基于地声检知器和光纤光栅监测系统的泥石流地声特性研究

发布时间：2017-07-29 23:12

  本文关键词：基于地声检知器和光纤光栅监测系统的泥石流地声特性研究

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【摘要】：本文目的在于利用地声检知器和光纤光栅监测系统,探测模拟实验所产生的泥石流地表振动。光纤光栅系统具有敏感度高、传输损耗低、抗电磁干扰强的优势,可以弥补地声检知器监测地声范围小、容易衰减、信号质量不佳的不足。地声信号的采集主要以地声检知器系统为主,光纤光栅系统为辅。本文主要的分析方法有快速傅里叶变换(FFT)、Gabor变换、互相关分析法和每单位时间累计能量法。本文主要内容和结论如下：1.以美国Geospace公司生产GS-20DX地声检知器为传感器组建泥石流地声监测系统；并结合自主研发的光栅加速度传感器,构建光纤光栅监测系统。2.设计泥石流模拟实验方案,以产生地声。单一石块自由落体撞击砾石层实验；不同泥石流材料撞击、摩擦地表实验；地声能量的衰减特性及其传播速度的研究实验。3.探讨研究实验所产生的地声时域特性、主要频率范围、时间-频率特性、地声能量的衰减特性及其传播速度。不同实验材料条件下,通过同一传感器信号的特性对比。由时域对比结果可知：大砾石速度振幅值最大,其次是小砾石,再次是粉土,粗砂和细砂速度振幅值最小；频域对比结果表明：大砾石、小砾石、粉土撞击或摩擦地表所产生的地声主要频率范围分别为20Hz～350Hz、20Hz～250Hz、20Hz～200Hz。粗砂和细砂的主要频率范围难以分辨,这反映了它们对泥石流主要频率基本没有贡献。相同实验材料条件下不同传感器的信号特性对比。时域对比结果反映了地声能量随距离增大而衰减的特性；频域对比结果可知：频域图形状相似,相同实验条件下不同传感器探测分析的主要频域范围基本一致。对泥石流传播速度的探讨可知：地表材料越密实,泥石流地声传播速度的衰减越慢；反之亦然。4.利用互相关分析法和每单位时间累积能量法,均可可以推算出大砾石实验条件下材料运动的平均速度。小砾石、粗砂、细砂、粉土实验材料产生的地声信号不明显。通过分析表明：没有砾石撞击或摩擦地表产生较大地声速度振幅,则采用以上两种方法均不能推算出平均流速。5.对比地声检知器系统与光纤光栅系统监测结果。结果表明光纤光栅系统灵敏度更高、信号质量更好,且所测得的地声信号更明显。因此论证了光纤光栅监测系统在测量泥石流地声的可行性,并提出改进优化的建议。
【关键词】：泥石流地声 地声检知器 光纤传感技术 时域特性 频率特性 衰减特性
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P642.23;TP274
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-25
• 1.1 问题的提出13-15
• 1.2 泥石流地声监测研究进展15-20
• 1.3 光纤传感技术应用于泥石流监测的研究进展20-23
• 1.4 研究的目的和意义23-24
• 1.5 研究的主要内容24-25
• 第二章 相关理论和分析方法25-47
• 2.1 泥石流及其地声特性简介25-28
• 2.1.1 泥石流特性简介25-27
• 2.1.2 泥石流地声主要特性27-28
• 2.2 光纤光栅传感原理28-32
• 2.2.1 光纤光栅简介28-29
• 2.2.2 应变与波长漂移的关系29-31
• 2.2.3 波分复用技术31-32
• 2.3 信号处理理论32-45
• 2.3.1 概述32
• 2.3.2 采样定理32-36
• 2.3.3 傅里叶变换36-38
• 2.3.4 单边指数型窗函数的Gabor变换38-41
• 2.3.5 快速傅里叶变换与Gabor变换的比较41-45
• 2.4 离散时间信号的互相关分析45-46
• 2.5 本章小结46-47
• 第三章 地声监测系统和实验方案47-62
• 3.1 概述47
• 3.2 地声检知器监测系统的构建47-52
• 3.2.1 地声检知器及传感原理简介48-50
• 3.2.2 信号采集、存储系统的介绍50-52
• 3.3 光纤光栅监测系统的构建52-55
• 3.3.1 光纤光栅监测系统的介绍52
• 3.3.2 光纤光栅传感器简介52-55
• 3.4 实验方案设计及实验步骤55-61
• 3.4.1 单一石块撞击砾石层实验方案及步骤55-57
• 3.4.2 单一泥石流材料倾倒实验方案及步骤57-59
• 3.4.3 地声能量衰减特性及传播速度实验方案及步骤59-61
• 3.5 实验数据分析方法61
• 3.6 本章小结61-62
• 第四章 地声检知器监测结果与数据分析62-137
• 4.1 概述62-63
• 4.2 单一石块撞击砾石层实验地声信号监测结果与数据分析63-78
• 4.2.1 现场环境噪声信号处理与分析63-68
• 4.2.2 单一石块撞击砾石层实验地声信号监测结果与分析68-78
• 4.3 单一泥石流材料倾倒实验地声信号监测结果与数据分析78-111
• 4.3.1 现场环境噪声信号处理与分析78-83
• 4.3.2 单一泥石流材料倾倒实验地声信号监测结果与分析83-111
• 4.4 地声能量衰减特性及传播速度实验研究111-119
• 4.4.1 现场环境噪声信号处理与分析111-112
• 4.4.2 地声能量衰减特性及传播速度实验结果分析与探讨112-119
• 4.5 实验地声信号时域与频域特性对比分析119-123
• 4.5.1 不同泥石流材料相同传感器地声信号时域与频域特性对比分析119-121
• 4.5.2 相同实验条件不同传感器探测的地声时域信号与频域信号对比121-123
• 4.6 实验地声时域信号的互相关分析123-129
• 4.7 每单位时间累计能量速度平方值方法计算泥石流材料平均速度129-135
• 4.8 互相关分析方法与每单位时间累计能量计算方法的比较135
• 4.9 本章小结135-137
• 第五章 光纤光栅系统设计、监测结果及数据分析137-153
• 5.1 光纤光栅系统改进设计概述137-140
• 5.1.1 悬臂梁光栅传感器的结构设计137-138
• 5.1.2 CCD解调的实时信号提取技术138-139
• 5.1.3 CCD解调模块的软件设计139-140
• 5.2 光纤光栅系统监测的地声信号处理与分析140-150
• 5.2.1 大砾石(A)实验条件下地声信号分析140-142
• 5.2.2 小砾石(B)实验条件下地声信号分析142-144
• 5.2.3 粗砂(C)实验条件下地声信号分析144-146
• 5.2.4 细砂(D)实验条件下地声信号分析146-148
• 5.2.5 粉土(E)实验条件下地声信号分析148-150
• 5.3 光纤光栅系统的检验150-152
• 5.3.1 实验地声时域信号对比分析150-151
• 5.3.2 实验地声频域信号对比分析151-152
• 5.4 本章小结152-153
• 第六章 结论与展望153-155
• 6.1 研究的结论153-154
• 6.2 研究的展望154-155
• 参考文献155-161
• 致谢161-163
• 攻读学位期间发表论文情况163

【参考文献】

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1 ;Monitoring and Warning of Landslides and Debris Flows Using an Optical Fiber Sensor Technology[J];Journal of Mountain Science;2011年05期

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本文编号：591518