CN106092050B - 一种分布式光纤测斜装置及测斜方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤测斜装置及测斜方法，装置包括光纤分布式传感单元、光纤耦合器、PPP‑BOTDA和分析显示系统，光纤分布式传感单元经光纤耦合器与PPP‑BOTDA连接，PPP‑BOTDA与分析显示系统连接；光纤分布式传感单元包括内部十字空心的传感棒、两个U型光纤，两个U型光纤呈十字嵌固或胶结在内部十字空心的传感棒内，且两个U型光纤的横向部分相互垂直，U型光纤的两端经光纤耦合器与PPP‑BOTDA连接。测斜方法通过向两个U型光纤的两端注入短脉冲光和连续探测光，测量光纤中受激布里渊散射光的频率变化，获得U型光纤竖向各点的应变信息。本发明具有操作简便、环境适应性强、易维修、传感单元造价低、对倾斜测量和定位准确的优点。

Description

一种分布式光纤测斜装置及测斜方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤测斜装置及测斜方法，具体涉及一种使用分布式光纤与内部十字空心传感棒嵌固或胶结形成传感单元的分布式光纤测斜装置及测斜方法，属于光纤测斜技术领域。

背景技术

测斜仪广泛用于观测山体边坡、土石坝、海边堤防以及建筑物基坑等土体内部的水平方向变化大小。测斜仪分固定测斜仪和活动测斜仪，固定测斜仪又分垂直固定测斜仪和水平固定测斜仪。垂直固定测斜仪可应用于监测支撑深基坑的隔墙的变形、隧道建筑物引起的地面位移、堤和挡土墙的变形、大坝、公路和铁路上方的滑坡地区的倾斜变形等；水平固定测斜仪可监测由隧道施工及开挖引起的地面位移、补偿回填和托换基础的稳定情况、油罐、填埋场及堤坝、水坝的沉降等。目前固定式测斜仪价格昂贵、耐久性差，由于一般监测环境潮湿甚至在水下，条件恶劣，电式测斜仪易出现故障或损坏，尤其高几十甚至数百米的边坡，固定式测斜仪性价比差，活动测斜仪需要人工测量，费时费力，尤其极端气候或腐蚀环境下难以及时测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种分布式光纤测斜装置及测斜方法，具有操作简便、环境适应性强、易维修、传感单元造价低、对倾斜测量和定位准确的优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种分布式光纤测斜装置，包括光纤分布式传感单元、光纤耦合器、PPP-BOTDA和分析显示系统，所述光纤分布式传感单元经光纤耦合器与PPP-BOTDA连接，PPP-BOTDA与分析显示系统连接；所述光纤分布式传感单元包括内部十字空心的传感棒、两个U型光纤，两个U型光纤呈十字嵌固或胶结在内部十字空心的传感棒内，且两个U型光纤的横向部分相互垂直，U型光纤的两端经光纤耦合器与PPP-BOTDA连接。

作为本发明装置的一种优选方案，所述PPP-BOTDA包括顺次连接的可调谐激光器、光耦合器、光电检测器以及信号处理器，所述可调谐激光器与光纤耦合器连接，信号处理器与分析显示系统连接。

作为本发明装置的一种优选方案，所述光纤为紧套单模光纤。

作为本发明装置的一种优选方案，所述光纤分布式传感单元可通过熔接或法兰盘相连的方式，增加光纤分布式传感单元的长度。

一种分布式光纤测斜方法，包括如下步骤：

步骤1，选择合适长度的内部十字空心的传感棒，制作光纤分布式传感单元，将光纤分布式传感单元放入测斜管中；

步骤2，将光纤分布式传感单元接入PPP-BOTDA，向两个U型光纤的两端分别注入短脉冲光和连续探测光，PPP-BOTDA测量光纤中受激布里渊散射光的频率变化，获得各U型光纤两个竖向光纤段中各点的应变信息；

步骤3，分析显示系统判断各U型光纤两个竖向光纤段中各点的应变信息的差异，通过解算各U型光纤两个竖向光纤段应变的差异，得到该点的倾斜方向与倾斜角度。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明分布式光纤测斜装置及测斜方法，能够精确的监测出倾斜方向与倾斜角度，且不受环境气候和被测体腐蚀成分影响，可以全天候应用本装置进行倾斜自动化或人工监测，较为省时省力，性价比高。

2、本发明分布式光纤测斜装置及测斜方法，具有操作简便、环境适应性强、易维修、传感单元造价低、对倾斜测量和定位准确的优点。

附图说明

图1是本发明分布式光纤测斜装置的结构及组成示意图。

图2是本发明分布式光纤测斜装置的立体结构图。

图3是本发明分布式光纤测斜装置的横截面结构及组成示意图，其中，(a)为内部十字空心的传感棒底部横截面，(b)为内部十字空心的传感棒非底部的任一横截面。

其中，1-PPP-BOTDA与分析显示系统，2-U型光纤，3-光纤耦合器，4-内部十字空心的传感棒，5-测斜管。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明分布式光纤测斜方法，采用分布式光纤测斜装置实现，主要包括三个部分：脉冲预泵浦-布里渊时域分析器(pulse-prepump-brilliouin optical time domainanalyzer，PPP-BOTDA)、光纤耦合器、光纤分布式传感单元。通过光纤耦合器的分光作用，将一个光传输路线分成两路光传输路线即两个U型光纤。

