CN216209888U - 一种实时高精度监测岸滩冲淤设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实时高精度监测岸滩冲淤设备，属于水文监测领域。包括水下基站、岸上基站、卫星通信单元和终端监测单元；水下基站包括换能器单元、第一信号处理单元、第一定位单元和第一信号收发单元；换能器单元用于发射和接收声波信号，并接收到的回波信号传输第一信号处理单元；第一信号处理单元用于处理换能器单元传输的回波信号和第一定位单元获取的位置信号，再通过第一信号收发单元与岸上基站通信；终端监测单元通过卫星通信单元与岸上基站进行通信。本实用新型能实现远程自动化的实时监测，准确地反馈水下淤泥冲淤、淤积的深度变化情况，为水下安全运行提供有效的数据和预警判断。

Description

一种实时高精度监测岸滩冲淤设备

技术领域

本实用新型涉及一种实时监测装置，具体讲是一种实时高精度监测岸滩冲淤设备，属于水文监测领域。

背景技术

岸线资源是港口、工业、仓储等基础设施的建设载体，为国民经济发展提供了重要支撑。但是受水流泥沙等外部因素影响，岸滩冲淤变化十分频繁，极大地影响着岸线资源的合理开发利用，尤以冲刷问题对水工建筑物及涉水设施的安全影响最大。在港口码头、防波堤、围堤和人工岛等海洋工程建设中，建筑物与波浪、海流互相作用，如海工建筑物岸坡造成波浪的反射、破碎，波浪和海流不断对海工建筑物基础冲刷，由局部冲刷造成的损毁屡见不鲜；在海洋石油、天然气、矿产等资源的勘探开发，海洋平台建设与海底管道埋设受到波浪海流冲刷的影响很大，平台桩柱受到冲刷后往往形成冲刷坑，影响平台的稳定性，受波浪海流长期作用的海底管道可能产生冲刷悬空段，进而产生涡激振动，可能使管道断裂或者疲劳破坏。河道内的冲刷问题同样不容忽视，由于上游水利工程的大量建设与水土保持措施的实施，往往使河道中原有的水沙平衡遭到破坏，清水下泄、泥沙减少，导致河床降低、水流结构发生改变，加剧下游桥墩等水工建筑物的冲刷，造成桥梁垮塌；同样由于水流淘刷堤岸，导致岸滩崩塌后退而威胁防洪大堤安全，严重时甚至堤脚被水流冲刷破坏而导致上部堤岸崩塌，带来无法弥补的惨痛后果。因此，对岸滩进行实时高精度的冲淤监测十分必要。目前，现有技术中岸滩冲淤监测主要采用以下方法：

(1)标志桩法。标志桩法是一种普通的观测方法，具体操作是将一标杆插入潮滩沉积物中，为确保它的稳定性，一般将其插进沉积物以下1m多深。设置好以后测量出露部分的长度M，一般在桩的周围多次测量求平均值作为此时的值，以后每隔一定时间 (根据观测要求而定)观测出露标杆的长度，M与m的差值即为在此期间的冲淤变化，正值为淤积，负值表示侵蚀。此方法操作简单易行、直观、技术要求低、经济，一条断面上可以布设几十个点，一个岸段可布多条断面，但由于标杆本身对冲淤有一定的阻碍作用，因而精度低。

(2)沉降板法。沉降板法主要用来测量有植被覆盖的潮滩冲淤变化，具体操作是挖一个浅坑，将沉降板(不锈钢板、丙烯酸板或瓷板)从浅坑水平插入潮滩面下(大约30cm 以下)并固定，在板附近插一个棒作为标识。等浅坑区的环境恢复后，测量沉降板距潮滩面的高度，在板的不同位置多次测量求平均值口。该方法操作复杂，费时费力，精度低。

(3)人工示踪砂法。人工示踪砂实验是研究沉积物搬运的一种方法，通过追踪示踪砂的运动方向和位置也可研究海岸冲淤变化口。示踪砂是人工制作的易与母质砂相区别、形态特征和动力特征与母质沉积物相似的物质。根据标识方法不同分为放射性示踪砂、中子活化示踪砂、荧光示踪砂等。具体方法是把示踪砂投放于潮滩沉积物中，通过追踪示踪砂在垂直剖面中的深度可获得沉积物的沉积速率；如果沉积物以侵蚀为主，根据示踪砂分布位置随时间的变化可得沉积物的侵蚀程度，但不能定量地研究其侵蚀速率。潮滩上水动力作用的复杂性和示踪砂物质有一定污染，使得该方法在潮滩冲淤变化研究中有一定的局限性。

