一种漂浮式靶标及利用其观测水库冰层变形的方法与流程

本发明涉及一种漂浮式靶标及利用其观测水库冰层变形的方法，属于水利水电工程大坝安全监测。

背景技术：

1、在我国寒冷地区修建的水库大坝工程，每年都会经历水库冰的冻融过程，在此过程中因温度变化产生的冰膨胀力是引起水工建筑物破坏的主要不利荷载，是工程建设人员关注的重点。

2、目前，通过在冰层内取孔布置温度计的方式可测量冰层的温度分布情况，从而换算温度应力，但是计算精度取决于温度计的布设密度，大量布设温度计的成本高、观测费时费力，因此工程上往往仅布置1条或2条测线来代表整个水域冰层的典型温度值。但是冰层温度不仅在垂直方向分布不均，对于大面积的水域冰层来说，其在水平方向上的温度分布也是不均的，因此现有冰层温度的观测方法不能真实反映整个水域冰层在空间上的温度分布情况，存在较大的局限性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种漂浮式靶标及利用其观测水库冰层变形的方法。

2、本发明通过以下技术方案得以实现：

3、一种漂浮式靶标，所述漂浮式靶标包括浮体底座、标识、配重和温度检测组件，所述标识通过支撑杆与浮体底座的顶部连接，所述配重通过绳索与浮体底座的底部连接，所述温度检测组件设在绳索上。

4、所述浮体底座呈中空蜂窝状结构。

5、所述浮体底座呈长方体状，浮体底座上除顶面和底面外，其余四个侧面中的其中两个相邻侧面上呈矩形阵列开设有多个贯穿浮体底座的通槽，该两个相邻侧面上等高程布置的通槽垂直且相交。

6、所述支撑杆和标识在浮体底座顶面上的垂直投影，位于浮体底座顶面的中心位置。

7、所述标识包括规则六面体，该六面体上除顶面和底面外，其余四个侧面上设有相同的标识牌，且各标识牌的边缘处均设有反光条。

8、所述绳索为钢绳，配重为重球，温度检测组件为分布式光纤温度传感器。

9、一种利用漂浮式靶标观测水库冰层变形的方法，包括以下步骤：

10、步骤一、在待测水域未结冰前，将多个漂浮式靶标投放到待测水域，然后将所有漂浮式靶标中的分布式光纤温度传感器与岸上的光谱分析仪电性连接；

11、步骤二、在水库岸坡上选取一处能够通视所有漂浮式靶标的位置修建工作基点观测墩a，在工作基点观测墩a的附近选取一处稳定基岩位置修建基准点观测墩a，并在基准点观测墩a的顶部安装标牌a，在工作基点观测墩a的顶部安装摄像头a，并将摄像头a的物镜对准漂浮式靶标，然后在摄像头a的正上方安装摄像头b，并将摄像头b的物镜对准基准点观测墩a顶部的标牌a；

12、步骤三、在水库大坝坝顶选取一处能够通视所有漂浮式靶标的位置修建工作基点观测墩b，在工作基点观测墩b的附近选取一处稳定基岩位置修建基准点观测墩b，并在基准点观测墩b的顶部安装标牌b，在工作基点观测墩b的顶部安装摄像头d，并将摄像头d的物镜对准基准点观测墩b顶部的标牌b，然后在摄像头d的正上方安装摄像头c，并将摄像头c的物镜对准漂浮式靶标；

13、步骤四、调整摄像头a的相机参数，直至其视野能够完全覆盖所有漂浮式靶标的区域范围s1，然后将其固定，调整摄像头c的相机参数，直至其视野覆盖所有漂浮式靶标的区域范围s2，然后将其固定；

14、步骤五、摄像头a、摄像头b、摄像头c和摄像头d同时连续观测，获取漂浮式靶标、标牌a和标牌b的实时影像图片，利用计算机对实时影像图片进行灰度处理，并计算漂浮式靶标、标牌a和标牌b在灰度处理后的图像上的像素点坐标

15、步骤六、经过坐标换算计算任意时刻漂浮式靶标的空间变形为：

16、

17、其中，均为已知量，为实测值；

18、步骤七、计算任意时刻漂浮式靶标处的温度应力σt为：

19、

20、其中，为漂浮式靶标所处位置处冰层温度均值的前后变化量，α为淡水冰的热胀系数，e为冰层的弹性模量；

21、步骤八、根据任意时刻漂浮式靶标的空间变形和温度应力，计算冰层的实际综合应力σ冰层为：

22、

23、

24、其中为任意时刻漂浮式靶标处的空间变形的变化量。

25、所述步骤一中将漂浮式靶标投放到待测水域的方法包括以下步骤：

26、步骤1、划定待测水域的范围，根据工程设计图纸或者无人机航测，获得待测水域的面积s；

27、步骤2、确定漂浮式靶标的布设间距b，布设间距b在10m～20m之间，计算漂浮式靶标的布设总数量

28、步骤3、根据待测水域的面积s和漂浮式靶标的布设间距b，对待测水域进行网格划分，然后制定无人机飞行线路，在划分好的网格节点处依次投放漂浮式靶标。

29、所述基准点观测墩a与工作基点观测墩a之间的距离，及基准点观测墩b与工作基点观测墩b之间的距离为50m～200m。

30、所述工作基点观测墩a和工作基点观测墩b的顶部均安装有一体化支架，一体化支架为双层框架结构，且一体化支架的顶部安装有斜坡面盖板，摄像头a和摄像头b、摄像头d和摄像头c对应安装在工作基点观测墩a顶部的一体化支架、工作基点观测墩b顶部的一体化支架中。

