(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210581249.0 (22)申请日 2022.05.26 (71)申请人 南京大学 地址 210009 江苏省南京市 鼓楼区汉口路 22号 (72)发明人 朱鸿鹄　吴冰　曹鼎峰　刘天翔　 徐靓　程刚　施斌　 (74)专利代理 机构 南京苏高专利商标事务所 (普通合伙) 32204 专利代理师 郭楠 (51)Int.Cl. G01N 21/17(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电 测试系统和方法 (57)摘要 本发明公开了一种原位冻土冰水组分辨识 与动态示踪的光电测试系统和方法， 该测试系统 包括光电传感测试组件、 数据解调分析系统和自 给式脉冲供电控制系统； 光电传感测试组件包括 多个串联连接的光电传感测试单元； 光电传感测 试单元包括变温超弱光纤光栅传感光缆和多个 频域反射探头， 频域反射探头与变温超弱光纤光 栅传感光缆测点对应。 本发明通过超弱光纤光栅 温度传感和频域反射技术， 基于脉冲变温和多相 热耗散原理， 通过冻土温度响应值与土体导热系 数、 含水率、 含冰量之间的关系， 实现原位冻土中 冰水组分识别以及水分场参数的精 准测定， 实现 冻土冰水 组分识别和动态示踪， 解决了冻土性质 不稳定导致参数难测量的难题， 具有扰动小、 分 布性、 实时性、 自动化的优点。 权利要求书2页 说明书6页 附图2页 CN 114858720 A 2022.08.05 CN 114858720 A 1.一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统， 其特征在于： 包括光电传 感测试组件、 数据解调分析系统(5)和自给式脉冲供电控制系统(9)； 所述光电传感测试组 件包括多个串联 连接的光电传感测试 单元； 所述光电传感测试单元包括变温超弱光纤光栅传感光缆(3)和多个频域反射探头(4)， 所述频域反射探 头(4)与变温超弱光纤光 栅传感光 缆(3)的测点 位置对应。 2.根据权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统， 其特征 在于： 所述 光电传感测试 单元以水平或垂直方式布设于原位冻土内。 3.根据权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统， 其特征 在于： 所述数据解调分析系统(5)包括数据解调传输装置(8)、 数据云端(6)和数据存储分析 终端(7)， 所述数据解调传输装置(8)包括高精度光纤解调模块、 FDR数据解译模块和数据传 输模块； 所述数据传输模块将采集的数据通过 数据云端(6)传输 至数据存 储分析终端(7)。 4.根据权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统， 其特征 在于： 所述自给式脉冲供电控制系统(9)包括 风力发电机组、 光伏发电系统和智能开关。 5.一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法， 其特征在于： 采用 如权利 要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统， 所述测试方法包括以下 步骤： (1)将串联 连接的光电传感测试 单元竖直或水平 布设于原位冻土(12)内； (2)将光电传感测试组件连接至数据解调分析系统(5)和自给式脉冲供电控制系统 (9)， 通过多个频域反射探头(4)连续采集变温超弱光纤光栅传感光缆(3)的测点处的原位 冻土中的波长数据并转换为温度数据， 得到原 位冻土的初始温度沿深度或距离的空间分布 和随时间的变化； (3)根据原位冻土的初始温度的空间分布和时间的变化确定冻融锋面， 并对冻融锋面 的位置变化进行定位和追踪， 同时界定冻土与未冻土区域； (4)打开自给式脉冲供电控制系统(9)， 以恒定功率P和时间t2对变温超弱光纤光栅传感 光缆(3)加热， 为原位温度场提供脉冲热源， 数据解调分析系统(5)同时记录变温UFBG传感 光缆(3)的波长数据和FDR探 头(4)的含水率初始数据 θw′； (5)根据原位冻土(12)的初始温度、 FDR探头(4)的误差分析结果对FDR探头(4)所采集 的含水率初始数据进行误差修 正， 得到修 正后的原位冻土(12)的含水率θw； (6)将变温超弱光纤光栅传感光缆(3)的波长转换为温度信息， 得到土体热响应特征参 数， 从而得到 土体等效导热系数 λ； 具体过程 为： 所述变温UFBG传感光缆为稳态线性热源， 所述变温UFBG传感光缆加热后所测温度的变 化ΔTt为： 其中， t为加热时间， q为加热功率， λ为待测土体的导热系数， c为土壤热扩散率相 关的 常数； t1、 t2时刻的温度差值 为： 由式(2)推导出土体等效导热系数 λ：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114858720 A 2(7)结合原位土体的含水率数据θw、 等效导热系 数λ和土体导热系 数理论模型λ＝f( θi, θw)， 得到原位冻土的含冰量θi和原位冻土的总含水率θt， 其中， 所述土体总含水率θt＝θw+ θi， 实现原位冻土冰水组分辨识， 并得到原位冻土冰水组分含量的时空分布。 6.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法， 其特征 在于： 步骤(1)中， 采用钻孔回填的埋设方式将光电联合传感单元竖直布设于原位冻土中， 采用开挖槽沟的布设方式将光电联合传感单 元水平布设于原位冻土不同深度处。 7.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法， 其特征 在于： 步骤(3)中， 冻融锋面位置为0℃土体温度位置， 土体温度高于0℃的区域为未冻土区 域， 土体温度低于 0℃的区域 为冻土区域。 8.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法， 其特征 在于： 步骤(5)中， 所述FDR探 头(4)的误差分析 结果由室内试验确定， 具体步骤如下： (5.1)从监测现场取样并制备成若干组已知温度、 含水率的土壤样品； (5.2)在土壤样品中置入FDR探头(4)， 通过FDR探头(4)采集所述土壤样品的含水率测 量结果； (5.3)确认不同温度下 FDR探头的含水率测量结果与已知含水率之间的误差； (5.4)建立所述 误差与温度的关系。 9.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法， 其特征 在于： 步骤(7)中， 将步骤(6)中的土体等效导热系数λ和步骤(5)中的修正后的原位冻土 (12)的含水率θw代入公式(4)得到 土体含冰量θi； 所述公式(4)如下： 其中， Sr为土壤饱和系数， θw为原位冻土的土体含 水率， θi为土体含冰量； 对 于常温非饱和土， θi＝0； λw为水的导热系数、 λi为冰的导热系 数， λs为土颗粒 的导热系数； n 是土体孔隙比， k2、 χ、 η为与土体粒径分布、 颗粒 形状相关的经验系数。 10.根据权利要求5所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法， 其特征 在于： 步骤(7)中， 所述原位土体含冰量的计算以土体导热系数理论模型λ＝f( θi, θw)、 原位 冻土的土体含水率θw反演得到， 所述土体总含水率θt＝θw+θi。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114858720 A 3