CN103968804A - 高铁大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种高铁大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统及方法，属于光机电一体化测量技术领域。中心储液罐、参考储液罐坐落于非沉降区域地基上，多个测试储液罐坐落于沉降区域地基上；储液罐的上半部为气体，底端通过液体连接管道相互连通，上端通过气体连接管道相互连通；储液罐液体连接管道和气体连接管道之间用垂直的观察管道连通；在测试储液罐的内部安装低相干光学传感器。信号传输系统将测得的光信息转化为电信号输入到计算机并实时显示沉降。本发明系统性能稳定、不受隧道等恶劣环境影响，是对在役和新建结构都适用的一种新型光纤沉降监测方法。

Description

高铁大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于高速铁路大跨度地基微米沉降的低相干光学监测方法，是一种结合光纤传输、低相干光学干涉和精密水准技术的测量系统，属于光机电一体化测量技术领域。
背景技术
沉降监测是如高铁等大跨度土木结构的一项重要指标，目前对于地面、桥基等沉降监测普遍采用的是精密水准仪、精密三角高程测量、全球卫星定位系统(GPS)等，其中由美国基康公司研发的精密水准测量是目前高速铁路沉降监测采用的主要方法。由于监测成本的原因，精密三角高程测量是精密水准测量的补充，这两种方法在目前国内高铁沉降监测中发挥重要作用。
精密水准测量是利用基岩水准点和深埋水准点等建立高程控制的基准，然后再按照要求沿线路布设所需要的水准测量点，按信号的解调方式不同可分为：振弦式沉降仪、电压力传感式沉降仪和差动(Fiber Bragg Grating)FBG式沉降仪等。其中振弦式和电压力式的沉降测量精度在1毫米，差动FBG式的测量精度受浮子自重影响较大，一般在厘米水平。基于(Charge Coupled Devices)CCD成像技术沉降仪的测量精度可达0.1毫米，尽管其沉降测点可达32点甚至更多，而且易于联网等。但由于采用电信号传输，对于向高速铁路上千公里跨度地基的监测就难以胜任。
在大地测量技术基础上发展起来的三角测量法是基于几何原理，其精度一般在毫米，且有耗费人力、不能组网和测量周期长等缺点。
全球卫星定位系统(Global position system)GPS测量,可以获取三维坐标，对环境适应性强，可以用于不同地区的高速铁路设计阶段地基沉降监测，也可用于不同地区施工阶段的高程传递，或运营阶段的铁路三维监测，并可以通过有线或无线的形式实现自动化监测。目前在某些高速铁路的大跨度桥梁中采用了GPS监测技术，获得的数据及时、便捷。但GPS由于需要观测卫星，不适用于隧道或观测卫星困难的地段，且其精度最好水平是10厘米，远远不能满足高精度。
另外，其他的一些测量方法，其缺点都可以归到上面的三个类型中。
要克服大跨度沉降测量所需要的信号传输技术与缓慢高精度沉降监测的双层要求，本发明专利提出使用光纤作为信号传输，测点采用微米精度的低相干光学干涉技术，来满足高速铁路大跨度地基微米沉降监测的需要。
发明内容
本项发明提出并实现了一种基于光纤传输的低相干光学技术与精密水准技术相结合的，用于高速铁路大跨度地基微米沉降的低相干光学监测方法。本发明采用的技术方案如下：
高铁大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统，由中心储液罐、参考储液罐；多个测试储液罐、液体连接管道、气体连接管道、观察管道、低相干光学传感器、低相干光学液位测量及信号传输系统和计算机组成；中心储液罐、参考储液罐坐落于非沉降区域地基上，多个测试储液罐坐落于沉降区域地基上；所有的储液罐的上半部为气体；所有储液罐的底端通过液体连接管道相互连通，上端通过气体连接管道相互连通；每个储液罐外部的液体连接管道和气体连接管道之间用垂直的观察管道连通；在每个测试储液罐的内部安装测量液位高度的低相干光学传感器。
