水下混凝土结构脱空监测系统及方法与流程

本发明涉及水下工程结构健康监测与无损检测，具体地指一种水下混凝土结构脱空监测系统及方法。

背景技术：

1、对于大坝水下面板、船闸墙、水下桥墩等大型混凝土结构，混凝土面板背后脱空是威胁其安全运行的主要隐蔽病害之一。这类缺陷的萌生与扩展具有长期性和隐蔽性，对其实现全寿命期追踪是结构健康监测领域的迫切需求。

2、现有的水下混凝土脱空检测手段主要包括接触式检测、声学遥测和光纤传感三大类。

3、其中，接触式检测技术（如人工敲击听音、水下超声波接触式扫描等）原理简单，但是存在如下技术问题：第一，依赖潜水员或rov接触式作业，检测效率极低且风险高；第二，这类方法属于单次“体检”，每次检测的传感器耦合状态、敲击力度均不一致，导致检测结果的可重复性差，无法实现对同一脱空区域的长期跟踪比对。

4、声学遥测技术（如常规成像声纳、多波束测深系统）能够实现非接触大面积普查，但是存在如下技术问题：由于其工作频率通常为数十至数百千赫兹，对混凝土内部与背后界面的分辨率不足，难以发现直径小于0.5m的早期微小脱空，更无法对脱空的深度和刚度变化进行定量评估。

5、光纤光栅（fbg）传感技术，具有无源、抗电磁干扰、可在一根光纤上波分复用大量测点、长期零点不漂移等独特优势，已被证明是水下结构长期应变/振动监测的理想传感元件。然而，目前已有的水下fbg监测系统多为被动式，仅能捕捉地震、水流脉动等环境载荷引起的突发结构振动，信号微弱且激发源不可控；而无法主动、定量地提取与脱空缺陷直接相关的结构模态参数（如局部共振频率和振幅），缺乏一种可控的、可重复的、能量足够强的主动激励手段。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，本发明提出一种水下混凝土结构脱空监测系统及方法，该监测系统能够在恶劣水下环境中长期布设，且全无源抗干扰，并能与移动巡检激发源高效协同，实现对脱空从萌生到发展的全过程追踪与定量化诊断。

2、为达到上述目的，本发明所设计的一种水下混凝土结构脱空监测系统，其特别之处在于：包括永久固定在被测水下结构表面的固定式光纤光栅振动传感网络、搭载于水下机器人上的移动式水下激光致声激励单元、以及岸基光纤光栅解调与数据处理中心；

3、所述固定式光纤光栅振动传感网络包括按照预设网格布设的多条光纤光栅串，且每个光栅节点具有唯一空间坐标，用于感测结构受激产生的动态应变/振动；

4、所述移动式水下激光致声激励单元用于在定期巡检时，针对各预设坐标位置在结构表面附近的激发点发射高能脉冲激光，通过水下击穿与空化效应产生强脉冲声波，以激励结构振动；

5、所述岸基光纤光栅解调与数据处理中心通过传输光缆与固定式光纤光栅振动传感网络连接，用于实时解调各光栅节点的波长变化，同步记录移动式水下激光致声激励单元的激发时刻与位置，通过分析振动信号的时频特征和传播特征，识别脱空缺陷。

6、进一步地，所述移动式水下激光致声激励单元集成在水下机器人的专用耐压舱内。

7、更进一步地，所述脉冲声波强度通过调节激光器的供电电压或驱动电流来改变。

8、进一步地，识别是否脱空的方法包括，将时域振动信号主频与基准频谱指纹比对，若主频降低、且振幅增大到设定阈值，则判定为疑似脱空。

9、更进一步地，识别是否脱空的方法还包括，多次激发反演面板波速分布，若波速异常降低，则判定脱空缺陷。

10、更进一步地，识别是否脱空的方法还包括，采用综合异常判据融合算法，判定是否脱空缺陷；所述综合异常判据融合算法指的是采用加权证据融合来量化综合异常指数，对于每个激发点-传感器对，定义综合异常指数，若综合异常指数大于设定临界值时，则标记为脱空缺陷；

11、所述综合异常指数通过下式表示

12、

13、式中，

14、表示介于0到1之间的无量纲指数，

15、表示振幅，

16、表示衰减时间，

17、表示群速度的基准值，

18、、、、 表示权重。

19、本发明还设计了一种水下混凝土结构脱空监测方法，适用于上述的水下混凝土结构脱空监测系统，其特别之处在于，包括如下步骤：

20、s1）在水下结构表面布设固定式光纤光栅振动传感网络，标定各传感器坐标；

21、s2）定期部署水下机器人，对移动式水下激光致声激励单元进行集成，水下机器人按规划路径航行至各激发点，发射高能脉冲激光，并记录激发时刻与位置；并在固定式光纤光栅振动传感网络结构完好时，在蓄水条件下进行首次全网格基准扫描，建立基准频谱指纹库；

22、s3）所述岸基光纤光栅解调与数据处理中心同步采集所有光栅节点的时域振动信号；

23、s4）所述岸基光纤光栅解调与数据处理中心对时域振动信号进行时频分析，提取时频特征，将提取的时频特征与基准频谱指纹进行对比，并结合多路径声波传播速度层析成像，综合判定是否脱空，生成结构健康云图。

