專利名稱：監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法及實(shí)現(xiàn)該方法用的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于監(jiān)控測(cè)量技術(shù)，具體說來屬于監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)用的方法以及為實(shí)現(xiàn)該方法用的設(shè)備。所謂細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)理解為這樣一種結(jié)構(gòu)，其橫向尺寸要比其長(zhǎng)度小很多(若干個(gè)數(shù)量級(jí))，而沿其縱軸的表面為園柱形。
被監(jiān)控的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，譬如可以是纜繩、鋼索、輸電線路、柔韌的輸送軟管、管道、海上分離水用的鉆塔、輸電及無線電發(fā)射用的鐵塔以及建筑設(shè)施用的基礎(chǔ)和支柱。
本發(fā)明可以應(yīng)用在各種技術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，應(yīng)用在采用具有園柱形表面的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的地方，應(yīng)用在必須對(duì)該結(jié)構(gòu)的表面或者縱軸在空間中的幾何狀態(tài)實(shí)行監(jiān)控的地方，借以分辨確定縱軸的彎曲及扭轉(zhuǎn)，隨后再確定縱軸上選定點(diǎn)的座標(biāo)并且同時(shí)評(píng)定該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變型狀況。
所推薦的本發(fā)明能夠卓有成效地應(yīng)用在-海底有用礦物的勘探和開采用的綜合工程中，用以監(jiān)控拖曳鋼索纜繩、分離水用的鉆塔、運(yùn)輸管道、錨繩和潛水作業(yè)系統(tǒng)的生命保障換向操作的狀態(tài)及確定其在空間中的位置;
-地面上的地質(zhì)勘查中，用以監(jiān)控信息測(cè)量用的電纜、鉆塔和柔韌軟管的狀態(tài)和確定其在空間中的位置，而且用來確定實(shí)現(xiàn)定向鉆探的鉆井和礦業(yè)勘探開采的幾何位置;
-建筑、石油和天然氣工業(yè)中，用以監(jiān)控和予測(cè)管道輸送管路、跨線橋、支撐塔以及鐵塔設(shè)施的應(yīng)力變形狀態(tài);
-航空和航天技術(shù)中，用以監(jiān)控抽汲氣態(tài)及液態(tài)物質(zhì)用的輸送軟管的狀態(tài)，而且用來確定在對(duì)接及遠(yuǎn)距離轉(zhuǎn)載過程中從機(jī)械上相連系在一起的目標(biāo)在空間中的相互位置。
已知一種監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)用的方法，是用來實(shí)現(xiàn)對(duì)海上鉆探中的分離水用的鉆塔的幾何位置的監(jiān)控(參見AEG-Telefunken，BRD，“PositionmeasuringSystemforoffshoreInstallations，”Systemdesignandmathematicaldescription，1980，P.10)該已知方法的內(nèi)容為選擇一種敏感元件用以記錄被監(jiān)控參數(shù)的變化，其中包括用以表征該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的幾何位置變化;選擇一種載有有關(guān)被監(jiān)控參數(shù)變化信息的波能傳輸延伸線，并使所選擇的敏感元件與波能傳輸延伸線相聯(lián)結(jié)，然后將聯(lián)結(jié)之后的敏感元件和波能傳輸延伸線沿著給定的座標(biāo)(用以表征細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的被監(jiān)控參數(shù)即沿此座標(biāo)改變)安置在監(jiān)控區(qū)域內(nèi);于是在這條延伸線上傳播的過程中，隨著表征細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的被監(jiān)控參數(shù)的改變而形成的時(shí)間調(diào)制基準(zhǔn)信號(hào)，就會(huì)提供給波能傳輸延伸線的輸入端;對(duì)于波能傳輸延伸線輸出端的變換了的基準(zhǔn)信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量出來的變換了的基準(zhǔn)信號(hào)的參數(shù)來確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在沿著給定的座標(biāo)(被監(jiān)控的參數(shù)即沿此座標(biāo)改變)的狀態(tài)的力學(xué)特性。此已知方法更為具體的工作過程，在AEG-Telefunken公司的產(chǎn)品中是按以下方式實(shí)現(xiàn)的。
在這種已知方法中，作為表征細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的(分離水用的鉆塔)狀態(tài)用的參數(shù)，采用的是此分離水用鉆塔的軸線相對(duì)于垂線的傾角以及該鉆塔頂部和底部在水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)。因此對(duì)敏感元件的選擇，是通過建立一種專門用來對(duì)這些角度的改變進(jìn)行記錄的傳感器來實(shí)現(xiàn)的，具體說來也就是慣性傾斜計(jì)和磁羅盤。并且選擇帶有聚乙烯保護(hù)外皮的屏蔽電纜為波能傳輸延伸線。使選好的傳感器與電纜聯(lián)接，是靠在它們之間建立電感耦合的方法來實(shí)現(xiàn)的。然后再將聯(lián)接之后的傳感器和電纜沿著分離水用鉆塔的軸線安置在其表面上。為了能夠在三維空間中獲得有關(guān)鉆塔縱軸幾何位置的足夠信息，應(yīng)當(dāng)將記錄該軸線相對(duì)于垂線傾斜的傳感器按兩條正交的母線安置在鉆塔表面上并進(jìn)行記錄。然后將以400周的頻率隨時(shí)間變化的基準(zhǔn)電信號(hào)提供給電纜和輸入端。在此電信號(hào)沿著電纜線通過電感耦合傳播的過程中，傳感器得以供電及由其獲得有關(guān)角度變化的信息，只不過其頻率要比400周的載波頻率更高一些。對(duì)于電纜輸出端被變換后的基準(zhǔn)電信號(hào)的參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，將這個(gè)信息解碼，并根據(jù)有關(guān)鉆塔縱軸相對(duì)于垂線傾角及其扭轉(zhuǎn)角度的數(shù)據(jù)來確定鉆塔狀態(tài)的力學(xué)性能。所獲得的特性參數(shù)，可以單值性地用來確定該分離水用鉆塔的應(yīng)力變形狀態(tài)，以及其動(dòng)態(tài)定位用的極值點(diǎn)在空間中的相互位置。
已知一種監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)(例如海上鉆探用的分離水用鉆探)用的設(shè)備(參見上面引用過的文獻(xiàn))，它包括一個(gè)用以形成隨時(shí)間變化的基準(zhǔn)信號(hào)的調(diào)制波能源和沿著給定的座標(biāo)安置在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的波能傳輸延伸線，此波能傳輸延伸線能夠把有關(guān)被監(jiān)控參數(shù)變化的信息收集及發(fā)送出去，而且是和調(diào)制波能源的輸出端連在一起的;它還包括一個(gè)與波能傳輸延伸線相連的信息處理部件，用以從波能傳輸延伸線中將該延伸線變換出來的基準(zhǔn)信號(hào)分出去，并且用來確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的力學(xué)性能;它還包括一個(gè)其輸入端接在信息處理部件輸出端和視頻終端機(jī)，用來顯示所獲得的力學(xué)性能。
在這種已知設(shè)備中，作為調(diào)制波能源使用的是頻率為400周的電能振蕩發(fā)生器。采用電纜對(duì)安置在分離水用鉆塔表面上收集及發(fā)送信息用的傳感器供電。因此電纜將沿著整個(gè)分離水用鉆塔延伸，而電纜的內(nèi)芯則接在電能發(fā)生器上以及接在用來組織傳感器查詢(Опрос)所需要的隨時(shí)間調(diào)制的33～42千周的高頻振蕩源上。在電纜上同樣還接有中央站(Центра
ънаЯ СТАНцuЯ)形式的信息處理部件，用來將傳感器中得到的信息從電纜輸出端分出去并變換為便于進(jìn)行處理的形式。經(jīng)過該中央站處理過的信息，以分離水用鉆塔縱軸幾何位置特性的形式送給視頻終端機(jī)進(jìn)行顯示，在現(xiàn)有情況下顯示的是圖形。
這種已知的監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)用的方法及實(shí)現(xiàn)該方法用的設(shè)備，其最具代表的局限性如下上述方法和設(shè)備不可能以很高的分辨率及遠(yuǎn)距離的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控，這是由于受到波能傳輸延伸線信息量的限制，當(dāng)延伸線的長(zhǎng)度增加時(shí)信息傳輸?shù)目煽啃韵陆?，而且該延伸線上的干擾和電壓損耗相應(yīng)地會(huì)增加。而采用以角度傳感器形式的離散安置的敏感元件，從原則上說是不能實(shí)現(xiàn)對(duì)被監(jiān)控參量分布的連續(xù)測(cè)量的。根據(jù)沿著給定座標(biāo)不連續(xù)獲得的讀數(shù)，只可能得出此參數(shù)分布的近似值，在現(xiàn)有情況下也就是分離水用鉆塔縱軸對(duì)垂線的傾角。因而從原則上看是不可能在空間及時(shí)間上連續(xù)地對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的，具體說來也就是對(duì)這種鉆塔的彎曲和扭轉(zhuǎn)進(jìn)行監(jiān)控，從而也就會(huì)出現(xiàn)近似誤差。除此而外，由于傳感器本身的誤差，還會(huì)使監(jiān)控的總精度進(jìn)一步降低。將敏感元件與波能傳輸延伸線聯(lián)接是通過電和機(jī)械的方法經(jīng)過電感耦合實(shí)現(xiàn)的，而且要將敏感元件與該延伸線專門固定在一起，于是就被迫要根據(jù)作用原理放置不均勻的傳感器并保證足夠復(fù)雜的詢問程序，驅(qū)使人們?nèi)ブ圃旌褪褂貌粔蚶硐氲陌嘿F的水下電子設(shè)備。
除此而外，對(duì)于鉆塔軸線與垂線傾角測(cè)量使用的傳感器，其監(jiān)控角變化的動(dòng)態(tài)范圍受到局限(不超過10°)，因而不適于對(duì)變形大的分離水用鉆塔進(jìn)行監(jiān)控。借助同樣一種已知的監(jiān)控方法和實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備，不可能設(shè)想用來監(jiān)控其它形式的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，而且也不可能設(shè)想不增加傳感器的數(shù)量和減小其間的安置距離就能提高測(cè)量和監(jiān)控的分辨率。在已知的這種設(shè)備中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的監(jiān)控，需要大約2千瓦的功率。
