BDS/GPS/GLONASS融合定位模型及性能分析

针对传统GNSS单星座系统定位存在的诸多不足,本文基于单点定位,给出建立在时空统一上的BDS/GPS/GLONASS多模融合定位模型,并对实测三系统数据分不同方案进行定位解算,分析各方案的可见卫星数、精度衰减因子（DOP）及定位精度。结果表明,BDS/GPS/GLONASS融合系统可见卫星数大幅提高,DOP值显著下降,定位的精度和可靠性优于各单系统。     

基于光纤传感的多参量地震综合观测技术研究

面向地震综合观测需要,自主研制了窄线宽光纤光栅谐振腔,并将其作为核心传感元件,发展了一种基于有效腔长的光纤应变、地震波和温度多参量同步测量新方法。采用边带扫频激光技术实现了高精度多参量光纤信号同步解调,研制出了光纤地壳形变、地震与温度多参量探头,并开展了多参量地震综合观测实验。实验结果表明,所研制的光纤多参量传感系统应变与温度测量分辨率分别达到4.7×10^-10和6×10^-5℃,能够同时记录到清晰的固体潮汐信号、地震波信号以及环境温度扰动,有望为多参量地震同步观测提供先进的技术手段。     

光纤和砂土界面耦合性能的分布式感测试验研究

地质与岩土工程领域中,变形监测一直是评价岩土体稳定性的一个重要指标,其时空演化规律可为工程设计与施工 技术参数优化、地质灾害预警阈值设定提供科学的依据。随着光电感测技术的不断发展,其在地质与岩土工程变形监测中 的作用越来越重要,然而分布式感测光纤与岩土体之间的耦合性对监测结果有显著影响,阐明两者间的作用机理成为该技 术应用的关键环节。文章在综合分析当前地质与岩土工程变形监测技术的基础上,开展了基于BOTDA感测技术的光纤-砂 土界面耦合性能拉拔试验,从试验结果和感测光纤特性两方面分析了感测光纤与砂土的耦合性及二者间的应变传递规律。 试验结果表明：除第一级拉拔外,数据拟合R2均在0.99以上,显示了光纤实测应变分布具有良好的规律性;由试验数据反 算得出的光纤弹性模量约为0.35 GPa,与给定值基本一致;通过感测光纤的F-S端和F-S尾关系,得出光纤-土界面作用过程 可分为全耦合、半耦合和相对滑动三个阶段。上述研究结果为分布式感测技术在各类地质与岩土工程变形监测中的应用提 供指导,同时为开展各类室内模型试验提供参考依据。     

多模式面波非线性反演

利用高频面波反演横波速度一直是浅地表地震工程研究的热点。为深入认识利用高频面波（瑞雷波和勒夫波）评价横波速度的能力,本文首先采取高阶交错网格有限差分法实现两层模型的瑞雷波和勒夫波数值模拟,并应用τ-p变换形成频散能量图。相比瑞雷波,不同模式的勒夫波频散能量很接近,这说明易于实现多模式勒夫波反演。然后利用线性映射实现广义模式识别这种非线性反演方法对含软弱夹层的四层模型的基模式、多模式瑞雷波和勒夫波的变厚度反演。若初始模型很拙劣,相比勒夫波,瑞雷波基模式反演不能重建地层中含有软弱夹层这一特征,瑞雷波多模式反演则可以重建这一特征;勒夫波基模式和多模式反演都可以重建这一特征。即使在地层的泊松比与估计值相差很大时,瑞雷波多模式反演仍能重建地层结构,但其频散曲线总是存在"模式接吻"现象,容易模式误判;而勒夫波反演则不用估计地层泊松比,也不存在"模式接吻"现象。一系列算例表明：高模式瑞雷波的加入会显著提高横波速度评价结果的精度;而高模式勒夫波的加入会令反演系统对半空间以上异常层的参数过于敏感,造成参数过度估计,但也会显著提升对半空间横波速度的评价能力。最后,应用本文方法实现了对实测勒夫波数据的分析。     

基于光纤传感技术的土工格栅变形及受力研究

光纤传感技术具有精度高、灵敏度高的特点,在变形测量方面具有独特优势。但由于缺乏有效的封装保护技术,目前将光纤传感器用于土工合成材料变形监测的应用和研究比较少。文章通过对光纤传感器的封装结构进行设计,较好地解决了光纤传感器与被测物体间的协调变形问题,并延长了光纤传感器的使用寿命。基于此封装结构,通过室内土工格栅加筋边坡模型试验,选取土工格栅的加筋层数及筋材的布设方式作为变量,研究了土工格栅在加筋过程中的变形及受力特性。研究结果表明:在垂直方向上,上层筋材的应变大于下层筋材的应变;在水平方向上,单层变形最大处位于加载点正下方范围内。增加加筋层数,能够使得各层格栅的变形得到分担,同时有效限制坡面的法向位移,尤其是坡面中上部分的法向位移;土工格栅能够显著提高边坡的极限承载力。通过对光纤传感器的研究,表明其能够灵敏监测被测物体的微小变形与受力,实际使用中较为稳定,验证了本文封装结构设计的可行性,弥补了传统测量方法的缺陷。     

