。
多个所述的浮标连接的铠装扰动监测光缆与信号传输光缆连接。
所述铠装扰动监测光缆在水平方向受到水流荷载q的作用，在竖直方向受到涌浪监测装置拉力T1、锚件的拉力T2及自身的重力G，水流对光缆作用力q的大小为，其中，T1、T2和G为平衡力，不会对铠装扰动监测光缆产生扰动，式中，Cd为曳力系数；ρ为水流密度；v为水流流速；A为水流流过铠装扰动监测光缆横截面的面积。
所述铠装扰动监测光缆受涌浪扰动信号通过Ф-OTDR光缆光强信号解调仪进行解调，通过向铠装扰动监测光缆中注入高相干光源，并探测后向瑞利散射光的光强变化，对扰动事件进行监测。
所述铠装扰动监测光缆的扰动信号通过设定解调仪的报警阈值，实现对扰动发生的位置及时间的在线实时监测，式中，I为解调仪探测到的光强；A为散射光振幅；λ为光波波长；nf为光纤折射率；c为光纤中光速；TP为光脉冲宽度。
如上所述的基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置的监测方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，安装，将连接索两端的锚件与岩土体锚固，位于连接索上串联的多个浮标位于潜在滑坡的水域内浮于水面上，质量块悬垂于水中；
S2，连接，信号传输光缆与多个铠装扰动监测光缆连接后与Ф-OTDR光缆光强信号解调仪进行连接；
S3，设置，测试确定合理的监测报警阈值，使Ф-OTDR光缆光强信号解调仪收到的信号在该阈值之下时不报警；
S4，检测，当收到的信号幅值高于设定的报警阈值时，Ф-OTDR光缆光强信号解调仪发出预警信号。
一种基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置，它包括浮标、铠装扰动监测光缆、质量块、光纤解调系统和信号传输光缆；铠装扰动监测光缆的两端分别与浮标和质量块连接，信号传输光缆与铠装扰动监测光缆和光纤解调系统连接，质量块垂直于浮标位于其下部；浮标浮动于水面，质量块悬垂于水中，光纤解调系统用于铠装扰动监测光缆中信号解调。结构简单，通过铠装扰动监测光缆与浮标和质量块连接，信号传输光缆与铠装扰动监测光缆和光纤解调系统连接，连接索与岩土体锚固串联多个浮标，浮标浮动于潜在滑坡的水域内，质量块悬垂于水中，光纤解调系统用于铠装扰动监测光缆中信号解调，在涌浪发生时，通过光纤解调系统将监测信号阈值与监测报警阈值比对，对涌浪灾害进行在线实时监测和预警，操作间方便。
在优选的方案中，浮标为圆锥台结构，截面较小的锥顶朝向质量块，铠装扰动监测光缆与圆锥台的中心连接。结构简单，使用时，浮标浮于水面上，与浮标连接的质量块悬垂于水中起到稳定作用，铠装扰动监测光缆与圆锥台结构的浮标连接，在水流冲击时阻力小，稳定性好。
在优选的方案中，质量块为一端设置锥尖的圆柱体，铠装扰动监测光缆与锥尖连接。结构简单，使用时，质量块为圆柱体锥尖结构，锥尖与铠装扰动监测光缆连接，悬垂于水中稳定性好。
在优选的方案中，浮标的数量为多个，由连接索串联，位于连接索两端设置有锚件。结构简单，使用时，连接索两端的锚件与岩石土体锚固，位于连接索上串联的多个浮标浮于潜在滑坡水域内。
在优选的方案中，多个浮标连接的铠装扰动监测光缆与信号传输光缆连接。结构简单，使用时，采用多个与信号传输光缆连接的铠装扰动监测光缆监测潜在水域的涌浪信号，其覆盖面积大，测得数据误差小。
在优选的方案中，铠装扰动监测光缆在水平方向受到水流荷载q的作用，在竖直方向受到涌浪监测装置拉力T1、锚件的拉力T2及自身的重力G，水流对光缆作用力q的大小为，其中，T1、T2和G为平衡力，不会对铠装扰动监测光缆产生扰动，式中，Cd为曳力系数；ρ为水流密度；v为水流流速；A为水流流过铠装扰动监测光缆横截面的面积。
在优选的方案中，铠装扰动监测光缆受涌浪扰动信号通过Ф-OTDR光缆光强信号解调仪进行解调，通过向铠装扰动监测光缆中注入高相干光源，并探测后向瑞利散射光的光强变化，对扰动事件进行监测。
在优选的方案中，铠装扰动监测光缆的扰动信号通过设定解调仪的报警阈值，实现对扰动发生的位置及时间的在线实时监测，式中，I为解调仪探测到的光强；A为散射光振幅；λ为光波波长；nf为光纤折射率；c为光纤中光速；TP为光脉冲宽度。
在优选的方案中，如上基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置的监测方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，安装，将连接索两端的锚件与岩土体锚固，位于连接索上串联的多个浮标位于潜在滑坡的水域内浮于水面上，质量块悬垂于水中；