低相干光学液位测量及信号传输系统由宽谱光源、光纤环形器、分光镜、光纤自聚焦准直器、移动反射镜、步进电机移动台、光开关、光电探测器和计算机组成；宽谱光源经过光纤连接到第一光纤环形器的输入端后，第一光纤环形器的输出端通过第一连接光纤与分光镜相连，分光镜的另一端通过定长光纤连接到光纤自聚焦准直器上，光纤自聚焦准直器与移动反射镜之间形成可变空气光程，移动反射镜固定在步进电机移动台上，步进电机移动台拖动移动反射镜做直线运动，实现光程的可变调节，步进电机移动台的位置受计算机控制。
同时，第一光纤环形器的输出端与第二光纤环行器的输入端相连，第二光纤环行器的输出端与光开关的相连，光开关的另一端并列连接来自不同测试储液罐的第三连接光纤，第三连接光纤的另一端与各自的沉降监测点测试储液罐的液位测量传感器相连；通过光开关的切换可实现对多个沉降监测点测试储液罐液面高度巡回测量和监测。
同时，第二光纤环行器的输出端与光电探测器相连；光电探测器将探测的光信号通过放大后输入到计算机，计算机通过运算可以获得当前测试储液罐的液面高度。
低相干光学传感器为固定在测试储液罐的内壁顶面的内层金属壳及其相关部件，包括钢丝、金属环、光学调整架和储液罐分光镜；圆柱体内层金属壳开口向下倒扣在测试储液罐中，上部为气体，下部为液体；将光学调整架用螺钉固定在内层金属壳上部气体空间中，调节光学调整架使光纤自聚焦准直器垂直向下；将金属环用有孔螺钉固定在内层金属壳顶端，并用钢丝将金属环连同内层金属壳挂在测试储液罐的内壁顶面中心处；由于内层金属壳自身重力，当测试储液罐发生倾斜时，内层金属壳始终保持垂直；第四连接光纤连接自聚焦准直器和固定在内层金属壳内顶部的储液罐分光镜；内层金属壳的重力感应功能使得光纤自聚焦准直器发出的光始终保持与水面垂直，实现了光纤自聚焦准直器发出的光经过水面反射后耦合到光纤自聚焦准直器。
迈克尔逊低相干光学干涉的测量臂，是由测试储液罐顶部的储液罐分光镜、第四连接光纤、光纤自聚焦准直器和液面组成，测量臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分，其中的空气光程是由在重力作用下始终垂直向下的光纤自聚焦准直器到液面的空气距离决定；设计中使测量的总光程比参考臂略长4至5厘米左右；分光镜到移动反射镜的距离为迈克尔逊低相干光学干涉的参考臂，参考臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分。
高速铁路大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统的测试方法包括如下步骤：
步骤一，计算机的控制软件对步进电机移动台的工作进行初始设置，使步进电机回到零点；
步骤二，宽谱光源发出的光耦合到第一光纤环形器的输入端，从第一光纤环形器的输出端射出经过第一连接光纤被分光镜分成两部分：一部分光被反射回到第一连接光纤到达第一光纤环形器，另一部分光被分光镜透射，通过光纤自聚焦准直器投射到移动反射镜形成可调节空气光程，经移动反射镜反射后又耦合到光纤自聚焦准直器再通过分光镜、第一连接光纤从第一光纤环形器返回，返回后从第一光纤环形器经过第二连接光纤耦合到第二光纤环形器，经第二光纤环形器的输出端与第三连接光纤后，又被储液罐分光镜分成两部分：一部分光被储液罐分光镜反射，并由第三连接光纤再次进入第二环形器，另一部分光通过第四连接光纤，由光纤自聚焦准直器投射到液面，经液面反射耦合入光纤自聚焦准直器，经第四连接光纤、储液罐分光镜、第三连接光纤，入射到第二光纤环形器，再由第二光纤环形器的发出，最后被光电探测器接收；光电探测器将光信号转化为电信号传给计算机处理；
步骤三，计算机根据获得的电信号进行计算分析：当沉降发生时测试储液罐液体高度产生一个变化Δh，
