基于分布式光纤振动传感的滩涂怪潮监测及预警方法与流程

1.本发明涉及一种基于分布式光纤振动传感的滩涂怪潮监测及预警方法，属于光纤传感技术领域。


背景技术：

2.海洋滩涂一般多指沿海滩涂，可界定为平均高潮线以下低潮线以上的海域。滩涂是水产养殖和发展渔业生产的重要基地，是开发海洋、发展海洋产业的一笔宝贵财富。然而，在滩涂上作业，经常发生“怪潮”现象，所谓“怪潮”即海域波浪和潮流共同作用下在某一个时段潮流急剧上涌和短时间波浪明显增大的现象。其中，在涨潮阶段，当潮位涨至中水位时有一个潮位迅速升高的过程，在20分钟内水位可上涨接近1m。而此时又正是滩涂养殖作业区滩面开始过水的时刻，同时这个时刻的潮流流速又最大。如果滩涂作业人员没有及时撤回，就很容易被急剧上涌的潮水和流速很大的潮流吞没。“怪潮”灾害的发生给当地渔业生产及海岸工程活动造成了重大影响。如何通过科学的方法规避“滩涂怪潮”所带来的灾害，成为近年来海洋观测站和海洋灾害研究的关键。目前，针对“怪潮”的研究主要集中在基于a-gps的“怪潮”人员撤离指挥决策系统以及“怪潮”发生机理与预警的理论统计模式研究，对于如何监测及预警“怪潮”的研究仍是技术空白。
3.分布式振动传感系统采用窄线宽激光器作为系统光源，利用背向瑞利散射信号(rbs)之间的相干衰落效应实现扰动信号的分布式测量。当外部扰动事件作用在光纤上时，扰动位置处的纤芯折射率和光纤长度会发生变化，从而引起该位置处rbs的幅度和相位变化。通过分析扰动事件发生前后的瑞利散射曲线，可以实现对动态扰动事件的检测。该技术灵敏度高、测量响应速度快，能够实现长距离全分布式的无盲区动态监测。


