层状土毛细水上升过程中Lucas-Washburn模型评价及修正

受界面效应影响,毛细水在层状土中运移规律还难以用描述均质土中水分运移规律的Lucas-Washburn（LW）渗吸模型进行描述。基于此,本文设计了层状土室内模型试验,采用分布式的主动加热光纤法（简称AHFO）监测毛细水上升过程。根据AHFO测试结果,进一步对LW模型进行了修正,提出了适用于描述层状土中毛细水上升规律的ILW模型,并对ILW模型进行了试验验证。试验结果表明:（1）当毛细水湿润锋抵达“黏土（下部）-砂土（上部）”界面时,会产生“毛细屏障作用”,从而导致上部砂土中毛细水含水率急剧下降;（2）“毛细屏障作用”由砂土和黏土中的基质吸力不均衡造成,基质吸力大小由含水率决定;（3）当毛细水湿润锋抵达“砂土（下部）-黏土（上部）”界面时,在界面处出现“反毛细屏障作用”,从而导致上部黏土层中的含水率比相邻下部砂土层含水率更高;（4）虽然常见的LW模型可准确预测均质土中毛细水上升高度及速率,但受“毛细屏障作用”和“反毛细屏障作用”影响,LW模型在层状土中失效;（5）相比LW模型,ILW模型精度更高,能够更加准确地描述层状土中毛细水上升规律。     

地面沉降钻孔全断面分布式光纤监测技术

本文介绍了一种钻孔全断面分布式光纤监测技术,可以获得地面沉降过程中多场多参量数据,实现钻孔全断面的精细化监测。阐述了钻孔全断面分布式光纤监测技术的概念,并重点介绍了该技术涉及的传感光缆和传感器选择、钻孔回填材料、光缆-土的耦合性评价和光缆及传感器植入方法等关键技术。在此基础上,构建了钻孔全断面光纤监测系统。最后,结合苏州盛泽地面沉降光纤监测案例,介绍了钻孔全断面光纤监测过程和技术特点。     

基于光纤光栅的土体含水率快速测定试验研究

土体含水率与其强度、变形和渗透特性密切相关。快速测定原位土体的含水率是地基基础工程中的一个重要课题。针对现有测量方法在实时性等方面的不足,本文首次提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）技术快速测定土体含水率的方法。该方法利用落球对埋设在砂土中的FBG应变传感器施加冲击荷载,获得传感器在冲击过程中的应变状态及其变化规律,在此基础上提出了峰值应变的概念;通过控制变量法,对不同含水率的砂土进行多组室内试验。试验结果表明:峰值应变随着含水率的增加而近似线性减小,因此可通过经验方程估算出土体含水率。最后分析了该方法中可能的误差来源及减小误差的方法。     

基于弱光栅技术的地面沉降自动化监测系统

光纤监测技术具有分布式、精度高等特点,在地面沉降监测中具有独特优势。但受限于监测成本较高与监测环境复杂,目前地面沉降光纤监测多通过人工采集数据,限制了在特殊环境变化情况下地面沉降的实时信息获取。文章在地面沉降钻孔全断面光纤监测技术的基础上,设计并建立了基于弱光栅技术的地面沉降自动化监测系统。该监测系统利用弱反射光栅、时分复用、物联网和数据库等技术,通过4G无线通信手段实现了地面沉降在线自动化监测和远程数据实时采集,并通过客户端系统软件实现数据的存储、查询和分析。将其应用到衡水地区地面沉降监测中,结果表明:钻孔内土层压缩变形主要发生在以黏性土为主的隔水层（Ad2、Ad3、Ad4）;受季节性地下水开采的影响,钻孔100～400 m深度范围内砂土含水层存在波动变化,在监测期内,冬季略回弹,随后春季地下水开采量增大,地下水位下降,土层呈现压缩趋势。监测结果验证了该系统的可行性与准确性,使得整个地面沉降监测流程趋于自动化、规范化和低成本化,具有广泛的应用前景。     

