一种基于TDR技术的滑坡监测装置及滑坡监测方法.pdf

一种基于TDR技术的滑坡监测装置及滑坡监测方法，监测装置包括垂直扦插在待测位置地层当中的同轴电缆，同轴电缆裸露在地面上的接头与TDR监测平台连接；TDR监测平台包括主控制器、脉冲发生模块、数据采集模块、时钟控制模块、存储器、通讯模块以及上位机，通过蓄电池进行供电。监测方法通过在待测位置地层垂直打孔，将同轴电缆放置进孔中，通过将同轴电缆与TDR监测平台连接，根据同轴电缆是否有脉冲返回，判断是否发生滑坡，根据脉冲返回时间及幅值计算出待测位置地层滑坡面的深度和滑移量，并根据同轴电缆形变量的变化趋势，推断出滑坡体的稳定程度。本发明外型小巧，易于携带，监测操作直观，生产制造成本较低，能够实现工业化生产。

1.  一种基于TDR技术的滑坡监测装置，其特征在于，包括垂直扦插在待测位置地层当中的同轴电缆(Ⅰ)，同轴电缆(Ⅰ)裸露在地面上的接头与TDR监测平台(Ⅱ)连接；所述的TDR监测平台(Ⅱ)包括：
用于向同轴电缆(Ⅰ)发送脉冲信号的脉冲发生模块(1)；
用于接收同轴电缆(Ⅰ)反射电压信号的数据采集模块(2)；
用于控制数据采集模块(2)采集时间的时钟控制模块(3)；
用于存储数据采集模块(2)采集数据的存储器(4)；
用于将数据采集模块(2)采集数据传输至PC的通讯模块(5)；
用于对PC获取的数据重组处理，形成相应波形的上位机(6)；
所述的脉冲发生模块(1)、数据采集模块(2)、时钟控制模块(3)、存储器(4)以及通讯模块(5)连接主控制器(7)，脉冲发生模块(1)、数据采集模块(2)、时钟控制模块(3)、存储器(4)、通讯模块(5)以及主控制器(7)通过电源管理模块(8)连接蓄电池(9)。

2.  根据权利要求1所述的基于TDR技术的滑坡监测装置，其特征在于：所述脉冲发生模块(1)包括窄脉冲发生器及用于脉冲信号整形的高速比较器。

3.  根据权利要求1所述的基于TDR技术的滑坡监测装置，其特征在于：所述主控制器(7)采用FPGA芯片。

4.  根据权利要求1所述的基于TDR技术的滑坡监测装置，其特征在于：所述数据采集模块(2)包括模数转换芯片。

5.  根据权利要求1所述的基于TDR技术的滑坡监测装置，其特征在于：所述存储器(4)为同步动态随机存储器。

6.  根据权利要求1所述的基于TDR技术的滑坡监测装置，其特征在于：所 述时钟控制模块(3)包括可编程延时芯片。

7.  根据权利要求1所述的基于TDR技术的滑坡监测装置，其特征在于：所述通讯模块(5)包括USB2.0芯片。

8.  一种基于TDR技术的滑坡监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在待测位置地层垂直打孔，并将同轴电缆(Ⅰ)放置进孔中；
第二步，向孔内同轴电缆(Ⅰ)周围填埋砂浆，使同轴电缆(Ⅰ)与待测位置地层紧密结合；
第三步，将同轴电缆(Ⅰ)裸露在地上的接头与TDR监测平台(Ⅱ)连接；
第四步，通过TDR监测平台(Ⅱ)向同轴电缆(Ⅰ)发送脉冲信号，然后观测TDR监测平台(Ⅱ)反射电压信号的数据及波形：若待测位置地层发生滑坡，则同轴电缆(Ⅰ)发生形变，其阻抗值也会发生变化，同轴电缆(Ⅰ)中传播的脉冲信号将发生反射，根据脉冲返回的时间及幅值计算出同轴电缆(Ⅰ)发生形变的位置及形变量大小，以此得出待测位置地层滑坡面的深度和滑移量，并根据同轴电缆(Ⅰ)形变量的变化趋势，计算出滑坡体的稳定程度。

