沙粒速度变化规律的探测装置和测量方法

本发明涉及光纤传感及环境监测，特别涉及一种沙粒速度变化规律的探测装置和测量方法。

背景技术：

1、风沙运动研究可以从微观层面揭示风沙灾害与荒漠化的诱因，基于此提出应对措施，能够为社会经济建设提供关键技术支撑和先进的环境监测手段。其中，在风沙运动研究中，沙粒速度变化规律的探测是一项重要的内容。

2、目前，直接针对风沙颗粒速度进行观测的技术手段主要包括：基于光学多普勒效应的粒子动态分析(pda)和激光多普勒测速技术(ldv)，以及基于图像处理的高速摄影(hsp)、粒子图形测速(piv)和粒子追踪测速(ptv)。然而，目前基于上述技术与设备对风沙颗粒速度进行观测的技术手段中，通常设备体积庞大、多包含精密的光学与机械部件，仅能应用于实验室研究，无法应对野外风沙环境中强电磁干扰、沙尘侵袭、长时间供电等问题，导致监测精度大大下降。此外，由于沙粒在风的作用下具有较强的流动性，加之沙漠地形复杂，沙丘之间形貌不同，造成了沙粒的速度在不同位置处的情况复杂，仅仅对单个点位的沙粒速度进行测量意义有限，无法准确的活动沙粒的运动规律。而且，上述问题会导致观测数据的缺乏，给沙丘表面沙粒速度时空变化规律的分析带来困难，造成了对野外条件下沙粒速度性质的认识不足。

技术实现思路

1、有鉴于此，针对以上不足，有必要提出一种沙粒速度变化规律的探测装置和测量方法，能够同时针对不同位置沙粒的速度进行探测，进而提高对沙粒速度变化规律研究的准确性。

2、第一方面，本发明提供了一种沙粒速度变化规律的探测装置，包括：光源、第一分光器、n个第二分光器、n个信号采集模块、m个光开关、m个光电探测器和控制模块；

3、所述光源的输入控制端与所述控制模块相连，输出端与所述第一分光器的输入端口相连，该第一分光器的n个输出端口分别连接至n个第二分光器的输入端口；对于每一个第二分光器，其输出端口均连接一个信号采集模块的输入端；每一个信号采集模块均包括m个探测通道，每一个探测通道对应一个输出端口，每一个信号采集模块的m个输出端口分别连接一个光开关的输入端口，m个光开关中的每一个光开关均连接一个光电探测器的输入端口，m个光电探测器的输出端口均连接至所述控制模块；其中，每一个探测通道均可用于独立进行光信号采集；

4、所述控制模块控制所述光源发出探测光信号，所述第一分光器将所述探测光信号分光为n路第一探测光信号后分别对应输送至各第二分光器；对于每一个第二分光器，该第二分光器将输入的第一探测光信号分光成若干第二探测光信号后输入与之连接的信号采集模块，该信号采集模块向其探头位置处的沙粒发射第二探测光信号；每一个信号采集模块的m个探测通道分别采集其探头位置处沙粒的反射光信号，并通过对应的m个输出端口输出，以及经过与之连接的光开关后输入对应各探测通道的光电探测器；每一个所述光电探测器均将接收到的反射光信号转换为电信号，并将转换后的电信号发送至所述控制模块；该控制模块根据各光电探测器发送的电信号确定各信号采集模块所处位置的沙粒速度。

5、优选的，每一个所述信号采集模块均包括：n个光环形器、扇入扇出模块、n芯光纤探头和m个光纤束；

6、每一个第二分光器均包括n个输出端口；所述第二分光器的n个输出端口分别连接所述n个光环形器第一端，每一个光环形器的第二端均连接至所述扇入扇出模块的第一端，该扇入扇出模块的第二端连接至所述n芯光纤探头，其中，每一路光环形器的输出均对应n芯光纤探头的一根纤芯；所述n个光环形器的第三端分布连接至所述m个光纤束，且使得每个光纤束均构成一个所述探测通道，每一个所述光纤束连接一个光开关的输入端口；