就技術(shù)實(shí)質(zhì)來說，與本申請(qǐng)的技術(shù)解決方案最為接近的是一種監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)目標(biāo)，其中包括結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法(參見PCT/Su88/00082)在于選擇一種波能傳輸延伸線，保證其中傳播的信號(hào)是具有已知的空間-時(shí)間物理場(chǎng)結(jié)構(gòu)的模的形式;將選擇好的波能傳輸延伸線按照給定的座標(biāo)5安置在沿著細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的表面上;在波能傳輸延伸線上至少要分出一條基準(zhǔn)通道，而且至少要分出一條測(cè)量通道，這些通道中的每條通道中的模的相速度是已知的減慢了的;在沿著波能傳輸?shù)难由炀€上，要保證至少有一個(gè)基準(zhǔn)通道和至少一個(gè)能隨細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的幾何位置改變而變化的測(cè)量通道的模場(chǎng)的定向相互作用，以便在測(cè)量通道中獲得一個(gè)信號(hào)，在基準(zhǔn)通道中的信號(hào)傳播過程中，此信號(hào)是隨著表征細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的該結(jié)構(gòu)的表面幾何位置改變而變化的，而基準(zhǔn)信號(hào)是隨時(shí)間調(diào)制的;形成物理場(chǎng)形式的振蕩并將這些振蕩變換為具有給定的空間-時(shí)間模場(chǎng)結(jié)構(gòu)的信號(hào);要將波能傳輸延伸線輸出端的至少一個(gè)基準(zhǔn)通道以及至少一個(gè)測(cè)量通道的模場(chǎng)變換為僅只與時(shí)間相關(guān)的電信號(hào);將基準(zhǔn)通道輸出端的電信號(hào)振幅區(qū)分出來;對(duì)與基準(zhǔn)通道輸出端的電信號(hào)振幅成反比的測(cè)量通道輸出端的電信號(hào)進(jìn)行放大;利用線性比例變換，將波能傳輸延伸線的基準(zhǔn)和測(cè)量通道的模的相速度減慢的差值、例行監(jiān)控時(shí)間以及沿著波能傳輸延伸線給定座標(biāo)S值的讀數(shù)聯(lián)系起來，然后確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的幾何位置。
用于監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)目標(biāo)，其中包括結(jié)構(gòu)，(參見PCT/Su88/00082)，它包括用以形成隨空間和時(shí)間變化的基準(zhǔn)信號(hào)并作成物理場(chǎng)的波能發(fā)生器和調(diào)制器串連形式的調(diào)制波能源;按照給定的座標(biāo)S安置在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面上的波能傳輸延伸線，用來收集及傳送有關(guān)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的表面幾何位置改變的信息，它作成多模波導(dǎo)的形式，并與調(diào)制波能源的輸出端以及相互作用的至少一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少一個(gè)測(cè)量通道相聯(lián)，其間的耦合隨細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的表面幾何位置改變而變化;對(duì)信息進(jìn)行模擬處理的部件，它被用來根據(jù)至少一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少一個(gè)測(cè)量通道的輸出信號(hào)來確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的表面幾何位置，而且是和波能傳輸延伸線的這些通道的輸出端相聯(lián)的;一個(gè)視頻終端機(jī)，用來顯示細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的幾何位置，其輸入端接在信息模擬處理部件的輸出端;第一空間濾波器，用來激勵(lì)給定模場(chǎng)的空間-時(shí)間結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)通道的調(diào)制信號(hào)，而且是接在物理場(chǎng)調(diào)制波能源的輸出端與波能傳輸延伸線之間的;第二空間濾波器，被用來在空間中至少劃分出一個(gè)由基準(zhǔn)信號(hào)激勵(lì)的基準(zhǔn)通道模場(chǎng)以及至少一個(gè)靠通道之間耦合(它取決于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的表面幾何位置變化，激勵(lì)的測(cè)量通道模場(chǎng)，并且被安置在波能傳輸延伸線的輸出端與模擬處理信息部件的輸入端之間;而且至少一個(gè)基準(zhǔn)通道的輸入和輸出端可以相應(yīng)地作為第一和第二空間濾波器場(chǎng)相應(yīng)的波能的第一個(gè)輸入和第一個(gè)輸出端，至少一個(gè)測(cè)量通道的輸入和輸出端可以相應(yīng)地作為第一和第二空間濾波器場(chǎng)相應(yīng)的波能的第二個(gè)輸入和第二個(gè)輸出端。
對(duì)于與本發(fā)明最為接近的這種已知的監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法及實(shí)現(xiàn)該方法的這種已知設(shè)備來說，以下一些局限性是有代表性的。
由于所利用的波能傳輸延伸線是以帶有相互作用的通道(其相互作用與該延伸線的彎曲狀況有關(guān))而且延伸線本身是沿著被監(jiān)控結(jié)構(gòu)表面的一條母線安置的多模波導(dǎo)的形式出現(xiàn)的，所以這種已知方法只能用來確定該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的一條母線的彎曲狀況。假如波能傳輸延伸線位于該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的彎曲平面內(nèi)，而且這種彎曲本身又僅只存在于這一平面內(nèi)的話，那么在這種情況下，母線的彎曲狀況就能準(zhǔn)確地與該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的彎曲相對(duì)應(yīng)。大多數(shù)情況下作用在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上的是空間性的外部負(fù)荷(力及力矩)，于是可導(dǎo)致該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)同樣會(huì)出現(xiàn)空間性的變形，因而其縱軸及表面會(huì)發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)。由于必須將波能傳輸延伸線固定在被監(jiān)控的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面上，所以即便在出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)而無彎曲的情況下，從該延伸線輸出端也能得到存在著結(jié)構(gòu)彎曲的信息，這是因?yàn)樵谠摻Y(jié)構(gòu)的表面出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的作用下沿延伸線會(huì)發(fā)生彎曲。除此而外，當(dāng)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)存在著彎曲和扭轉(zhuǎn)的混合變形時(shí)(而且也意味著延伸線同樣存在此混合變形)，就會(huì)存在扭轉(zhuǎn)對(duì)于母線彎曲的相互影響。因此便會(huì)出現(xiàn)對(duì)于母線以致于該結(jié)構(gòu)縱軸彎曲測(cè)量的誤差。將延伸線沿著細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的一條母線布置，不能夠單值性地用來監(jiān)控縱軸的扭轉(zhuǎn)。因此，選來作為原型的這種方法和設(shè)備，在存在著混合變形的情況下，不能夠用來有選擇性地確定被監(jiān)控的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)。接下去這就會(huì)導(dǎo)致確定此縱軸在空間和時(shí)間中的幾何位置的精度下降，其結(jié)果是使測(cè)量該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸上選定點(diǎn)座標(biāo)的精度降低。由于不存在有關(guān)縱軸彎曲和扭轉(zhuǎn)分布的單獨(dú)信息，所以不能夠用來確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形狀態(tài)，因而也無法評(píng)定及予測(cè)其強(qiáng)度。
作為本發(fā)明基礎(chǔ)提出來的本發(fā)明的任務(wù)，是要建立一種監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法及實(shí)現(xiàn)該方法用的設(shè)備，它能夠用來建立細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面元件及其縱軸的動(dòng)態(tài)特性之間的聯(lián)系，并由此確定在有外部負(fù)荷作用在該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的條件下其縱軸在空間和時(shí)間中的幾何位置，以便有選擇性地確定該結(jié)構(gòu)縱軸的彎曲和扭轉(zhuǎn)，從而使得測(cè)量細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸上被選定點(diǎn)座標(biāo)的精度能有所提高。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)在于，在監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法中，要選擇一條波能傳輸延伸線，保證其中傳播的信號(hào)是具有已知的空間-時(shí)間物理場(chǎng)結(jié)構(gòu)的模的形式;將這種選好了的波能傳輸延伸線按照給定的座標(biāo)S設(shè)置在沿著該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的表面上;在波能傳輸延伸線上至少要?jiǎng)澐殖鲆粭l基準(zhǔn)通道和至少一條測(cè)量通道，其中每條通道中模式的相速度已經(jīng)知道是減緩了的;在沿著波能傳輸?shù)难由炀€上，保證要有至少一條基準(zhǔn)通道及至少一條測(cè)量通道(它隨細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的幾何位置改變而改變)的模場(chǎng)定向的相互作用，以便信號(hào)在基準(zhǔn)通道中傳播的過程中，于測(cè)量通道中獲得一個(gè)隨著表征該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的表面幾何位置的變化而變化的信號(hào)，而基準(zhǔn)信號(hào)是隨時(shí)間調(diào)制的;形成物理場(chǎng)形式的振蕩，并將該振蕩變換為具有給定的空間-時(shí)間模場(chǎng)結(jié)構(gòu)的信號(hào);要將波能輸出延伸線至少一個(gè)基準(zhǔn)通道以及至少一個(gè)測(cè)量通道輸出端的模場(chǎng)變換為僅與時(shí)間相關(guān)的電信號(hào);選出基準(zhǔn)通道輸出端的電信號(hào)的振幅;對(duì)于與基準(zhǔn)通道輸出端的電信號(hào)振幅大小成反比的測(cè)量通道輸出端的電信號(hào)進(jìn)行放大;利用線性比例變換，將波能傳輸延伸線的基準(zhǔn)通道和測(cè)量通道模式的相位速度減緩的差值同例行監(jiān)控時(shí)間以及沿著波能傳輸延伸線的給定座標(biāo)S讀數(shù)值聯(lián)系在一起，而后再確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的幾何位置。按照本發(fā)明，沿著波能傳輸延伸線上至少一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少一個(gè)測(cè)量通道模式場(chǎng)的定向相互作用，要保證與細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的表面彎曲值有關(guān);而波能傳輸延伸線至少要沿著三條母線設(shè)置并固定在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的表面上;要根據(jù)波能傳輸延伸線至少一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少一個(gè)測(cè)量通道的輸出信號(hào)，取得細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面上至少三條母線的彎曲值;根據(jù)所取得的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面上至少三條母線的彎曲值，確定該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的彎曲及扭轉(zhuǎn)值;而后根據(jù)所取得的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸彎曲及扭轉(zhuǎn)值，求出該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸上選定點(diǎn)的座標(biāo)。
