基于光纖傳感的水文綜合監(jiān)測系統(tǒng)

1、需求背景

據(jù)中國官方最新數(shù)據(jù)，截至2016年7月13日，中國已有28?。▍^(qū)、市）1508個縣遭受洪澇災(zāi)害，受災(zāi)人口超過6000萬人，因災(zāi)死亡237人，直接經(jīng)濟損失近1470億元人民幣。由于全球氣候變暖，極端天氣越易頻發(fā)，給人們的生產(chǎn)生活帶來了很大損失。通過對雨量、水位、水溫等水文監(jiān)測及災(zāi)害預(yù)報預(yù)警從而提前采取預(yù)防措施是減少自然災(zāi)害造成損失的有效手段。

目前的水文監(jiān)測手段主要有兩種：

一種是傳統(tǒng)的人工監(jiān)測技術(shù)，其主要存在以下問題： （1） 記錄方式以模擬方式為主，就是數(shù)字方式記錄的也很難方便的輸入計算機處理； （2）數(shù)據(jù)處理基本靠人工處理判斷，費時易錯； （3） 水文信息的采集、傳輸、處理的實時性和準(zhǔn)確性較差，無法適應(yīng)現(xiàn)代水文的需求。

另一種是電類傳感器的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，是目前主要的水文監(jiān)測手段，對水位監(jiān)測主要采用浮子式水位計、壓力式水位計、電子水尺和超聲波水位計，雨量監(jiān)測多采用翻斗式的方法。這種監(jiān)測測量手段比傳統(tǒng)的人工監(jiān)測有了很大提升，自動化程度高，但也有一些致命的弱點：（1）由于電類傳感器易受電磁干擾，在雷暴天氣很容易受到干擾，運行不穩(wěn)定，甚至被雷電高壓擊壞；（2）由于電類傳感器的主要組成部分是電子元器件，不能持續(xù)耐高溫或低溫，遇到高溫或嚴(yán)寒天氣，會失效；（3）數(shù)據(jù)傳輸采用中國移動GPRS無線傳輸，在較偏遠(yuǎn)地區(qū)，信號強度收到限制，若要增加遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能，傳送大型圖像文件更是力不從心。

因此需要研發(fā)一種新型的水文監(jiān)測系統(tǒng)。

與電類傳感監(jiān)測系統(tǒng)相比，光纖光柵傳感監(jiān)測系統(tǒng)用于水文監(jiān)測有不可比擬的優(yōu)勢：（1）本質(zhì)安全，抗電磁干擾。光纖監(jiān)測可集傳感和傳輸為一體，其傳感與傳輸信號都是光學(xué)信號，因此其監(jiān)測過程本質(zhì)安全，不受電磁干擾，同時光纖傳感器本身不產(chǎn)生電磁干擾，不對其它設(shè)備產(chǎn)生干擾；（2）絕緣性好：生產(chǎn)光纖的原材料是石英石，不導(dǎo)電，不會受雷擊影響；（3）耐腐蝕：石英是一種非常耐腐蝕的材料，化學(xué)特性很穩(wěn)定，適合在戶外、化學(xué)侵蝕嚴(yán)重的環(huán)境中使用；（4））質(zhì)量輕，體積小，對結(jié)構(gòu)影響小，可埋設(shè)在一些大型結(jié)構(gòu)如橋梁、大壩中，用來檢測結(jié)構(gòu)的變形，能用于監(jiān)測堤壩內(nèi)部損傷情況；（5）光纖低損耗、信息容量大、傳輸距離遠(yuǎn)，系統(tǒng)自行組網(wǎng)，不依賴于GPS等網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)大范圍、多參量、遠(yuǎn)程、分布式、網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，容易實現(xiàn)遠(yuǎn)程拍攝圖像的傳輸；（6）傳感器現(xiàn)場不需電源驅(qū)動，不受監(jiān)測現(xiàn)場的惡劣環(huán)境影響。