PPP-BOTDA用于采集和分析激光脉冲从单模传感光纤的两端注入短脉冲光和连续探测光，通过测量光纤中受激布里渊散射光的频率变化，获得光纤轴向各点的应变信息。PPP-BOTDA主要包括：可调谐激光器、光耦合器、光电检测器、信号处理器。其中，可调谐激光器用于向光纤两端分别注入短脉冲光和连续探测光，光耦合器用于将光纤一端的连续光进行合路，光电检测器用于检测光纤一端耦合出来的连续光的功率，确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，同时将光信号转换为电信号并进行放大和去噪，信号处理器用于处理采集到的电信号。

光纤分布式传感单元是将紧套单模光纤嵌固或胶结在内部十字空心传感棒内，构成沿十字双向传感单元，并将U型光纤的两端留出接口用于接入PPP-BOTDA。当有需要倾斜测量时，利用PPP-BOTDA，根据光纤轴向应变的变化就可以得出该点的倾斜方向与倾斜角度。

如图1、图2所示，分别为分布式光纤测斜装置的组成及结构示意图、立体结构图。分布式光纤测斜装置包括PPP-BOTDA与分析显示系统1，U型光纤2，光耦合器3，内部十字空心的传感棒4，测斜管5。如图3所示，为本发明分布式光纤测斜装置的横截面结构及组成示意图，其中，(a)为内部十字空心的传感棒底部横截面，对应图1、图2中的A；(b)为内部十字空心的传感棒非底部的任一横截面，对应图1、图2中的B。

本发明一种分布式光纤测斜装置，涉及基于紧套单模光纤与内部十字空心传感棒嵌固或胶结形成传感单元的分布式光纤测斜方法，测斜过程包括以下步骤：

(1)首先根据需要监测边坡、建筑物的高度或深度，钻孔埋设测斜管至相对不动点。

(2)选择合适长度的内部十字空心(嵌固或胶结相应长度紧套单模光纤)传感单元，固定式可将多段传感单元逐段沿测斜管凹槽放入，直至测斜管孔底，各段传感单元的光钎可通过熔接或法兰盘相连，十字空心棒通过螺栓相连固定。活动式观测可用尼龙绳吊住传感单元(长度可根据需要定制，一般0.5～1m)，并沿测斜管凹槽放入测斜管底部，以一定间隔提升进行倾斜测量。

(3)将光纤传感单元接入PPP-BOTDA对布设于被测体内的传感单元光纤进行应变测量。

(4)根据PPP-BOTDA的应变实时测量值，解算U型光纤两个竖向光纤段应变，得出该点的倾斜方向与倾斜角度。

(5)若固定式或活动式传感单元出现故障，可将传感单元从测斜管中提出，更换预先制作的传感单元，或应用内部十字空心棒和紧套单模光纤等备件，现场制作传感单元进行更换。

该监测方法主要通过光纤耦合器，从两个U型光纤的两端注入短脉冲光和连续探测光，测量光纤中受激布里渊散射光的频率变化，获得U型光纤两个竖向光纤段各点的应变信息，通过解算U型光纤两个竖向光纤段应变，得出该点的倾斜方向与倾斜角度，并通过改变泵浦光的形态，在测量的脉冲光发出前，增加一段预泵浦脉冲波来激发声子，以提高空间分辨率。

PPP-BOTDA可以对光纤分布式应变进行实时测量和定位。正常情况下，当光纤所处部位没有出现倾斜时，U型光纤两侧的应变处于相对稳定的状态；当光纤监测的某个部位出现倾斜时，原有的应变场将改变，PPP-BOTDA系统实测该部位的应变分布将出现变化。这样，就可以依据U型光纤两侧的应变出现突变的地点来判断结构出现倾斜的部位，这就是基于分布式光纤布里渊散射的倾斜监测原理。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种分布式光纤测斜装置，其特征在于，包括光纤分布式传感单元、光纤耦合器、PPP-BOTDA和分析显示系统，所述光纤分布式传感单元经光纤耦合器与PPP-BOTDA连接，PPP-BOTDA与分析显示系统连接；所述光纤分布式传感单元包括内部十字空心的传感棒、两个U型光纤，两个U型光纤呈十字嵌固或胶结在内部十字空心的传感棒内，且两个U型光纤的横向部分相互垂直，U型光纤的两端经光纤耦合器与PPP-BOTDA连接。

2.根据权利要求1所述分布式光纤测斜装置，其特征在于，所述PPP-BOTDA包括顺次连接的可调谐激光器、光耦合器、光电检测器以及信号处理器，所述可调谐激光器与光纤耦合器连接，信号处理器与分析显示系统连接。

3.根据权利要求1所述分布式光纤测斜装置，其特征在于，所述光纤为紧套单模光纤。

4.根据权利要求1所述分布式光纤测斜装置，其特征在于，所述光纤分布式传感单元可通过熔接或法兰盘相连的方式，增加光纤分布式传感单元的长度。

5.一种分布式光纤测斜方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，选择合适长度的内部十字空心的传感棒，制作光纤分布式传感单元，将光纤分布式传感单元放入测斜管中；

步骤2，将光纤分布式传感单元接入PPP-BOTDA，向两个U型光纤的两端分别注入短脉冲光和连续探测光，PPP-BOTDA测量光纤中受激布里渊散射光的频率变化，获得各U型光纤两个竖向光纤段中各点的应变信息；

步骤3，分析显示系统判断各U型光纤两个竖向光纤段中各点的应变信息的差异，通过解算各U型光纤两个竖向光纤段应变的差异，得到该点的倾斜方向与倾斜角度。