将各个测试储液罐液位变化与参考储液罐的液位变化相减，就可以消除由于蒸发和沉降后液体流动所造成测试储液罐液位的相同变化因素，从而获得各个测试储液罐液位的绝对变化值，并以此来得出该测试储液罐所在位置的沉降量；
步骤四，结果显示：计算机将得到的沉降信息自动存储并实时的显示在界面上。
本发明等光程的实现原理如下：
测量臂，是由测试储液罐顶部的储液罐分光镜、第四连接光纤、光纤自聚焦准直器和液面组成，测量臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分，其中的空气光程是由在重力作用下始终垂直向下的光纤自聚焦准直器到液面的空气距离决定；设计中使测量的总光程比参考臂略长4至5厘米左右。
参考臂为分光镜到移动反射镜的距离，参考臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分。
光程1为测量储液罐分光镜到液面之间的光程，设为测量光程A；
光程2为从宽谱光源到光电探测器之间，除测试臂和参考臂之外的所有连接光纤光程，设为导引光程B；
光程3为参考臂中分光镜到移动镜的光程，设为参考光程C；
通过设定A和C的光程，是其满足：A＝C。这样无论B的长度为多少，也依然会有：A+B＝C+B成立，所以B不会对测量产生影响，正是这一特点为远距离测量提供了保证，使得导引光纤能够延伸而不会对测量产生误差。当电机扫描使参考臂的C和测量臂A的光程相等时，就可以得到相干信号，实现液面高度测量。
本发明的有益效果在于，采用分光镜实现了对透射光和反射光的分光比的良好控制，通过重力感应测量探头排除了小角度倾斜对测量结果的影响，具有结构稳定、环境适应性好、可移植性好、适合于工程化等优势。其理论沉降测量精度可达5微米，目前对于30米跨度点的长期监测，在总体动态沉降范围10厘米以内实现20微米的测量精度，而且动态范围可以根据实际需要进行选择性设计。该监测系统性能稳定、不受隧道等恶劣环境影响，是对在役和新建结构都适用的一种新型光纤沉降监测方法。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图。
图2是本发明沉降监测中储液罐液位测量原理图。
图3是低相干光学传感器结构示意图。
图4本发明多点沉降监测中储液罐分布接法示意图。
图中：1参考储液罐；2第二测试储液罐；3第三测试储液罐；4宽谱光源；5第一光纤环形器；6第一连接光纤；7分光镜；8光纤自聚焦准直器；9移动反射镜；10步进电机移动台；11第二连接光纤；12第二光纤环形器；13光开关；14光电探测器；15计算机；16第三连接光纤；17储液罐外壳；18钢丝；19金属环；20有孔螺钉；21内层金属壳；22螺钉；23光学调整架；24储液罐分光镜；25第四连接光纤；26光纤自聚焦准直器；27液面；28液体连接管道；29气体连接管道；30观察管道；31中心储液罐；N第N测试储液罐。
图5为没有沉降初计算机显示图，其中横坐标是步进电机移动台的位置，纵坐标是不同测试储液罐光电探测器所探测都的光强信号。
图6是当发生沉降时计算机显示图。测试储液罐的光强最大值位置，相对于零点参考储液罐的光强最大值位置，就会发生偏移，即表示储液罐的沉降量。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做详细的说明
高铁大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统，由中心储液罐31、参考储液罐1；多个测试储液罐、液体连接管道28、气体连接管道29、观察管道30、低相干光学传感器、低相干光学液位测量及信号传输系统和计算机组成；中心储液罐31、参考储液罐1坐落于非沉降区域地基上，多个测试储液罐坐落于沉降区域地基上；所有的储液罐的上半部为气体；所有储液罐的底端通过液体连接管道28相互连通，上端通过气体连接管道29相互连通；每个储液罐外部的液体连接管道28和气体连接管道29之间用垂直的观察管道30连通；在每个测试储液罐的内部安装测量液位高度的低相干光学传感器；
