[发明专利]一种基于MEMS传感器的海底滑坡监测装置及监测方法

权利要求书

1.一种基于MEMS传感器的海底滑坡监测装置的监测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)将监测单元安装在预先打好的地层孔中；当地层发生变动时，MEMS传感器随之发生倾斜变化，MEMS传感器将自身运动所有信息的四元数传送给数据处理器，所述四元数通过公式(1)表达：

Q(q₀,q₁,q₂,q₃)＝q₀+q₁i+q₂j+q₃k(1)

其中，q₀、q₁、q₂、q₃均为实数，是构成四元数Q的四个元；i、j、k是互相正交的单位向量；

(2)以MEMS传感器自身为基准建立刚体固联坐标系b，当MEMS传感器发生变动时，刚体固联坐标系b相对地理坐标系n沿X轴旋转θ角、沿Y轴旋转γ角、沿Z轴旋转角，从而得到欧拉角形式的姿态解算方程式(2)：

其中，为地理坐标系n到刚体固联坐标系b的坐标变换矩阵；

对比四元数法的姿态解算方程(3)及其简化公式(4)，可以得到公式(5)：

Cnb=q02+q12-q22-q322(q1q2+q0q3)2(q1q3-q0q2)2(q1q2-q0q3)q02-q12+q22-q322(q0q1+q2q3)2(q0q2+q1q3)2(q2q3-q0q1)q02-q12-q22+q32---(3)]]>

Cnb=T11T21T31T12T22T32T13T23T33---(4)]]>

其中，θ为变动后MEMS传感器的俯仰角；γ为变动后MEMS传感器的翻滚角；为变动后MEMS传感器的偏航角；

(3)将步骤(2)得到的变动后MEMS传感器的俯仰角θ以及变动后MEMS传感器的翻滚角γ代入公式(6)和公式(7)，得到单个长管的偏向角α和倾斜角φ：

φ=π2-arccos(cosθ·cosγ)---(6)]]>

α=arccos(cos(π2-θ)·cosγcosφ)---(7)]]>

其中，α为单个长管的偏向角；φ为单个长管的倾斜角；

重复通过步骤(1)-(3)求得各个长管的偏向角和倾斜角，从而知道各个地层的变动情况；

(4)将步骤(3)得到的各个长管的偏向角以及倾斜角代入公式(8)-(16)，得到第N节长管相对于第一节长管的位移差L_N1以及第N节长管相对于第一节长管的偏移量ψ_N-1，从而知道整个地层的变动情况；

其中，L是长管的长度；i和N均为大于等于2的自然数；l_i是第i节长管投影到水平面的长度；φ_i是第i节长管的倾斜角；L₂₁是第二节长管相对于第一节长管的位移差；l₂是第二节长管投影到水平面的长度；ψ₁是第二节长管相对于第一节长管的偏移量；L₃₁是第三节长管相对于第一节长管的位移差；l₃是第三节长管投影到水平面的长度；α₂是第二节长管的偏向角；α₃是第三节长管的偏向角；ψ₂是第三节长管相对于第一节长管的偏移量；L₄₁是第四节长管相对于第一节长管的位移差；l₄是第四节长管投影到水平面的长度；α₄是第四节长管的偏向角；L₅₁是第五节长管相对于第一节长管的位移差；l₅是第五节长管投影到水平面的长度；ψ₃是第四节长管相对于第一节长管的偏移量；α₅是第五节长管的偏向角；L_N-1,1是第N-1节长管相对于第一节长管的位移差；L_N1是第N节长管相对于第一节长管的位移差；l_N是第N节长管投影到水平面的长度；ψ_N-2是第N-1节长管相对于第一节长管的偏移量；ψ_N-1是第N节长管相对于第一节长管的偏移量；α_N是第N节长管的偏向角。