CN109631772A - 基于ofdr光纤传感的路面塌陷预警监测系统及方法 - Google Patents

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罗易
徐中权
王权
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Abstract

本发明公开了一种基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统及监测方法，该系统包括分布式光纤传感器、温度补偿光纤、光纤数据采集与传输系统、光纤数据处理与分析系统、监测结果显示系统与预警系统；通过在路面下的面层、路基、土基内布设土工格栅，在土工格栅上布设光纤，并使用基于OFDR光纤传感技术的光纤数据采集与传输系统进行光纤数据的实时采集与传输，再通过光纤数据处理系统获得路基的沉降差等信息，以图表等形式显示在监测结果显示系统中，并在预警系统中与预警值对比实现预警效果。与现有技术相比，本发明具有存活率高、采集数据全面、人为误差小等优点，实现了远程监测与提前预警。

Description

基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统及方法
技术领域
本发明涉及路面塌陷预警监测系统，尤其涉及基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统及监测方法。
背景技术
随着社会经济建设发展速度的不断加快，社会对交通基础设施建设也提出了很多新的要求，致使越来越多的公路工程项目投入建设。但是，由于施工质量、地质活动等问题的存在，很多公路的工程路面都出现了严重的塌陷情况，对过往车辆安全运行造成了严重的威胁。路面塌陷预警监测能够及时预警路面塌陷问题的产生，对于路面塌陷的及时维护有着重要的作用，能够有效的保障过往车辆的安全行驶。
路面塌陷预警监测的主要依据是路基的沉降，传统的沉降监测系统多采用埋设沉降标志的方式进行，存在工作量大、需要人员配合、易受天气因素影响、监测精度低等缺点，不能全面获取路基沉降的变形特征，更无法对路面塌陷进行预警。
OFDR光纤传感技术作为一种新兴技术，具有高精度、抗干扰等特点，现已广泛应用于土木工程、水利交通、地质工程、航天等各个工程领域；然而OFDR技术比较适合小应变的位移监测，而路基沉降是大变形，并且光纤传感器在路基填筑期容易受到施工机具的破坏，因此如何将OFDR技术合理的应用到路基沉降监测中，使其能够与路基一起协同变形并且精确监测位移变化成为一个亟需解决的技术难题。同时，为达到预警的目的，就要求该系统能够做到定时的自动化采集、处理数据并与预警值进行对比，这同样也是一个技术难题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统，使OFDR技术与路基一起协同变形并且精确监测位移变化，同时能够定时的自动化采集处理数据并与预警值对比，达到预警的效果。
技术方案：本发明的监测系统，包括布置在土工格栅上的分布式光纤传感器和温度补偿光纤；以及光纤数据自动采集与传输系统、光纤数据处理与分析系统、小波处理和降噪系统、监测结果显示系统和预警系统；光纤数据自动采集与传输系统内置数据自动采集功能和无线传输功能，通过跳线与分布式光纤传感器相连接，对原始数据进行采集后无线传输至光纤数据处理与分析系统；光纤数据处理与分析系统接收光纤数据自动采集与传输系统发送的数据，对土工格栅的变形、下沉引起土工格栅上布设的分布式光纤波长的变形进行分析后，将波长信号传输给监测结果显示系统；监测结果显示系统通过处理获得路基的沉降差等信息，以图表等形式显示，并在预警系统中与预警值对比实现预警效果，以预警路面塌陷问题的发生。
土工格栅采取刚性较小的材料，如碳纤维土工格栅等。预先将分布式光纤传感器和温度补偿光纤布设在土工格栅网格线上，从而使分布式光纤传感器能够与土工格栅协调变形；将布设有分布式光纤传感器的土工格栅铺设于面层、基层和地基土层当中，土工格栅即可与路基土体协调变形，从而达到分布式光纤传感器与土体协调变形的效果。
本发明基于OFDR光纤传感技术的路面塌陷预警监测系统的测试方法，包括以下步骤：
(1)将分布式光纤传感器和温度补偿光纤布设在土工格栅上，并预留足够的长度，同时将分布式光纤传感器1a绷直；
(2)对地基土层的检测面进行整平，将布设有分布式光纤传感器和温度补偿光纤的土工格栅铺设在整平后的地基土层中，回填土方，整平碾压；
(3)将预留长度的光纤与跳线熔接，连接至光纤数据自动采集与传输系统；
(4)将光纤数据处理与分析系统连接电源和小波处理和降噪系统，接收光纤信号发射器发射的数据，记录传感光纤的波长数据，记录并捕捉峰值；
(5)监测结果显示系统接收光纤数据处理与分析系统记录捕捉的峰值，在预警系统中将峰值与预先设定的预警值进行对比；
(6)监测完成后将光纤收起。
步骤(4)中，预留的光纤加保护套保护，光纤熔接处采用热膨胀管保护。
步骤(5)中，在预警值的设置方面，采用应变作为标准，当本次监测的结果与上次相比最大差距超过500με时，认为该点处应变发生突变，即认为该处路面达到塌陷程度。
