CN108225387A - 用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统与方法，包括全分布式传感光纤，所述全分布式传感光纤并行布置在线性工程的内部或表面；所述全分布式传感光纤将采集的信号分两路分别传输至激光器及光电调制器，所述光电调制器将接收的信号进行处理后依次传输至光探测器、数据采集设备及计算机。这套分布式监测系统的第一个优点是利用光纤的特性可以实现远程、长距离监测；第二个优点是可以实现分布式监测，掌握线性工程整体的运行状态；第三个优点是由于使用了光纤和光信号，可以在雷电、潮湿等的恶劣环境下使用；第四个优点是可以实现自动化测量与分析，比较迅速地获得线性工程的变形或温度异常，及时给出异常区域，并给出预警。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程监测技术领域，特别是涉及用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统与方法。
背景技术
线性工程一般距离长，范围大，而且线性工程所处的环境复杂，要求传感装置具有防水、防潮、抗电磁干扰等性能。目前已有的常规的测试技术在长期的工程应用中表明，传统的表面监测法和点式监测技术满足上述测试要求十分困难，为解决通常遇到的防水防潮和抗电磁干扰的问题，尽管进行过多方面的研究相应的防护措施，但所费代价昂贵，而收效却甚微。
相较于传统的传感技术，光纤传感器具有灵敏度高、可靠性强、使用寿命长、抗电磁干扰、防水防腐蚀、传输距离远、测量对象广泛和易实现分布式测量等优势，而且全分布式传感光纤可以准确感知线性工程每处的温度变化及应变并定位。
因此全分布式光纤传感技术与传统技术相比，在线性工程监测方面，具有明显的优越性和很大的发展潜力。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统，本发明能够实现对线性工程的长距离、分布式监测。
用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统，包括
全分布式传感光纤，所述全分布式传感光纤并行布置在线性工程的内部或表面；
激光器输出光源，光电调制器与激光器相连，光电调制器用于调制激光，所述全分布式传感光纤与激光器相连，所述光电调制器还连接至布里渊背向散射光数据采集设备，所述布里渊背向散射光数据采集设备接收后向散射光并传输至数据处理设备；
所述全分布式传感光纤由布里渊背向散射光数据采集设备同步测量，其应变和温度的传感均基于布里渊后向散射光，通过对不同时刻的布里渊后向散射光强度和布里渊频移的测量，完成全分布式传感光纤上各点的温度和应变的测量及空间定位；根据布里渊散射光强度与频移均与应变和温度呈线型关系，得到线性工程内部及表面的应变分布和温度分布，实现对线性工程的长距离、分布式监测。
进一步的，所述激光器为超窄线宽的DFB光纤激光器，线宽小于3KHz。
进一步的，所述光电调制器为压电陶瓷调制器，用于将激光器输出的连续光调制成脉冲光。
进一步的，所述光电调制器为两个，一个是12GHz的高频率光探测器，另一个是125MHz的光电探测器，两个光电调制器均连接至布里渊背向散射光数据采集设备。
进一步的，所述布里渊背向散射光数据采集设备通过通讯接口与数据处理设备的通信。
进一步的，所述布里渊背向散射光数据采集设备采用采样频率为10GS/s的高速数据采集卡。
进一步的，所述全分布式传感光纤植入复合材料内部，复合材料为碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料。
进一步的，所述全分布式传感光纤的数量为四条，四条不同位置的全分布式传感光纤串接在一条光纤线路上。
用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测方法，包括：
在线性工程中布设全分布式传感光纤；
全分布式传感光纤由布里渊背向散射光数据采集设备同步测量；
全分布式传感光纤其应变和温度的传感均基于布里渊后向散射光，通过对不同时刻的布里渊后向散射光强度和布里渊频移的测量，完成全分布式传感光纤上各点的温度和应变的测量及空间定位；
根据布里渊散射光强度与频移均与应变和温度呈线型关系，得到线性工程内部及表面的应变分布和温度分布，实现对线性工程的长距离、分布式监测。
