CN110160626A - 全时全域光栅阵列地铁隧道结构安全监测系统 - Google Patents

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王洪海
杨燕
刘芳
姜德生
李政颖
甘维兵
李盛
岳丽娜
潘建军
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Abstract

本发明提供一种全时全域光栅阵列地铁隧道结构安全监测系统，光栅阵列振动光缆包括沿地铁隧道结构纵深不同检测部位铺设的光缆，光缆上间隔布置有光栅振动传感器构成阵列，光栅振动传感器为光缆制备过程中连续间隔刻写的光栅；解调模块发出的光脉冲进入光栅阵列振动光缆，光栅阵列振动光缆中的每个光栅振动传感器都有反射光谱返回，解调模块根据相邻光栅振动传感器的反射光谱计算不同振动测区的波长参数，并将每个振动测区的波长参数输出给数据采集模块，分析模块将每个振动测区的波长参数转换为对应的振动参数。本发明在振动测区内发生的结构异变或突发事件可被光栅阵列监测系统快速感知，实现全时全域对地铁隧道结构变化及外部侵扰的有效监测。

Description

全时全域光栅阵列地铁隧道结构安全监测系统
技术领域
本发明属于地铁隧道结构安全监测领域，具体涉及一种全时全域光栅阵列地铁隧道结构安全监测系统。
背景技术
在轨道交通体系中，地铁工程结构安全状态直接关系到运营安全。地铁隧道结构安全监测系统涉及很多方面，振动监测是其中重要的环节。地铁隧道距离长，穿越的区域地质复杂多变。列车行驶引发结构振动造成隧道周围土层结构破坏,产生长期振陷,从而导致隧道结构变形。在地铁运营同时，隧道上方还会受到施工开挖、土方堆埋等外界侵扰。这就要求隧道结构振动检测是对全线路大范围的振动信号进行全时全域全覆盖无漏点的高速检测，以往的少数点式振动传感器显然无法满足这样的要求。
现有地铁隧道结构振动检测技术主要有：传统振动传感器、光纤光栅振动传感器和分布式光纤传感技术。（1）传统振动传感器，采用磁电式传感技术，利用微型开关实现了一机多用的目的，配合放大器、积分器，在0.5-100Hz频率范围内可对大、小位移；大、小速度和加速度进行测量（杨学山; 黄浩华; 黄振平.无源伺服式往复摆多功能拾振器:CN90204993.3.1990）。（2）光纤光栅振动传感器，是采用光纤布拉格光栅研制的可调谐匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器。该传感器集振动传感和动态波长解调于一体,并具有温度补偿功能（张东生,郭丹,罗裴等. 基于匹配滤波解调的光纤光栅振动传感器研究[J].传感技术学报, 2007,20(2):311-313.）。此类传感器需要单个制备、焊接组网，网络的焊接点多、损耗大，系统容量有限，满足不了大容量的组网要求。（3）分布式光纤传感技术，是以瑞利后向散射理论为基础的光时域反射技术（ＯＴＤＲ）。通过检测由光纤沿线各点产生的后向散射并与被测量对应，再根据回波时间确定位置，即获得待测参量的空间分布，实现分布式光纤传感（刘梦龙.分布式光纤传感技术在地铁隧道振动监测中的应用[J].交通科技,2016,(3):106-109.）。由于瑞利散射的光强散射系数小，有效信号较弱，易受环境噪声影响，导致信号的信噪比较差，误报率高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种全时全域光栅阵列地铁隧道结构安全监测系统，提高检测的长度、容量、分辨率和灵敏度。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种全时全域光栅阵列地铁隧道结构安全监测系统，其特征在于：本系统包括光栅阵列振动光缆、解调模块、数据采集模块和分析模块；其中，
光栅阵列振动光缆包括沿地铁隧道结构纵深不同检测部位铺设的多根光缆，光缆上间隔布置有光栅振动传感器构成光栅阵列，光栅振动传感器为光缆制备过程中连续间隔刻写的光栅；光缆布置在不同的隧道结构检测部位，每个检测部位分布多个光栅振动传感器，每两个相邻光栅振动传感器之间构成一个振动测区；