工作原理：本发明将传输与传感媒质合二为一的光频域反射OFDR(OpticalFrequency Domain Reflectometry)技术应用于路面塌陷预警监测中。该技术基于脉冲雷达的调频连续波技术，两束相干光入射入光纤后，在接收端探测光和本征光发生干涉，如果测试环境参数变化引起光信号相位发生变化或调制，则信号探测端检测信号将发生变化，对干涉光进行信号的解调就能得到待测光纤的具体信息。监测系统中，土工格栅按照规范要求铺设在路基面层、基层和地基土层中，光纤传感器则布设在土工格栅上，路基的沉降、变形会带动土工格栅的变形，进而带动光纤传感器的变形，从而实现对路面塌陷的监测；同时，利用自动化采集装置也可以实现对路面塌陷的定时监测和及时预警。本系统将OFDR技术与自动化采集系统相结合，达到监测与预警并举的目的。
有益效果：与现有技术相比，本发明与路基一起协同变形并且精确监测位移变化，实现定时自动化远程监测及预警，具有存活率高、采集数据全面、误差小、抗电磁干扰、灵敏度高等优点。
附图说明
图1为监测系统示意图；
图2为土工格栅光纤布设俯视图；
图3为土工格栅布设剖面图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的监测系统包括分布式光纤传感器1a、温度补偿光纤1b、光纤数据自动采集与传输系统3、光纤数据处理与分析系统4、小波处理和降噪系统5、监测结果显示系统6和预警系统7，其中光纤数据自动采集与传输系统3定时进行数据采集和无线传输，包括光纤数据自动采集装置3a和光纤数据自动传输装置及太阳能板供电装置3b；光纤数据处理与分析系统4包括无线数据接收模块、计算机处理核心模块、数据导出模块和电源模块；小波处理和降噪系统5包括数据接收模块、计算机处理模块和电源模块，其中的计算机处理模块包括降噪模块、小波处理模块、图像生成模块和电源模块；预警系统7包括预警值设置模块、监测数据接收模块、监测数据与预警值对比模块、报警模块和电源模块，其中的报警模块包括警示图标显示模块和声音报警模块，预警系统7将处理后的数据与预警值对比，从而实现远程监测和预警。
如图2,图3所示，分布式光纤传感器1a和温度补偿光纤1b沿土工格栅网格布设在土工格栅2上，而后接入光纤数据自动采集装置3a，光纤数据自动采集装置3a自动采集监测数据并通过光纤数据自动传输装置及太阳能板供电装置3b将数据发送到光纤数据处理与分析系统4，光纤数据处理与分析系统4接收光纤数据自动采集与传输系统3发送的数据，输出端与小波处理和降噪系统5连接，小波处理和降噪系统5输出端与监测结果显示系统6连接，小波处理和降噪系统5将小波处理和降噪后的数据传输给监测结果显示系统6，监测结果显示系统6将监测的应变结果传输至预警系统7，预警系统7将数据与预先设定的预警值对比进行预警。
其中分布式光纤传感器1a和温度补偿光纤1b均为PE光纤，lc为裸露在路面以上的光纤，需加上保护套8进行保护；土工格栅2布置路基的面层、基层、土层内，光纤数据自动采集装置3a，采用一台基于OFDR技术的光纤数据采集仪，配以光纤数据自动传输装置及太阳能板供电装置3b以实现数据的及时传输，同时配以太阳能电板供电；光纤数据处理与分析系统4，根据光纤数据的特点自动判断监测对象的所在位置并提取出相关数据；小波处理和降噪系统5，对数据进行平滑、去噪等处理；监测结果显示系统6，将处理后的光纤数据以图表等直观的形式显示出来；预警系统7，将监测结果显示系统6记录的数据与预先设定的预警值对比，达到预警效果。
本发明监测系统的测试方法如下:
(1)将分布式光纤传感器1a和温度补偿光纤1b布设在土工格栅2的网格正面；在网格处用扎带进行绑扎，绑扎时将分布式光纤传感器1a适当绷直，对温度补偿光纤1b不施加作用力；另外，在布设前将温度补偿光纤1b套上具有刚度的空心圆管，以保证圆管中的光纤不受力，并在光纤底部用AB胶粘结空心圆管与光纤，防止空心圆管沿光纤滑动。
(2)对地基土层的检测面进行整平，将布设有分布式光纤传感器1a和温度补偿光纤1b的土工格栅2铺设在平整后的场地上，使土工格栅2与场地紧贴，确保土工格栅与土体协调变形；两种光纤分别预留出设定长度，以便于后期与光纤数据自动采集装置3a连接。
(3)铺设后及时进行填土、整平和碾压；在填土之前，将预留长度的光纤用保护套进行保护，防止填土、整平和碾压过程中对光纤造成损坏；待路基填土完成后，对伸出路基的分布式光纤传感器1a和温度补偿光纤1b分别与跳线进行熔接，光纤熔接处需加上热膨胀管以增加刚度和耐久性，熔接后接入光纤数据自动采集与传输系统3的两个通道中，测试线路的连通性，设置好相关参数，进行数据的试采集，以确定数据的有效性。
(4)光纤数据自动采集装置3a采集数据后，光纤数据自动传输装置及太阳能板供电装置3b将数据发送给光纤数据处理与分析系统4，系统对光纤数据进行自动化提取处理传输给小波处理和降噪系统5，小波处理和降噪系统5对数据进行平滑、去噪等处理，并显示在监测结果显示系统6中，得到土工格栅应变数据之后，可以根据应变值进行预警，也可以根据公式转化成土体沉降差等相关信息。
(5)监测结果显示系统6得到的相关信息传输给预警系统7，预警系统6自动将本次监测所得的应变结果与上一次监测所得的应变结果进行对比，取最大应变增量与预警值500με进行比较，以达到预警的效果。其中采用应变作为标准，当本次监测的结果与上次相比最大差距超过500με时，则认为该点处应变发生突变，即认为该处路面达到塌陷程度。
(6)监测完将跳线及路面以上的光纤盘起放入带槽口的铁盒进行保护，并在旁边贴上警示标志。

