一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置及分析方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置及分析方法，该装置包括长软管、监测单元、处理单元和上位机，监测单元包括若干监测子单元，处理单元包括数据处理器；若干监测子单元沿长软管的长度方向安装在长软管内并且长软管两端密封，每个监测子单元包括两个相互正交的MEMS加速度计，长软管内的MEMS加速度计与数据处理器连接，数据处理器与上位机连接。本发明专利技术的优点是当装置周围的海底地层发生变动时，带动长软管弯曲移动，MEMS加速度计会随着装置整体移动而移动，不同层次的加速度计会把自身的姿态信息传递给数据处理器，经过数据处理器分析处理传递给上位机，最终上位机将进行可视化处理，将地层深部位移变形信息进行重构并展示。行重构并展示。行重构并展示。

【技术实现步骤摘要】
一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置及分析方法


[0001]本专利技术属于海底监测领域，特别涉及一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置及分析方法。

技术介绍

[0002]海底滑坡是指海底未固结松软沉积物或有软弱结构面的岩石，在重力作用下沿软弱结构面发生向下运动的现象，包括滑动、滑塌和碎屑流等地质过程，是广泛发生在大陆坡的一种重力流搬运机制。海底滑坡的形成受多种因素控制，一方面是由于沉积物内部结构和动力条件，包括海底沉积物中黏土物质含量较多、天然气水合物分解产生局部高压和水合物分解后自身强度降低等；另一方面，是某些外部因素诱发，如地震、海啸、火山和潮汐等。海底滑坡除直接危害海洋平台、海底光电缆、海底管道、港口、码头等设施外，大型海底滑坡还会引起海底泥石流，甚至会引发海啸、天然气水合物分解等次生灾害，造成严重的破坏损失。
[0003]在中国专利技术专利申请公开说明书CN105674945中公开了一种基于MEMS传感器的海底滑坡监测装置及监测方法，该专利技术中将传感器置于不锈钢长管中，以软连接管为关节带动长管及传感器弯曲，不锈钢材质与滑坡体的耦合性较差无法真实反映地层变动时的土体变形情况，而且通信线会在弯曲时候受力，当弯曲角度过大时通信线会有绷断危险，所以实际应用中弯曲角度很难从
‑
180
°
到180
°
。而且，该专利技术中MEMS传感器的保护膜为聚乙烯薄膜无法承受海底的高压，所以传感器在深海中无法正常使用不能用于监测深海滑坡。另外，该专利技术中传感器与数据处理器之间采用IIC协议只能实现短距离通讯，无法大范围监测海底滑坡。
[0004]目前对于滑坡的监测多用于陆上，而应用于海底滑坡的研究较少。对海底滑坡的探测多是定性分析海底滑坡的成因机制、分布范围及形态特征等，缺少原位长期的海底滑坡观测装置和设备。由于海底环境的复杂性，尤其对于深海环境需要考虑设备的密封高压性能、电源长期供电等，而且海床地层变化过程缓慢而且细微，涉及的地域范围广，采用人工方式定时定点观测和记录，工作量大、耗资高，且不具有实时性和长期连续观测性。随着深水陆坡区天然气水合物等油气资源的大量发现以及海底工程的不断建设，提出一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置及分析方法对海底滑坡进行原位长期实时监测，对海洋地质灾害的监测预警技术研究具有重要的作用和意义。