进一步的，采用电方法来分别得到布里渊频移的大小和强度的变化，首先将后向散射光经过光滤波器滤除拉曼散射光和布里渊反斯托克斯光，然后将布里渊斯托克斯和瑞利散射光的干涉交流信号分为两路，一路通过12GHz的高频率光探测器，从高频率光探测器的交流输出端口得到与布里渊频移有关的交流信号，另一路通过125MHz的光电探测器和滤波器放大器得到直流部分和交流部分的峰值，再进行数据处理得瑞利散射光强度和布里渊散射光强度，再根据另一路中得到的布里渊频移的变化，通过解调布里渊强度的变化和频移的变化来同时得到由传感光纤感受到的温度变化和应变。
进一步的，从高频率光探测器的交流输出端口得到与布里渊频移有关的交流信号时，具体为：
假设瑞利散射光的电磁场和布里渊散射斯托克斯光的电磁场如下：
ER(t)＝ER cos(ωRt+φR)，EB(t)＝EBcos(ωRt+φB)其中R表示瑞利散射光，B表示布里渊散射光。
鉴于频带为12GHz的高频光探测器的光谱相应特性和频率响应特性，可以得到输出光电流为：
进一步的，数据处理得瑞利散射光强度和布里渊散射光强度具体为：
其中，
tamax＝αEREB
α是转换系数。
进一步的，在堤坝安全监测中，所述全分布式传感光纤采用平行于堤坝表面走向逐点固定的方式进行布设。
进一步的，在堤坝安全监测中，沿堤坝走向，按逐点固定的方式固定全分布式传感光纤，在预定位置开深约5-10cm的槽，全分布式传感光纤放入土槽后与锚杆固定，然后盖上覆土；或如果堤坝内部不是充水的，在建设之初就在堤坝内部铺设光纤。
进一步的，在隧道安全监测中，所述全分布式传感光纤采用在隧道拱顶并螺旋状并行布设。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于布里渊散射的传感光纤监测系统在实际线性工程运行过程中的安全监测具有一定适用性。这套分布式监测系统的第一个优点是利用光纤的特性可以实现远程、长距离监测；第二个优点是可以实现分布式监测，掌握线性工程整体的运行状态；第三个优点是由于使用了光纤和光信号，可以在雷电、潮湿等的恶劣环境下使用；第四个优点是可以实现自动化测量与分析，比较迅速地获得线性工程的变形或温度异常，及时给出异常区域，并给出预警。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例提供的用于堤坝安全监测的全分布式光纤监测系统结构图；
图2是本发明实施例提供的用于隧道安全监测的全分布式光纤监测系统结构图；
图3是本发明实施例提供的温度、应变随布里渊频移的变化。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
分布式光纤传感系统可以定义为：能在连续的光纤长度上，以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向变化的仪器或者系统。分布式温度、应力传感系统通常是将光纤沿温度场、应力场排布，测量光在光纤中传输时产生的携带温度、应力信息的散射光，同时采用光时域反射计OTDR(Optical Time Domain Reflectometer)技术，就可以对沿光纤传输路径上的温度、应力空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控。
正如背景技术所介绍的，本申请针对目前线性工程(堤坝、隧道等)出现安全问题其后果的严重性，以及现有监测系统与技术的局限性，结合线性系统的特点，提出了用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统。
线性工程的监测与预警工作是一个长期、艰巨的任务。由于一些线性工程(如堤坝、隧道等)在远离市区的山区野外，其监测的自动化、集成化、远程监控十分重要。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，提供了用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统，该用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统中包括激光器、光电调制器、全分布式传感光纤、布里渊背向散射光数据采集设备及数据处理设备。
激光器输出光源，光电调制器用于调制激光，与激光器相连；全分布式传感光纤与激光器相连，布里渊背向散射光数据采集设备连接至全分布式传感光纤，接收后向散射光；数据处理设备与采集设备相连。
所选激光器为超窄线宽的DFB光纤激光器，线宽小于3KHz。中心波长1546.92nm，波长偏差±0.3nm，带宽大于10-20GHz。
所选光电调制器为压电陶瓷调制器，来将激光器输出的连续光调制成脉冲光，脉冲宽度约为0.1nm。
全分布式传感光纤为植入复合材料内部，外部的复合材料为碳纤维复合材料或玻璃纤维复合材料。