Claims (10)

1.一种基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统，其特征在于：包括布置在土工格栅(2)上的分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)；以及光纤数据自动采集与传输系统(3)、光纤数据处理与分析系统(4)、小波处理和降噪系统(5)、监测结果显示系统(6)和预警系统(7)；所述分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)均与光纤数据自动采集与传输系统(3)连接；所述光纤数据处理与分析系统(4)接收光纤数据自动采集与传输系统(3)发送的数据；所述光纤数据处理与分析系统(4)输出端与小波处理和降噪系统(5)连接；所述小波处理和降噪系统(5)与监测结果显示系统(6)连接；所述监测结果显示系统(6)与预警系统(7)连接，预警系统(7)将数据与设定的预警值对比进行预警。
2.根据权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统，其特征在于：所述土工格栅(2)布设在面层、基层和土层中以实现全方位的监测和预警。
3.根据权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统，其特征在于：所述的光纤数据处理与分析系统(4)包括无线数据接收模块、计算机处理核心模块、数据导出模块和电源模块。
4.根据权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统，其特征在于：所述的小波处理和降噪系统(5)包括数据接收模块、计算机处理模块和电源模块。
5.根据权利要求5所述的基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统，其特征在于：所述的计算机处理模块包括降噪模块、小波处理模块、图像生成模块和电源模块。
6.根据权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统，其特征在于：所述的预警系统(7)包括预警值设置模块、监测数据接收模块、监测数据与预警值对比模块、报警模块和电源模块。
7.根据权利要求6所述的基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统，其特征在于：所述的报警模块包括警示图标显示模块和声音报警模块。
8.一种采用如权利要求1所述的基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)布设在土工格栅(2)上，将分布式光纤传感器(1a)绷直；
(2)将布设有分布式光纤传感器(1a)和温度补偿光纤(1b)的土工格栅(2)铺设在整平后的地基土层中；
(3)将预留长度的光纤与跳线熔接，连接至光纤数据自动采集与传输系统(3)；
(4)将光纤数据处理与分析系统(4)连接电源和小波处理和降噪系统(5)，接收光纤信号发射器发射的数据，记录传感光纤的波长数据，记录并捕捉峰值；
(5)监测结果显示系统(6)接收光纤数据处理与分析系统(4)记录捕捉的峰值，在预警系统(7)中将峰值与预先设定的预警值进行对比；
(6)监测完成后将光纤收起。
9.根据权利要求8所述的采用基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统的测试方法，其特征在于：步骤(3)中，所述光纤熔接处采用热膨胀管保护。
10.根据权利要求8所述的采用基于OFDR光纤传感的路面塌陷预警监测系统的测试方法，其特征在于：步骤(5)中，在预警值的设置方面，采用应变作为标准，当本次监测的结果与上次相比最大差距超过500με时，则该点处应变发生突变，即认为该处路面达到塌陷程度。
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