基于TDR与侧扫声呐融合的地基冲刷实时监测系统及方法与流程

本发明属于岩土工程、水利工程、水工构筑物及桥梁基础水下监测，具体为一种基于tdr与侧扫声呐融合的地基冲刷实时监测系统及方法。

背景技术：

1、水下地基冲刷（如桥墩、码头、海上风电基础、堤坝等周围的河床或海床侵蚀）是导致结构失稳和破坏的主要原因之一。现有的冲刷监测技术主要存在以下局限：

2、1、点式测量技术：如测斜仪、水下沉降标等。该类技术只能获取传感器安装位置的单点冲刷深度，无法反映冲刷坑的整体形态和空间分布，存在“一维”测量的局限性。

3、2、面式测量技术：如侧扫声呐、多波束测深系统。该类技术能够绘制大范围的海底地形图，实现“二维”甚至“三维”测量。但侧扫声呐在近场（尤其是结构物根部）存在盲区，且易受水流、气泡、水温分层等环境因素干扰，其单次测量的绝对精度相对较低，且通常需要船舶搭载进行周期性测量，难以实现真正意义上的实时连续监测。

4、3、其他技术：如地震法、电阻率法等，或成本高昂，或精度不足，或难以实现长期稳定监测。

5、因此，针对以上问题，提供一种基于tdr（时域反射计）与侧扫声呐融合的地基冲刷实时监测系统及方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于tdr与侧扫声呐融合的地基冲刷实时监测系统及方法，通过将tdr技术的高精度、实时性与侧扫声呐的广域、可视化优势相结合，实现了从“点”到“面”的全方位冲刷监测，并且解决护底、软体排等防护结构底部掏空的冲刷监测难题，精确获取冲刷深度与冲刷坑形态的实时动态变化数据。

2、实现上述目的的技术方案是：

3、本发明之一的一种基于tdr与侧扫声呐融合的地基冲刷实时监测系统，包括：

4、传感模块，用于监测多点实时冲刷深度数据以及结构物周围大范围的底床形态数据；

5、数据采集控制模块，用于控制驱动所述传感模块并采集冲刷深度数据以及结构物周围大范围的底床形态数据；

6、数据融合处理模块，用于接收并处理所述数据采集控制模块上传的数据，生成冲刷坑三维地形模型；

7、数据预警模块，预设冲刷的预警阈值，用于在融合结果显示冲刷深度或范围超过阈值，或变化趋势异常时，系统自动触发多级预警；

8、数据传输模块，用于将处理后的融合数据、预警信息实时传输至远程监控中心；

9、能源供应模块，用于为整个系统提供电力。

10、优选的，所述传感模块，包括：

11、布设于待监测结构物周围地基中的tdr传感器阵列，用于获取多点实时冲刷深度数据；

12、固定安装于结构物水下部位的侧扫声呐单元，用于通过一定倾角向周围河床/海床发射声波并接收回波，连续扫描并生成结构物周围大范围的底床形态图像，进而获取结构物周围大范围的底床形态数据；

13、其中，

14、所述tdr传感器阵列由多根同轴电缆或波导杆以环形、十字形或网格形阵列布设于地基中，其末端锚固于稳定持力层；

15、所述tdr传感器阵列的布设位置及数量根据覆盖关键冲刷区域并能表征冲刷坑的基本形态特征进行优化设计；

16、所述侧扫声呐单元采用机械扫描式或电子扫描式声呐换能器，通过卡箍、支架或预埋件固定安装于结构物水下表面，其安装方位和倾角经过设计以确保有效扫描目标区域；

17、所述侧扫声呐单元的声波发射频率、波束开角及扫描速率根据水下环境条件和监测精度要求进行配置。

18、优选的，所述数据采集控制模块，包括：

19、位于结构物上或岸边的设备箱内的主控制器，内置工业计算机和数据采集卡；

20、受所述主控制器控制的tdr主机，用于负责激励所述tdr传感器阵列并采集冲刷深度原始波形数据；

21、受所述主控制器控制的声呐信号处理器，用于负责驱动所述侧扫声呐单元工作，并采集、预处理声呐回波信号；

22、同步时钟模块，用于为tdr数据和声呐数据提供统一时间戳。

23、优选的，所述数据融合处理模块，包括：

24、数据预处理单元，用于对tdr原始数据进行解算得到各测点精确深度值，并对声呐原始数据进行处理生成声图；

25、数据融合单元，用于将tdr测点数据与侧扫声呐数据在统一坐标系下进行融合，利用tdr数据对侧扫声呐数据进行校准，并通过插值算法生成冲刷坑三维地形模型。

26、优选的，所述数据融合单元中，数据融合包括：

27、坐标统一：将tdr测点的地理坐标与侧扫声呐扫描数据统一至同一空间坐标系；

28、数据校准：以所述tdr传感器阵列获取的高精度深度值为基准，对侧扫声呐反演的水深数据进行误差校正；

29、地形重构：以校准后的tdr点数据为控制点，融合校准后的声呐面数据，通过插值算法或基于机器学习的算法生成冲刷坑三维地形模型。

30、优选的，所述数据预警模块中，设置的预警阈值包括冲刷深度绝对值阈值、冲刷速率变化阈值中的一种或多种，用于实现多级预警，预警包括但不限于声光、短信、平台弹窗。

31、优选的，所述能源供应模块中，用于为整个系统提供电力的装置包括但不限于市电、太阳能电池板和蓄电池组。

32、本发明之二的一种基于tdr与侧扫声呐融合的地基冲刷实时监测方法，包括：

33、步骤s1，系统布设：在施工期或后期将所述tdr传感器阵列按设计布设于地基中，将所述侧扫声呐单元固定安装于结构物水下指定位置；

34、步骤s2，数据采集：按设定周期或触发条件自动启动，同步采集所述tdr传感器阵列的响应信号和所述侧扫声呐单元的回波信号；

35、步骤s3，数据融合处理：对采集到的数据进行预处理，并利用tdr数据对声呐数据进行校准与融合，生成三维冲刷地形模型；

36、步骤s4，数据传输与预警：将融合结果及预警信息远程传输至监控中心，并根据预设条件触发相应级别的预警。

37、优选的，所述步骤s3中，利用tdr数据对声呐数据进行校准与融合，包括：

38、坐标统一：将tdr测点的地理坐标与侧扫声呐扫描数据统一至同一空间坐标系；

39、数据校准：以所述tdr传感器阵列获取的高精度深度值为基准，对侧扫声呐反演的水深数据进行误差校正；

40、地形重构：以校准后的tdr点数据为控制点，融合校准后的声呐面数据，通过插值算法或基于机器学习的算法生成冲刷坑三维地形模型。

41、优选的，还包括：

42、步骤s5，对历史冲刷数据进行存储、趋势分析及可视化展示，用于评估冲刷长期演化规律及结构物安全性态。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

44、本发明通过布设于待监测结构物周围地基中的tdr传感器阵列，解决了声呐近场盲区和绝对精度问题，通过固定安装于结构物水下部位的侧扫声呐单元，弥补了tdr单点测量的不足，实现了“点-面”结合，生成了远超单一技术精度的三维冲刷模型；

45、本发明固定安装，可全天候自动工作，提供连续的时间序列数据，捕捉冲刷的动态发展过程，而非周期性的“快照”，通过对实时数据的分析，可以在冲刷发展到危险程度前发出早期预警，为采取防护措施赢得宝贵时间，并通过直观的三维地形图和等高线图，便于管理人员理解和决策。