[发明专利]基于分布式光纤传感技术的涌浪监测装置及方法

说明书

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。

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，C_d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；n_f为光纤折射率；c为光纤中光速；T_P为光脉冲宽度。