比較適合的作法是，根據(jù)所取得的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的彎曲及扭轉(zhuǎn)值，求出沿細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的內(nèi)負(fù)荷分布，藉以表征該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力-變形狀態(tài)。
為了實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)離細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的隨意的至少一個(gè)遠(yuǎn)控點(diǎn)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，比較合理的作法是先確定該遠(yuǎn)控點(diǎn)至少相對(duì)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸上一個(gè)點(diǎn)的位置，并將有關(guān)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸彎曲及扭轉(zhuǎn)值的信息傳遞給該遠(yuǎn)控點(diǎn)。
本發(fā)明的實(shí)質(zhì)在于，這種監(jiān)測(cè)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)用的設(shè)備，它包括用來形成隨空間及時(shí)間變化的基準(zhǔn)信號(hào)的調(diào)制波能源，做成由調(diào)制器和物理場(chǎng)波能發(fā)生器串聯(lián)的形式;沿著給定的座標(biāo)S設(shè)置在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面上的波能傳輸延伸線，被用來收集及傳送有關(guān)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面幾何位置變化的信息，而且與調(diào)制波能源的輸出端相聯(lián)接，做成具有相互作用的至少一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少一個(gè)測(cè)量通道(其間的聯(lián)系取決于該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面幾何位置的變化)的多模波導(dǎo)的形式;對(duì)信息進(jìn)行模擬處理用的部件，被用于根據(jù)至少一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少一個(gè)測(cè)量通道的輸出信號(hào)確定該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的幾何位置，并與波能傳輸延伸線的這些通道的輸出端相聯(lián);用于顯示該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面幾何位置的視頻終端機(jī)，其輸入端與模擬處理信息部件的輸出端電氣上相聯(lián)接;用來激勵(lì)出給定的模場(chǎng)的空間-時(shí)間結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)通道調(diào)制信號(hào)的第一空間濾波器，被接在物理場(chǎng)調(diào)制波能源的輸出端和波能傳輸延伸線之間;第二空間濾波器，被用來在模場(chǎng)空間中區(qū)分出至少一個(gè)由基準(zhǔn)信號(hào)激勵(lì)的基準(zhǔn)通道及至少一個(gè)靠通道之間的聯(lián)系(它隨細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的幾何位置的改變而改變)激勵(lì)的測(cè)量通道，它被設(shè)置在波能傳輸延伸線的輸出端及模擬處理信息部件的輸入端之間;而且至少一個(gè)基準(zhǔn)通道的輸入及輸出端，相應(yīng)地可以作為第一及第二空間濾波器相應(yīng)的第一個(gè)場(chǎng)波能輸入端及第一個(gè)場(chǎng)波能輸出端，至少一個(gè)測(cè)量通道的輸入及輸出端，相應(yīng)地可以作為第一及第二空間濾波器相應(yīng)的第二個(gè)場(chǎng)波能輸入端及第二個(gè)場(chǎng)波能輸出端。按照本發(fā)明，它還包括模-數(shù)變換器(AЦП)和微處理機(jī)，微處理機(jī)的輸入端接在模-數(shù)變換器的輸出端，模-數(shù)變換器的輸入端接在模擬處理信息部件的輸出端，微處理機(jī)的輸出端則接在視頻終端機(jī)的輸入端，而波能傳輸延伸線至少要沿著該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的三條母線固定在此細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的表面上，而且這三條母線均位于經(jīng)過該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸并構(gòu)成相同空間角的相應(yīng)平面內(nèi)。
要盡可能作到讓監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的這種設(shè)備，至少包括一條由該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸上的任意點(diǎn)到遠(yuǎn)控點(diǎn)的接收-發(fā)送有關(guān)該結(jié)構(gòu)表面至少三條母線彎曲值信息的通道，這條信息接收-發(fā)送通道包括直接靠近該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)置的第一天線和監(jiān)控部件，此監(jiān)控部件又包括調(diào)制波能源、模擬處理信息用的部件、第一及第二空間濾波器、以及串聯(lián)在一起的發(fā)送器、接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器和發(fā)射部件;發(fā)射部件的輸出端接在調(diào)制波能源的輸入端，而發(fā)射器的輸入端則與模擬處理信息用的部件的輸出端相聯(lián);接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器的輸入-輸出端接在第一天線上;此信息接收-發(fā)送通道，同時(shí)還包括距離該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)一定距離處設(shè)置的第二天線，以及耦合、數(shù)字處理、信息顯示用的部件，此部件又包括模-數(shù)變換器、微處理機(jī)、視頻終端機(jī)以及串聯(lián)在一起的第一發(fā)送器、第一接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換和第一接收器，接收器的輸出端接在模-數(shù)變換器的輸入端，第一接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器的輸入-輸出端與第二天線相聯(lián)。
與已知的監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)方法及實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備不同的是，這里提出的發(fā)明，實(shí)際上首次被用來有選擇性地確定和監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸沿給定的弧座標(biāo)的彎曲和扭轉(zhuǎn)的連續(xù)分布，如所周知的那樣，由微分幾何得出來的這種彎曲和扭轉(zhuǎn)的連續(xù)分布，也就是一條曲線的自然方程式，而且能夠絕對(duì)精確地確定此結(jié)構(gòu)在三維空間中的形狀和位置。因此，在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的縱軸上隨意選擇一個(gè)點(diǎn)作為座標(biāo)的原點(diǎn)，利用此縱軸已知的彎曲和扭轉(zhuǎn)量，就能夠單值性地確定該結(jié)構(gòu)縱軸上隨意另外一個(gè)點(diǎn)相對(duì)該座標(biāo)原點(diǎn)的位置。所以，在有效地解決前面提出的實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控以便準(zhǔn)確地確定產(chǎn)生危險(xiǎn)變形的位置的最重要任務(wù)的同時(shí)，額外地還能實(shí)現(xiàn)一種技術(shù)原理新的可能，即利用各種形式的被監(jiān)控的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)作為力學(xué)定向系統(tǒng)。
本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用，例如在海上地質(zhì)勘探綜合工程中用來監(jiān)控鋼索纜繩，能夠以新的方式解決高精度地確定拖曳水下設(shè)備相對(duì)船舶的相互位置而同時(shí)監(jiān)控拖曳鋼索纜繩力學(xué)特性的任務(wù)。在這種情況下，由于不必利用水介質(zhì)來傳播慣常使用的聲納信號(hào)，同樣就能大大提高監(jiān)控的可靠性。由于這種類型的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)是在具有隨空間及時(shí)間變化的水下流動(dòng)的介質(zhì)中使用的，而且還要經(jīng)受船舶搖擺的作用，所以精確地確定水下設(shè)備相對(duì)船舶的位置，就能夠大大提高對(duì)海底進(jìn)行傳真攝影以及該地震聲學(xué)勘探的可靠性。
知道了鉆探工具例如渦輪鉆機(jī)終點(diǎn)的座標(biāo)，在相對(duì)于鉆井口進(jìn)行鉆探的過程中，就能夠?qū)崿F(xiàn)可控定向鉆探。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)輔助性傾斜鉆井的敷設(shè)以便遏制噴射鉆井及撲滅火災(zāi)特別重要，從而能夠排除由于事故造成的大量經(jīng)濟(jì)損失。
利用本發(fā)明來保證使軌道站同宇宙飛船對(duì)接成功具有很大的優(yōu)越性。在接近區(qū)域內(nèi)的速度達(dá)到平衡及目標(biāo)之間建立柔性機(jī)械連接之后，根據(jù)柔性連接物幾何關(guān)系而確定該目標(biāo)在空間的位置，就可以進(jìn)行安全迅速地對(duì)接。按照類似的方法，還可以監(jiān)控與生命保障中心柔性連接的宇航員或水下考察員所處的位置。
以上列舉的實(shí)例證明本發(fā)明所要解決的任務(wù)的現(xiàn)實(shí)意義，而且非常直觀地顯示出所能取得的優(yōu)點(diǎn)的有效性。
隨后本發(fā)明將通過具體實(shí)施例及附圖加以說明，其中

圖1表示按照本發(fā)明選擇的座標(biāo)系平面內(nèi)彎曲的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)圖;