9.  根据权利要求8所述的基于TDR技术的滑坡监测方法，其特征在于：所述的第一步在待测位置边坡上垂直打孔。

10.  根据权利要求8所述的基于TDR技术的滑坡监测方法，其特征在于：所述的TDR监测平台(Ⅱ)向同轴电缆(Ⅰ)发送窄脉冲信号，脉冲上升时间为1ns，采样频率为20GHz。

一种基于TDR技术的滑坡监测装置及滑坡监测方法
技术领域
本发明属于测控技术领域，具体涉及一种基于TDR技术的滑坡监测装置及滑坡监测方法。
背景技术
我国山区面积广大，地形复杂，使得地质灾害频繁发生，其中滑坡灾害是我国地质灾害的主要形式，特别是在山区较多的西南、中南等地以及西北、东南沿海等部分地区，滑坡灾害时有发生，因此做好滑坡的监测预警工作有着重大的社会和经济意义。
现有的滑坡监测手段一般有以下几种：(1)GPS法：该方法利用距离、坐标及角度的新值与其初始值之差来体现滑坡体的滑动。具有可进行连续监测、自动化程度高、作业方便、低投资等优点，但是该方法在应用中同时存在卫星信号易被遮挡，接收机价格昂贵等缺点；(2)近景摄影测量法：该方法使用近景摄影仪来观测滑坡体的三维坐标，具有操作方便，省时省力等优点，但其精度低，且容易受气候影响，不适用于缓慢变化的滑坡。此外，还有大地精密测量法等其他监测方法，但是这些方法大都存在着或施工量大，或精度低，或是价格昂贵等缺陷，限制了它们进一步的应用。
近些年TDR技术被应用到滑坡监测中，该方法进行滑坡监测时，监测系统向埋设在监测孔内的测试电缆发射脉冲信号，当出现滑坡时，土体或岩石挤压电缆变形，在变形处脉冲信号将发生反射，通过分析反射信号，可推算出滑坡面的深度和滑移量。该方法具有监测时间短、可遥测、安全性高，效率优等优 点。但是目前，国内还没有相应的测试装置，而国外对于该技术的应用，如Campbell Scientific的TDR100、Tektronix的1502C/CS系列等监测仪器，除了价格昂贵外，还需购买与仪器配套的相关设备。而一般的TDR测试装置只能测试电缆的断点和短路点，即在实际中只能测出滑坡面的深度，而对于滑坡的滑移量却无法进一步测得。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种能够同时测出滑坡面的深度和滑移量，并且测量结果精确，能够提升测量效率，降低监测成本的基于TDR技术的滑坡监测装置及滑坡监测方法。
为了实现上述目的，本发明基于TDR技术的滑坡监测装置采用的技术方案，包括垂直扦插在待测位置地层当中的同轴电缆，同轴电缆裸露在地面上的接头与TDR监测平台连接；所述的TDR监测平台包括：
用于向同轴电缆发送脉冲信号的脉冲发生模块；
用于接收同轴电缆反射电压信号的数据采集模块；
用于控制数据采集模块采集时间的时钟控制模块；
用于存储数据采集模块采集数据的存储器；
用于将数据采集模块采集数据传输至PC的通讯模块；
用于对PC获取的数据重组处理，形成相应波形的上位机；
所述的脉冲发生模块、数据采集模块、时钟控制模块、存储器以及通讯模块连接主控制器，脉冲发生模块、数据采集模块、时钟控制模块、存储器、通讯模块以及主控制器通过电源管理模块连接蓄电池。
所述脉冲发生模块包括窄脉冲发生器及用于脉冲信号整形的高速比较器。
所述主控制器采用FPGA芯片。
所述数据采集模块包括模数转换芯片。
所述存储器为同步动态随机存储器。
所述时钟控制模块包括可编程延时芯片。
所述通讯模块包括USB2.0芯片。
本发明基于TDR技术的滑坡监测方法采用的技术方案，包括以下步骤：
第一步，在待测位置地层垂直打孔，并将同轴电缆放置进孔中；