24、进一步地，s1）中，所述固定式光纤光栅振动传感网络在水下的安装工艺包括如下步骤，

25、s11）对水下结构进行表面处理；

26、s12）在面板上准确标定出每个传感器的安装点位，并在点位上做上标记；

27、s13）将传感器固定在安装点位；

28、s14）对传感器引出的尾纤进行不锈钢铠装软管机械保护，并将与铠装尾纤沿面板引至预定汇接点，接入充油压力补偿式水下光纤接线盒；

29、s15）从水下光纤接线盒引出一根多芯主干铠装光缆，沿坝面引至坝顶，最终接入岸基解调室内的光纤配线架。

30、更进一步地，s4）中，所述岸基光纤光栅解调与数据处理中心执行的时频分析流程如下

31、s41）对所有信号执行与建立基准时完全相同的滤波和转换流程，得到当前状态下的动态应变信号；

32、s42）对每个激发点-传感器对，计算当前的主共振频率  、幅值  和衰减时间 ；

33、s43）采用加权融合算法计算综合异常指数；所述综合异常指数通过下式计算

34、

35、式中，

36、为介于0到1之间的无量纲指数，

37、为振幅，

38、为衰减时间，

39、为群速度的基准值，

40、~为权重；

41、s44）根据综合异常指数的大小，执行分级预警。

42、更进一步地，s44）中，若综合异常指数<0.3，判定为正常；若综合异常指数0.3≤<0.5，判定为轻微异常，建议下次重点关注；若综合异常指数≥0.5，判定为严重异常，标记为高度疑似脱空区。

43、本发明的优点在于：

44、1、本发明实现从“一次性体检”到“全寿命期健康监护”的跨越；

45、本发明首次将移动式水下激光致声激励单元与永久布设的固定式光纤光栅振动传感网络进行有机耦合，通过移动巡检rov提供标准化、可重复的声激励，固定式光纤光栅振动传感网络实现每次检测在完全相同的空间点位接收信号，解决了传统接触式检测中因人为因素导致的敲击力、传感器耦合条件不一致的问题；通过对比同一测点在不同年份的湿态频谱指纹，可精确追踪脱空缺陷从萌生、扩展到恶化的完整演化过程，真正实现了全寿命期健康监护；

46、 2、本发明实现水下长期无源监测网络工程的可行性；

47、本发明接收端全部采用光纤光栅传感器，在水下无需任何供电和电子元件，从根本上杜绝了传统压电水听器长期布设中电缆腐蚀、绝缘下降、电磁干扰、节点防水失效等系统性故障；一根光纤可串接数十个测点，结合波分复用和空分复用技术，可在数百米尺度的大坝面板上构建高密度传感网络，且光栅的波长绝对编码特性保证了信号在数十年时间尺度上的零点稳定性；

48、3、本发明通过“主动激励+被动传感”的深度结合，实现定量诊断；

49、本发明克服了现有fbg监测系统只能被动接收环境振动、信号微弱且激发源不可控的致命缺陷，通过移动式水下激光致声激励单元在预设坐标精确激发出覆盖数百至数千赫兹的宽带强脉冲声波，在结构上产生足以被fbg分辨的弯曲振动响应，这使得本系统能够主动提取与脱空缺陷直接相关的结构模态参数--主共振频率、振幅和衰减时间，并首次在水下fbg监测领域引入声波层析成像作为补充判据，从而实现对脱空范围、脱空深度和发展趋势的定量评估，诊断能力远超常规声纳；

50、4、本发明实现“光-光”能量转换链的系统级协同优势；

51、本发明的完整能量转换链为：电能→脉冲激光→水下空化声能→结构振动能→光纤光栅波长偏移→光学解调；其中，激光的脉冲能量、脉宽、重复频率可精确控制，fbg的响应具有线性波长-应变关系，整个链条的输入与输出均为精准可控的光学量；这种“以光激声、以光感振”的全光物理架构，天然具备极强的抗干扰能力和信号重复性，为建立长期可比的结构健康数据库奠定了物理基础；

52、5、本发明实现系统鲁棒性与维护灵活性；

53、本发明采用激发端与接收端物理分离的架构：永久布设的水下固定式光纤光栅振动传感网络为无源器件，一经安装终身免维护；移动式水下激光致声激励单元则可根据需要灵活升级、替换或维修，不影响已布设的传感网络；而且单个传感器的失效不影响其余节点的正常工作，系统的整体鲁棒性远高于依赖集中式电学换能器的传统方案；

54、6、本发明构建了多判据融合诊断体系，显著降低环境误判风险；

55、本发明构建了“振动模态频率偏移 + 振幅异常增大 + 声波层析成像 + 衰减时间延长 ”的四维判据融合体系，从根本上克服了单一振动判据易受水流、温度等环境因素干扰的难题。

56、本发明水下混凝土结构脱空监测系统及方法，首次利用移动式脉冲激光定期提供标准化、高可重复的声激励，再利用永久布设的fbg阵列捕捉结构响应，通过比对湿态基准指纹实现脱空的长期高精度诊断，实现对脱空从萌生到发展的全过程追踪与定量化诊断。