本發(fā)明涉及海洋現(xiàn)場觀測技術(shù)，尤其涉及一種海洋結(jié)構(gòu)物及海床地基波浪動力響應(yīng)現(xiàn)場長期觀測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在海洋工程中，海洋結(jié)構(gòu)物一般坐落在海床上，由于海水以及波浪的不斷侵蝕和沖擊，容易導(dǎo)致海床地基的失穩(wěn)而使結(jié)構(gòu)物坍塌，或由于巨大的沖擊力使海洋結(jié)構(gòu)物被推到，給海上工程和沿海居民帶來災(zāi)難，所以建立一種海洋結(jié)構(gòu)物及海床地基波浪動力響應(yīng)現(xiàn)場長期觀測系統(tǒng)意義重大。

申請?zhí)枮?00810229172.0的中國專利申請《海浪雷達(dá)觀測系統(tǒng)》公開了一種雷達(dá)觀測系統(tǒng)，應(yīng)用船載雷達(dá)對海面進(jìn)行掃描，獲取海浪的相關(guān)參數(shù)。

申請?zhí)枮?01010106794.1的中國專利申請《基于insar與gps數(shù)據(jù)融合的地表三維形變監(jiān)測方法》公開了一種基于insar與gps數(shù)據(jù)融合的地表三維形變監(jiān)測方法，突破了單一監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用局限，改善了三維形變監(jiān)測結(jié)果的時空分辨率。

但是以上兩者都有其監(jiān)測范圍的局限性，都只能針對海洋結(jié)構(gòu)物或者波浪進(jìn)行單一的監(jiān)測，不能形成一個系統(tǒng)的監(jiān)測。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點和不足，提供一種海洋結(jié)構(gòu)物及海床地基波浪動力響應(yīng)現(xiàn)場長期觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在野外長期高效穩(wěn)定地采集海洋結(jié)構(gòu)物及海床地基動力響應(yīng)的數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明設(shè)置了傳感器單元和孔隙水壓力采集單元，對海洋結(jié)構(gòu)物加速度、波浪對結(jié)構(gòu)物的沖擊壓力以及海床中孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測，采集數(shù)據(jù)全面、精度高，采集時間長，給研究海洋結(jié)構(gòu)物及海床地基波浪動力響應(yīng)問題提供全面的數(shù)據(jù)支持。

本發(fā)明可在現(xiàn)場長期高效穩(wěn)定地采集海洋結(jié)構(gòu)物及海床地基動力響應(yīng)的數(shù)據(jù)，避免了大量的人力，且采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)化，可為后期的研究工作，以及海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計和維護(hù)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

具體地說：

一、海洋結(jié)構(gòu)物及海床地基波浪動力響應(yīng)現(xiàn)場長期觀測系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)）

本系統(tǒng)包括海床地基、海水、海洋結(jié)構(gòu)物和土地基；

設(shè)置有電能產(chǎn)生單元、電力存儲及管理單元、數(shù)據(jù)采集及存儲單元、波浪觀測單元、沉降及位移觀測單元、傳感器單元和孔隙水壓力采集單元；

電能產(chǎn)生單元、電力存儲及管理單元、數(shù)據(jù)采集及存儲單元、波浪觀測單元和沉降與位移觀測單元設(shè)置于土地基和/或海洋結(jié)構(gòu)物上；

前后連接的電能產(chǎn)生單元和電力存儲及管理單元給系統(tǒng)供電；

傳感器單元包括加速度傳感器、波浪壓力傳感器陣列和孔隙壓力傳感器，加速度傳感器和波浪壓力傳感器陣列分別設(shè)置于海洋結(jié)構(gòu)物上，測試海洋結(jié)構(gòu)物的加速度和波浪壓力；孔隙壓力傳感器設(shè)置于孔隙水壓力采集單元內(nèi)，孔隙水壓力采集單元設(shè)置于海床地基內(nèi)，測試海床地基的壓力；

波浪觀測單元、沉降與位移觀測單元和傳感器單元分別與數(shù)據(jù)采集及存儲單元連接，獲取觀測數(shù)據(jù)。

二、海洋結(jié)構(gòu)物及海床地基波浪動力響應(yīng)現(xiàn)場長期觀測方法（簡稱方法）：

本方法包括下列步驟：

①安裝

按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在海岸的土地基上設(shè)置電能產(chǎn)生單元、電力存儲及管理單元、數(shù)據(jù)采集及存儲單元、波浪觀測單元和沉降與位移觀測單元，將孔隙水壓力采集單元和孔隙壓力傳感器組裝后壓入或者打入海床地基，隨后將加速度傳感器和波浪壓力傳感器陣列安裝在海洋結(jié)構(gòu)物靠海一側(cè)；