第二步，向孔内同轴电缆周围填埋砂浆，使同轴电缆与待测位置地层紧密结合；
第三步，将同轴电缆裸露在地上的接头与TDR监测平台连接；
第四步，通过TDR监测平台向同轴电缆发送脉冲信号，然后观测TDR监测平台反射电压信号的数据及波形：若待测位置地层发生滑坡，则同轴电缆发生形变，其阻抗值也会发生变化，同轴电缆中传播的脉冲信号将发生反射，根据脉冲返回的时间及幅值计算出同轴电缆发生形变的位置及形变量大小，以此得出待测位置地层滑坡面的深度和滑移量，并根据同轴电缆形变量的变化趋势，计算出滑坡体的稳定程度。
所述的第一步在待测位置边坡上垂直打孔。
所述的TDR监测平台向同轴电缆发送窄脉冲信号，脉冲上升时间为1ns，采样频率为20GHz。
与现有技术相比，本发明基于TDR技术的滑坡监测装置通过对垂直扦插在待测位置地层当中的同轴电缆发送脉冲信号，根据同轴电缆反射的电压信号判断待测位置是否发生滑坡，通过反射电压信号的时间及幅值，能够计算出同轴 电缆发生形变的位置及形变量大小，以此得出待测位置地层滑坡面的深度和滑移量，并根据同轴电缆形变量的变化趋势，推断出滑坡体的稳定程度，从而在发生整体滑坡之前发出预警，防止滑坡灾害的发生。本发明外型小巧，易于携带，最后的监测数据以波形展示，结果反应比较直观，易于操作，本发明硬件电路相对其他同类产品更为简单，生产制造成本较低，能够实现工业化生产。
与现有技术相比，本发明基于TDR技术的滑坡监测方法通过在待测位置地层垂直打孔，将同轴电缆放置进孔中，向孔内同轴电缆周围填埋砂浆，使同轴电缆与待测位置地层紧密结合，若待测位置地层发生滑坡，则同轴电缆会发生形变，通过将同轴电缆与TDR监测平台连接，根据同轴电缆是否有脉冲返回，能够直观清楚的看出待测位置地层是否发生滑坡，根据脉冲返回的时间及幅值能够计算出待测位置地层滑坡面的深度和滑移量，并根据同轴电缆形变量的变化趋势，推断出滑坡体的稳定程度。本发明监测方法简单易行，测量结果精确，能够提升测量效率，降低监测成本。
进一步的，本发明TDR监测平台向同轴电缆发送窄脉冲信号，脉冲上升时间为1ns，采样频率为20GHz，窄脉冲的上升时间越短，窄脉冲在同轴电缆变形处反射的信号越明显，测量精度就越高。
附图说明
图1本发明滑坡监测装置整体结构框图；
图2本发明滑坡监测装置安装结构示意图；
图3本发明滑坡监测装置上位机工作流程框图；
附图中：Ⅰ-同轴电缆；Ⅱ-TDR监测平台；1-脉冲发生模块；2-数据采集模块；3-时钟控制模块；4-存储器；5-通讯模块；6-上位机；7-主控制器；8-电源 管理模块；9-蓄电池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明滑坡监测装置包括垂直扦插在待测位置地层当中的同轴电缆Ⅰ，同轴电缆Ⅰ裸露在地面上的接头与TDR监测平台Ⅱ连接；
TDR监测平台Ⅱ包括：用于向同轴电缆Ⅰ发送脉冲信号的脉冲发生模块1；用于接收同轴电缆Ⅰ反射电压信号的数据采集模块2；用于控制数据采集模块2采集时间的时钟控制模块3；用于存储数据采集模块2采集数据的存储器4；用于将数据采集模块2采集数据传输至PC的通讯模块5；用于对PC获取的数据重组处理，形成相应波形的上位机6。
其中，脉冲发生模块1、数据采集模块2、时钟控制模块3、存储器4以及通讯模块5连接主控制器7，主控制器7控制脉冲发生模块1向同轴电缆Ⅰ发送脉冲信号，并通过时钟控制模块3控制数据采集模块2步进延时采样。
此外，主控制器7与数据采集模块2、存储器4以及通讯模块5进行双向通信。脉冲发生模块1、数据采集模块2、时钟控制模块3、存储器4、通讯模块5以及主控制器7通过电源管理模块8连接蓄电池9。