珊瑚礁地层中PHC桩原位静载试验研究

珊瑚地层是钙质砂和礁灰岩的统称。在珊瑚地层中开展预应力高强度混凝土管桩（PHC桩）的原位堆载测试,分析了桩?珊瑚地质的相互作用规律。采用光纤光栅传感技术采集加载过程中的试桩桩身应变,由计算获取桩身轴力,分析加载过程中珊瑚地层中PHC桩基础的承载特性。试验结果表明,（1）桩?土响应处于线弹性阶段;（2）桩的承载发挥状态与入土深度显著相关,且入土深度超过15倍桩径时桩端阻力发挥峰值;（3）桩的安装方式几乎不影响其在珊瑚地层中的承载性能,但贯入能量的大小则显著影响;（4）入土深度和贯入能量的大小,影响珊瑚地质的破碎程度,颗粒破碎显著影响珊瑚地质中桩的承载发挥特性。通过原位测试可知在珊瑚地质中在贯入深度在15倍桩径以内,入土深度与桩端阻力正相关,与桩侧摩阻力反相关。     

煤矿井下钻机远程控制系统设计

为解决深部矿井冲击地压大、巷道高温高湿等危险条件对钻孔施工的影响,设计了一种钻机远程控制系统。该远控系统由钻机近端和远控端组成,两者之间采用CAN和光纤通信来实现数据和视频图像传输,钻机近端以车用PLC为控制核心实现数据采集和控制功能,以CoDeSys为工具开发底层程序。远控端以单片机和PC104为核心,实现远程指令的收发和显示,上位机扩展CAN接口,通过LabVIEW开发显示界面。实际应用结果表明:该远控系统实现了800 m远程控制,具备响应速度快、操作方便、可靠性高、人机交互友好等优点,为煤矿井下无人值守的自动化钻场提供了一种控制系统。      

光纤光栅传感技术在GFRP抗浮锚杆现场拉拔试验中的应用

光纤测试技术是将光纤布拉格光栅（FBG）传感器用光纤连成一串,通过构建多点光栅测试系统实现传感,它具有精度高、抗干扰能力强、空间分辨率高和连续数据采集等特点。将光纤光栅传感技术应用到原型玻璃纤维增强复合材料（GFRP）抗浮锚杆受力测试中,同步测试了锚杆杆体-锚固体界面、锚固体-周围岩土体界面以及锚固体内的应变,实现GFRP抗浮锚杆多界面全长受力测试。测试结果表明,光纤光栅传感技术能准确记录拉拔过程中GFRP抗浮锚杆各界面的应变变化,揭示锚杆杆体-锚固体界面、锚固体内、锚固体-周围岩土体界面的轴向应力和剪应力分别随荷载水平和锚固深度变化的分布规律,但不同界面处荷载的传递深度和剪应力沿深度的影响范围有所差异。该测试技术和传感器埋设工艺有众多优势,在岩土工程科学研究与工程应用领域具有广阔的前景。     

考虑埋入长度效应的应变传感光纤-土体界面特性试验研究

随着光纤传感技术越来越多地应用于地质灾害和岩土变形监测,理解应变传感光纤与周围岩土体之间的变形耦合机理成为监测结果分析中的重要一环。但是相关的研究较少,尤其是有关埋入长度对传感光纤-土体界面特性及应变传递过程的影响尚未得到充分的认识。本文通过拉拔试验,研究了不同埋入长度条件下纤-土界面的力学性质,并采用一个数学模型对拉拔曲线进行了预测。结果表明:该模型能较好地拟合拉拔力-拉拔位移曲线;有效拉拔位移和最大拉拔力均随着埋入长度的增加而线性增加;而传感光纤-土体界面抗剪强度则随着埋入长度的增加而降低。在此基础上,采用布里渊光时域分析技术（BOTDA）获取了传感光纤与土体界面逐渐脱离过程中光纤的应变分布情况,并计算了纤-土界面剪应力分布特征及其演化过程,结果进一步证实界面破坏有高度的渐进性。这些结果为掌握应变传感光纤与周围土体之间的协调变形机制提供了参考,为促进光纤传感技术应用于岩土变形监测打下了基础。     

光纤温深传感器在物理海洋的应用

光纤传感器技术已经在土木工程、航空航天、石油石化等方面得到应用,其温度、压力、流速传感日趋成熟,且具有本征绝缘、易于复用、远距离传输等优势,在物理海洋领域有较大的潜在应用。在先导专项的支持下,课题组完成了光纤温深传感器及其系统在海洋牧场遥测方面的实践应用,是光纤温度链在海洋养殖方面的应用创新,为现代海洋牧场的研制提供了技术支撑作用;课题组研制了船载拖曳温深链系统,并在北黄海和南海海域进行了温度跃层的快速高效海试应用,实时、连续、原位获取了水下温度剖面情况,该领域温度测量的首次试验应用,为物理海洋的科学研究提供了一种全新的快速、高时空密度的测量手段,将会推动物理海洋的科学研究和海洋仪器设备研发水平,具有一定的先导作用。