S2，连接，信号传输光缆与多个铠装扰动监测光缆连接后与Ф-OTDR光缆光强信号解调仪进行连接；
S3，设置，测试确定合理的监测报警阈值，使Ф-OTDR光缆光强信号解调仪收到的信号在该阈值之下时不报警；
S4，检测，当收到的信号幅值高于设定的报警阈值时，Ф-OTDR光缆光强信号解调仪发出预警信号。该方法操作简单方便，具有对涌浪灾害进行在线实时监测和预警。
一种基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置及方法，它包括浮标、铠装扰动监测光缆、质量块、光纤解调系统和信号传输光缆，通过铠装扰动监测光缆与浮标和质量块连接，信号传输光缆与铠装扰动监测光缆和光纤解调系统连接，连接索与岩土体锚固串联多个浮标，浮标浮动于潜在滑坡的水域内，质量块悬垂于水中，光纤解调系统用于铠装扰动监测光缆中信号解调，在涌浪发生时，通过光纤解调系统将监测信号阈值与监测报警阈值比对。克服了原涌浪监测利用水位计点式监测无法对水体内部暗流及其分布特征进行测量，低估水中暗流幅度对沿岸危害的问题。具有结构简单，对涌浪灾害进行在线实时监测和预警，操作简单方便的特点。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的受力分析图。
图3为本发明的使用状态图。
图4为本发明无涌浪发生和有涌浪发生时的信号图。
图中：浮标1，铠装扰动监测光缆2，质量块3，光纤解调系统4，信号传输光缆5，连接索6。
具体实施方式
如图1～图4中，一种基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置，它包括浮标1、铠装扰动监测光缆2、质量块3、光纤解调系统4和信号传输光缆5；所述铠装扰动监测光缆2的两端分别与浮标1和质量块3连接，信号传输光缆5与铠装扰动监测光缆2和光纤解调系统4连接，质量块3垂直于浮标1位于其下部；所述浮标1浮动于水面，质量块3悬垂于水中，光纤解调系统4用于铠装扰动监测光缆2中信号解调。结构简单，通过铠装扰动监测光缆2与浮标1和质量块3连接，信号传输光缆5与铠装扰动监测光缆2和光纤解调系统4连接，连接索6与岩土体锚固串联多个浮标1，浮标1浮动于潜在滑坡的水域内，质量块3悬垂于水中，光纤解调系统4用于铠装扰动监测光缆2中信号解调，在涌浪发生时，通过光纤解调系统4将监测信号阈值与监测报警阈值比对，对涌浪灾害进行在线实时监测和预警，操作间方便。
优选的方案中，所述浮标1为圆锥台结构，截面较小的锥顶朝向质量块3，铠装扰动监测光缆2与圆锥台的中心连接。结构简单，使用时，浮标1浮于水面上，与浮标1连接的质量块3悬垂于水中起到稳定作用，铠装扰动监测光缆2与圆锥台结构的浮标1连接，在水流冲击时阻力小，稳定性好。
优选的方案中，所述质量块3为一端设置锥尖的圆柱体，铠装扰动监测光缆2与锥尖连接。结构简单，使用时，质量块3为圆柱体锥尖结构，锥尖与铠装扰动监测光缆2连接，悬垂于水中稳定性好。
优选的方案中，所述浮标1的数量为多个，由连接索6串联，位于连接索6两端设置有锚件。结构简单，使用时，连接索6两端的锚件与岩石土体锚固，位于连接索6上串联的多个浮标1浮于潜在滑坡水域内。
在优选的方案中，多个所述的浮标1连接的铠装扰动监测光缆2与信号传输光缆5连接。结构简单，使用时，采用多个与信号传输光缆5连接的铠装扰动监测光缆2监测潜在水域的涌浪信号，其覆盖面积大，测得数据误差小。
优选的方案中，所述铠装扰动监测光缆2在水平方向受到水流荷载q的作用，在竖直方向受到涌浪监测装置拉力T1、锚件的拉力T2及自身的重力G，水流对光缆作用力q的大小为，其中，T1、T2和G为平衡力，不会对铠装扰动监测光缆2产生扰动，式中，Cd为曳力系数；ρ为水流密度；v为水流流速；A为水流流过铠装扰动监测光缆2横截面的面积。
优选的方案中，所述铠装扰动监测光缆2受涌浪扰动信号通过Ф-OTDR光缆光强信号解调仪进行解调，通过向铠装扰动监测光缆2中注入高相干光源，并探测后向瑞利散射光的光强变化，对扰动事件进行监测。
优选的方案中，所述铠装扰动监测光缆2的扰动信号通过设定解调仪的报警阈值，实现对扰动发生的位置及时间的在线实时监测，式中，I为解调仪探测到的光强；A为散射光振幅；λ为光波波长；nf为光纤折射率；c为光纤中光速；TP为光脉冲宽度。
在优选的方案中，如上所述的基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置的监测方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，安装，将连接索6两端的锚件与岩土体锚固，位于连接索6上串联的多个浮标1位于潜在滑坡的水域内浮于水面上，质量块3悬垂于水中；