脉冲发生模块1包括窄脉冲发生器以及用于窄脉冲信号整形的高速比较器，窄脉冲发生器采用组合逻辑电路，高速比较器采用TLV3502；主控制器7采用现场可编程逻辑门阵列FPGA芯片，窄脉冲发生器产生的脉冲上升时间决定着本发明滑坡监测装置的精度，本发明脉冲上升时间达到1ns左右；数据采集模块2包括模数转换芯片；本发明滑坡监测装置采样频率要求非常高，模数转换芯片选用AD6645，实时采样速率为96MHz，再采用等效采样，最终采样频率可以 达到20GHz。时钟控制模块3包括可编程延时芯片，可编程延时芯片选用MC100EP196。通讯模块5包括USB2.0芯片，USB2.0芯片选用CY7C68013A。
参见图2，本发明基于TDR技术的滑坡监测方法，包括以下步骤：
第一步，在待测位置边坡上垂直打孔，并将同轴电缆Ⅰ放置进孔中；
第二步，向孔内同轴电缆Ⅰ周围填埋砂浆，使同轴电缆Ⅰ与待测位置地层紧密结合；
第三步，将同轴电缆Ⅰ裸露在地上的接头与TDR监测平台Ⅱ连接；
第四步，通过TDR监测平台Ⅱ向同轴电缆Ⅰ发送脉冲信号，然后观测TDR监测平台Ⅱ反射电压信号的数据及波形：若待测位置地层发生滑坡，则同轴电缆Ⅰ受岩石或土体的挤压，发生形变，其阻抗值也会发生变化，同轴电缆Ⅰ中传播的脉冲信号将发生反射，根据脉冲返回的时间及幅值计算出同轴电缆Ⅰ发生形变的位置及形变量大小，以此得出待测位置地层滑坡面的深度和滑移量，并根据同轴电缆Ⅰ形变量的变化趋势，计算出滑坡体的稳定程度。
对于TDR系统，窄脉冲信号的质量直接影响到整个系统性能指标。首先，窄脉冲的上升时间，窄脉冲的上升时间越短，窄脉冲在同轴电缆变形处反射的信号越明显，测量精度就越高，但上升沿越快就意味着成本就越高，难度就越大。其次，脉冲信号的脉冲宽度影响着整个系统的测试盲区，所以对脉宽要求也非常高。本发明TDR监测平台Ⅱ通过脉冲发生模块1组合逻辑电路产生窄脉冲，然后再通过高速比较器进行整形，能够使脉冲上升时间达到1ns左右。传统的脉冲发生器不可能达到该要求。
参见图3，本发明上位机的工作流程为：上位机主要完成系统初始化，USB设备的检测，控制命令的发送，数据的接收，数据处理和分析，波形显示，数 据保存等功能。上位机启动后，首先检测USB设备是否存在，如果USB设备存在，系统将自动添加设备。用户选定等效采样速率后，点击启动按键，上位机软件向下位机发送启动采集指令，下位机接收到该指令后，首先清空所有缓存，然后进行脉冲发射和数据采集，当下位机系统采集完成后，向上位机发出完成信号，并开始从缓存里读取数据并发送到上位机，上位机接收到完成信号后开始接收数据，当所有数据接收完成后，上位机按照下位机的编码格式对数据进行解码和重组，考虑到采集得到的数据会存在干扰信息，在进行数据分析之前，需对其进行滤波，滤波之后再将数据以波形的形式显示出来，并根据用户的需求执行相应的计算与分析，如计算滑坡深度、滑移大小、是否预警等操作。
本发明由FPGA控制脉冲发生电路产生窄脉冲信号，并将窄脉冲信号施加到同轴电缆中，与此同时，FPGA产生采样时钟，采样时钟通过时钟控制电路获得步进延时后，再输入到ADC芯片进行采样，FPGA控制采样得到的数据写入到SDRAM中进行缓存，当SDRAM存满数据后，FPGA控制ADC停止采集，FPGA开始从SDRAM中读出数据，并将读出数据经USB2.0芯片传输到PC上，PC上的上位机软件对获取数据进行重组和处理后，以波形的形式展示给用户。
本发明监测装置外型小巧，易于携带，最后的监测数据以波形展示，结果反应比较直观，易于操作，本发明硬件电路相对其他同类产品更为简单，生产制造成本较低，能够实现工业化生产。