【摘 要】
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泥石流是一种常见的地质灾害,极大的威胁着人民的生命财产安全,监测泥石流物源的运动状态,可以为泥石流灾害预警提供数据支撑。最直接的泥石流物源运动监测方法是在物源体上安装裂缝位移计,实时获取运动位移数据,但随着泥石流的运动加剧,位移计可能会被拉断、掩埋、破坏,难以实现泥石流物源运动的长期、连续监测。以Li DAR、In SAR为代表的非接触式监测方法,常用于大规模滑坡体的监测及其灾后评估,使用成本较高
【基金项目】
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国家创新研究群体科学基金(西部地区重大地质灾害潜在隐患早期识别与监测预警 41521002); 四川省重点研发计划项目(面向地质灾害监测的普适型信息感知和传输终端研发 2021YFS0324); 中国工程物理研究院地质灾害监测委托研究课题;
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泥石流是一种常见的地质灾害,极大的威胁着人民的生命财产安全,监测泥石流物源的运动状态,可以为泥石流灾害预警提供数据支撑。最直接的泥石流物源运动监测方法是在物源体上安装裂缝位移计,实时获取运动位移数据,但随着泥石流的运动加剧,位移计可能会被拉断、掩埋、破坏,难以实现泥石流物源运动的长期、连续监测。以Li DAR、In SAR为代表的非接触式监测方法,常用于大规模滑坡体的监测及其灾后评估,使用成本较高。非测距无线定位是无线传感网络定位技术的一种,通过部署在泥石流物源监测区域的信标节点和未知节点,对泥石流物源体进行监测,其节点之间无任何物理连线,可实现被监测对象的长期、稳定的运动状态监测。对于泥石流而言,为了防止信标节点在监测过程中的移动,需要针对泥石流地形环境对信标节点的位置进行规划部署,也需要针对信标节点的部署位置进行定位算法的改进,以降低未知节点的定位误差。在监测过程中,无线节点极易被泥石流物源体所掩埋,使基于电磁波的无线节点在非均匀地质介质体(土壤、岩石、水等物质)中的传输极不稳定,且信号衰减十分严重,为无线通信链路的建立带来巨大挑战。基于上述问题,本文对泥石流物源运动非测距无线定位关键技术开展研究,主要研究内容如下:(1)非测距无线定位算法研究。针对泥石流物源运动的无线定位问题,开展非测距定位算法原理、定位节点计算方法、误差分析、算法性能等研究,重点研究DV-Hop(Distance Vector-Hop)算法。(2)无线磁感应通信技术研究。针对无线电磁波通信链路在非均匀地质介质体中传输不稳定的问题,开展无线磁感应通信技术研究及配套装置的研制。本文主要取得了三方面的成果:(1)根据泥石流环境特征,提出了一种针对泥石流物源运动监测的非测距无线定位改进算法(改进DV-Hop算法),具体从节点部署、通信机制、平均跳距计算方法、坐标定位计算方法四个方面进行了优化设计。搭建了仿真环境,对原算法和改进算法进行了仿真计算,验证了改进算法的有效性。(2)针对地质介质中的无线通信需求,根据磁感应通信原理及传输模型,进行磁感应驱动电路和接收电路设计以及谐振天线参数选型,并对磁感应通信协议和控制程序进行设计,搭建了土壤无线传输实验装置,验证了磁感应收发装置在地质介质中实现无线数据传输的有效性。(3)针对泥石流物源运动监测需求,根据改进算法,开发了基于磁感应通信的信标节点和未知节点,完成了两类节点的数据通信协议定义,并通过泥石流物源监测模拟实验,对监测装置进行了验证。本文的主要创新点:(1)针对泥石流地形环境,在节点部署、通信机制、平均跳距估算、定位坐标计算等方面进行改进,提出了一种适用于泥石流物源运动位移监测的改进DV-Hop定位算法,能够有效减轻未知节点的运算压力,减小平均跳距和坐标计算方法带来的误差,提高未知节点的定位精度。(2)针对泥石流运动过程无线定位节点存在被掩埋、通信链路失效的问题,提出并建立了基于磁感应线圈耦合的地下无线通信链路模型,研发了配套的无线通信模块,可有效解决非均匀地质介质中的无线通信难题,提高了泥石流物源运动监测装置的稳定性和可靠性。
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