基于光纖曲率傳感器的水下表面變形實時監測系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及水下地形測量技術領域，更具體涉及一種基于光纖曲率傳感器的水下表面變形實時監測系統。
【背景技術】
[0002]海洋蘊藏了大量生物、礦藏資源，在海洋勘探、開發等工程中需要眾多技術設備以及興建港口碼頭、鋪設海底管道、測設航道等。水域的水下地形圖等水下表面變形的研究是水下工程及應用的基礎。
[0003]目前采用的水下地形地貌測量方法主要是通過測深技術來實現，大致分為竹竿鉛垂原始測深、單波束回聲測深儀常規測深以及多波束測深系統三個階段。常規的單波束測深儀只能得到測量船正下方的水深，獲取的地形數據量少，測量所需時間長。多波束測深系統集測深與側掃聲吶功能于一身，相比于單波束具有測量范圍大、速度快等優點。但是多波束測深系統獲得的是水底多個點的水深值，隨著測量船的前進，測得一條帶狀大量的水深數據，再通過定位系統實時提供的測量船的坐標，最終利用專業軟件得到測區內的水下地形圖，其體積龐大、系統復雜、勘測成本高，測量范圍有限。

【發明內容】

[0004]本發明要解決的技術問題是，克服現有技術的不足，提供一種基于光纖曲率傳感器的水下表面變形實時監測系統。
[0005]為解決技術問題，本發明是通過如下技術方案實現:
[0006]本發明提供了一種基于光纖曲率傳感器的水下表面變形的實時監測系統，包括主控計算機；該系統還包括多個長條帶狀的光纖曲率傳感器陣列；各光纖曲率傳感器陣列分別通過測量模塊連接至主控計算機；
[0007]所述測量模塊包括微控制器與多個數據采集子模塊，數據采集子模塊與光纖曲率傳感器陣列的數量相匹配；數據采集子模塊包括依次連接的函數發生器、光發射器和光纖分束器，以及依次連接的光探測器陣列、濾波器、放大器和數據采集卡；其中，光纖分束器和光探測器陣列分別與光纖曲率傳感器陣列連接，數據采集卡連接至微控制器，微控制器則通過電纜連接至主控計算；
[0008]所述光纖曲率傳感器陣列具有如下結構:若干個光纖曲率傳感器等間隔排列，由硫化橡膠實現位置固定，并使光纖曲率傳感器陣列的整體呈長條帶狀；光纖曲率傳感器陣列中各光纖曲率傳感器分別通過導線連接至數據采集子模塊中的光纖分束器和光探測器陣列。(光纖分束器與光探測器陣列均有多個接口，每個接口連接一條光纖曲率傳感器，各光纖曲率傳感器或光纖曲率傳感器陣列之間沒有相互連接)。
[0009]本發明中，所述由硫化橡膠層實現位置固定，是指:由硫化橡膠以注塑的方式實現一體化固定，或由上下兩層設有安裝槽的硫化橡膠層以箝位方式實現固定。
[0010]本發明的實現原理:
[0011]光發射器由函數發生器驅動，將光信號通過光纖分束器送入光纖曲率傳感器陣列。長條帶狀的光纖曲率傳感器陣列在經過凹凸變形的水下地表時，光纖曲率傳感器陣列中不同位置的光纖曲率傳感器會因變形不同而產生不同強度的光信號衰減；各路光信號由光探測器陣列接收后轉換為電壓模擬信號，再經濾波器以及放大器輸出到數據采集卡；數據采集卡將采集到的信號經微控制器送至主控計算機，由主控計算機實現數據處理、計算建模，最終顯示水下表面變形的三維圖。
[0012]與現有技術相比，本發明的有益效果是:
[0013](I)將光纖曲率傳感器制成帶狀的傳感器陣列后，就能將不同位置的傳感器變形差異所帶來的信號衰減變化，用于數據分析以進一步實現對水下地形地貌的直接測量，能有效地提高測量的速度以及降低成本。
[0014](2)本發明不僅適用于包括水下地形地貌等水下表面變形實時監測，同樣適用于陸地上的表面變形實時監測，尤其對于礦山工程、隧道工程等不具備視像條件下巷道圍巖等變形監測。
【附圖說明】
[0015]圖1是帶狀光纖曲率傳感器陣列的結構圖；
[0016]圖2是測量模塊的電路連接示意圖；
[0017]圖3是數據采集子模塊的電路連接示意圖；
[0018]圖4是水下表面變形實時監測的系統布置示意圖。
[0019]圖中附圖標記:1硫化橡膠，2光纖曲率傳感器；31主控計算機，32水面，33電纜，34測量模塊，35帶狀光纖曲率傳感器陣列，36水下地表。
【具體實施方式】
[0020]結合附圖，將以水下地形地貌監測為例對本發明進行詳細說明。
[0021 ] 本發明中，基于光纖曲率傳感器的水下表面變形的實時監測系統，包括主控計算機31、測量模塊34和多個長條帶狀的光纖曲率傳感器陣列35 ;各光纖曲率傳感器陣列35接至測量模塊34，測量模塊34通過電纜33連接至主控計算機31。
[0022]光纖曲率傳感器陣列35具有如下結構:若干個光纖曲率傳感器2等間隔排列，由硫化橡膠I實現光纖曲率傳感器2的位置固定，并使光纖曲率傳感器陣列35的整體呈長條帶狀；光纖曲率傳感器陣列35中各光纖曲率傳感器2的分別連接數據采集子模塊的光纖分束器以及光探測器陣列，各光纖曲率傳感器之間沒有相互連接；光纖分束器與光探測器陣列均有多個接口，每個接口連接一條光纖曲率傳感器。