2、設(shè)計方案

鑒于光纖傳感技術(shù)的上述優(yōu)點，研發(fā)水文在線監(jiān)測系統(tǒng)，完全符合國家“十三五”規(guī)劃，是水文監(jiān)測的未來發(fā)展方向。

光纖光柵水文監(jiān)測系統(tǒng)由光纖光柵傳感器、信號處理器、傳輸光纜等構(gòu)成。

光纖光柵傳感器是系統(tǒng)的核心部件之一，它是利用光纖芯層材料的光敏特性，通過紫外準(zhǔn)分子激光器采用掩模曝光的方法使一段約8mm的光纖纖芯的折射率發(fā)生永久性改變，形成布喇格光柵結(jié)構(gòu)。溫度、壓力、應(yīng)變等物理量的變化都會導(dǎo)致光柵的反射光波長的變化。通過測得光柵波長的變化就可以得知環(huán)境中各種參數(shù)的變化。根據(jù)實際應(yīng)用的需要可以設(shè)計研制各種不同形式的傳感器，實現(xiàn)對溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、加速度、位移、電流、電壓等信號檢測。

根據(jù)該設(shè)備工作原理，并結(jié)合水文監(jiān)測指標(biāo)和災(zāi)害預(yù)告警的需求，本項目將在已取得的技術(shù)成果與工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以自主研發(fā)的高精度、高性能光纖光柵傳感器為核心，綜合各個水文監(jiān)測參量，組建在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，研究基于光纖傳感的水文綜合在線監(jiān)測系統(tǒng)。重點研發(fā)適應(yīng)嚴(yán)酷服役環(huán)境，長期動態(tài)監(jiān)測的水文采集終端、光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)；必要時，融合或增設(shè)現(xiàn)場視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

光纖光柵水文監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)。采用光纖光柵復(fù)用技術(shù)能實現(xiàn)水位、雨量、水溫的分布式測量，并采取合適的方式把采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，在通過合理可行的算法對數(shù)據(jù)進行處理以實現(xiàn)智能分析和異常預(yù)警。值班員能通過手機訪問監(jiān)測中心實時在線的掌握各站點的的水文情況，如有數(shù)據(jù)異常的情況產(chǎn)生，系統(tǒng)會自動給值班員手機發(fā)送水文異常的短信，值班員可根據(jù)具體情況作出實時的處理。如圖2所示。

3、光纖光柵傳感技術(shù)優(yōu)勢

采用光纖光柵傳感技術(shù)，研究完整的水文在線監(jiān)測系統(tǒng)，建立一套水文遙測遙感綜合站的整體解決方案，實現(xiàn)水位、雨量、水溫的遙測遙感，后續(xù)加入流量、泥沙、堤壩危情、土壤墑情等其它水文、氣象要素。

由于光纖傳感器本質(zhì)耐腐蝕、抗干擾和易于實現(xiàn)波分復(fù)用，可以極大的簡化系統(tǒng)的組成和后期維護。一套光纖解調(diào)儀可以同時滿足多參量（水位、雨量、水溫等）多點監(jiān)測，大大降低了水文綜合遙測站的建設(shè)費用。湖北省處于長江中下游平原，長江及其最大的支流漢江是湖北省內(nèi)的主要水系，且一年內(nèi)降雨分布十分不均，極易發(fā)生全省性洪澇災(zāi)害?；诠饫w傳感的水文綜合遙測站的建設(shè)可以改善基層報汛站的測報手段，提高信息、采集點到市防分中心的通信水平，使防汛防澇信息及時傳遞，發(fā)出預(yù)警報，為防洪防澇提供決策依據(jù)，減少人民生命和財產(chǎn)損失。

光纖傳感分布式網(wǎng)絡(luò)可以顯著提高收集水情信息的速度和質(zhì)量，增加信息量，實現(xiàn)各級水文和防汛部門信息共享，并為其他各級指揮部門提供水情服務(wù)，極大提高湖北省水文監(jiān)測的信息化建設(shè)水平，并具有推廣價值。