一种用于追踪波浪形态的系统、方法及应用与流程

本发明涉及地质灾害模型试验相关技术领域，具体的说，是涉及一种用于追踪波浪形态的系统、方法及应用。

背景技术：

21世纪是全面认识海洋的世纪，是全面开发利用和保护海洋的世纪，是海洋高科技发展的世纪。中国是个沿海大国，拥有18000多千米的大陆岸线，并且经济发达城市皆位于东部沿海地区。填海造陆、油气开发、岛屿保护等成为了国家重大发展战略。然而由于海床地质条件和海况的复杂性，以及目前对海底边坡不稳定性研究的不完备，海洋工程设施安全性经常受到严重威胁。

海浪对海底边坡的冲刷作用是引起海底边坡不稳定性的重要因素，因此研究海浪对海底边坡、人工岛、油气勘探平台等工程设施的安全影响具有重要的意义。由于实际工程的复杂性，我国学者开展了大量地质力学相似模型试验研究工作，但也存在明显的问题和缺陷，在做地质力学相似模型试验时，通常以研究边坡等不良地质体为主，以监测边坡等不良地质体的位移、应力、应变为主要工作，对研究波浪表面形态变化、波浪强度的监测等缺乏相应的设备和方法。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种用于追踪波浪形态的系统。本发明通过设计全新的结构，利用高速摄像机获取波浪动态图像，解决了现有技术中难以获取波浪表面形态参数进行反馈设计和调节的各类试验系统中波浪形态难以捕捉的问题。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于追踪波浪形态的系统，包括：

波浪发生机构，波浪发生机构的外侧分别设置有多台高速摄像机，任一台高速摄像机均通过图像信号传输线与中继转换器连接，中继转换器通过电子信号传输线与分析机构连通。

优选的，所述高速摄像机为3台。

优选的，任一台高速摄像机均被一个独立的台架支撑。

优选的，所述台架的高度高于波浪发生机构的高度。

优选的，3台高速摄像机的镜头轴线共同聚焦于一点。

优选的，3台高速摄像机的镜头轴线共同点位于波浪发生机构的内部。

优选的，所述分析机构具有处理单元及显示单元。

优选的，所述分析机构为PC。

在提供上述结构方案的同时，本发明还提供了一种基于上述系统进行波浪形态分析的方法，主要包括如下步骤：

A、在波浪发生机构底部进行填充，使波浪发生机构底部结构与海底或河床的结构相一致；

B、架设高速摄像机，并令高速摄像机与中继转换器和分析机构电连接；

C、波浪发生机构产生波浪，高速摄像机对波浪形态进行捕捉，并将捕捉到的图像信号经中继转换器传递至分析机构；

D、分析机构将信号进行分析并输出。

本发明还要求保护上述的用于追踪波浪表面形态的系统在进行波浪表面分析工作中的应用。

本发明的有益效果是：

(1)通过高速摄像机可以捕捉到快速变化的波浪形态信息，每个高速摄像机独立于波浪发生机构，使高速摄像机拍摄不会被波浪发生机构运转过程中产生的振动干扰。

(2)通过3高速摄像机对同一图像进行拍摄再进行后期处理，可以全方位得到某一时刻的波浪形态信息，获得相对全面的数据。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的原理示意图；

图中1-波浪发生机构，2-波浪表面，3-摄像焦点，4-摄像区域，5-高速摄像机，6-图像信号传输线，7-中继转换器，8-电子信号传输线，9-分析机构。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例：如图1所示，一种用于追踪波浪形态的系统，包括：

波浪发生机构1，波浪发生机构1的外侧分别设置有3台高速摄像机5，任一台高速摄像机5均通过图像信号传输线6与中继转换器7连接，中继转换器7通过电子信号传输线8与分析机构9连通。

3台高速摄像机均被一个独立的台架支撑，且所述台架的高度高于波浪发生机构1的高度。

作为较佳的选择，3台高速摄像机5的镜头轴线共同聚焦于一点，该点位于波浪发生机构1的内部。

同时，所述分析机构9具有处理单元及显示单元。例如，分析机构9可选择为PC。

基于上述的系统，进行波浪形态分析的主要方法包括如下步骤：

(1)根据试验要求制作外围封闭墙体，外围封闭墙体按工程实际相似比进行设计，两端为混凝土结构，中间部分为了观察方便采用透明玻璃钢材料与两端进行接连。

(2)在外围封闭墙体内部放置波浪发生机构1，并在波浪发生机构的底部进行填料和结构设计，海底边坡按照工程实际进行分层铺设，采用多种微型光纤传感器及多元信息并行采集光纤监测系统，并配合使用微型压力盒及应变砖，等对边坡模型应力、位移以及压力等多场信息进行实时自动采集和分析。