31、本发明的有益效果在于：

32、1、漂浮式靶标的安装工作能够在水未结冰前完成，可实现对水库形成稳定冰层厚度前、后及消融的全过程冰层温度和变形的观测，此外，可以采用无人机投放漂浮式靶标，显著提高了漂浮式靶标的安装效率，降低了其安装难度，提高了工作的安全性。

33、2、每个漂浮式靶标都可以实现对其所处位置的冰层温度进行分布式测量，将多个漂浮式靶标组网观测后，可测量整个待测水域冰层在空间上的温度分布情况，与采用温度计测量冰层温度的传统方式相比，显著提高了观测精度且降低了成本，提高了观测效率。

34、3、浮体底座上加工有通槽，确保其可以提供足够的浮力，使漂浮式靶标在水库水面未形成稳定冰层前能够浮在水上；浮体底座上两个相邻侧面上等高程布置的通槽垂直且相交，能够增大浮体底座内的冻结面积且在水结冰过程中在内部形成相互交错的冰条，使得漂浮式靶标能够与冰层稳固连接而与冰层同步变形。

35、4、标识在其除顶面和底面外的其余四个侧面上安装相同的标识牌，确保当标识在水面上漂浮而发生转动时，摄像头都能够识别到其上安装有标识牌的其中一个侧面；各标识牌的边缘处均设有反光条，保证在阴天及夜间的弱光环境下摄像头能够快速捕捉和识别到标识，确保观测的连续性。

36、5、提出了在岸坡和坝顶布置视野能够覆盖所有漂浮式靶标的摄像头来进行冰层变形观测及数据计算方法，可获得任意时刻漂浮式靶标的空间变形；进一步的，提出了根据任意时刻漂浮式靶标的空间变形和温度应力来计算冰层实际综合应力的方法，实现了观测的实时、同步、自动化，确保了观测结果精度，提高了观测效率。

技术特征：

1.一种漂浮式靶标，其特征在于：所述漂浮式靶标(1)包括浮体底座(101)、标识(103)、配重(105)和温度检测组件(106)，所述标识(103)通过支撑杆(102)与浮体底座(101)的顶部连接，所述配重(105)通过绳索(104)与浮体底座(101)的底部连接，所述温度检测组件(106)设在绳索(104)上。

2.如权利要求1所述的漂浮式靶标，其特征在于：所述浮体底座(101)呈中空蜂窝状结构。

3.如权利要求1或2所述的漂浮式靶标，其特征在于：所述浮体底座(101)呈长方体状，浮体底座(101)上除顶面和底面外，其余四个侧面中的其中两个相邻侧面上呈矩形阵列开设有多个贯穿浮体底座(101)的通槽，该两个相邻侧面上等高程布置的通槽垂直且相交。

4.如权利要求1所述的漂浮式靶标，其特征在于：所述支撑杆(102)和标识(103)在浮体底座(101)顶面上的垂直投影，位于浮体底座(101)顶面的中心位置。

5.如权利要求1所述的漂浮式靶标，其特征在于：所述标识(103)包括规则六面体，该六面体上除顶面和底面外，其余四个侧面上设有相同的标识牌，且各标识牌的边缘处均设有反光条。

6.如权利要求1所述的漂浮式靶标，其特征在于：所述绳索(104)为钢绳，配重(105)为重球，温度检测组件(106)为分布式光纤温度传感器。

7.一种利用漂浮式靶标观测水库冰层变形的方法，其特征在于：包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的利用漂浮式靶标观测水库冰层变形的方法，其特征在于：所述步骤一中将漂浮式靶标(1)投放到待测水域的方法包括以下步骤：

9.如权利要求7所述的利用漂浮式靶标观测水库冰层变形的方法，其特征在于：所述基准点观测墩a(202)与工作基点观测墩a(201)之间的距离，及基准点观测墩b(204)与工作基点观测墩b(203)之间的距离为50m～200m。

10.如权利要求7所述的利用漂浮式靶标观测水库冰层变形的方法，其特征在于：所述工作基点观测墩a(201)和工作基点观测墩b(203)的顶部均安装有一体化支架(301)，一体化支架(301)为双层框架结构，且一体化支架(301)的顶部安装有斜坡面盖板，摄像头a(401)和摄像头b(402)、摄像头d(404)和摄像头c(403)对应安装在工作基点观测墩a(201)顶部的一体化支架(301)、工作基点观测墩b(203)顶部的一体化支架(301)中。

技术总结本发明公开了一种漂浮式靶标及利用其观测水库冰层变形的方法，属于水利水电工程大坝安全监测技术领域。该漂浮式靶标包括浮体底座、标识、配重和温度检测组件，所述标识通过支撑杆与浮体底座的顶部连接，所述配重通过绳索与浮体底座的底部连接，所述温度检测组件设在绳索上。漂浮式靶标的安装工作能够在水未结冰前完成，可实现对水库形成稳定冰层厚度前、后及消融的全过程冰层温度和变形的观测，此外，可以采用无人机投放漂浮式靶标，显著提高了漂浮式靶标的安装效率，降低了其安装难度。可测量整个待测水域冰层在空间上的温度分布情况，与采用温度计测量冰层温度的传统方式相比，显著提高了观测精度且降低了成本，提高了观测效率。技术研发人员：彭浩,郑雪玉,杨国强,卞晓卫,杨贵受保护的技术使用者：中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/10