低相干光学液位测量及信号传输系统由宽谱光源4、光纤环形器、分光镜7、光纤自聚焦准直器8、移动反射镜9、步进电机移动台10、光开关13、光电探测器14和计算机15组成；宽谱光源4经过光纤连接到第一光纤环形器5的输入端后，第一光纤环形器5的输出端通过第一连接光纤6与分光镜7相连，分光镜7的另一端通过定长光纤连接到光纤自聚焦准直器8上，光纤自聚焦准直器8与移动反射镜9之间形成可变空气光程，移动反射镜9固定在步进电机移动台10上，步进电机移动台10拖动移动反射镜9做直线运动，实现光程的可变调节，步进电机移动台10的位置受计算机控制；
同时，第一光纤环形器5的输出端与第二光纤环行器12的输入端相连，第二光纤环行器12的输出端与光开关13的输入端相连，光开关13的另一端并列连接来自不同测试储液罐的第三连接光纤16，第三连接光纤16的另一端与各自的沉降监测点测试储液罐的液位测量传感器相连；通过光开关13的切换可实现对多个沉降监测点测试储液罐液面高度巡回测量和监测；
同时，第二光纤环行器12的输出端与光电探测器14相连；光电探测器14将探测的光信号通过放大后输入到计算机15，计算机15通过运算可以获得当前测试储液罐的液面高度。
低相干光学传感器为固定在测试储液罐的内壁顶面的内层金属壳21及其相关部件，包括钢丝18、金属环19、光学调整架23和储液罐分光镜24；圆柱体内层金属壳21开口向下倒扣在测试储液罐中，上部为气体，下部为液体；将光学调整架23用螺钉22固定在内层金属壳21上部气体空间中，调节光学调整架23使光纤自聚焦准直器26垂直向下；将金属环19用有孔螺钉20固定在内层金属壳21顶端，并用钢丝18将金属环19连同内层金属壳21挂在测试储液罐的内壁顶面中心处；由于内层金属壳21自身重力，当测试储液罐发生倾斜时，内层金属壳21始终保持垂直；第四连接光纤25连接自聚焦准直器26和固定在内层金属壳21内顶部的储液罐分光镜24；内层金属壳21的重力感应功能使得光纤自聚焦准直器26发出的光始终保持与水面27垂直，实现了光纤自聚焦准直器26发出的光经过水面27反射后耦合到光纤自聚焦准直器26。
迈克尔逊低相干光学干涉的测量臂，是由测试储液罐顶部的储液罐分光镜24、第四连接光纤25、光纤自聚焦准直器26和液面27组成，测量臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分，其中的空气光程是由在重力作用下始终垂直向下的光纤自聚焦准直器26到液面的空气距离决定；设计中使测量的总光程比参考臂略长4至5厘米左右；分光镜7到移动反射镜9的距离为迈克尔逊低相干光学干涉的参考臂，参考臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分。
高速铁路大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统的测试方法包括如下步骤：
步骤一，计算机15的控制软件对步进电机移动台10的工作进行初始设置，使步进电机回到零点；
步骤二，宽谱光源4发出的光耦合到第一光纤环形器5的输入端，从第一光纤环形器5的输出端射出经过第一连接光纤6被分光镜7分成两部分：一部分光被反射回到第一连接光纤6到达第一光纤环形器5，另一部分光被分光镜7透射，通过光纤自聚焦准直器8投射到移动反射镜9形成可调节空气光程，经移动反射镜9反射后又耦合到光纤自聚焦准直器8再通过分光镜7、第一连接光纤6从第一光纤环形器5返回，返回后从第一光纤环形器5经过第二连接光纤11耦合到第二光纤环形器12，经第二光纤环形器12的输出端与第三连接光纤16后，又被储液罐分光镜24分成两部分：一部分光被储液罐分光镜24反射，并由第三连接光纤16再次进入第二环形器12，另一部分光通过第四连接光纤25，由光纤自聚焦准直器26投射到液面27，经液面27反射耦合入光纤自聚焦准直器26，经第四连接光纤25、储液罐分光镜24、第三连接光纤16，入射到第二光纤环形器12，再由第二光纤环形器12的发出，最后被光电探测器14接收；光电探测器14将光信号转化为电信号传给计算机15处理；