技术实现思路

[0005]为了克服已有陆上滑坡地质灾害监测装置结构复杂、工程量庞大、监测范围小、数据精确度低的不足，本专利技术提供一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置及分析方法，它能够对上千米深度的海床实现地层变形原位监测和上位机实时可视化显示，进一步对海底滑坡、天然气水合物分解引起的地形沉降、地震等地质灾害监测及预警提供技术支持。
[0006]第一方面，本专利技术公开了一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，包括长软管、
监测单元、处理单元和上位机，所述监测单元包括若干个监测子单元，所述处理单元包括数据处理器；
[0007]若干个监测子单元沿长软管的长度方向安装在长软管内并且长软管两端密封，每个监测子单元包括两个相互正交的MEMS加速度计，所述长软管内的MEMS加速度计与数据处理器连接，数据处理器与上位机连接。
[0008]优选的，还包括保护舱，所述保护舱包括监测子单元保护舱，监测子单元保护舱设有若干个并且与监测子单元数量相等，每个监测子单元对应安装在一个监测子单元保护舱内，并且监测子单元保护舱固定在长软管内。
[0009]优选的，所述监测子单元还包括减震片，MEMS加速度计通过减震片固定在监测子单元保护舱内。
[0010]优选的，所述保护舱还包括处理单元保护舱，所述处理单元安装在处理单元保护舱内。
[0011]优选的，所述处理单元还包括电源模块，电源模块分别与数据处理器、MEMS加速度计连接，为数据处理器和MEMS加速度计供电。
[0012]优选的，监测子单元保护舱外侧和处理单元保护舱外侧分别设有第一水密接插件和第二水密接插件，若干个监测子单元保护舱内的MEMS加速度计之间通过第一水密接插件相串联连接后与第二水密接插件连接，第二水密接插件与处理单元保护舱内的数据处理器连接。
[0013]优选的，所述长软管的材料为聚氯乙烯，在外力作用下弯曲变形，弯曲角度范围为
‑
180
°
到180
°
。
[0014]优选的，所述长软管内设有若干个安装槽位，若干个监测子单元保护舱之间通过钢丝相连并对应固定在长软管的安装槽位上；所述长软管内部充满液压油、并且一端设有内螺纹并与密封端盖外螺纹配合，另一端自密封。
[0015]优选的，每个监测子单元内部集成有两个监测轴z方向相互正交的MEMS加速度计。
[0016]另一方面，本专利技术还提供了一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置的分析方法，其特征在于：包括：MEMS加速度计产生传感数据并传输至数据处理器，数据处理器对获取的数据进行分析，包括以下步骤：
[0017]步骤(1)：数据处理器获取MEMS加速度计得到的传感数据；
[0018]根据重力场下，三轴加速度计在静态或者匀速情况下只感应重力加速度，所述的重力加速度和三轴加速度计在三个敏感轴上的重力分量通过公式(1)表达：
[0019][0020]其中，g为常数，是当地重力加速度的值；a
x
，a
y
，a
z
是重力加速度在MEMS加速度计的三个相互正交的监测轴方向上的分量；
[0021]步骤(2)：去除异常值：计算MEMS加速度计在同一时刻得到的三轴加速度值的模，如果该模值与当地的重力加速度值相差大于1，则认为该值是异常的，此次的数据去除；
[0022]步骤(3)：以MEMS加速度计自身为基准建立传感器坐标系X
B
Y
B
Z
B
，大地坐标系X
O
Y
O
Z
O
，当地层发生运动时，传感器自身也发生变动，根据重力场中重力加速度在加速度计三轴(a
x
，a
y
，a
z
)的分量可以计算出加速度计的倾斜角θ，通过公式(2)表达：
[0023][0024]步骤(4)：加速度计在相对大地坐标系中O
y
和O
y
方向的倾斜角度求解其在该方向上的偏移量：相邻加速度计的间距是固定的，为L，以最底端的加速度计P0为基准点，在地层变动时，其上方的加速度计P1可以看成是以加速度计P0为圆心的圆弧上运动，因此，相邻传感器P
i
P
i+1
构成的弧的圆心角α
i
可以通过公式(3)表达：
[0025]α
i
＝θ
i+1
‑
θ
i
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0026]其中，θ
i+1<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，其特征在于：包括长软管、监测单元、处理单元和上位机，所述监测单元包括若干个监测子单元，所述处理单元包括数据处理器；若干个监测子单元沿长软管的长度方向安装在长软管内并且长软管两端密封，每个监测子单元包括两个相互正交的MEMS加速度计，所述长软管内的MEMS加速度计与数据处理器连接，数据处理器与上位机连接。2.根据权利要求1所述的一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，其特征在于：还包括保护舱，所述保护舱包括监测子单元保护舱，监测子单元保护舱设有若干个并且与监测子单元数量相等，每个监测子单元对应安装在一个监测子单元保护舱内，并且监测子单元保护舱固定在长软管内。3.根据权利要求2所述的一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，其特征在于：所述监测子单元还包括减震片，MEMS加速度计通过减震片固定在监测子单元保护舱内。4.根据权利要求2所述的一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，其特征在于：所述保护舱还包括处理单元保护舱，所述处理单元安装在处理单元保护舱内。5.根据权利要求4所述的一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，其特征在于：所述处理单元还包括电源模块，电源模块分别与数据处理器、MEMS加速度计连接，为数据处理器和MEMS加速度计供电。6.根据权利要求2或3或4或5所述的一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，其特征在于：监测子单元保护舱外侧和处理单元保护舱外侧分别设有第一水密接插件和第二水密接插件，若干个监测子单元保护舱内的MEMS加速度计之间通过第一水密接插件相串联连接后与第二水密接插件连接，第二水密接插件与处理单元保护舱内的数据处理器连接。7.根据权利要求6所述的一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，其特征在于：所述长软管的材料为聚氯乙烯，在外力作用下弯曲变形，弯曲角度范围为
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180
°
到180
°
。8.根据权利要求2所述的一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，其特征在于：所述长软管内设有若干个安装槽位，若干个监测子单元保护舱之间通过钢丝相连并对应固定在长软管的安装槽位上；所述长软管内部充满液压油、并且一端设有内螺纹并与密封端盖外螺纹配合，另一端自密封。9.根据权利要求1所述的一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置，其特征在于：每个监测子单元内部集成有两个监测轴z方向相互正交的MEMS加速度计。10.权利要求1
‑
9任一一项所述的一种海底滑坡深部变形原位实时监测装置的分析方法，其特征在于：包括：MEMS加速度计产生传感数据并传输至数据处理器，数据处理器对获取的数据进行分析，包括以下步骤：步骤(1)：数据处理器获取MEMS加速度计得到的传感数据；根据重力场下，三轴加速度计在静态或者匀速情况下只感应重力加速度，所述的重力加速度和三轴加速度计在三个敏感轴上的重力分量通过公式(1)表达：其中，g为常数，是当地重力加速度的值；a
x
，a
y
，a
z
是重力加速度在MEMS加速度计的三个相互正交的监测轴方向上的分量；步骤(2)：去除异常值：计算MEMS加速度计在同一时刻得到的三轴加速度值的模，如果该模值与当地的重力加速度值相差大于1，则认为该值是异常的，此次的数据去除；
步骤(3)：以MEMS加速度计自身为基准建立传感器坐标系X
B
Y
B
Z
B
，大地坐标系X
O
Y
...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈家旺，葛勇强，王立忠，曹晨，阮东瑞，洪义，任自强，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：