[0023]所述測量模塊34包括微控制器與多個數據采集子模塊，數據采集子模塊與光纖曲率傳感器陣列35中的帶狀光纖傳感器2的數量相匹配；數據采集子模塊包括依次連接的函數發生器、光發射器和光纖分束器，以及依次連接的光探測器陣列、濾波器、放大器和數據采集卡；其中，光纖分束器和光探測器陣列分別與光纖曲率傳感器陣列35中的帶狀光纖傳感器2連接，數據采集卡連接至微控制器，微控制器則通過電纜33連接至主控計算31。
[0024]本發明中，硫化橡膠實現光纖曲率傳感器的位置固定的方式可以是下述任意一種:由硫化橡膠將排列好的若干個光纖曲率傳感器2以注塑的方式實現一體化固定；或由上下兩層設有安裝槽的硫化橡膠層，將各若干個光纖曲率傳感器2裝填在安裝槽中，以箝位方式實現固定。
[0025]本發明中，硫化橡膠具有良好的防水作用，便于光纖曲率傳感器陣列35在水下應用。本發明所使用的帶狀光纖曲率傳感器2、函數發生器、光發射器、光纖分束器、光探測器陣列、濾波器、放大器和數據采集卡均為現有技術，本領域技術人員均可基于本發明實現目的以市場采購或自行制作的方式獲得。其中，本實施例中的函數發生器產生的是IKHz的正弦波，光發射器采用LED，光探測器陣列可采用APD光探測器陣列。本發明中的帶狀光纖曲率傳感器2可選用加拿大Measurand公司生產的S1280CS ShapeTape?型號的產品。
[0026]下面結合附圖介紹本實施例的使用步驟:
[0027](I)制作帶狀光纖曲率傳感器陣列:用硫化橡膠包裹光纖曲率傳感器2，固定其相對位置，使帶狀光纖曲率傳感器陣列35具有良好的防水性以及抗壓性。
[0028](2)在使用前連接好電路:將各帶狀光纖曲率傳感器陣列35與測量模塊34、主控計算機31依次連接。
[0029](3)將帶狀光纖曲率傳感器陣列35沉入水底，并拖動使其沿著水下地表36產生位移，并隨水下地表36的凹凸起伏產生變形。
[0030](4)主控計算機通過對檢測到的信號數據進行分析和計算，再通過擬合的方式整合成面狀的變形情況，即獲得水下地形地貌的情況。
[0031]本發明中，主控計算機所用的分析計算軟件可由本領域技術人員依據現有技術自行完成設計和編程，具體實現方式和手段可以根據現場實際需要進行調整或完善。該部分技術內容不屬于本發明保護范圍，故不再贅述。
[0032]最后，需要注意的是，以上列舉的僅是本發明的具體實施例。顯然，本發明不限于以上實施例，還可以有很多物體的形狀測量。本領域的普通技術人員能從本發明公開的內容中直接導出或聯想到的所有三維形狀測量，均應認為是本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于光纖曲率傳感器的水下表面變形的實時監測系統，包括主控計算機；其特征在于，該系統還包括多個長條帶狀的光纖曲率傳感器陣列；各光纖曲率傳感器陣列分別通過測量模塊連接至主控計算機； 所述測量模塊包括微控制器與多個數據采集子模塊，數據采集子模塊與光纖曲率傳感器陣列的數量相匹配；數據采集子模塊包括依次連接的函數發生器、光發射器和光纖分束器，以及依次連接的光探測器陣列、濾波器、放大器和數據采集卡；其中，光纖分束器和光探測器陣列分別與光纖曲率傳感器陣列連接，數據采集卡連接至微控制器，微控制器則通過電纜連接至主控計算； 所述光纖曲率傳感器陣列具有如下結構:若干個光纖曲率傳感器等間隔排列，由硫化橡膠實現位置固定，并使光纖曲率傳感器陣列的整體呈長條帶狀；光纖曲率傳感器陣列中各光纖曲率傳感器分別通過導線連接至數據采集子模塊中的光纖分束器和光探測器陣列。2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述由硫化橡膠層實現位置固定，是指:由硫化橡膠以注塑的方式實現一體化固定，或由上下兩層設有安裝槽的硫化橡膠層以箝位方式實現固定。
【專利摘要】本發明涉及水下地形測量技術領域，旨在提供一種基于光纖曲率傳感器的水下表面變形實時監測系統。該系統包括主控計算機、多個長條帶狀的光纖曲率傳感器陣列；各光纖曲率傳感器陣列分別通過測量模塊連接至主控計算機；所述測量模塊包括微控制器與多個數據采集子模塊，數據采集子模塊與光纖曲率傳感器陣列的數量相匹配，微控制器通過電纜連接至主控計算。本發明能將不同位置的傳感器變形差異所帶來的信號衰減變化，用于數據分析以進一步實現對水下地形地貌的直接測量，能有效地提高測量的速度以及降低成本。本發明同樣適用于陸地上的表面變形實時監測，尤其對于礦山工程、隧道工程等不具備視像條件下巷道圍巖等變形監測。
【IPC分類】G01C7/02
【公開號】CN105222751
【申請號】CN201510604659
【發明人】陳家旺, 徐春鶯, 嚴東旭, 張磊, 姚超玲
【申請人】浙江大學
【公開日】2016年1月6日
【申請日】2015年9月21日