技术实现要素：

4.针对现有的“滩涂怪潮”监测技术存在的不足，本发明提出一种基于分布式振动传感的“滩涂怪潮”监测及预警方法，首先提供了一种“滩涂怪潮”监测传感缆的布设方式，通过获得滩涂区域的监测信号时空分布瀑布图，设定怪潮警戒区，并对怪潮警戒区标定不同等级的预警线。为“滩涂怪潮”提供了一种提前预警方案。
5.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.基于分布式光纤振动传感的滩涂怪潮监测系统，该监测系统包括分布式振动传感系统、传感缆以及处理器，所述传感缆以连续“∧”型布设在滩涂作业区域，在每个“∧”型的顶角处绕一个或多个缆环；
7.所述传感缆的首端接入分布式振动传感系统，以获取传感缆沿线的背向瑞利散射信号；
8.所述处理器对背向瑞利散射信号进行解调处理，获得滩涂作业区域的监测信号时空分布瀑布图。
9.进一步，所述传感缆的覆盖范围大于滩涂作业区域，且采取地埋方式。
10.进一步，所述传感缆的布设需满足如下条件：
11.(1)d》d2；
12.(2)
13.(3)其中，d为传感缆的布设宽度，l为传感缆的总长度，θ为“∧”型内角的一半，d1和d2分别为滩涂作业区域的长和宽，r为分布式振动传感系统的空间分辨率。
14.进一步，所述监测信号时空分布瀑布图的横轴为距离、纵轴为时间；颜色映射为信号强度大小，颜色越亮，强度越大。
15.基于分布式光纤振动传感的滩涂怪潮监测方法，该方法基于上述的监测装置进行检测，具体步骤如下：
16.步骤1，在滩涂作业区域以连续“∧”型布设传感缆，在每个“∧”型的顶角处绕一个或多个缆环，以将传感缆锚定；
17.步骤2，将传感缆的首端接入分布式振动传感系统，获取传感缆沿线的背向瑞利散射信号；
18.步骤3，通过对背向瑞利散射信号进行解调处理，获得滩涂作业区域的监测信号时空分布瀑布图。
19.基于分布式光纤振动传感的滩涂怪潮预警方法，该方法具体步骤为：根据当地滩涂的地况、潮流速度、人员撤离方案，结合步骤4获得的监测信号时空分布瀑布图，设定怪潮警戒区，并对怪潮警戒区标定不同等级的预警线。如根据监测到的各传感距离处信号的强弱，对“怪潮”来临时，标定能够保证所有人员安全撤离的最高预警水位线为i级预警线。即，当传感系统监测到该i级预警水位线时，所有人员必须立即撤离，否则将发生危险；标定潮流或水浪刚触碰到传感缆1时，也即r1宽度的中心位置对应传感缆1布设宽度上围处所在缆环2的水位线为ii级预警线；标定潮流或水浪还未直接触碰到传感缆1时，信号较弱所对应的水位线为iii级预警线，其提前预警量可根据实际情况进行标定。
20.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
21.(1)本发明提供的基于分布式振动传感的“滩涂怪潮”监测及预警方法，将“滩涂怪潮”监测和分布式振动传感技术结合起来，利用分布式振动传感的连续传感、高灵敏度的特点，提供了一种全新的、高灵敏度、全分布式的“滩涂怪潮”监测手段；
22.(2)提供了一种“滩涂怪潮”监测传感缆的布设方法；
23.(3)通过获得的滩涂监测信号时空分布瀑布图，利用监测到的各传感距离处信号的强弱，设定怪潮警戒区，并对怪潮警戒区标定不同等级的预警线，为“滩涂怪潮”提供了一种提前预警方案。
附图说明
24.图1是本发明“滩涂怪潮”监测传感缆的布设方式示意图，其中1为传感缆，2为缆环，3为传感缆布设宽度上围，4为传感缆布设宽度下围；
25.图2是为本发明滩涂区域监测到的时空分布瀑布图结果与滩涂监测区域空间位置
对应关系示意图。
具体实施方式
26.下面结合说明书附图对本发明的实施方式进行描述。
27.本发明提出一种基于分布式振动传感的“滩涂怪潮”监测及预警方法，首先提供了一种“滩涂怪潮”监测传感缆的布设方式，执行步骤1至步骤2：
28.步骤1：如图1所示，在滩涂作业区以连续“∧”型布设传感缆1，传感缆1的覆盖范围大于滩涂作业区域，优选地，传感缆采取地埋方式。每个“∧”型顶角处绕两个缆环，缆环直径约30cm，利用u型钉将其锚定在土里压实，增强传感缆1顶角处与滩涂泥沙的耦合度，以提升监测灵敏度；
29.已知滩涂作业区域的长d1＝3km，宽d2＝600m，则根据发明内容步骤2传感缆1的布设准则：
30.(1)“∧”型传感缆1的布设宽度d》d2；
31.(2)传感缆1的总长
32.(3)
33.选取“∧”型传感缆1的布设宽度d＝650m》d2；选取θ＝30
°
为例，总长θ＝30
°
满足：
34.记作用到每个“∧”型单元缆上的水位线与传感缆1的交点按顺序分别为交点
①
和交点
②
，各自交点
①
和交点
②
对应的传感距离为r1，相邻两个“∧”型单元缆的交点
①
和交点
②
对应的传感距离为r2。设置分布式振动传感系统的空间分辨率为r＝10m，为了能够分辨相邻“∧”型所能识别的水位线，则有：θ满足：
[0035][0036]
步骤3：将传感缆1的首端接入分布式振动传感系统，打开监测系统，获取传感缆1沿线的背向瑞利散射信号；
[0037]
步骤4：通过对背向瑞利散射信号解调处理，获得滩涂区域的监测信号时空分布瀑布图，横轴为距离，纵轴为时间，颜色映射为信号强度大小，颜色越亮，强度越大。如图2所示，为本发明滩涂区域监测到的时空分布瀑布图结果与滩涂监测区域空间位置对应关系示意图，相邻两个“∧”型所布传感缆1的顶角，即传感缆1布设宽度上围处相邻两个缆环2在分布瀑布图上的对应传感间距为：水位线越往岸边靠近，单个“∧”型单元缆区域监测到有水声振动强度的区域越宽，即r1越大，且水位线所在位置强度最大。r1宽度的中心位置对应传感缆1布设宽度上围处所在缆环2的空间位置，随着距离水位线越远，信号强度逐渐减弱；
[0038]
步骤5：根据当地滩涂的地况、潮流速度、人员撤离方案，结合步骤4获得的监测信号时空分布瀑布图，设定怪潮警戒区，并对怪潮警戒区标定不同等级的预警线。如根据监测到的各传感距离处信号的强弱，对“怪潮”来临时，标定能够保证所有人员安全撤离的最高预警水位线为i级预警线。即，当传感系统监测到该i级预警水位线时，所有人员必须立即撤离，否则将发生危险；标定潮流或水浪刚触碰到传感缆1时，也即r1宽度的中心位置对应传感缆1布设宽度上围处所在缆环2的水位线为ii级预警线；标定潮流或水浪还未直接触碰到传感缆1时，信号较弱所对应的水位线为iii级预警线，其提前预警量可根据实际情况进行标定。
[0039]
应当指出，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也在本技术权利要求的保护范围内。