7、每一个所述光环形器均将对应第二分光器的输出端口输出的第二探测光信号引导后进入所述扇入扇出模块，并从所述n芯光纤探头中发出后对探头处的沙粒进行投射；同时，该n芯光纤探头将采集的运动沙粒的发射信号进行传输，并经所述扇入扇出模块和光环形器后分别进入对应不同探测通道的m个光纤束，并经过与之连接的光开关后传输至对应各探测通道的光电探测器。

8、优选的，每一个所述信号采集模块还包括：第三分光器；

9、所述n个光环形器中的第一光环形器的第三端与所述第三分光器相连，该第三分光器的m个输出端口分别连接一个光纤束；其中，所述第一光环形器的输出所对应的纤芯为构成所述m个探测通道的公共纤芯。

10、优选的，所述n芯光纤探头包括：n芯光纤、微透镜和探头外壳，所述n芯光纤和所述微透镜封装于所述探头外壳中。

11、优选的，所述n芯光纤为7芯光纤，该7芯光纤构成3个探测通道，且相邻两个探测通道所在轴之间的夹角为60度。

12、优选的，所述控制模块根据各光电探测器发送的电信号确定各信号采集模块所处位置的沙粒速度时，利用如下计算式一至计算式三中的至少两个联合进行确定：

13、

14、

15、

16、式中，v用于表征沙粒速度，p用于表征7芯光纤相邻纤芯之间的距离，fa、fb、fc分别为a、b、c三个探测通道对应采集到的电信号的中心频率，k为微透镜成像的放大系数，α为沙粒的速度v相对于a探测通道所在轴的夹角。

17、优选的，所述控制模块还分别与每一个光开关的输入控制端相连，用于对每个光开关的通断进行控制，以控制每个信号采集模块采集的探测光信号向光电探测器进行传输的通断。

18、优选的，该探测装置的各个部件集成封装于光电器件设备盒中，且该光电器件设备盒为金属材质。

19、第二方面，本发明提供了一种沙粒速度变化规律的测量方法，实施主体为如第一方面中任一所述的沙粒速度变化规律的探测装置，该测量方法的步骤包括：

20、步骤1：将各信号采集模块的探头分布设置于待测沙丘的迎风面、背风面和沙丘顶点；

21、步骤2：利用所述控制模块控制所述光源发射光信号；

22、步骤3：各所述光电探测器持续接收沙粒反射回来的光信号，并将其转换为电信号后发送至所述控制模块；

23、步骤4：所述控制模块根据接收到的各光电探测器发送的电信号计算所述待测沙丘各位置处的沙粒速度。

24、优选的，所述步骤4，具体包括：

25、联合如下计算式一至计算式三中的至少两个确定待测沙丘的沙粒速度：

26、

27、

28、

29、式中，v用于表征沙粒速度，p用于表征多芯光纤中相邻纤芯之间的距离，fa、fb、fc分别为a、b、c三个探测通道对应采集到的电信号的中心频率，k为微透镜成像的放大系数，α为沙粒的速度v相对于a探测通道所在轴的夹角。

30、由上述技术方案可知，本方案提供的沙粒速度变化规律的探测装置包含有多路，通过将不同信号采集模块的探头分别设置于不同的位置，可以实现同时针对不同位置处沙粒速度的探测，从而能够提高对沙粒速度变换规律研究的准确性。而且本方案通过多芯光纤提供了多个探测通道，而且各探测通道可以独立进行光信号采集，从而当其中一个探测通道发生故障时，不会影响其他探测通道的正常工作，使得本方案提供的装置的可靠性更高。此外，由于本方案是基于光纤网络技术对沙粒的运动学进行观测的，其具有更强的抗干扰能力，能够适用于野外环境的沙粒运动信息的探测。