步骤三，计算机根据获得的电信号进行计算分析：当沉降发生时液体高度产生一个变化Δh，第二测试储液罐2内的光纤自聚焦准直器下移Δh1,第三测试储液罐3内的光纤自聚焦准直器下移Δh2，因此各测试储液罐的液位变化如下：
参考储液罐1Δh；
第二测试储液罐2Δh+Δh1；
第三测试储液罐3Δh+Δh2；
…
将各个测试储液罐液位变化与参考储液罐1的液位变化相减，就可以消除由于蒸发和沉降后液体流动所造成测试储液罐液位的相同变化因素，从而获得各个测试储液罐液位的绝对变化值，并以此来得出该测试储液罐所在位置的沉降量；
步骤四结果显示：计算机15将得到的沉降信息自动存储并实时的显示在界面上。
当发生沉降时，测试储液罐的光强最大值位置，相对于零点参考储液罐的光强最大值位置，就会发生偏移，即表示储液罐的沉降量。

Claims (4)

1.高铁大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统，其特征在于由中心储液罐(31)、参考储液罐(1)；多个测试储液罐、液体连接管道(28)、气体连接管道(29)、观察管道(30)、低相干光学传感器、低相干光学液位测量及信号传输系统和计算机组成；中心储液罐(31)、参考储液罐(1)坐落于非沉降区域地基上，多个测试储液罐坐落于沉降区域地基上；所有的储液罐的上半部为气体；所有储液罐的底端通过液体连接管道(28)相互连通，上端通过气体连接管道(29)相互连通；每个储液罐外部的液体连接管道(28)和气体连接管道(29)之间用垂直的观察管道(30)连通；在每个测试储液罐的内部安装测量液位高度的低相干光学传感器；
低相干光学液位测量及信号传输系统由宽谱光源(4)、光纤环形器(5)、分光镜(7)、光纤自聚焦准直器(8)、移动反射镜(9)、步进电机移动台(10)、光开关(13)、光电探测器(14)和计算机(15)组成；宽谱光源(4)经过光纤连接到第一光纤环形器(5)的输入端后，第一光纤环形器(5)的输出端通过第一连接光纤(6)与分光镜(7)相连，分光镜(7)的另一端通过定长光纤连接到光纤自聚焦准直器(8)上，光纤自聚焦准直器(8)与移动反射镜(9)之间形成可变空气光程，移动反射镜(9)固定在步进电机移动台(10)上，步进电机移动台(10)拖动移动反射镜(9)做直线运动，实现光程的可变调节，步进电机移动台(10)的位置受计算机控制；
同时，第一光纤环形器(5)的输出端与第二光纤环行器(12)的输入端相连，第二光纤环行器(12)的输出端与光开关(13)的输入端相连，光开关(13)的另一端并列连接来自不同测试储液罐的第三连接光纤(16)，第三连接光纤(16)的另一端与各自的沉降监测点测试储液罐的液位测量传感器相连；通过光开关(13)的切换可实现对多个沉降监测点测试储液罐液面高度巡回测量和监测；
同时，第二光纤环行器(12)的输出端与光电探测器(14)相连；光电探测器(14)将探测的光信号通过放大后输入到计算机(15)，计算机(15)通过运算可以获得当前测试储液罐的液面高度。
