CN106338253A - 一种堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置及检测方法，装置包括分布式传感单元、PPP‑BOTDA和分析显示系统，分布式传感单元与PPP‑BOTDA连接，PPP‑BOTDA与分析显示系统连接；分布式传感单元包括光纤、合成纤维，光纤两端分别与PPP‑BOTDA连接，在合成纤维上光纤以一定间隔在经纬双向正交或斜交，且光纤与合成纤维通过混编或者胶结的方式形成二维变形分布式传感单元。检测方法利用从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，获得光纤轴向各点的应变信息。本发明具有操作简便、可回收重复使用、对塌陷部位定位准确、可视直观且可以量化的优点。

Description

一种堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置及检测方法，具体涉及一种使用分布式光纤与合成纤维混编或胶结形成二维传感单元的堤坝表面水下塌陷检测装置及方法，属于堤坝表面水下塌陷检测技术领域。

背景技术

堤和坝作为挡水建筑物，与水发生相互作用，在水压力、渗流、波浪、水流冲刷或淘刷以及其它荷载与环境侵蚀等作用下，堤坝表面易出现塌陷，其水下部分往往难以发现，造成隐患，尤其在极端气候、洪水期间堤坝的垮塌，将严重威胁堤坝下游人民的生命财产安全和国民经济发展。因此对堤坝表面水下塌陷进行检测，对确保堤坝的安全运行有重要意义。

现在用于堤坝表面水下塌陷检测的方法，主要采用人工巡视、潜水探摸和水下电视等方法。当塌陷初始范围较小或位置较深时，人工巡视常难以发现；潜水探摸风险大、费用高，大范围潜水探摸不现实；水下电视受水透明度、水流状况和探测扰动影响大，且难以进行定量分析，只能对于堤坝表面塌陷情况有大致的掌握。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置及检测方法，具有操作简便、可回收重复使用、对塌陷部位定位准确、可视直观且可以量化的优点。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置，包括分布式传感单元、PPP-BOTDA和分析显示系统，所述分布式传感单元与PPP-BOTDA连接，PPP-BOTDA与分析显示系统连接；分布式传感单元包括光纤、合成纤维，光纤两端分别与PPP-BOTDA连接，在合成纤维上光纤以一定间隔在经纬双向正交或斜交，且光纤与合成纤维通过混编或者胶结的方式形成二维变形分布式传感单元。

作为本发明装置的一种进一步方案，所述分布式传感单元还包括不锈钢配重、滚轮和不锈钢管，不锈钢管设置于分布式传感单元的上端，不锈钢配重设置于分布式传感单元的下端，且不锈钢配重两端分别设置有滚轮。

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两端连接，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。

一种堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测方法，包括如下步骤：

步骤1，选择合适长度宽度的分布式传感单元，将分布式传感单元通过滚轮沿堤坝表面放下，让分布式传感单元铺展并覆盖在所要检测的堤坝表面上；

步骤2，将分布式传感单元接入PPP-BOTDA，对布设于堤坝表面的分布式传感单元进行应变监测；从光纤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，获得光纤轴向各点的应变信息；

步骤3，分析显示系统判断各点的应变信息是否出现突变，当出现突变时，则存在塌陷区，分析显示系统根据光纤与合成纤维的交角和间距，解算分布式传感单元出现突变的空间位置，构成堤坝表面水下塌陷位置、形状和大小，并进行显示，同时估算塌陷面积。

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、本发明堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置及检测方法，能够精确的检测出堤坝表面塌陷位置，且水(潮)位高低不影响塌陷检查，可以全天候应用本装置进行塌陷检测。

2、本发明堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置及检测方法，不需要像传统的堤坝表面塌陷检测时降低水库水位甚至放空水库，这对有的处于干旱地区的水库来说是很大的损失；本发明只要将光纤土工布放下就可以检测到堤坝表面上的塌陷部位，较为省时省力。

3、本发明堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置及检测方法，具有操作简便、可回收重复使用、延长使用寿命、对塌陷部位定位准确、可视直观且可以量化的优点。