圖2表示本發(fā)明所述監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的傾斜角法和波導(dǎo)法的方法誤差與線性分辨率之間的關(guān)系圖;
圖3表示按照本發(fā)明監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖;
圖4表示按照本發(fā)明進(jìn)行遙測(cè)時(shí)，帶有兩條接收發(fā)射通道及測(cè)量基線的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖;
圖5表示根據(jù)本發(fā)明在對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)遙測(cè)的船上組成的表示在空間兩個(gè)位置上的測(cè)量基線的相互位置圖;
圖6為根據(jù)本發(fā)明帶有兩個(gè)接收發(fā)送通道及借助細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)組成的測(cè)量基線的遙測(cè)細(xì)長(zhǎng)目標(biāo)狀態(tài)的設(shè)備結(jié)構(gòu)圖;
圖7為根據(jù)本發(fā)明用來表示細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸上的四個(gè)給定點(diǎn)及遙測(cè)點(diǎn)相互位置的幾何配置圖;
圖8表示根據(jù)本發(fā)明設(shè)置在水中的絕緣纜繩形式的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，在其頂部固定有帶監(jiān)控部件及天線的浮標(biāo)，而纜繩的底部固定在海底表面上;
圖9表示根據(jù)本發(fā)明帶有圓柱形保護(hù)外皮的纜繩形式細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的放大截面圖，沿該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的四條母線上配置有波能傳輸線;
圖10為圖8所示根據(jù)本發(fā)明的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在其與負(fù)載連接區(qū)域中的局部放大軸測(cè)立體圖。
為了證明利用波導(dǎo)法能比傾斜度法提高精度，我們看一下用符號(hào)交錯(cuò)的曲率分布K(S)＝R(S)來表征的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在同一平面內(nèi)彎曲的情況(圖1)，其中S為沿著細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1的軸線的弧座標(biāo);R(S)為該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1的曲率半徑。
比較方便的作法是將細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1在復(fù)數(shù)平面Z(X，jy)內(nèi)表示成在同一平面內(nèi)曲線的形式，其中的座標(biāo)原點(diǎn)O與該曲線的端點(diǎn)重合。半徑-矢量S(Z)能夠?qū)⒆鶚?biāo)原點(diǎn)O(X＝0;jy＝0)同例行弧座標(biāo)S聯(lián)系起來，并可寫作如下S(Z)＝∫so〔(Sin(ψ(S)/2))(ψ(S)/2)-1exp(jψ(S))〕dS (1)其中ψ(S)＝∫soK(S)dS在已知的傾斜度方法中，傳感器測(cè)量的是該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1軸線對(duì)于垂線的傾角4。由這些傳感器測(cè)出的參數(shù)乃是角ψ(S)在△S段的平均值，而△S就是該結(jié)構(gòu)1軸線上傳感器之間的間隔。
這時(shí)候
i＝ψi+1-ψi＝∫(i+1)△Si△SK(S)dS (2)
其中ψi及ψi+1分別為與座標(biāo)i△Si△S及(i+1)△S對(duì)應(yīng)的傳感器讀數(shù)。
在利用安置并固定在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1表面上的波能傳輸延伸線時(shí)，在沿此結(jié)構(gòu)母線的彎曲平面內(nèi)，通過對(duì)被監(jiān)控參數(shù)及波能傳輸延伸線的操縱函數(shù)(Аппаратнаяфункцuя)積分卷積的方法進(jìn)行測(cè)量信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)初步處理之后，能夠確定被測(cè)量的曲率K(S)〔參見P.M.Ceдлецкцц等人所著《無線電定位信號(hào)的合成問題》，1970，“蘇聯(lián)無線電”(莫斯科)，P.20)，通過波能傳輸延伸線就可以得出該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1縱軸對(duì)于垂線的傾角大小
(S)＝∫soK(X)f(S-X)dX其中f(S-X)為該延伸線的操縱函數(shù);X為積分變量。
在理想的傳感器-波能傳輸延伸線的情況下，f(S-X)也就是在S＝X及X＝0點(diǎn)處具有無限陡前沿的矩形。這時(shí)
(S)＝ψ(S)。
在理想的波能傳輸延伸線中，操縱函數(shù)f(S-X)具有有限斜率前沿的沿伸。例如對(duì)于高斯形操縱函數(shù)來說，
(S)具有以下形式
(S)＝∫soK(X)〔1-exp(-((S-X)/△S)2)dX＝ψ(S)-σ(S) (4)其中σ(S)＝∫soK(X)exp(-((S-X)/△S)2)dX借助于傾斜測(cè)量傳感器和波能傳輸延伸線分別確定的半徑-矢量表示式Su(Z)和Sl(Z)，可寫作以下形式Su(Z)=Σi = 0N〔Sin((ψ (S) -σ (S))/2)((ψ (S)-σ (S))/2)-1exp ( j(ψ (S)-σ (S))) 〕 dS (5)]]>
Sb(Z)=∫0L[Sin((ψ(S)-σ(S))/2)((ψ(S)-σ(S))/2)-1exp(j(ψ(S)-σ(S)))]dS---(6)]]>其中N-沿該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)軸線以間隔△S設(shè)置的傳感器個(gè)數(shù);L-波能傳輸延伸線的長(zhǎng)度。
這時(shí)在考慮到公式(1)、(5)、(6)時(shí)，確定該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1軸線終點(diǎn)座標(biāo)的絕對(duì)誤差，分別與傾斜度法和波導(dǎo)法對(duì)應(yīng)可按下式來確定
△b(Z)＝S(Z)-Sb(Z)≌∫Lo(Sinψ(S)/2)(ψ(S)/2)-1(exp jψ(S))(1-exp jσ(S))dS (8)其中σi=(ΔS-1∫ΔSiψ2(S)dS-ψi2)12;]]>σ(S)=[∫0Sψ2(X)f(S-X)dX-ψ2(S)]12]]>公式(7)和(8)被用來計(jì)算傾斜度法和波導(dǎo)法的方法誤差，其計(jì)算結(jié)果以曲線2和3的形式列舉在圖2中。
曲線2表示△u%＝〔△u(Z)/S(Z)〕·100%對(duì)于按彼此距離△S＝L/N沿細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)固定的傾斜測(cè)量傳感器個(gè)數(shù)之間的關(guān)系。而且曲線3表示
△b%＝〔△b(Z)/S(Z)〕·100%對(duì)于N＝L/△S的關(guān)系，其中△S為波能傳輸延伸線的分辨率。通過對(duì)比2和3的關(guān)系可以清楚地推知，用波導(dǎo)法來確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1(圖1)縱軸上選定點(diǎn)的座標(biāo)，要比用傾斜計(jì)法優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)樵谕瑯右粋€(gè)N數(shù)時(shí)(圖2)，對(duì)于6000米長(zhǎng)的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)來說，其方法誤差可降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
以上進(jìn)行的全部討論只適用于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在同一平面內(nèi)彎曲的情況，而實(shí)際主要存在的還是在外部隨機(jī)負(fù)載作用下產(chǎn)生空間變形的情況。因此細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形狀態(tài)，不僅要由該結(jié)構(gòu)縱軸的曲率來決定，而且要由其在空間的扭轉(zhuǎn)來決定。因而必須找出該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面母線的曲率與其縱軸在空間的幾何位置之間的相互聯(lián)系。為此有理由使必須監(jiān)控的母線數(shù)目作到最少，并要求將波能傳輸延伸線布置在圓柱形細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面上。
在已知的微分幾何學(xué)原理及MeHbe定理的基礎(chǔ)上，在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生空間彎曲而不存在扭轉(zhuǎn)的情況下，當(dāng)d＜＜Ri時(shí)，在截面參數(shù)為Si(其中S為縱軸的弧座標(biāo))處圓柱形細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)母線的曲線Ki(φ)，可以下述公式表示Ki(φ)＝KNi CoS(φ-φ0) (9)其中KNi＝(Ri-d/2)-1為彎曲平面上圓柱形表面母線的曲率;φ∈〔0;2π〕為圓柱形結(jié)構(gòu)橫截面平面內(nèi)讀出的例行角度值;φ0為不存在扭轉(zhuǎn)時(shí)橫截面平面內(nèi)的起始母線與位于該結(jié)構(gòu)彎曲平面內(nèi)的母線之間的角度;Ri為縱軸的曲率半徑;d為圓柱形表面的直徑。
公式(9)可以下述形式表示
Ki(φ)＝KNiCoSφ0·CoSφ+KNiSinφ·Sinφ0＝K1COSφ+K2Sinφ (10)其中K1＝KNiCOSφ0;K2＝KNiSinφ0(11)由公式(2)可知KN i=K21+ K22(12)]]>所以，為了通過K1和K2來求KNi，在兩種角度的φ值時(shí)(例如在模擬法中作到的讓?duì)眨?及φ＝π/2)對(duì)該結(jié)構(gòu)橫截面平面內(nèi)的母線曲率進(jìn)行測(cè)量就足夠了。因?yàn)樵谶@種情況下在座標(biāo)為Si的截面上測(cè)量的不是縱軸的曲率，而是該軸線對(duì)于垂線的傾角，故在確定曲率時(shí)必然帶來附加誤差。
在已知K1＝Ki(π/2)及K2＝Ki(0°)時(shí)，在公式(10)、(11)、(12)的基礎(chǔ)上很容易就能確定出φ0及Ki(φ)。
當(dāng)同時(shí)存在著細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)時(shí)，其母線曲率的表示式存在如下
這是由于在該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)只存在著扭轉(zhuǎn)時(shí)，所有母線的曲率都是常數(shù)，也就是說僅與φ有關(guān)，而當(dāng)不存在扭轉(zhuǎn)而存在彎曲時(shí)，可由公式(10)來確定。
由此可知，在
的條件下確定的角度φ0，表示母線的曲率僅由繞細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的圓柱形表面的扭轉(zhuǎn)決定的截面。
這將導(dǎo)致下述關(guān)系
1COSφ0+
2Sinφ0＝0當(dāng)
1＝KNiSinφ0及
2＝-KNiCOSφ0(14)
時(shí)，上式是正確的，其中
由此可以得出，φ0＝-arctg
，而該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的扭轉(zhuǎn)，要根據(jù)已知的微分幾何學(xué)公式來確定，即