(4)PEEP方法。以实时监测潮滩冲淤变化。感应器是一个装有10个可见光电池的透明丙烯酸电子管，管子垂直插入潮滩面，根据光电池暴露在外面的长度，感应器产生相应的电压强度，电压值通过一定的运算法则转化成潮滩冲淤厚度，通过一个数据自动记录仪每隔15～30min记录下来。这种感应器依赖于光照，无法捕捉夜间的情况。此外，由于水下光的强度减弱，得到的水下冲淤事件准确度不够。

由此可见，目前现有的冲淤监测手段，大多存在着易离线、精度不高、稳定性差等缺陷，同时受紊流、土体输移的影响，难以对水下泥面深度进行精确的远程自动化监测，尤其在水文泥沙条件恶劣的情况下无法正常监测。随着十四五期间国家对水利、海洋等涉水工程安全运行要求的进一步提高，亟需构建新型涉水工程健康监测体系、研发实时高精度监测冲淤设备，以为高质量开发利用岸线资源活动的决策和实施提供科学依据和技术支持。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种能监测精度和准确度高，稳定性好且能实现远程自动化实时监测的实时高精度监测岸滩冲淤设备。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种实时高精度监测岸滩冲淤设备，至少包括1个水下基站和1个岸上基站、卫星通信单元和终端监测单元；

所述水下基站用于获取水下淤泥冲淤信号及水下基站的自身位置信息并处理后发送至岸上基站；

所述岸上基站用于将水下基站传送的信息及其岸上基站信号处理后发送至卫星通信单元；

所述终端监测单元通过卫星通信单元与岸上基站进行通信。

作为改进，所述水下基站包括换能器单元、第一信号处理单元、第一定位单元和第一信号收发单元；所述换能器单元用于发射和接收声波信号，并接收到的回波信号传输第一信号处理单元；第一信号处理单元用于处理换能器单元传输的回波信号和第一定位单元获取的位置信号，再通过第一信号收发单元与岸上基站通信；

所述岸上基站包括信号接收与发射单元、第二信号处理单元、第二定位单元和第二信号收发单元；所述信号接收与发射单元用于接收水下基站传送的信息并传输至第二信号处理单元；所述第二信号处理单元用于处理信号接收与发射单元传输的信息和第二定位单元获取的定位信号，再通过第二信号收发单元与卫星通信单元通信

作为改进，所述岸上基站采用太阳能电池组供电。

本实用新型的有益效果在于：(1)本实用新型利用换能器传感技术，基于水体与土体间声波信号的差异，能实现远程自动化的实时监测，准确地反馈水下淤泥冲淤、淤积的深度变化情况，为水下安全运行提供有效的数据和预警判断。其克服了传统的冲淤深度监测方法操作复杂、精度低、稳定性差、成本高和传感元件耐久性差等缺点，在实际工程应用中的局限性。(2)采用太阳能电池板可为岸上基站持续提供电源，有效地降低了运行成本，实现了低能耗监测，并提高了系统对现场环境的适应性。

附图说明

图1为本实用新型实时高精度监测岸滩冲淤设备结构框图；

图2为图1实施部署图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。

如图1和2所示，本实施例提供的实时高精度监测岸滩冲淤设备，包括换能器单元1、水下工控机2、水下定位单元3、水下信号收发单元4、水下电源、信号接收与发射单元5、水上工控机9、水上定位单元8、水上信号收发单元6、太阳能电池组7、通信卫星10和用户终端监测单元11。

其中，换能器单元1、水下工控机2、水下定位单元3、水下信号收发单元4和水下电源组成水下基站。信号接收与发射单元5、水上工控机9、水上定位单元8、水上信号收发单元6和太阳能电池组7组成岸上基站。

在水下基站中，换能器单元1主要用于发射和接收声波信号并发送给水下工控机2进行处理。当淤泥淤积部分的换能器发射声波，回波距离信号为零；当没有淤泥淤积部分的换能器发射声波，回波距离信号为无信号或者一个较大距离的回波。在本实施例中，换能器单元1采用的是Sonic2024发射单元。R2Sonic Sonic 2024发射单元是基于第5代声呐结构的多波束测深仪。

水下工控机2为各种信号的交换中心，用于收集并处理换能器信号信息和水下定位单元3获取的定位信息，再通过水下信号收发单元4向岸上基站传输。在本实施例中，水下工控机2采用的是密封防水型计算机处理器，如Stealth公司的WPC-905、Dongtintech 东田公司的DTP-1722-J1900。水下定位单元3用于获取水下基站的位置信息，记录冲淤数据的位置信息，向水下工控机2提供。在本实施例中，水下定位单元3采用的是德国 EvoLogics公司S2CR 15/27超短基线水下定位系统。水下信号收发单元4将水下冲淤的各种信息传送给岸上，以及接收来自岸上基站的各种信息。在本实施例中，水下信号收发单元4采用的是和成系统有限公司UWM10000水下声学调制解调器。水下电源用于向整个水下基站供电。