利用分布式光纤声传感设备开展青藏高原易贡湖浅层结构探测

地震数据是利用地震学方法探测地下结构的基础条件,然而传统地震仪器难以获得极端环境地区(水下、高原等)的长时间、高密度连续数据。较之国际仪器厂商,国内的DAS研制相对较晚。自2016年起,国产DAS逐步应用于石油测井和城市区域地下结构探测,而运用在极端环境下的探测工作尚未见报道。中国科学院半导体研究所与青藏高原研究所经过多年合作研究,于2021年4月将自主研发的DAS系统首次应用于青藏高原的野外数据采集。本次试验同时记录了地面和水下的连续背景噪声和重锤数据。该研究利用背景噪声成像技术,获得了西藏易贡湖地区地表70 m以内的横波速度结构。本次研究为极端环境下的低成本、高密度数据采集和地下结构探测提供了理论和试验依据。     

海绵骨针特性及其仿生学研究

海绵是生长在海洋或淡水环境中的一种最简单的多细胞生物,3个主要海绵纲中有2个纲的海绵其主要骨架与支撑是玻璃纤维状的硅质骨针。近年来,人们发现了硅质海绵骨针独特的微结构及良好的光纤特性,特别是指出了这些特性给人类带来制造光纤的新思路,并很快引起了科学家对其结构、特性、生长机制与调控的生物学、生矿物学和仿生学的广泛研究兴趣。评述了海绵骨针内部结构和光学特性的发现、海绵骨针研究的热点领域及研究意义,并简要介绍了海绵骨针的国内外研究概况及主要工作。     

光纤光谱仪的研制及其在海水营养要素检测中的应用

基于交叉非对称的czerny-Turner结构, 研制了一种微型光纤光谱仪, 采用光栅分光、线阵CCD探测光, 基于复杂可编程逻辑器件及PC104设计CCD数据采集电路, 采样结果通过PC104总线上传至PC104工控机, 光谱仪及数据采集电路集成为一光谱仪模块, 约为96mm(宽)×104mm(长)×18mm(高), 该模块与PC104工控机之间通过PC104总线以“针”和“孔”形式层叠连接, 在具有体积小、功耗低、采样速度快等优点的同时还具有极好的抗震性, 非常适合于野外恶劣工作环境下的在线使用。将其应用于海水中铁等痕量元素及营养盐在线检测仪, 试验结果良好。     

基于Zemax外海观测光纤探针传感器探头结构的优化设计

光纤探针法是一种适合观测波浪破碎瞬间卷入微气泡羽流的方法,现有的观测探针探头多采用塑料、玻璃等材质,存在脆性大、损耗大、不耐低温、易腐蚀等缺点,拟设计一种蓝宝石光纤探针克服其局限性,提升探测性能.文章在介绍光纤探针传感器测量原理的基础上,采用光学仿真软件Zemax建立了光纤探针传感器探头的仿真模型,并利用模型对其每针的材质、形状、角度等结构设计关键因素进行了优化设计,由仿真结果确定了每针形状为圆锥形、传输材质为蓝宝石.该仿真结果将为后续光纤探针传感器系统的整体设计及光路优化奠定基础.     

中心外缺陷对带隙型光子晶体光纤色散特性的影响

利用时域有限差分法(FDTD)模拟仿真了在中心缺陷外出现点缺陷、空气柱位错和内层空气柱发生形变三种缺陷形态对光子带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)色散特性的影响.发现一方面缺陷的出现会使色散曲线趋于平坦,另一方面点缺陷和位错缺陷的出现会使零色散点向长波移动,内层空气柱的形变使零色散点向短波长移动.这对PBG-PCF的实际生产实践会有指导意义.     

深海探测甲板视频监控平台的研究与实现

在深海调查可视化探测设备中,需要研制一种甲板视频监控系统,该系统集视频编解码、光纤通信、图像与字幕叠加存储、系统集成技术于一体.文中介绍了甲板视频监控平台的设计,详细论述了视频采集的具体实现.