海底边坡等不良地质体的填埋，监测元件及监测设备的选用及埋设等可使用现有技术，在此不再赘述。

波浪发生机构1的具体结构，为现有技术。例如，申请号为CN201510148400.1的方案中所记载的装置即可用于本方案中作为波浪发生机构。

为了模拟海水对海底边坡的影响，该模型试验所用液体可采用海水原液或者按照相似模型试验要求进行配比。通过前端造波系统，可以方便的制造出模拟海水冲刷海底边坡的波浪2，由于空间有限性，为了防止波浪的回击对前进波浪产生干扰，通常需要在后端安装消波装置。

(3)根据空间三点定位原理，在波浪发生机构1外侧适当位置安装高速摄像机组5，按照一定角度和高度安装三台高速摄像机，三台摄像机的高度和角度可根据现场空间进行调整，使其共聚同一焦点3，由于摄像机拍摄范围限制，在其摄像区域4中可进行波浪监测，高速摄像机组5必须完全固定并且不能出现由于试验过程中的震动引起摇摆等行为，从而实现对波浪的高频拍照及高清成像。并且为了防止试验过程中迸溅出来的液体对高速摄像机组5产生损坏，通常需要将其调至合适的高度和角度，再进行对焦。

(4)通过图像信号传输线6，将高速摄像机组5与中继转换器7连接，中继转换器7可以将高速摄像机组5同步图像信号转换成电子信号，以方便计算机进行分析计算等其他处理。同时，中继转换器7也可以将计算机命令信号发送给三台高速摄像机5，以完成同步拍摄。

(5)通过电子信号传输线8，将中继转换器7与分析机构9进行连接，由中继转换器7得到的电子信号输送进波浪分析显示系统进行整合分析计算，并通过将处理过的波浪电子信号转换成图像信号，最后将该图像信号及数据结果上分析机构9上显示。

在进行正式模型试验之前，需要对整体试验系统以及波浪追踪分析系统进行试运行，通过初始磨合，调整试验初始状态和相关参数，分析试验系统的可行性、可靠性，以及各类监测系统的灵敏性等。

(6)在进行正式试验时，首先需要将波浪分析机构9、中继转换器7、高速摄像机组5和其他配套设备等进行预热，然后再开启造波系统使其产生所需要的波浪2。在试验过程中，根据监测结果对造波器进行反馈调节，从而得到想要的波高和频率。

(7)在试验过程中，利用高速摄像机组5，实现对波浪2的高频拍照，再通过图像信号传输线6的传输至中继转换器7，最后由电子信号传输线8将波浪电子信号传输至波浪分析机构9中进行快速计算分析及成像，并用通过显示屏进行实时显示。

本实施例中利用高速摄像机组追踪捕捉波浪形态和真实图像并传输至PC，以方便后期的计算分析等操作，随后PC进行分析计算，通过该分析系统进行实时反演和分析，直观展现波浪形态和参数随时间变化的过程，并将电子信号转换成图像信号输出到显示器，其计算数据结果可为整体试验系统的调节和优化提供反馈信息。

(8)试验结束后，应逐次拆除波浪发生机构1、中继转换器7、多条数据线、高速摄像机5等设备，并清理外围封闭墙体等。

本发明研究了模型试验中利用高速摄像技术追踪波浪表面形态的系统与方法，解决了模型试验中波浪表面形态难以捕捉和实时监测的问题。通过将高速摄像技术与现有计算机反演成像技术的联合，方便直观地将波浪表面形态参数展现出来，为模型试验的设计、反馈、调节、优化等提供了强有力的支持，与前人研究相比，取得了与工程更为接近、适用范围更广的成果。

通过本发明所提供的系统和方法，科研人员可以方便的对波浪进行实时的监控以及波浪表面形态和参数的分析，从而实现对造波系统甚至整个模型试验系统运行的稳定性进行评价，以及实现信息反馈调节、优化设计等。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明和局部放大呈现的部分，为现有技术，在此不进行赘述。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。