在岸上基站中，信号接收与发射单元5作为水下基站与岸上基站信息交换的转换点。在本实施例中，信号接收与发射单元5采用的是深圳市华普微电子有限公司生产的Sub-1GHz收发模块。水上工控机9为各种信号的交换中心，用于收集并处理水下基站的各类信息、水上定位单元8获取的定位信息和通信卫星10的信息。在本实施例中，水上工控机9采用的是普通计算机。水上信号收发单元6用于将岸上基站接收到的信息传送给通信卫星10，以及接收通信卫星10发射回来的信息。本实施例中水上信号收发单元6采用的是现有的无线电台。水上定位单元8用于记录岸上基站的位置信息。在本实施例中，水上定位单元8采用的是Trimble R10 GPS接收机。太阳能电池组7组主是为岸上基站提供电源输入。

通信卫星10采用公用的卫星通信系统，借助卫星定位和收发信息的功能，采用无线通信模式，实现用户终端监测单元11与岸上基站之间的双向通信。

用户终端监测单元11，通过用户接收部分，用户可以实时监测冲淤情况。可通过通信卫星10向岸上基站发送相关指令。本实施例中，用户终端监测单元11为手机。

实际使用时，将水下基站固定在水下，换能器单元1插入淤泥，插入深度可以根据实际监测需要进行选择。岸上基站固定在水面之上，例如固定在河堤、坝埂等实施上，信号接收与发射单元5保持插入水中，如图2所示。工作中，换能器单元1发射接收声波信号后，接收返回的回波信号传输给水下工控机2进行处理分析。即当淤泥淤积部分的换能器发射声波，回波距离信号为零；当没有淤泥淤积部分的换能器发射声波，回波距离信号为无信号或者一个较大距离的回波，得到淤泥冲淤的高度信号，以及水下定位单元3位置信号，通过水下信号收发单元4，传送给岸上基站的信号接收与发射单元5。水上工控机9接收到信息，经过处理分析后，通过水上信号收发单元6借助通信卫星10，传送给用户终端监测单元11，用户便可以实时监测冲淤情况。

针对传统的冲淤深度监测方法操作复杂、精度低、稳定性差、成本高和传感元件耐久性差等缺点，在实际工程应用中具有很大的局限性。该实施例利用换能器传感技术，基于水体与土体间声波信号的差异，通过现有的经典信号回波学验算分析，可实现远程自动化的实时监测能力，准确反馈水下淤泥冲淤、淤积的深度变化情况，为水下安全运行提供有效的数据和预警判断。

本实施例中旨在对其结构进行详细的说明，所涉及到的信号回波学验算分析、工控机对相关数据的处理分析等均为现有的常规技术，也非本实用新型所要求保护的范围，故在此不再展开描述。

本实用新型提供了一种实时高精度监测岸滩冲淤设备的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种实时高精度监测岸滩冲淤设备，其特征在于：至少包括1个水下基站和1个岸上基站、卫星通信单元和终端监测单元；

所述水下基站用于获取水下淤泥冲淤信号及水下基站的自身位置信息并处理后发送至岸上基站；

所述岸上基站用于将水下基站传送的信息及其岸上基站信号处理后发送至卫星通信单元；

所述终端监测单元通过卫星通信单元与岸上基站进行通信；

所述水下基站包括换能器单元、第一信号处理单元、第一定位单元和第一信号收发单元；所述换能器单元用于发射和接收声波信号，并接收到的回波信号传输第一信号处理单元；第一信号处理单元用于处理换能器单元传输的回波信号和第一定位单元获取的位置信号，再通过第一信号收发单元与岸上基站通信。

2.根据权利要求1所述的实时高精度监测岸滩冲淤设备，其特征在于：所述岸上基站包括信号接收与发射单元、第二信号处理单元、第二定位单元和第二信号收发单元；所述信号接收与发射单元用于接收水下基站传送的信息并传输至第二信号处理单元；所述第二信号处理单元用于处理信号接收与发射单元传输的信息和第二定位单元获取的定位信号，再通过第二信号收发单元与卫星通信单元通信。

3.根据权利要求1或2所述的实时高精度监测岸滩冲淤设备，其特征在于：所述岸上基站采用太阳能电池组供电。

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