基于光纖傳感的水文綜合監測系統

1、需求背景

據中國官方最新數據，截至2016年7月13日，中國已有28省（區、市）1508個縣遭受洪澇災害，受災人口超過6000萬人，因災死亡237人，直接經濟損失近1470億元人民幣。由于全球氣候變暖，極端天氣越易頻發，給人們的生產生活帶來了很大損失。通過對雨量、水位、水溫等水文監測及災害預報預警從而提前采取預防措施是減少自然災害造成損失的有效手段。

目前的水文監測手段主要有兩種：

一種是傳統的人工監測技術，其主要存在以下問題： （1） 記錄方式以模擬方式為主，就是數字方式記錄的也很難方便的輸入計算機處理； （2）數據處理基本靠人工處理判斷，費時易錯； （3） 水文信息的采集、傳輸、處理的實時性和準確性較差，無法適應現代水文的需求。

另一種是電類傳感器的自動化監測系統，是目前主要的水文監測手段，對水位監測主要采用浮子式水位計、壓力式水位計、電子水尺和超聲波水位計，雨量監測多采用翻斗式的方法。這種監測測量手段比傳統的人工監測有了很大提升，自動化程度高，但也有一些致命的弱點：（1）由于電類傳感器易受電磁干擾，在雷暴天氣很容易受到干擾，運行不穩定，甚至被雷電高壓擊壞；（2）由于電類傳感器的主要組成部分是電子元器件，不能持續耐高溫或低溫，遇到高溫或嚴寒天氣，會失效；（3）數據傳輸采用中國移動GPRS無線傳輸，在較偏遠地區，信號強度收到限制，若要增加遠程視頻監控功能，傳送大型圖像文件更是力不從心。

因此需要研發一種新型的水文監測系統。

與電類傳感監測系統相比，光纖光柵傳感監測系統用于水文監測有不可比擬的優勢：（1）本質安全，抗電磁干擾。光纖監測可集傳感和傳輸為一體，其傳感與傳輸信號都是光學信號，因此其監測過程本質安全，不受電磁干擾，同時光纖傳感器本身不產生電磁干擾，不對其它設備產生干擾；（2）絕緣性好：生產光纖的原材料是石英石，不導電，不會受雷擊影響；（3）耐腐蝕：石英是一種非常耐腐蝕的材料，化學特性很穩定，適合在戶外、化學侵蝕嚴重的環境中使用；（4））質量輕，體積小，對結構影響小，可埋設在一些大型結構如橋梁、大壩中，用來檢測結構的變形，能用于監測堤壩內部損傷情況；（5）光纖低損耗、信息容量大、傳輸距離遠，系統自行組網，不依賴于GPS等網絡，可實現大范圍、多參量、遠程、分布式、網絡化監控，容易實現遠程拍攝圖像的傳輸；（6）傳感器現場不需電源驅動，不受監測現場的惡劣環境影響。

2、設計方案

鑒于光纖傳感技術的上述優點，研發水文在線監測系統，完全符合國家“十三五”規劃，是水文監測的未來發展方向。

光纖光柵水文監測系統由光纖光柵傳感器、信號處理器、傳輸光纜等構成。

光纖光柵傳感器是系統的核心部件之一，它是利用光纖芯層材料的光敏特性，通過紫外準分子激光器采用掩模曝光的方法使一段約8mm的光纖纖芯的折射率發生永久性改變，形成布喇格光柵結構。溫度、壓力、應變等物理量的變化都會導致光柵的反射光波長的變化。通過測得光柵波長的變化就可以得知環境中各種參數的變化。根據實際應用的需要可以設計研制各種不同形式的傳感器，實現對溫度、應力、應變、振動、加速度、位移、電流、電壓等信號檢測。

根據該設備工作原理，并結合水文監測指標和災害預告警的需求，本項目將在已取得的技術成果與工程應用的基礎上，以自主研發的高精度、高性能光纖光柵傳感器為核心，綜合各個水文監測參量，組建在線監測網絡，研究基于光纖傳感的水文綜合在線監測系統。重點研發適應嚴酷服役環境，長期動態監測的水文采集終端、光纖光柵解調系統；必要時，融合或增設現場視頻監控系統。

光纖光柵水文監測系統的實現。采用光纖光柵復用技術能實現水位、雨量、水溫的分布式測量，并采取合適的方式把采集數據傳輸到監測中心，在通過合理可行的算法對數據進行處理以實現智能分析和異常預警。值班員能通過手機訪問監測中心實時在線的掌握各站點的的水文情況，如有數據異常的情況產生，系統會自動給值班員手機發送水文異常的短信，值班員可根據具體情況作出實時的處理。如圖2所示。

3、光纖光柵傳感技術優勢

采用光纖光柵傳感技術，研究完整的水文在線監測系統，建立一套水文遙測遙感綜合站的整體解決方案，實現水位、雨量、水溫的遙測遙感，后續加入流量、泥沙、堤壩危情、土壤墑情等其它水文、氣象要素。

由于光纖傳感器本質耐腐蝕、抗干擾和易于實現波分復用，可以極大的簡化系統的組成和后期維護。一套光纖解調儀可以同時滿足多參量（水位、雨量、水溫等）多點監測，大大降低了水文綜合遙測站的建設費用。湖北省處于長江中下游平原，長江及其最大的支流漢江是湖北省內的主要水系，且一年內降雨分布十分不均，極易發生全省性洪澇災害。基于光纖傳感的水文綜合遙測站的建設可以改善基層報汛站的測報手段，提高信息、采集點到市防分中心的通信水平，使防汛防澇信息及時傳遞，發出預警報，為防洪防澇提供決策依據，減少人民生命和財產損失。

光纖傳感分布式網絡可以顯著提高收集水情信息的速度和質量，增加信息量，實現各級水文和防汛部門信息共享，并為其他各級指揮部門提供水情服務，極大提高湖北省水文監測的信息化建設水平，并具有推廣價值。