②數(shù)據(jù)采集

將波浪觀測單元和沉降與位移觀測單元、傳感器單元連線至數(shù)據(jù)采集及存儲單元，電能產(chǎn)生單元和電力存儲及管理單元開始工作為數(shù)據(jù)采集及存儲單元、波浪觀測單元、沉降與位移觀測單元和傳感器單元供電，開始進(jìn)行長期數(shù)據(jù)采集；

③后期數(shù)據(jù)收集及處理

后期定期通過外接設(shè)備連接至數(shù)據(jù)采集及存儲單元進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，再進(jìn)行

后期處理。

本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果：

①依靠太陽能和風(fēng)能發(fā)電及蓄電池儲電，綠色環(huán)保，不需外部電源；

②避免了工作人員長期在野外作業(yè)，能夠長期高效穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)，后期維護(hù)成本低，有較高的經(jīng)濟(jì)價值；

③數(shù)字信號采集儀可以根據(jù)所用傳感器的類型采集微電流或微電壓信號，也可以針對光纖傳感器加裝光纖解調(diào)器，數(shù)據(jù)采集單元可以根據(jù)用戶自己設(shè)定的條件，在低頻采集和高頻采集之間進(jìn)行采集模式換檔；

④孔隙水壓力采集單元長度可調(diào)節(jié)，耐腐蝕。

總之，本系統(tǒng)能夠長期在野外自動高效穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)，得到由波浪引起的海床和海洋結(jié)構(gòu)物的動態(tài)響應(yīng)；可為后期海洋結(jié)構(gòu)物的建造和維護(hù)提供數(shù)據(jù)理論支持；且系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備簡單易得，可統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)化組裝或生產(chǎn)。

附圖說明

圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是孔隙壓力采集單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：

10—電能產(chǎn)生單元，

11—s型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，12—太陽能發(fā)電板；

20—電力存儲及管理單元，

21—蓄電池，22—電源管理器；

30—數(shù)據(jù)采集及存儲單元，

31—數(shù)據(jù)采集器，32—存儲器；

40—波浪觀測單元

50—沉降及位移觀測單元

60—傳感器單元，

61—加速度傳感器，62—波浪壓力傳感器陣列，

63—孔隙壓力傳感器；

70—孔隙水壓力采集單元，

71—頂蓋，

72—空心管，721—頂端小孔，722—小孔，

73—鉆頭；

a—海床地基；

b—海水；

c—海洋結(jié)構(gòu)物；

d—土地基。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)說明

一、系統(tǒng)

1、總體

如圖1，本系統(tǒng)包括海床地基a、海水b、海洋結(jié)構(gòu)物c和土地基d；

設(shè)置有電能產(chǎn)生單元10、電力存儲及管理單元20、數(shù)據(jù)采集及存儲單元30、波浪觀測單元40、沉降及位移觀測單元50傳感器單元60和孔隙水壓力采集單元70；

電能產(chǎn)生單元10、電力存儲及管理單元20、數(shù)據(jù)采集及存儲單元30、波浪觀測單元40和沉降與位移觀測單元50設(shè)置于土地基d和/或海洋結(jié)構(gòu)物c上；

前后連接的電能產(chǎn)生單元10和電力存儲及管理單元20給系統(tǒng)供電；

傳感器單元60包括加速度傳感器61、波浪壓力傳感器陣列62和孔隙壓力傳感器6.3，加速度傳感器61和波浪壓力傳感器陣列62分別設(shè)置于海洋結(jié)構(gòu)物c上，測試海洋結(jié)構(gòu)物c的加速度和波浪壓力；孔隙壓力傳感器6.3置于孔隙水壓力采集單元70內(nèi)，孔隙水壓力采集單元70設(shè)置于海床地基a內(nèi)，測試海床地基a的壓力；

波浪觀測單元40、沉降與位移觀測單元50和傳感器單元60分別與數(shù)據(jù)采集及存儲單元30連接，獲取觀測數(shù)據(jù)。

2、功能單元

1）電能產(chǎn)生單元10

電能產(chǎn)生單元10包括s型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)11和太陽能發(fā)電板12；