2.根据权利要求1所述的高铁大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统，其特征在于低相干光学传感器为固定在测试储液罐的内壁顶面的内层金属壳(21)及其相关部件，包括钢丝(18)、金属环(19)、光学调整架(23)和储液罐分光镜(24)；圆柱体内层金属壳(21)开口向下倒扣在测试储液罐中，上部为气体，下部为液体；将光学调整架(23)用螺钉(22)固定在内层金属壳(21)上部气体空间中，调节光学调整架(23)使光纤自聚焦准直器(26)垂直向下；将金属环(19)用有孔螺钉(20)固定在内层金属壳(21)顶端，并用钢丝(18)将金属环(19)连同内层金属壳(21)挂在测试储液罐的内壁顶面中心处；由于内层金属壳(21)自身重力，当测试储液罐发生倾斜时，内层金属壳(21)始终保持垂直；第四连接光纤(25)连接自聚焦准直器(26)和固定在内层金属壳(21)内顶部的储液罐分光镜(24)；内层金属壳(21)的重力感应功能使得光纤自聚焦准直器(26)发出的光始终保持与水面(27)垂直，实现了光纤自聚焦准直器(26)发出的光经过水面(27)反射后耦合到光纤自聚焦准直器(26)。
3.根据权利要求1所述的高铁大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统，其特征在于迈克尔逊低相干光学干涉的测量臂，是由测试储液罐顶部的储液罐分光镜(24)、第四连接光纤(25)、光纤自聚焦准直器(26)和液面(27)组成，测量臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分，其中的空气光程是由在重力作用下始终垂直向下的光纤自聚焦准直器(26)到液面的空气距离决定；设计中使测量的总光程比参考臂略长4至5厘米左右；分光镜(7)到移动反射镜(9)的距离为迈克尔逊低相干光学干涉的参考臂，参考臂的总光程等于光纤光程部分加上空气光程部分。
4.根据权利要求1所述的高铁大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统，其特征在于高速铁路大跨度地基微米沉降低相干光学监测系统的测试方法包括如下步骤：
步骤一，计算机(15)的控制软件对步进电机移动台(10)的工作进行初始设置，使步进电机回到零点；
步骤二，宽谱光源(4)发出的光耦合到第一光纤环形器(5)的输入端，从第一光纤环形器(5)的输出端射出经过第一连接光纤(6)被分光镜(7)分成两部分：一部分光被反射回到第一连接光纤(6)到达第一光纤环形器(5)，另一部分光被分光镜(7)透射，通过光纤自聚焦准直器(8)投射到移动反射镜(9)形成可调节空气光程，经移动反射镜(9)反射后又耦合到光纤自聚焦准直器(8)再通过分光镜(7)、第一连接光纤(6)从第一光纤环形器(5)返回，返回后从第一光纤环形器(5)经过第二连接光纤(11)耦合到第二光纤环形器(12)，经第二光纤环形器(12)的输出端与第三连接光纤(16)后，又被储液罐分光镜(24)分成两部分：一部分光被储液罐分光镜(24)反射，并由第三连接光纤(16)再次进入第二环形器(12)，另一部分光通过第四连接光纤(25)，由光纤自聚焦准直器(26)投射到液面(27)，经液面(27)反射耦合入光纤自聚焦准直器(26)，经第四连接光纤(25)、储液罐分光镜(24)、第三连接光纤(16)，入射到第二光纤环形器(12)，再由第二光纤环形器(12)的发出，最后被光电探测器(14)接收；光电探测器(14)将光信号转化为电信号传给计算机(15)处理；
步骤三，计算机根据获得的电信号进行计算分析：当沉降发生时液体高度产生一个变化Δh，第二测试储液罐(2)内的光纤自聚焦准直器下移Δh1,第三测试储液罐(3)内的光纤自聚焦准直器下移Δh2，因此各测试储液罐的液位变化如下：
参考储液罐(1)Δh；
第二测试储液罐(2)Δh+Δh1；
第三测试储液罐(3)Δh+Δh2；
…
将各个测试储液罐液位变化与参考储液罐(1)的液位变化相减，就可以消除由于蒸发和沉降后液体流动所造成测试储液罐液位的相同变化因素，从而获得各个测试储液罐液位的绝对变化值，并以此来得出该测试储液罐所在位置的沉降量；
步骤四结果显示：计算机(15)将得到的沉降信息自动存储并实时的显示在界面上。
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