(15)為了確定
，應(yīng)當(dāng)在三種角度φi的情況下對(duì)母線
(φ)的曲率進(jìn)行三次測(cè)量，例如當(dāng)φ1＝0°，φ2＝120°，φ3＝240°時(shí)。由此可以導(dǎo)出方程組如下
在由公式(18)得出的
值的基礎(chǔ)上，根據(jù)公式(14)、(15)可以確定所要求的
值。需要指出的是在沿著母線將能夠得出沿母線
(0°，S);
(120°，S)及
(240°，S)的曲率分布的測(cè)量線設(shè)置在圓柱形結(jié)構(gòu)表面上時(shí)，順著該結(jié)構(gòu)的軸線讀出的沿著弧座標(biāo)S分布的
N(S)及
(S)就能夠確定下來。
由此可以證明，為了通過確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的縱軸在空間的幾何位置來監(jiān)控該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，至少必須根據(jù)三條母線將波能傳輸延伸線沿著給定的座標(biāo)S安置及固定在該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面上。事實(shí)表明，所測(cè)得的這三條母線的曲率分布，借助公式(14)、(15)、及(18)就能單值性地確定該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的幾何位置，即該縱軸在空間的彎曲及扭轉(zhuǎn)。因?yàn)殡S意一條線的彎曲和扭轉(zhuǎn)分布就是這條線的自然方程式，所以這條線上每個(gè)選定點(diǎn)的位置在空間是確定了的，因而細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的空間曲線的形狀和位置就能顯示出來。最終就能確定此縱軸上任何一些選定點(diǎn)的相互位置。
監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的設(shè)備，它包括調(diào)制波能源4(圖3)以及沿著給定的座標(biāo)S設(shè)置在做成纜繩形式的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的波能傳輸延伸線5，此波能傳輸延伸線5被用來收集和發(fā)送與該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的縱軸6對(duì)應(yīng)的有關(guān)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面幾何位置變化的信息。此波能傳輸延伸線5做成至少包括一條基準(zhǔn)通道和至少一條測(cè)量通道的多模波導(dǎo)的形式，基準(zhǔn)通道同測(cè)量通道的相互作用隨該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的幾何位置改變而定。
監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)用的設(shè)備包括一個(gè)對(duì)信息進(jìn)行模擬處理用的部件7，被用來將由波能傳輸延伸線5變換過的基準(zhǔn)信號(hào)從波能傳輸延伸線5中分出去，以便確定該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1狀態(tài)的力學(xué)特性;它還包括一個(gè)用來形成給定模式的空間-時(shí)間結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)信號(hào)的空間濾波器8，被接在調(diào)制波能源4的輸出端和波能傳輸延伸線5之間?？臻g濾波器8有兩個(gè)輸入端9和10，而空間濾波器8與波能傳輸延伸線5聯(lián)結(jié)的區(qū)域用序號(hào)11表示。
此監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)用的設(shè)備還包括一個(gè)空間濾波器12，被用來將從波能傳輸延伸線5輸出端得到的給定模式的空間-時(shí)間結(jié)構(gòu)的信號(hào)變換與時(shí)間相關(guān)的信號(hào)?？臻g濾波器12通過區(qū)域13與波能傳輸延伸線5相聯(lián)，并被安置在波能傳輸延伸線5與模擬處理信息部件7的輸入端之間?？臻g濾波器12有兩個(gè)輸出端14和15。
空間濾波器8和12做成相同的，而且可以根據(jù)波能傳輸延伸線5的類型用已知的方法來實(shí)現(xiàn)。例如對(duì)于利用波H10，H20作為基準(zhǔn)通道和測(cè)量通道的矩形波導(dǎo)形式的延伸線5來說，濾波器8或者12就是串接在波導(dǎo)上的三分貝橋接岔路(圖中未表示)，它的臂經(jīng)過兩個(gè)帶有差分相移π/2的靜態(tài)移相器接在波導(dǎo)上。在光學(xué)波段的波型空間濾波器的實(shí)施例及構(gòu)造原理，已援引在下述文獻(xiàn)中J.oftheOpticalSoeietyofAmerica，№60，№9，1980，N.S.Kapany，etal，“FiberOptics，Xll，AtechniqueforlaunehinaanarbitrarymodeonanOpticaldielectricWaveguide”。
除此而外，此監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的設(shè)備還包括一臺(tái)視頻終端機(jī)16，用來將所獲得的力學(xué)特性顯示出來，其輸入端與模擬處理信息部件7的輸出端實(shí)行電聯(lián)結(jié)。
調(diào)制波能源4包括振蕩發(fā)生器17和調(diào)制器18，振蕩發(fā)生器17的輸出端接在空間濾波器8的輸入端，而調(diào)制器18的輸出端接在振蕩發(fā)生器17的輸入端。
作為調(diào)制波能源4，可以利用標(biāo)準(zhǔn)的物理場(chǎng)振蕩發(fā)生器-激光器(光量子發(fā)生器)、超高頻發(fā)生器和彈性振蕩發(fā)生器。
對(duì)信息進(jìn)行模擬處理用的部件7，它包括同步檢波器19和20-它們的第一個(gè)輸入端分別和空間濾波器12的輸出端14和15相聯(lián)，積分器21、運(yùn)算放大器22-其第一個(gè)輸入端接在積分器21的輸出端，而其輸出端則與視頻終端機(jī)16的輸入端實(shí)行電聯(lián)結(jié);積分器21的輸入端接在同步檢波器20的輸出端，運(yùn)算放大器22的第二個(gè)輸入端接在同步檢波器19的輸出端。此模擬處理信息部件7還包括有差頻振蕩器23，其輸出端分別接在同步檢波器19，20的第二個(gè)輸入端。
此監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)用的設(shè)備包括有定向耦合器24，用來使差頻振蕩器23同步。定向耦合器24的輸出端與差頻振蕩器23的輸入端相聯(lián)?？臻g濾波器12與同步檢波器19，20的每一條互聯(lián)都被接地屏蔽罩住。
此監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)設(shè)備包括有模-數(shù)變換器26，其輸入端接在模擬處理信息部件7的輸出端;還包括微處理機(jī)27，其輸入端與模-數(shù)轉(zhuǎn)換器26的輸出端相聯(lián)，而其輸出端則接在視頻終端機(jī)16的輸入端。
對(duì)于所推薦遠(yuǎn)程監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的設(shè)備，它包括至少一條接收-發(fā)送有關(guān)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸6的彎曲和扭轉(zhuǎn)值信息的通道，從該結(jié)構(gòu)縱軸6上任意點(diǎn)B1或B2將此信息接收及發(fā)送到處在所推薦的設(shè)備和該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)之外的遙控點(diǎn)上去，此通道包括第一天線31以及串聯(lián)在一起的發(fā)送器28(圖4)、接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器29和觸發(fā)器30，而觸發(fā)器30的輸出端接在調(diào)制波能源4的輸入端。發(fā)送器28的輸入端與模擬處理信息部件7的輸出端相聯(lián)結(jié)，接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器29的輸入-輸出端與第一天線31相聯(lián)。發(fā)送器28、接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器29、觸發(fā)部件30、調(diào)制波能源4、模擬處理信息部件7和空間濾波器8及12組合在一起構(gòu)成監(jiān)控部件32，布置在直接靠近該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1的一端處，該結(jié)構(gòu)的另外一端則借助于負(fù)載33固定不動(dòng)。
除此而外，至少有一條接收-發(fā)送信息的通道，它包括第二天線34以及串聯(lián)在一起的第一發(fā)送器35、第一接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器36和第一接收器37，其輸出端接在模-數(shù)變換器26的輸入端，而第一接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器36的輸入-輸出端則與第二天線34相聯(lián)，由模-數(shù)轉(zhuǎn)換器26、微處理機(jī)27、視頻終端機(jī)16、第一發(fā)送器35、第一接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器36和第一接收器37組合在一起，構(gòu)成數(shù)字處理及信息顯示耦合部件38。此耦合部件38離開被監(jiān)控的目標(biāo)-細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1有一定的距離，而且被設(shè)置在由該處實(shí)現(xiàn)遙控的區(qū)域內(nèi)。
還可能有另外一條接收-發(fā)送信息的通道，它包括發(fā)送器28、接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器29、觸發(fā)部件30、天線31以及第三天線34和串聯(lián)在一起的第二轉(zhuǎn)換器34，第二發(fā)送器35、第二接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器36和第二接收器37，該接收器37的輸出端接在模-數(shù)變換器26的輸入端，而第二接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器36的輸入-輸出端則與第三天線34相聯(lián)。由第二發(fā)送器35、第二接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器36和第二接收器37同樣組合在一起，構(gòu)成耦合部件38。第二和第三天線34之間的距離相應(yīng)于測(cè)量基線b。
圖5為對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1例如纜繩的狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，纜繩的上端借助浮標(biāo)40維持在水面39上，而纜繩的底端則借助于負(fù)重-錨-塊巖33固定在水底41上不動(dòng)，可以從船42上實(shí)現(xiàn)。在船42上設(shè)置了第二和第三天線34，以便形成一條從該船上實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的測(cè)量基線b。為了確定此細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1與船42的相互位置，在船42和浮標(biāo)40之間組成了兩條接收-發(fā)送信息的通道。在XOY的笛卡爾座標(biāo)系中確定浮標(biāo)40和船42的相互位置，座標(biāo)原點(diǎn)0與天線31同浮標(biāo)40的連接點(diǎn)重合。浮標(biāo)40與船42之間的相互位置，可以用船42上第二和第三天線34和浮標(biāo)40之間相應(yīng)的一對(duì)距離d1和d2值來表征。當(dāng)浮標(biāo)40在空間移動(dòng)時(shí)，其新的位置用點(diǎn)O′表示，于是該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1(纜繩)表面的幾何位置以及船42上第二和第三天線34與O′相應(yīng)的一對(duì)距離d1′和d2′值將發(fā)生改變。在XOY座標(biāo)系中，O點(diǎn)位置分別用對(duì)OX和OY軸座標(biāo)的偏差量σx和σy來表示。
