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基于地声检知器和光纤光栅监测系统的泥石流地声特性研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 问题的提出

1.2 泥石流地声监测研究进展

1.3 光纤传感技术应用于泥石流监测的研究进展

1.4 研究的目的和意义

1.5 研究的主要内容

第二章 相关理论和分析方法

2.1 泥石流及其地声特性简介

2.1.1 泥石流特性简介

2.1.2 泥石流地声主要特性

2.2 光纤光栅传感原理

2.2.1 光纤光栅简介

2.2.2 应变与波长漂移的关系

2.2.3 波分复用技术

2.3 信号处理理论

2.3.1 概述

2.3.2 采样定理

2.3.3 傅里叶变换

2.3.4 单边指数型窗函数的Gabor变换

2.3.5 快速傅里叶变换与Gabor变换的比较

2.4 离散时间信号的互相关分析

2.5 本章小结

第三章 地声监测系统和实验方案

3.1 概述

3.2 地声检知器监测系统的构建

3.2.1 地声检知器及传感原理简介

3.2.2 信号采集、存储系统的介绍

3.3 光纤光栅监测系统的构建

3.3.1 光纤光栅监测系统的介绍

3.3.2 光纤光栅传感器简介

3.4 实验方案设计及实验步骤

3.4.1 单一石块撞击砾石层实验方案及步骤

3.4.2 单一泥石流材料倾倒实验方案及步骤

3.4.3 地声能量衰减特性及传播速度实验方案及步骤

3.5 实验数据分析方法

3.6 本章小结

第四章 地声检知器监测结果与数据分析

4.1 概述第四章地声检知器监测结果与数据分析

4.2 单一石块撞击砾石层实验地声信号监测结果与数据分析

4.2.1 现场环境噪声信号处理与分析

4.2.2 单—石块撞击砾石层实验地声信号监测结果与分析

4.3 单一泥石流材料倾倒实验地声信号监测结果与数据分析

4.3.1 现场环境噪声信号处理与分析

4.3.2 单一泥石流材料倾倒实验地声信号监测结果与分析

4.4 地声能量衰减特性及传播速度实验研究

4.4.1 现场环境噪声信号处理与分析

4.4.2 地声能量衰减特性及传播速度实验结果分析与探讨

4.5 实验地声信号时域与频域特性对比分析

4.5.1 不同泥石流材料相同传感器地声信号时域与频域特性对比分析

4.5.2 相同实验条件不同传感器探测的地声时域信号与频域信号对比

4.6 实验地声时域信号的互相关分析

4.7 每单位时间累计能量速度平方值方法计算泥石流材料平均速度

4.8 互相关分析方法与每单位时间累计能量计算方法的比较

4.9 本章小结

第五章 光纤光栅系统设计、监测结果及数据分析

5.1 光纤光栅系统改进设计概述

5.1.1 悬臂梁光栅传感器的结构设计

5.1.2 CCD解调的实时信号提取技术

5.1.3 CCD解调模块的软件设计

5.2 光纤光栅系统监测的地声信号处理与分析

5.2.1 大砾石(A)实验条件下地声信号分析

5.2.2 小砾石(B)实验条件下地声信号分析

5.2.3 粗砂(C)实验条件下地声信号分析

5.2.4 细砂(D)实验条件下地声信号分析

5.2.5 粉土(E)实验条件下地声信号分析

5.3 光纤光栅系统的检验

5.3.1 实验地声时域信号对比分析

5.3.2 实验地声频域信号对比分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 研究的结论

6.2 研究的展望

参考文献

致谢

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摘要

本文目的在于利用地声检知器和光纤光栅监测系统,探测模拟实验所产生的泥石流地表振动。光纤光栅系统具有敏感度高、传输损耗低、抗电磁干扰强的优势,可以弥补地声检知器监测地声范围小、容易衰减、信号质量不佳的不足。地声信号的采集主要以地声检知器系统为主,光纤光栅系统为辅。本文主要的分析方法有快速傅里叶变换(FFT)、Gabor变换、互相关分析法和每单位时间累计能量法。本文主要内容和结论如下:
  1.以美国Geospace公司生产GS-20DX地声检知器为传感器组建泥石流地声监测系统;并结合自主研发的光栅加速度传感器,构建光纤光栅监测系统。
  2.设计泥石流模拟实验方案,以产生地声。单一石块自由落体撞击砾石层实验;不同泥石流材料撞击、摩擦地表实验;地声能量的衰减特性及其传播速度的研究实验。
  3.探讨研究实验所产生的地声时域特性、主要频率范围、时间-频率特性、地声能量的衰减特性及其传播速度。不同实验材料条件下,通过同一传感器信号的特性对比。由时域对比结果可知:大砾石速度振幅值最大,其次是小砾石,再次是粉土,粗砂和细砂速度振幅值最小;频域对比结果表明:大砾石、小砾石、粉土撞击或摩擦地表所产生的地声主要频率范围分别为20Hz~350Hz、20Hz~250Hz、20Hz~200Hz。粗砂和细砂的主要频率范围难以分辨,这反映了它们对泥石流主要频率基本没有贡献。相同实验材料条件下不同传感器的信号特性对比。时域对比结果反映了地声能量随距离增大而衰减的特性;频域对比结果可知:频域图形状相似,相同实验条件下不同传感器探测分析的主要频域范围基本一致。对泥石流传播速度的探讨可知:地表材料越密实,泥石流地声传播速度的衰减越慢;反之亦然。
  4.利用互相关分析法和每单位时间累积能量法,均可可以推算出大砾石实验条件下材料运动的平均速度。小砾石、粗砂、细砂、粉土实验材料产生的地声信号不明显。通过分析表明:没有砾石撞击或摩擦地表产生较大地声速度振幅,则采用以上两种方法均不能推算出平均流速。
  5.对比地声检知器系统与光纤光栅系统监测结果。结果表明光纤光栅系统灵敏度更高、信号质量更好,且所测得的地声信号更明显。因此论证了光纤光栅监测系统在测量泥石流地声的可行性,并提出改进优化的建议。

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