其功能是分別通過風(fēng)力或太陽能發(fā)電，給本系統(tǒng)供電。

2）電力存儲及管理單元20

電力存儲及管理單元20包括相互連接的蓄電池21和電源管理器22；

（1）蓄電池21選用鋰電池模塊的組數(shù)進(jìn)行串聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)配置為1kwh，輸出電壓包括5v、12v和24v；其功能是儲存電能；

（2）電源管理器22包括控制器和逆變器；其功能是對蓄電池21進(jìn)行管理，防止電流過沖過放，避免擊穿蓄電池21，對電路有控制保護(hù)作用。

3）數(shù)據(jù)采集及存儲單元30

數(shù)據(jù)采集及存儲單元30包括相互連接的數(shù)據(jù)采集器31和存儲器32；

（1）數(shù)據(jù)采集器31是一種通用件；其功能是采集波浪觀測單元40、沉降及位移觀測單元50和傳感器單元60收集的數(shù)據(jù)。

（2）存儲器32

存儲器32是一種通用件；其功能是儲存波浪觀測單元40、沉降及位移觀測單元50和傳感器單元60收集的數(shù)據(jù)。

4）波浪觀測單元40

此單元主體引用申請?zhí)枮?00810229172.0的中國專利申請《海浪雷達(dá)觀測系統(tǒng)》，公開了一種雷達(dá)觀測系統(tǒng)，應(yīng)用船載雷達(dá)對海面進(jìn)行掃描，獲取海浪的相關(guān)參數(shù)，但是所獲參數(shù)由數(shù)據(jù)采集及存儲單元30采集與存儲，無原專利中的雷達(dá)海浪圖像測量記錄儀與主控單元。

5）沉降及位移觀測單元50

此單元引用申請?zhí)枮?01010106794.1的中國專利申請《基于insar與gps數(shù)據(jù)融合的地表三維形變監(jiān)測方法》，公開了一種基于insar與gps數(shù)據(jù)融合的地表三維形變監(jiān)測方法，突破了單一監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用局限，改善了三維形變監(jiān)測結(jié)果的時空分辨率，滿足精度的最終輸出結(jié)果由采集及存儲單元30采集與存儲。

6）傳感器單元60

傳感器單元60包括加速度傳感器61、波浪壓力傳感器陣列62和孔隙壓力傳感器6.3；

（1）加速度傳感器61使用量程為2g，精度<2%，長寬都小于50mm；其功能是測量結(jié)構(gòu)物加速度。

（2）波浪壓力傳感器陣列62使用壓力傳感器，量程為200-500kpa，精度<1%，直徑為50mm或100mm；其功能是將波浪壓力信號轉(zhuǎn)化成電信號，繼而被數(shù)據(jù)采集及存儲單元30采集。

（3）孔隙壓力傳感器6.3量程為200-500kpa，精度<1%，直徑d<20mm；其功能是將海床中的孔隙水壓力信號變成電信號，繼而被數(shù)據(jù)采集及存儲單元30采集。

7）孔隙水壓力采集單元70

如圖2，孔隙水壓力采集單元70包括頂蓋71、空心管72和鉆頭73；

從上到下，頂蓋71、空心管72和鉆頭73通過內(nèi)外螺紋依次連接；

在空心管72上設(shè)置有若干小孔722，在空心管72的頂端設(shè)置有頂端小孔721，孔隙壓力傳感器6.3安裝在小孔722中，連接線穿過空心管72從頂端小孔721導(dǎo)出，并連接至數(shù)據(jù)采集及存儲單元30。

3、本發(fā)明的工作機(jī)理

電能產(chǎn)生單元10給整個系統(tǒng)提供電能，波浪觀測單元40測量海浪的波高、周期和波速等參數(shù)；沉降及位移觀測單元50用于監(jiān)測海洋結(jié)構(gòu)物的沉降和位移；傳感器單元60包括加速度傳感器61、波浪壓力傳感器陣列62和孔隙壓力傳感器6.3，分別監(jiān)測海洋結(jié)構(gòu)物的加速度、波浪對于海洋結(jié)構(gòu)物的沖擊壓力和海床中的孔隙水壓力；所有數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集及存儲單元30采集并且存儲。