在對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，有可能在水底面41(圖6)上建立測(cè)量基線b。在這種情況下的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(纜繩)1，譬如，可以放在水中。此纜繩1的兩端借助浮標(biāo)40維持在水表面上，其中每個(gè)浮標(biāo)40中都設(shè)置有與自身的天線31相聯(lián)的監(jiān)控部件32。
每一個(gè)監(jiān)控部件32都包括串聯(lián)在一起的空間濾波器12，模擬處理信息部件7、發(fā)送器28、接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器29、觸發(fā)部件30、調(diào)制波能源4和空間濾波器8，其輸出端接在波能傳輸延伸線5的輸入端，而波能傳輸延伸線5的輸出端則與空間濾波器12的輸入端相聯(lián)。
在這種情況下的數(shù)字處理和信息顯示耦合部件38是安置在由該處實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)的，例如船42上，它包括串聯(lián)在一起的第一發(fā)送器35、第一接收-發(fā)送轉(zhuǎn)變器36和第一接收器37，該接收器37的輸出端經(jīng)過模-數(shù)變換器26和微處理機(jī)27與視頻終端機(jī)16相聯(lián)。被監(jiān)控的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1可劃分為三個(gè)區(qū)段第一及第二區(qū)段處于放置在水面上的兩個(gè)纜繩1端點(diǎn)和兩個(gè)負(fù)重33之間，作為負(fù)重33可以采用放置在水底表面41上的錨-塊巖，并用來組成測(cè)量基線b。第三個(gè)區(qū)段也就是位于兩個(gè)負(fù)重33之間的該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1的區(qū)段。每個(gè)監(jiān)控部件32上都接有自己的固定在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1上的波能傳輸延伸線5，而且其中的一條延伸線5譬如用來監(jiān)控一個(gè)區(qū)段，而另一個(gè)被用來監(jiān)控其余兩個(gè)區(qū)域。
圖7中表示的內(nèi)容，包括用來表示該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1縱軸6(圖6)上的四個(gè)給定點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)相互位置的幾何構(gòu)成。圖7中縱軸6上用B1和B2表示的兩個(gè)點(diǎn)，與負(fù)重33在水底41上的位置(圖6)相對(duì)應(yīng)，這時(shí)，其間的距離就構(gòu)成了測(cè)量基線b，而中點(diǎn)O也就是笛卡爾座標(biāo)系XOY的原點(diǎn)，其中OX軸為測(cè)量線b的延長(zhǎng)。縱軸6上的兩個(gè)其余點(diǎn)B1′和B2′(圖6)，對(duì)應(yīng)于浮標(biāo)40在水面39上的位置。點(diǎn)B1′和B2′構(gòu)成了可動(dòng)的測(cè)量基線b′，其中點(diǎn)O′為笛卡爾座標(biāo)系X′O′Y′的原點(diǎn)，其中的O′X′軸是測(cè)量基線b′的延長(zhǎng)。
圖7中的P點(diǎn)表示船42(圖6)，由此點(diǎn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
線段d1，d2，和d1′，d2′，表示由P點(diǎn)到B1，B2和B1′，B2′點(diǎn)的相應(yīng)距離。
線段δx1，δx2，δy1，δy2，分別表示XOY座標(biāo)系中點(diǎn)B1′，B2′對(duì)于點(diǎn)B1，B2的座標(biāo)偏差。
線段X，y和X′，y′就是P點(diǎn)在XOY和X′O′Y′座標(biāo)系中的相應(yīng)座標(biāo)。
圖8中表示出放在水中的以絕緣纜繩形式出現(xiàn)的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1，其頂部固定有帶監(jiān)控部件32和天線31的浮標(biāo)40，而纜繩的底部則借助負(fù)重33固定在水底表面41上。
圖9以放大的比例表示纜繩1(圖8)的橫截面。在絕緣保護(hù)外皮43上沿其四條母線設(shè)置波能傳輸延伸線5。保護(hù)外皮43內(nèi)部設(shè)有纜繩1的鋼制載重纜心44。
圖10表示的是圖8所示細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)纜繩1在其與負(fù)重33連接區(qū)域中的軸測(cè)立體圖。波能傳輸延伸線5安置在圓柱形保護(hù)外皮43上，并在纜繩1底部構(gòu)成回路45。
此監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)設(shè)備的工作方式如下。作為表征該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1狀態(tài)(圖3)的被監(jiān)控參數(shù)，本實(shí)施例中選的是該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1表面上的三條母線沿著給定的弧座標(biāo)S的符號(hào)變化的彎曲分布。波能傳輸延伸線5與細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1剛性連接，當(dāng)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1彎曲時(shí)，延伸線中有規(guī)律的波動(dòng)過程將受到干擾。
在監(jiān)控開始時(shí)，調(diào)制器18產(chǎn)生對(duì)振蕩發(fā)生器17的振蕩進(jìn)行調(diào)制的脈沖序列。調(diào)制脈沖的脈寬和周期是由所要監(jiān)控的參數(shù)-監(jiān)控的動(dòng)態(tài)范圍及其分辨率確定的，而同時(shí)還取決于波能傳輸延伸線5的參數(shù)。在振蕩發(fā)生器17的輸出端將會(huì)形成相干振蕩的脈沖序列，例如超高頻電磁場(chǎng)。這種相干振蕩序列被送給空間濾波器8的輸入端。在空間濾波器8中，超高頻場(chǎng)的空間結(jié)構(gòu)將按一定方式進(jìn)行變換，以使在區(qū)域11中該結(jié)構(gòu)能同延伸線5分出來的基準(zhǔn)通道所要求的模場(chǎng)結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。因而就形成了基準(zhǔn)信號(hào)并被送給延伸線5。此基準(zhǔn)信號(hào)在沿著基準(zhǔn)通道傳輸?shù)耐瑫r(shí)，在波能傳輸延伸線5發(fā)生彎曲的地方，于測(cè)量通道內(nèi)將激勵(lì)出能夠形成與基準(zhǔn)信號(hào)相干的測(cè)量信號(hào)的脈沖。這些脈沖將沿著測(cè)量通道傳輸，其速度不同于基準(zhǔn)信號(hào)的傳輸速度。
在通過區(qū)域13之后，基準(zhǔn)信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的超高頻模場(chǎng)借助空間濾波器12在空間分離，并被送到它的波能場(chǎng)輸出端14和15。這些輸出端14和15是同模擬處理信息部件7的輸入端相聯(lián)的。所以測(cè)量信號(hào)和基準(zhǔn)信號(hào)都被送進(jìn)了部件7。隨后測(cè)量信號(hào)被送入同步檢波器19的第一輸入端，而基準(zhǔn)信號(hào)被送進(jìn)定向耦合器24的輸入端，該耦合器24能分出基準(zhǔn)信號(hào)的不大一部分能量來與差頻振蕩器23同步。其余的能量傳給同步檢波器20的第一輸入端。同時(shí)送給同步檢波器19和20第二輸入端的，還有來自差頻振蕩器23的與基準(zhǔn)信號(hào)相干的超高頻場(chǎng)的信號(hào)，由此來實(shí)現(xiàn)超高頻場(chǎng)的同步檢波(保留測(cè)量信號(hào)超高頻脈沖包絡(luò)線的符號(hào))。于是在同步檢波器19和20的輸出端將出現(xiàn)電信號(hào)。而且同步檢波器20輸出端的信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的包絡(luò)線成比例，而同步檢波器19輸出端的信號(hào)在考慮到符號(hào)的前提下與測(cè)量信號(hào)的包絡(luò)線成比例，而其本身也就是反映了沿著該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1表面上母線彎曲增量的分布。
由同步檢波器20輸出的基準(zhǔn)信號(hào)電脈沖被送給積分器21的輸入端，而在其輸出端將組成一個(gè)與輸入脈沖信號(hào)振幅相應(yīng)的電信號(hào)。積分的振幅信號(hào)將從積分器21送給運(yùn)算放大器22的第一輸入端。送給運(yùn)算放大器22第二輸入端的是由同步檢波器19輸出的信號(hào)。從運(yùn)算放大器22輸出端取出來的電信號(hào)，其大小僅由該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1表面上三條母線彎曲增量的積分值來決定，而與空間濾波器8的輸入端9以及空間濾波器12的輸出端15的基準(zhǔn)信號(hào)大小無關(guān)。從運(yùn)算放大器22輸出的電信號(hào)，與該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1表面上三條母線的彎曲相應(yīng)，而且就是模擬處理信息部件7的輸出信號(hào)，借助模-數(shù)變換器26就能將其變換為數(shù)字編碼并被送進(jìn)微處理機(jī)27的輸入端。將這個(gè)數(shù)字碼按公式(14)、(15)、(18)進(jìn)行處理，并根據(jù)所得到的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1縱軸6的彎曲及扭轉(zhuǎn)值來確定該縱軸6上B1和B2的位置，比如B1和B2點(diǎn)是和按照已知的彎曲和扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得出來的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩最大值相對(duì)應(yīng)。將所得到的有關(guān)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1縱軸6形狀、空間位置以及產(chǎn)生最大的內(nèi)部負(fù)荷力矩位置的數(shù)據(jù)從微處理機(jī)27的輸出端送給視頻終端機(jī)16的輸入端，以便按圖形及字母-數(shù)字形式進(jìn)行顯示。
因此，所推薦的監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)方法及實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備，能夠用來有選擇性地獲得該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸的彎曲及扭轉(zhuǎn)值，并在此基礎(chǔ)上確定該縱軸上被選擇點(diǎn)的座標(biāo)，因而有可能大大提高對(duì)于由外部負(fù)荷作用而引起空間變形的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的監(jiān)控精度。