系统有四个通道，每个通道长距离感测，可测量的传感光纤长度达到30km；空间分辨率理论上可达到1cm。
沿线性工程走向并行布设四条全分布式传感光纤，在堤坝安全监测中可以平行于堤坝表面走向逐点固定的方式进行布设，在隧道中可以在拱顶螺旋状并行布设。
本发明采用的是基于布里渊散射的全分布式光纤传感系统，所用技术包括但不仅限于光时域布里渊分析(BOTDA)法和光时域布里渊反射计(BOTDR)法等。
工作原理：将四路全分布式传感光纤并行布置在线性工程(堤坝、隧道等)的内部或表面，用于测量沿线性工程传感光纤径向的应变和温度；四路传感光纤由布里渊背向散射光数据采集设备同步测量，其应变和温度的传感均基于布里渊后向散射光，通过对不同时刻的布里渊后向散射光强度和布里渊频移的测量，完成光纤上各点的温度和应变的测量及空间定位功能；根据布里渊散射光强度与频移均与应变和温度呈线型关系，可以得到线性工程内部及表面的应变分布和温度分布，进而实现对线性工程的长距离、分布式监测。
图1给出了实施例所采用的用于堤坝安全监测的光纤监测系统结构图。为了便于说明，仅展示了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
沿堤坝走向，按逐点固定的方式固定全分布式传感光纤，需要在预定位置开深约5-10cm的槽，全分布式传感光纤放入土槽后与锚杆固定，然后盖上覆土。特别地，如果堤坝内部不是充水的，可以在建设之初就在堤坝内部铺设光纤。
将四条不同位置的传感光缆串接在一条光纤线路上，并最终接至BOTDR；OTDR为布里渊光时域反射计的英文简称，布里渊光时域反射计即布里渊背向散射光数据采集设备。
采用电方法来分别得到布里渊频移的大小和强度的变化，首先将后向散射光经过光滤波器滤除拉曼散射光和布里渊反斯托克斯光，然后将布里渊斯托克斯和瑞利散射光的干涉交流信号分为两路，一路通过12GHz的高频率光探测器，假设瑞利散射光的电磁场和布里渊散射斯托克斯光的电磁场如下：
ER(t)＝ER cos(ωRt+φR)，EB(t)＝EBcos(ωRt+φB)其中R表示瑞利散射光，B表示布里渊散射光。
鉴于频带为12GHz的高频光探测器的光谱相应特性和频率响应特性，可以得到输出光电流为：
这样就可以从12GHz高频探测器的交流输出端口得到与布里渊频移有关的交流信号了；另一路通过125MHz的光电探测器和滤波器放大器得到直流部分和交流部分的峰值iamax＝αEREB，然后再处理成那么就可以得到瑞利散射光强度和布里渊散射光强度，再根据另一路中得到的布里渊频移的变化，就可以通过解调布里渊强度的变化和频移的变化来同时得到由传感光纤感受到的温度变化和应变。
上述过程可以在现场通过手动控制实现，也可以通过GPIB接口和以太网接口将BOTDR与本地计算机相联，借助互联网络由远程计算机对采样过程进行人工控制或按既定程序自动测量。
布里渊背向散射光数据采集设备BOTDR通过GPIB通讯接口实现与计算机的通信和数据交换。为了达到理论上1cm的空间分辨率，因此布里渊背向散射光数据采集设备采用采样频率为10GS/s的高速数据采集卡。数据处理系统特征为全自动、高速，每采集100次数据，就对该100次数据做取均值处理。
BOTDR采到的数据同时存储在仪器和本地计算机的内部，并通过互联网络将测量的数据传递到远程计算机，由远程计算机的数据分析模块对实测的数据进行再现、分析、评估和预警。
本发明另一具体实施例子中，类似的，图2给出了实施例所采用的用于隧道安全监测的光纤监测系统结构图，不同的是，全分布式传感光纤是在隧道拱顶环形铺设的。
上述全分布式光纤监测系统，使用基于布里渊散射的传感光纤测量堤坝表面应变分布和温度分布。后向散射光的采集设备是一台BOTDR，它可以获得光纤上任意点的布里渊散射光频移。而在计算机中可以通过电信号通道的数据通过计算 得到瑞利散射光强度ER和布里渊散射光强度EB，其中ia-max＝αEREB(α是转换系数)，再加上得到不受强度变化的布里渊频移，就可以得到由传感光纤感受到的温度变化或应变引起的布里渊后向散射光的强度变化和频移变化。而应变所引起的布里渊散射光强度的变化十分微弱，比温度引起的布里渊散射光强度的变化小3个数量级，所以可以忽略应变引起的布里渊散射光强度的变化，因此可以通过布里渊散射光强度得到温度的变化值，然后再根据布里渊频移的变化和温度的变化得到传感光纤所感受的应变，实际实验中效果如图3所示。
利用BOTDR提供的GPIB接口和以太网接口实现与本地计算机的通信和数据交换，同时将实测的数据通过互联网络将测量的数据传送至远程计算机。