附图说明

图1是本发明堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置的组成示意图。

其中，1-光纤，2-合成纤维，3-不锈钢配重，4-滚轮，5-不锈钢管，6-PPP-BOTDA与分析显示系统。

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。

本发明堤坝表面水下塌陷检测方法，采用堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置进行，该装置如图1所示，主要包括三个部分：光纤与合成纤维双向混编二维变形分布式传感单元、脉冲预泵浦-布里渊时域分析器6(pulse-prepump-brilliouin optical timedomain analyzer，PPP-BOTDA)、二维变形传感信息分析显示系统6。分布式传感单元包括光纤1、合成纤维2、不锈钢配重3、滚轮4、不锈钢管5。不锈钢管5、不锈钢配重3分别设置于分布式传感单元的上端、下端，滚轮4设置于不锈钢配重3的两端。

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。

二维变形光纤分布式传感单元是将紧套单模光纤与合成纤维在经纬双向混纺或胶结，构成二维传感单元，并将光纤两端留出接口用于接入PPP-BOTDA，然后在二维传感单元的下端设置配重物和滚轮，以便可以在堤坝表面上顺利的展开。当有需要对堤坝表面进行塌陷检测时，只要从堤坝上将该光纤二维传感单元沿堤坝表面放下，让其在堤坝表面上铺开，然后利用PPP-BOTDA和分析显示系统，根据光纤轴向应变的变化就可以分析出塌陷的部位。

本发明是一个堤坝表面水下塌陷检测装置，涉及基于紧套单模光纤与合成纤维在经纬双向混纺或胶结，构成二维传感单元堤坝表面水下塌陷检测系统，检测过程包括以下步骤：

(1)首先根据需要检测堤坝表面水下塌陷的大小，选择合适长度宽度的光纤二维传感单元，然后将二维传感单元的不锈钢配重和滚轮从堤坝表面放下，让光纤二维传感单元能够铺展并完全覆盖在所要检测的表面上。

(2)将光纤二维传感单元接入PPP-BOTDA与分析显示系统对布设于堤坝表面的二维传感单元光纤进行应变监测。

(3)根据PPP-BOTDA对应变场进行实时测量，观察二维传感单元应变场是否出现突变，若有多处突变则极有可能存在塌陷区。

(4)对应变传感信息进行定位解算和可视化，确定塌陷区域。

(5)当确定好塌陷部位以后，就可以将光纤二维传感单元收起，可以多次重复使用，并不需要一直铺设在堤坝表面上，提高了使用寿命。

该检测方法主要利用了从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，获得光纤轴向各点的应变信息，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塌陷时，光纤周围的应变场处于相对稳定的状态；当光纤监测的某个部位出现塌陷时，原有的应变场将改变，PPP-BOTDA实测该部位的应变分布将出现突变现象。这样，就可以依据分布式光纤实测堤坝表面水下应变场出现突变的地点来判断结构出现塌陷的部位，这就是基于分布式光纤布里渊散射的堤坝表面水下塌陷定位的原理。

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)

1.一种堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置，其特征在于，包括分布式传感单元、PPP-BOTDA和分析显示系统，所述分布式传感单元与PPP-BOTDA连接，PPP-BOTDA与分析显示系统连接；分布式传感单元包括光纤、合成纤维，光纤两端分别与PPP-BOTDA连接，在合成纤维上光纤以一定间隔在经纬双向正交或斜交，且光纤与合成纤维通过混编或者胶结的方式形成二维变形分布式传感单元。

2.根据权利要求1所述堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置，其特征在于，所述分布式传感单元还包括不锈钢配重、滚轮和不锈钢管，不锈钢管设置于分布式传感单元的上端，不锈钢配重设置于分布式传感单元的下端，且不锈钢配重两端分别设置有滚轮。

3.根据权利要求1所述堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置，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两端连接，信号处理器与分析显示系统连接。

4.根据权利要求1所述堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测装置，其特征在于，所述光纤为紧套单模光纤。

5.一种堤坝表面水下塌陷分布式光纤检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，选择合适长度宽度的分布式传感单元，将分布式传感单元通过滚轮沿堤坝表面放下，让分布式传感单元铺展并覆盖在所要检测的堤坝表面上；

步骤2，将分布式传感单元接入PPP-BOTDA，对布设于堤坝表面的分布式传感单元进行应变监测；从光纤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，获得光纤轴向各点的应变信息；

步骤3，分析显示系统判断各点的应变信息是否出现突变，当出现突变时，则存在塌陷区，分析显示系统根据光纤与合成纤维的交角和间距，解算分布式传感单元出现突变的空间位置，构成堤坝表面水下塌陷位置、形状和大小，并进行显示，同时估算塌陷面积。