[发明专利]一种基于分布式声波传感技术的水下沉积物沉积特性测量装置与方法

说明书

本发明公开了一种基于分布式声波传感技术的水下沉积物沉积特性测量装置及方法，所述方法的测量装置中感知元件由标杆和应变感测光纤组成；应变感测光纤固定在标杆的槽内；光纤引线与应变感测光纤相连；脉冲振动器固定在感知元件的顶部；分布式声波传感解调仪的一端通过信号传输线与计算机相连，另一端通过光纤引线与感知元件相连；将感知元件垂直插入水下某个待测位置，之后在岸边用信号发射器向脉冲振动器发射信号，脉冲振动器收到信号后随即产生脉冲振动，分析感知元件振动时的应变及频率特征，由感知元件的应变特征判断出水下沉积物‑水分界面位置，由感知元件的频率特征判断出水下沉积物的类型。

技术领域

本发明涉及水下沉积物沉积特性测量领域，具体涉及一种基于分布式声波传感技术的水下沉积物沉积特性测量装置与方法

背景技术

水下沉积物主要是指以各种方式进入水体并最终在重力作用下沉积在水体底部的固态物质。在不同的位置，水下沉积物的类型以及与水体的分界面位置有着明显的差异性。研究水下沉积物的沉积特性对研究河海水文、环境演化有重要的作用。由于水体的天然阻隔，水下沉积物的类型以及与水体的分界面位置无法通过视觉观察得知。现有的水下沉积物特性探测的方法主要有几种：探地雷达测量法、采样器取样法和光纤光栅测量法。探地雷达法原理上是由于不同介质的介电常数不同，探地雷达接收到的电磁波的反射信号也会不同，通过分析探地雷达接收到的电磁波的频谱特征，获得水下的结构信息；但因其探测手段是电磁波探测，因此在测量过程中容易受到外界电磁场的干扰，从而对测量结果造成影响，并且当水下介质的介电系数相差不大时，探地雷达难以对水下的介质进行区分。采样器取样法是研究人员使用采样器在各个位置采集样品，分析得到水下不同位置的沉积物的粒度特征以及岩性特征，这种方法虽然能够直接测量水下沉积物性质，但测量效率低且工作量大，难以进行大尺度水下沉积物特性探测，更多地是作为真值获取方法供其他探测技术的比较研究。近年来新兴的光纤光栅测量法则是分析感知元件上各个位置光纤光栅的应变数据，从而判断出水下沉积物与水分界面位置。然而这种测量方法需要在感知元件上布置大量的光纤光栅，测量成本高，且在探测过程中光纤光栅极易在水中遭受破坏，需及时检查和更换损坏的光纤光栅。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于分布式声波传感技术的水下沉积物沉积特性测量装置及方法，通过一条感测光纤探测出水下沉积物的类型、确定水下沉积物与水的分界面位置。

本发明采用以下技术方案：一种基于分布式声波传感技术的水下沉积物沉积特性测量装置，包括感知元件、分布式声波传感解调仪、光纤引线、计算机、信号发射器和脉冲振动器；所述的分布式声波传感解调仪的一端通过信号传输线与计算机相连，另一端通过光纤引线与感知元件相连；脉冲振动器固定在感知元件的顶部；所述感知元件由标杆和应变感测光纤组成，应变感测光纤嵌入标杆中。

所述标杆是一根截面为圆形的细长杆，标杆表面开槽，槽的方向与标杆的轴线方向平行，应变感测光纤固定槽内；光纤引线与感知元件中的应变感测光纤相连。

所述脉冲振动器包括三个模块：信号接收模块、脉冲振动模块和电源模块；三个模块电连接，电源模块负责给其他模块供电，当信号接收模块接收到信号发射器传来的发射信号后，脉冲振动模块随即产生脉冲振动，使感知元件发生振动。

所述的基于分布式声波传感技术的水下沉积物沉积特性测量装置的测量方法，包括如下步骤：

步骤一、在室内对测量装置进行标定试验，得到感知元件的振动频率与水下沉积物类型的经验关系曲线；

步骤二、将测量装置中的感知元件垂直插入水下某个待测位置，待装置稳定后，在岸边用信号发射器向脉冲振动器发射激发信号，分布式声波传感解调仪采集并记录感知元件振动时的应变数据；

步骤三、运用计算机软件提取步骤二中分布式声波传感解调仪记录的数据，按照从感知元件的顶部到底部的顺序对记录的应变数据进行排列，之后对各个位置的应变数据进行分析，从而确定水下沉积物与水的分界面位置；