必須將波能傳輸延伸線5(圖9)沿著細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1表面的母線放置在經(jīng)過該結(jié)構(gòu)1的縱軸6并構(gòu)成相等的空間角α的平面內(nèi)，是由母線及該結(jié)構(gòu)1縱軸6之間的空間幾何位置所確立相關(guān)系式(14)(15)(18)所決定的。如果這個(gè)條件被破壞，就會(huì)使處理有關(guān)母線彎曲信息以便得出縱軸6的彎曲和扭轉(zhuǎn)的算法大為復(fù)雜了，甚至可使確定縱軸6在空間中的幾何位置及縱軸上選定點(diǎn)如B1，B2座標(biāo)(圖3)的精度降低。
為了保證對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1的遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)于所述的直接監(jiān)控設(shè)備至少要補(bǔ)充一條接收-發(fā)送通道，而其一系列元件均須設(shè)置在遠(yuǎn)離該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1并由該處實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的地方。這種設(shè)備的實(shí)例在圖4中給出，其工作方式如下。
根據(jù)由部件38中的第一發(fā)送器35形成并經(jīng)過第一接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器36及第二天線34傳輸?shù)某哳l或光學(xué)波段信號(hào)，第一天線31受到接收信號(hào)的激勵(lì)，由天線31經(jīng)過接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器29接通與調(diào)制波能源4相聯(lián)的觸發(fā)部件30。此調(diào)制波能源4同樣產(chǎn)生超高頻光學(xué)波段的空間波，經(jīng)過空間濾波器8來激勵(lì)延伸線5的基準(zhǔn)通道(在圖4中為簡(jiǎn)化起見，延伸線5是沿著細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1的兩條母線定的)。在模擬信息處理部件7的輸出端，經(jīng)過空間濾波器12將從延伸線5上得到的信息送入其輸入端之后，便會(huì)產(chǎn)生與該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1表面上母線彎曲成比例的電信號(hào)。此放大了的并準(zhǔn)備通過空氣介質(zhì)傳輸?shù)碾娦盘?hào)，借助接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器29由發(fā)送器28提供給第一天線31，并發(fā)送給部件38的第二天線34。在通過第一接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器36及第一接收器37之后，由微處理機(jī)27進(jìn)行信息處理，經(jīng)過模-數(shù)變換器26變換后變成數(shù)字碼。然后根據(jù)距離及方位確定部件38的第二天線34相對(duì)第一天線31的相互位置。
在得出有關(guān)第一及第二天線31及34的相互位置信息之后，借助微處理機(jī)27使該信息同模-數(shù)變換器26輸出的有關(guān)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1母線彎曲的信息一起進(jìn)行處理，以便確定此細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1縱軸6相對(duì)部件38的第二天線34的幾何位置。為了要在需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)組織測(cè)量基線，存在有第三天線34，而在部件38中要設(shè)置第二發(fā)送器35、第二接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器36和第二接收器37，其工作方式與第一套類似元件相同。在這種情況下，在知道第二和第三天線34之間的距離之后(即測(cè)量基線b)，更為準(zhǔn)確而可靠地確定部件38與監(jiān)控部件32的相互位置就有了保證。在將部件38安置在可動(dòng)的目標(biāo)例如船42上時(shí)(圖5)，這就特別重要，在這種情況下作為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1，利用的是借助設(shè)置在水底表面41上的負(fù)重33拋錨的纜繩，纜繩1的上端由帶有監(jiān)控部件32(圖4)和天線31的浮標(biāo)40維持在水面39上。在這種情況下，有可能確定船42(圖5)相對(duì)于處在水底表面41上的纜繩1底端的位置，因此在水底座標(biāo)系中能夠監(jiān)控纜繩1縱軸b的幾何位置和船42的位置。由于水文氣象介質(zhì)的作用，浮標(biāo)40也有自己的位置(圖5中的位置O′)，它不同于由距離d1，d2確定的起始位置(O位置)，并可由距離d1′，d2′來確定。在XOY座標(biāo)系中的這種位移，同樣可以用座標(biāo)偏差σx和σy來表示。對(duì)于現(xiàn)代化的船只來說，其長(zhǎng)度往往超過百米，這樣長(zhǎng)度的測(cè)量基線可以保證確定浮標(biāo)40相對(duì)于船42相對(duì)位置的高精度，因而也就保證了從船42上遠(yuǎn)程監(jiān)控纜繩1的精度。
因此，借助圖4表示的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)從至少隨意一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在確定該遠(yuǎn)控點(diǎn)相對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1縱軸6上至少一個(gè)點(diǎn)的位置時(shí)就能實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，有關(guān)該結(jié)構(gòu)1縱軸6彎曲及扭轉(zhuǎn)值的信息，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)控點(diǎn)的傳送。
圖6中表示的設(shè)備，其工作方式基本上與圖4表示的設(shè)備相似。其差別在于，借助固定在纜繩1表面上兩個(gè)負(fù)重33之間區(qū)段中的波能傳輸延伸線5，可以確定這兩個(gè)負(fù)重33之間的距離，此距離也就是由細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1縱軸6上的兩個(gè)點(diǎn)B1和B2組成的固定測(cè)量基線b。此設(shè)備的工作方法，在圖7中已經(jīng)說明。在圖7中，船42(圖6)的起始位置用P點(diǎn)來表示，負(fù)重33(圖6)在水底表面41上的位置用B1和B2點(diǎn)(圖7)表示，而浮標(biāo)40(圖6)的位置用B1′和B2′(圖7)表示。
固定的平面(水平)笛卡爾座標(biāo)系XOY的原點(diǎn)O，設(shè)置在點(diǎn)B1和B2之間的測(cè)量基線b的中點(diǎn)處。DY軸與直線B1B2方向垂直，而DX軸則沿基線b向右。將P點(diǎn)以直線線段同B1和B2聯(lián)結(jié)起來，而所得到的兩段距離d1和d2就決定了在水底座標(biāo)系中船42的位置。這時(shí)d＝(d1+d2)/2;△＝d1-d2在笛卡爾座標(biāo)系XOY中，對(duì)于用于測(cè)量和-差距離的船42的位置(圖7上的P點(diǎn))，按已知方法可以確定X＝ (△·d)/(4b) ，y =12d2+(△2)2-(b2)2-(△ · d4b)2(19)]]>實(shí)際條件下在船42上確定的到浮標(biāo)40(相應(yīng)于B1′和B2′)的距離d1′和d2′，用以下參數(shù)表示d′＝(d1′+d2′)/2;△′＝d1′-d2′而且浮標(biāo)40對(duì)于負(fù)重33的偏差，在圖7中分別用δx1，δx2，δy1，δy2表示。
在三角關(guān)系和條件b＞＞δx1，2，δy1，2(實(shí)際上很容易達(dá)到)的基礎(chǔ)上，在船42(圖6)上就能確定新的可動(dòng)基線b′(圖7)的瞬時(shí)值。
b′=(b+δx1-δx1)2+(δy1-δy1)2]]>而且船42(圖6)所在的P點(diǎn)在可動(dòng)座標(biāo)系X′O′Y′中的瞬時(shí)座標(biāo)可由下列公式確定，而該座標(biāo)系的中心O′安置在由B1′和B2′點(diǎn)表示的基線b′的中點(diǎn)處
X′=Δ′d′4b′;y′=12(d′)2-(Δ′2)-(b′2)2-(Δ′·d′4b′)2]]>隨后就能根據(jù)可動(dòng)基線b′的位置確定校準(zhǔn)參數(shù)△和dΔ=Δ′+2y′(δy12d′+Δ′-δy22d′-Δ′)+b′(δx12d′+Δ′+δx22d′-Δ′)+X′(δx12d′+Δ′-δx22d′-Δ′)]]>d=d′+2y′(δy12d′+Δ′-δy22d′-Δ′)+b′(δx12d′+Δ′-δx22d′-Δ′)+X′(δx12d′+Δ′+δx22d′-Δ′),]]>而在公式(19)的基礎(chǔ)上就能確定座標(biāo)值X和y。
這樣一來就能確定遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)P相對(duì)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1縱軸6上兩個(gè)選定點(diǎn)B1和B2的位置，而B1和B2之間的距離就是固定的或大小可變的測(cè)量基線b。建立這條基線b，就能用最普通和可靠的途徑確定遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)和細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的相互位置。
由于在設(shè)計(jì)和使用下確定浮標(biāo)40(圖8)方面存在著大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，所以在現(xiàn)有的纜繩情況下，將波能傳輸延伸線5設(shè)置在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)1表面上的圓柱形保護(hù)外皮43(圖9)內(nèi)比較合適。這種保護(hù)外皮43能夠保護(hù)纜繩1的鋼制載荷纜心44不會(huì)生銹，并且沿著相隔α＝90°角設(shè)置的四條母線將波能傳輸延伸線5固定在表面上。在這種情況下之所以選擇四條母線，是為了使波能傳輸延伸線5(圖10)的輸入和輸出端位于纜繩1頂部的水面39(圖8)上。這同樣能使監(jiān)控部件32(圖4)設(shè)置在水面39上的浮標(biāo)40中(圖8)，而且能夠避免制造價(jià)值昂貴的專用運(yùn)輸容器和浮水無線電電子設(shè)備的必要性。通過在將負(fù)重33固定在纜繩1(圖8)處構(gòu)成回路45(圖10)，就能將波能傳輸延伸線5測(cè)出來的彎曲量的巨大變化專門結(jié)合在一起，用來對(duì)此延伸線5進(jìn)行校準(zhǔn)及便于組織測(cè)量作業(yè)。
