[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

摘要

本发明公开了一种基于MEMS传感器的海底滑坡监测装置及监测方法，属于海底观测技术领域。监测单元由若干依次串联的监测子单元组成；所述监测单元放置在保护罩内；监测单元将监测到的信号传递给处理单元；处理单元将处理后的信号传递给电脑终端；电源模块为数据处理器提供工作电压；所述MEMS传感器通过减震片固定在长管内；长管的一端与软连接管的一端相连；电源模块与MEMS传感器相连，为MEMS传感器提供工作电压；MEMS传感器与数据处理器的数据输入端口相连；数据处理器将处理后的数据传递给电脑终端。本发明可以实现对海床多层面变动的监测和数据记录，从监测单点到多点构成立体监测面，为海底地层变动研究提供直观数据，对海底滑坡的预警服务提供信息支持。

主权项

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LN1以及第N节长管相对于第一节长管的偏移量ψN‑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；li是第i节长管投影到水平面的长度；φi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；LN‑1,1是第N‑1节长管相对于第一节长管的位移差；LN1是第N节长管相对于第一节长管的位移差；lN是第N节长管投影到水平面的长度；ψN‑2是第N‑1节长管相对于第一节长管的偏移量；ψN‑1是第N节长管相对于第一节长管的偏移量；αN是第N节长管的偏向角。