S2，连接，信号传输光缆5与多个铠装扰动监测光缆2连接后与Ф-OTDR光缆光强信号解调仪进行连接；
S3，设置，测试确定合理的监测报警阈值，使Ф-OTDR光缆光强信号解调仪收到的信号在该阈值之下时不报警；
S4，检测，当收到的信号幅值高于设定的报警阈值时，Ф-OTDR光缆光强信号解调仪发出预警信号。该方法操作简单方便，具有对涌浪灾害进行在线实时监测和预警。
如上所述的基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置及方法，安装使用时，铠装扰动监测光缆2与浮标1和质量块3连接，信号传输光缆5与铠装扰动监测光缆2和光纤解调系统4连接，连接索6与岩土体锚固串联多个浮标1，浮标1浮动于潜在滑坡的水域内，质量块3悬垂于水中，光纤解调系统4用于铠装扰动监测光缆2中信号解调，在涌浪发生时，光纤解调系统4将监测信号阈值与监测报警阈值比对，对涌浪灾害进行在线实时监测和预警，操作方便。
使用时，浮标1浮于水面上，与浮标1连接的质量块3悬垂于水中起到稳定作用，铠装扰动监测光缆2与圆锥台结构的浮标1连接，在水流冲击时阻力小，稳定性好。
使用时，质量块3为圆柱体锥尖结构，锥尖与铠装扰动监测光缆2连接，悬垂于水中稳定性好。
使用时，连接索6两端的锚件与岩石土体锚固，位于连接索6上串联的多个浮标1浮于潜在滑坡水域内。
使用时，采用多个与信号传输光缆5连接的铠装扰动监测光缆2监测潜在水域的涌浪信号，其覆盖面积大，测得数据误差小。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置，其特征是：它包括浮标(1)、铠装扰动监测光缆(2)、质量块(3)、光纤解调系统(4)和信号传输光缆(5)；所述铠装扰动监测光缆(2)的两端分别与浮标(1)和质量块(3)连接，信号传输光缆(5)与铠装扰动监测光缆(2)和光纤解调系统(4)连接，质量块(3)垂直于浮标(1)位于其下部；所述浮标(1)浮动于水面，质量块(3)悬垂于水中，光纤解调系统(4)用于铠装扰动监测光缆(2)中信号解调；
所述浮标(1)的数量为多个，由连接索(6)串联，位于连接索(6)两端设置有锚件；
多个所述的浮标(1)连接的铠装扰动监测光缆(2)与信号传输光缆(5)连接；
所述铠装扰动监测光缆(2)受涌浪扰动信号通过Ф-OTDR光缆光强信号解调仪进行解调，通过向铠装扰动监测光缆(2)中注入高相干光源，并探测后向瑞利散射光的光强变化，对扰动事件进行监测；
所述铠装扰动监测光缆(2)的扰动信号通过设定解调仪的报警阈值，实现对扰动发生的位置及时间的在线实时监测，式中，I为解调仪探测到的光强；A为散射光振幅；λ为光波波长；nf为光纤折射率；c为光纤中光速；TP为光脉冲宽度。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置，其特征是：所述浮标(1)为圆锥台结构，截面较小的锥顶朝向质量块(3)，铠装扰动监测光缆(2)与圆锥台的中心连接。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置，其特征是：所述质量块(3)为一端设置锥尖的圆柱体，铠装扰动监测光缆(2)与锥尖连接。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置，其特征是：所述铠装扰动监测光缆(2)在水平方向受到水流荷载q的作用，在竖直方向受到涌浪监测装置拉力T1、锚件的拉力T2及自身的重力G，水流对光缆作用力q的大小为其中，T1、T2和G为平衡力，不会对铠装扰动监测光缆(2)产生扰动，式中，Cd为曳力系数；ρ为水流密度；v为水流流速；A为水流流过铠装扰动监测光缆(2)横截面的面积。
5.根据权利要求1～4任一项所述的基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置的监测方法，其特征是，它包括如下步骤：
S1，安装，将连接索(6)两端的锚件与岩土体锚固，位于连接索(6)上串联的多个浮标(1)位于潜在滑坡的水域内浮于水面上，质量块(3)悬垂于水中；
S2，连接，信号传输光缆(5)与多个铠装扰动监测光缆(2)连接后与Ф-OTDR光缆光强信号解调仪进行连接；
S3，设置，测试确定合理的监测报警阈值，使Ф-OTDR光缆光强信号解调仪收到的信号在该阈值之下时不报警；
S4，检测，当收到的信号幅值高于设定的报警阈值时，Ф-OTDR光缆光强信号解调仪发出预警信号。
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