由此可見，這種監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法及實(shí)現(xiàn)該方法用的設(shè)備，在有外部負(fù)荷作用的情況下，能夠提高在三維空間對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)控的精度及同時(shí)確定該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)縱軸上隨意選定點(diǎn)的座標(biāo)。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)用的方法是選擇一條波能傳輸延伸線(5)，保證具有已知的空間一時(shí)間結(jié)構(gòu)物理場(chǎng)的模的信號(hào)能夠在其中傳播；將這種選好的波能傳輸延伸線(5)，按照給定的座標(biāo)(S)沿著細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)的縱軸(6)布置在其表面上；在波能傳輸延伸線(5)中，至少要分出一條基準(zhǔn)通道及至少要分出一條測(cè)量通道，其中每個(gè)通道中模的相位速度是按已知方式延緩了的；沿著波能傳輸延伸線(5)，保證至少要有一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少要有一個(gè)隨細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面幾何位置變化的測(cè)量通道的模場(chǎng)的定向相互作用，以便在基準(zhǔn)通道中傳播信號(hào)的過程中，能夠在測(cè)量通道中得到一個(gè)隨著表征該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)狀態(tài)的該結(jié)構(gòu)(1)表面幾何位置的變化而變化的信號(hào)，而基準(zhǔn)信號(hào)是按時(shí)間進(jìn)行調(diào)制的；形成物理場(chǎng)形式的振蕩并將這些振蕩變換為具有給定的空間-時(shí)間的模場(chǎng)結(jié)構(gòu)的信號(hào)；要將波能傳輸延伸線(5)至少一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少一個(gè)測(cè)量通道輸出端的模場(chǎng)變換為僅為時(shí)間相關(guān)的電信號(hào)；將基準(zhǔn)通道輸出端電信號(hào)的振幅區(qū)分出來；將測(cè)量通道輸出的基準(zhǔn)通道輸出端電信號(hào)的振幅成反比的信號(hào)進(jìn)行放大；利用線性比例變換，將波能傳輸延伸線(5)的基準(zhǔn)和測(cè)量通道中模的相位速度延緩差值同監(jiān)控例行時(shí)間以及沿波能傳輸延伸線(5)的給定座標(biāo)(S)的讀數(shù)聯(lián)系起來，然后確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面的幾何位置，其特征在于沿著波能傳輸延伸線(5)保證至少要有一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少要有一個(gè)測(cè)量通道的定向相互作用，與細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面的彎曲值有關(guān)，而波能傳輸延伸線(5)是至少沿著三條母線設(shè)置及固定在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面上的；根據(jù)波能傳輸延伸線(5)的至少一條基準(zhǔn)通道及至少一條測(cè)量通道輸出的信號(hào)，就能得到該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面上至少三條母線的彎曲值；根據(jù)所得到的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面上至少三條母線的彎曲值，就能夠確定該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)的彎曲和扭轉(zhuǎn)值，而根據(jù)所得到的該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)的彎曲和扭轉(zhuǎn)值，也就能夠求出該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)上選定點(diǎn)(B1，B2)的座標(biāo)。
2.如權(quán)利要求1所述監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法，其特征在于根據(jù)所得到的該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)的彎曲和扭轉(zhuǎn)值，可以求出沿著細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)的內(nèi)部負(fù)荷分布，此內(nèi)部負(fù)荷即表示該結(jié)構(gòu)(1)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的方法，其特征在于為了能夠從至少任意一個(gè)遠(yuǎn)離該結(jié)構(gòu)(1)的遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)(P)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，就要確定該遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)(P)相對(duì)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)上至少一個(gè)點(diǎn)(B1)的相對(duì)位置，并將有關(guān)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)彎曲及扭轉(zhuǎn)值的信息傳遞給遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)(P)。
4.一種監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)用的設(shè)備，它包括調(diào)制波能源(4)，用來形成隨時(shí)間及空間變化的基準(zhǔn)信號(hào)，并做成將調(diào)制器(17)及物理場(chǎng)波能發(fā)生器(18)串聯(lián)在一起的形式;包括按照給定的座標(biāo)(S)設(shè)置在細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面上的波能傳輸延伸線(5)，用來將有關(guān)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面幾何位置變化的信息收集及傳送出去，它與調(diào)制波能源(4)的輸出端相聯(lián)并做成具有相互作用的至少一個(gè)基準(zhǔn)通道及至少一個(gè)測(cè)量通道的多模波導(dǎo)的形式，兩通道之間的聯(lián)系，隨細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面幾何位置的變化而變化;它包括一個(gè)對(duì)信息進(jìn)行模擬處理用的部件(7)，用來根據(jù)至少一條基準(zhǔn)通道及至少一條測(cè)量通道的輸出信號(hào)確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面的幾何位置，而且同波能傳輸延伸線的這些通道的輸出端相聯(lián);它包括視頻終端機(jī)(16)，用來對(duì)細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面的幾何位置進(jìn)行顯示，其輸入端與模擬處理信息部件(7)的輸出端實(shí)行電聯(lián)接;它包括空間濾波器(8)，用來激勵(lì)給定模場(chǎng)空間-時(shí)間結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)通道調(diào)制信號(hào)，它接在物理場(chǎng)調(diào)頻波能源(4)的輸出端和波能傳輸延伸線(5)之間;它包括空間濾波器(12)，用來在空間中劃分出至少一個(gè)由基準(zhǔn)信號(hào)激勵(lì)的基準(zhǔn)通道的模場(chǎng)，以及至少一個(gè)經(jīng)過通道之間的聯(lián)系(它隨細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的幾何位置而變)而受激勵(lì)的測(cè)量通道的模場(chǎng)，此空間濾波器(12)被安置在波能傳輸延伸線(5)的輸出端與模擬處理信息部件(7)的輸入端之間;而且至少一個(gè)基準(zhǔn)通道的輸入端和輸出端，也就是相應(yīng)的空間濾波器(8，12)波能場(chǎng)的第一個(gè)輸入端和第一個(gè)輸出端;而且至少一個(gè)測(cè)量通道和輸入端和輸出端，也就是相應(yīng)的空間濾波器(8、12)波能場(chǎng)的第二個(gè)輸入端和第二個(gè)輸出端，其特征在于它包括模-數(shù)變換器(26)和微處理機(jī)(27)，微處理機(jī)(27)的輸入端與模-數(shù)變換器(26)的輸出端相聯(lián)，模-數(shù)變換器(26)的輸入端與模擬處理信息部件(7)的輸出端相聯(lián)，微處理機(jī)(27)的輸出端接在視頻終端機(jī)(16)的輸入端，而波能傳輸延伸線(5)則至少沿著該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面上的三條母線固定在此結(jié)構(gòu)(1)的表面上，此三條母線位于經(jīng)過該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)且彼此構(gòu)成相等的空間角(α)的相應(yīng)平面內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)用的設(shè)備，其特征在于它至少包括一條接收-發(fā)送有關(guān)該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)表面上三條母線(5)彎曲值信息的通道，從該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)上的任意點(diǎn)將該信息接收-發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)(P)，該通道包括安置在直接靠近細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)處的天線(31)和監(jiān)控部件(32)，而監(jiān)控部件(32)又包括調(diào)制波能源(4)、模擬處理信息部件(7)、空間濾波器(8、12)、串聯(lián)在一起的發(fā)送器(28)、接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器(29)和觸發(fā)部件(30)，該觸發(fā)部件(30)的輸出端接在調(diào)制波能源(4)的輸入端，而發(fā)送器(28)的輸入端與模擬處理信息部件(7)的輸出端相聯(lián)，接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器(29)的輸入-輸出端與天線(31)相聯(lián);該通道還包括距離該細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)一定距離處設(shè)置的天線(34)、進(jìn)行數(shù)字處理及信息顯示的耦合部件(38)，此耦合部件(38)又包括模-數(shù)變換器(26)、微處理機(jī)(27)、視頻終端機(jī)(16)以及串聯(lián)在一起的發(fā)送器(35)、接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器(36)和接收器(37)，此接收器(37)的輸出端接在模-數(shù)變換器(26)的輸入端上，接收-發(fā)送轉(zhuǎn)換器(36)的輸入-輸出端接在天線(34)上。
全文摘要
一種監(jiān)控細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)狀態(tài)用的方法在于，至少要沿著該結(jié)構(gòu)的三條母線布置及固定波能傳輸延伸線(5)。根據(jù)測(cè)得的該母線的彎曲確定細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(1)縱軸(6)的彎曲和扭轉(zhuǎn)以及選定的坐標(biāo)和力學(xué)特性。
文檔編號(hào)G01B21/00GK1035557SQ8810918
公開日1989年9月13日 申請(qǐng)日期1988年10月28日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月30日
發(fā)明者塞格·邁克哈勞維克·邁克核維 申請(qǐng)人:中央地質(zhì)科學(xué)研究院有色及貴金屬研究所