上述分布式光纤应变测量系统，由安装在远程计算机的数据处理模块对测量过程进行实时控制，并对测量的数据进行计算和分析，给出报警提示。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统，其特征是，包括
全分布式传感光纤，所述全分布式传感光纤并行布置在线性工程的内部或表面；
所述全分布式传感光纤与激光器相连，所述激光器输出光源，光电调制器与激光器相连，光电调制器用于调制激光，所述光电调制器还连接至布里渊背向散射光数据采集设备，所述布里渊背向散射光数据采集设备接收后向散射光并传输至数据处理设备；
所述全分布式传感光纤由布里渊背向散射光数据采集设备同步测量，其应变和温度的传感均基于布里渊后向散射光，通过对不同时刻的布里渊后向散射光强度和布里渊频移的测量，完成全分布式传感光纤上各点的温度和应变的测量及空间定位；根据布里渊散射光强度与频移均与应变和温度呈线型关系，得到线性工程内部及表面的应变分布和温度分布，实现对线性工程的长距离、分布式监测。
2.如权利要求1所述的用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统，其特征是，所述激光器为超窄线宽的DFB光纤激光器，线宽小于3KHz。
3.如权利要求1所述的用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统，其特征是，所述光电调制器为压电陶瓷调制器，用于将激光器输出的连续光调制成脉冲光。
4.如权利要求1所述的用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统，其特征是，所述布里渊背向散射光数据采集设备通过通讯接口与计算机的通信。
5.如权利要求1所述的用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测系统，其特征是，所述布里渊背向散射光数据采集设备采用采样频率为10GS/s的高速数据采集卡。
6.用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测方法，其特征是，包括：
在线性工程中布设全分布式传感光纤；
全分布式传感光纤由布里渊背向散射光数据采集设备同步测量；
全分布式传感光纤其应变和温度的传感均基于布里渊后向散射光，通过对不同时刻的布里渊后向散射光强度和布里渊频移的测量，完成全分布式传感光纤上各点的温度和应变的测量及空间定位；
根据布里渊散射光强度与频移均与应变和温度呈线型关系，得到线性工程内部及表面的应变分布和温度分布，实现对线性工程的长距离、分布式监测。
7.如权利要求6所述的用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测方法，其特征是，采用电方法来分别得到布里渊频移的大小和强度的变化，首先将后向散射光经过光滤波器滤除拉曼散射光和布里渊反斯托克斯光，然后将布里渊斯托克斯和瑞利散射光的干涉交流信号分为两路，一路通过12GHz的高频率光探测器，从高频率光探测器的交流输出端口得到与布里渊频移有关的交流信号，另一路通过125MHz的光电探测器和滤波器放大器得到直流部分和交流部分的峰值，再进行数据处理得瑞利散射光强度和布里渊散射光强度，再根据另一路中得到的布里渊频移的变化，通过解调布里渊强度的变化和频移的变化来同时得到由传感光纤感受到的温度变化和应变。
8.如权利要求6所述的用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测方法，其特征是，从高频率光探测器的交流输出端口得到与布里渊频移有关的交流信号时，具体为：
假设瑞利散射光的电磁场和布里渊散射斯托克斯光的电磁场如下：
ER(t)＝ERcos(ωRt+φR)，EB(t)＝EBcos(ωRt+φB)其中R表示瑞利散射光，B表示布里渊散射光。
鉴于频带为12GHz的高频光探测器的光谱相应特性和频率响应特性，可以得到输出光电流为：
9.如权利要求8所述的用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测方法，其特征是，数据处理得瑞利散射光强度和布里渊散射光强度具体为：
其中，
iamax＝αEREB
α是转换系数。
10.如权利要求6所述的用于线性工程安全监测的全分布式光纤监测方法，其特征是，在堤坝安全监测中，所述全分布式传感光纤采用平行于堤坝表面走向逐点固定的方式进行布设；或
在隧道安全监测中，所述全分布式传感光纤采用在隧道拱顶并螺旋状并行布设。
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