一种基于mems传感器的海底滑坡监测装置及监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种用于实时监测和上位机实时显示海底地层变动情况的装置，属于 海底观测技术领域，尤其涉及一种基于MEMS传感器的海底滑坡监测装置及监测方法。
【背景技术】
[0002] 海底滑坡是海底斜坡上未固结的松软沉积物或有软弱结构面的岩石，在重力作用 下沿斜坡中的软弱结构面发生滑动的现象，属于海洋灾害的一种。发生海底滑坡的原因，一 方面是由于沉积物内部结构和动力条件，如海底沉积物中粘土物质的含量较多、天然气产 生的高压等；另一方面，是某些外部诱发，如地震、海浪等。海底滑坡除直接危害钻井平台、 海底光缆、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，造成严重的破坏损失。
[0003] 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 探测多是定性认识，缺少相应的海底观测仪器和设备。由于海底环境的复杂性，海床地层变 动情况变化过程缓慢而细微，涉及的地域范围广，采用人工方式的定点定时观测和记录，工 作量大，耗资高。随着人们海底工程的不断建设，海底地层变动的监测研究越来越具有重要 的作用和意义。
[0004] 在中国发明专利申请公开说明书CN201510453219.1中公开了一种用于海底滑坡 监测的设备，该发明中每节密封长杆之间的转动靠一种球副结构转动，可转动的空间锥角 每个方向仅为50°，而且忽略了每节长杆之间除了倾斜角度的变化外，还会进行平移移动。 该发明的球副结构，不仅限制了长杆间倾斜角度的范围，而且还限制了长杆之间的平移移 动。另外，该发明所采用的磁感应片在测量每节长杆之间细微的倾角变化时精度远远不够。
【发明内容】
[0005] 为了克服已有的陆上滑坡灾害监测装置结构复杂，工程庞大，耗费资源，数据不精 确的缺点，本发明提供一种低耗能，数据精准，小巧易操作的海底滑坡监测装置，它能够对 一定深度的海床实现分层面地层变动监控和动画展示，从监测单点到多点可以形成立体的 监测面，为海底地层变动的研究提供直观的上位机展示，进一步对海底滑坡、地震、海啸等 自然灾害及其预警提供信息支持。
[0006] 本发明通过以下技术方案予以实现:一种基于MEMS传感器的海底滑坡监测装置， 包括处理单元、电脑终端、监测单元、保护罩;其中，所述监测单元由若干依次串联的监测子 单元组成;所述监测单元放置在保护罩内；所述监测单元将监测到的信号传递给处理单元； 处理单元将处理后的信号传递给电脑终端；
[0007] 所述处理单元包括电源模块和数据处理器;所述电源模块为数据处理器提供工作 电压；
[0008] 所述监测子单元包括长管、软连接管、MEMS传感器和减震片;所述MEMS传感器通过 减震片固定在长管内；长管的一端与软连接管的一端相连；
[0009] 所述电源模块与MEMS传感器相连，为MEMS传感器提供工作电压;所述MEMS传感器 与数据处理器的数据输入端口相连;数据处理器将处理后的数据传递给电脑终端。
[0010] 进一步的，所述长管的两端具有外螺纹，所述软连接管的两端具有与长管上的外 螺纹相配合的内螺纹。
[0011] 进一步的，所述长管和软连接管的材料均为不锈钢。
[0012] 进一步的，所述连接管在外力作用下朝向任何方向弯曲变形，弯曲角度范围为-180°到180°。
[0013] 进一步的，所述MEMS传感器内部集成有加速度计、陀螺仪和数字电子罗盘。
[0014] 进一步的，所述减震片的材料为环氧树脂，通过减震作用保护传感器并减小传感 器晃动造成的测量误差。
[0015] 进一步的，所述保护罩为聚乙烯薄膜。
[0016] 进一步的，所述电源模块为大容量锂电池，所述数据处理器采用单片机。
[0017] 进一步的，所述MEMS传感器和数据处理器之间的通信通过IIC总线协议进行数据 传输;所述数据处理器和电脑终端之间的通信通过串口转USB进行传输。
[0018] -种基于MEMS传感器的海底滑坡监测装置的监测方法，具体包括以下步骤：
[0019] (1)将监测单元安装在预先打好的地层孔中；当地层发生变动时，MEMS传感器随之 发生倾斜变化，MEMS传感器将自身运动所有信息的四元数传送给数据处理器，所述四元数 通过公式（1)表达：
[0020] Q(q〇，qi，q2，q3) = qQ+qii+q2j+q3k (1)
[0021 ]其中，qo、qi、q2、q3均为实数，是构成四元数Q的四个元；i、j、k是互相正交的单位向 量；
[0022] (2)以MEMS传感器自身为基准建立刚体固联坐标系b，当MEMS传感器发生变动时， 刚体固联坐标系b相对地理坐标系η沿X轴旋转Θ角、沿Y轴旋转γ角、沿Z轴旋转f角，从而得 到欧拉角形式的姿态解算方程式(2):
[0023] )
[0024] 其中，g为地理坐标系1!到刚体固联坐标系b的坐标变换矩阵；
[0025] 对比四元数法的姿态解算方程(3)及其简化公式(4)，可以得到公式(5):
[0026]
[0027]
[0028]
[0029] 其中，Θ为变动后MEMS传感器的俯仰角；γ为变动后MEMS传感器的翻滚角；皆为变 动后MEMS传感器的偏航角；
[0030] (3)将步骤(2)得到的变动后MEMS传感器的俯仰角Θ以及变动后MEMS传感器的翻滚 角γ代入公式(6)和公式(7)，得到单个长管的偏向角α和倾斜角Φ :
[0031]
[0032]
[0033] 其中，α为单个长管的偏向角；φ为单个长管的倾斜角；
[0034] 重复通过步骤（1)-(3)求得各个长管的偏向角和倾斜角，从而知道各个地层的变 动情况；
[0035] (4)将步骤(3)得到的各个长管的偏向角以及倾斜角代入公式(8)_
[0036] (16)，得到第N节长管相对于第一节长管的位移差LN1以及第N节长管相对于第一节 长管的偏移量Φν-ι，从而知道整个地层的变动情况；
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] .
[0045] .
[0046] .
[0047]
[0048]
[0049] 其中，L是长管的长度；i和N均为大于等于2的自然数；h是第i节长管投影到水平 面的长度是第i节长管的倾斜角;L21是第二节长管相对于第一节长管的位移差；1 2是第 二节长管投影到水平面的长度;如是第二节长管相对于第一节长管的偏移量;L31是第三节 长管相对于第一节长管的位移差;1 3是第三节长管投影到水平面的长度;〇2是第二节长管的 偏向角;α3是第三节长管的偏向角;如是第三节长管相对于第一节长管的偏移量;L 41是第四 节长管相对于第一节长管的位移差;14是第四节长管投影到水平面的长度;α4是第四节长管 的偏向角;L 51是第五节长管相对于第一节长管的位移差；15是第五节长管投影到水平面的 长度;Φ 3是第四节长管相对于第一节长管的偏移量;α5是第五节长管的偏向角;Ln-1;1是第N-1节长管相对于第一节长管的位移差;L N1是第N节长管相对于第一节长管的位移差；In是第N 节长管投影到水平面的长度;是第N-1节长管相对于第一节长管的偏移量;Φη是第N节 长管相对于第一节长管的偏移量;αΝ是第Ν节长管的偏向角。
[0050] 与现有技术相比，