解调模块发出的光脉冲进入光栅阵列振动光缆，光栅阵列振动光缆中的每个光栅振动传感器都有反射光谱返回至解调模块，解调模块根据相邻光栅振动传感器的反射光谱计算不同振动测区的波长参数，并将每个振动测区的波长参数输出给数据采集模块，由数据采集模块发送给分析模块将每个振动测区的波长参数转换为对应的振动参数。
按上述方案，所述的隧道结构检测部位数量至少为2个，每个隧道结构检测部位的长度至少为2公里，每个隧道结构检测部位至少布置500个光栅振动传感器。
本发明的有益效果为：将光栅阵列振动光缆沿着地铁隧道结构纵深布置，安装在不同的隧道结构检测部位，每个检测部位分布多个光栅振动传感器，每两个相邻光栅振动传感器之间构成一个振动测区。在振动测区内发生的结构异变或突发事件可被光栅阵列监测系统快速感知，实现全时全域对地铁隧道结构变化及外部侵扰的有效监测。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图中：1-m、第一至第m光栅阵列振动光缆，1.1-1.n、第一光栅阵列振动光缆第1至第n号光栅振动传感器，2.1-2.n、第二光栅阵列振动光缆第1至第n号光栅振动传感器，3.1-3.n、第三光栅阵列振动光缆第1至第n号光栅振动传感器，m.1-m.n、第m光栅阵列振动光缆第1至第n号光栅振动传感器，4、解调模块，5、采集模块，6、分析模块。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供一种全时全域光栅阵列地铁隧道结构安全监测系统，包括光栅阵列振动光缆、解调模块4、大数据采集模块5和分析模块6。光栅阵列振动光缆中布置多个光栅振动传感器，光栅振动传感器为光缆制备过程中连续间隔刻写的光栅。光栅阵列振动光缆沿地铁隧道结构纵深布置在不同的检测部位，每个测试部位分布多个光栅振动传感器，相邻两个光栅振动传感器之间构成一个振动测区。
具体的，本发明包括第一至第m光栅阵列振动光缆1-m，每根光栅阵列振动光缆布置在一个隧道结构检测部位，m的大小根据地铁隧道需要检测部位的数量来确定。
第一光栅阵列振动光缆包括第一光栅阵列振动光缆第1至第n号光栅振动传感器1.1-1.n；第二光栅阵列振动光缆包括第二光栅阵列振动光缆第1至第n号光栅振动传感器2.1-2.n；第三光栅阵列振动光缆包括第三光栅阵列振动光缆第1至第n号光栅振动传感器3.1-3.n；第m光栅阵列振动光缆包括第m光栅阵列振动光缆第1至第n号光栅振动传感器m.1-m.n。相邻的两个光栅振动传感器之间构成一个振动测区，因此每根光栅阵列振动光缆对应的隧道结构检测部位包含n-1个振动测区。
解调模块4与m根光栅阵列振动光缆连接，解调模块4发出的光脉冲进入不同测试部位的光栅阵列振动光缆，光栅阵列振动光缆中的每个光栅振动传感器都有反射光谱返回解调模块4，解调模块4根据光栅阵列振动光缆中相邻光栅振动传感器的反射光谱计算不同振动测区的波长参数，并将数据输出给采集模块5，采集模块5高速采集数据后，由分析模块6进行分析处理，将波长参数转换为振动参数。
本发明的一个实施例中，每根光栅阵列振动光缆长度为2.5公里，分布在2个不同的结构检测部位，每个检测部位中都分布500个光栅振动传感器，所述光栅振动传感器间距为5米，因此完全满足隧道结构振动检测的大范围、全时全域全覆盖无漏点的高速检测的需要。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种全时全域光栅阵列地铁隧道结构安全监测系统，其特征在于：本系统包括光栅阵列振动光缆、解调模块、数据采集模块和分析模块；其中，
光栅阵列振动光缆包括沿地铁隧道结构纵深不同检测部位铺设的多根光缆，光缆上间隔布置有光栅振动传感器构成光栅阵列，光栅振动传感器为光缆制备过程中连续间隔刻写的光栅；光缆布置在不同的隧道结构检测部位，每个检测部位分布多个光栅振动传感器，每两个相邻光栅振动传感器之间构成一个振动测区；
解调模块发出的光脉冲进入光栅阵列振动光缆，光栅阵列振动光缆中的每个光栅振动传感器都有反射光谱返回至解调模块，解调模块根据相邻光栅振动传感器的反射光谱计算不同振动测区的波长参数，并将每个振动测区的波长参数输出给数据采集模块，由数据采集模块发送给分析模块将每个振动测区的波长参数转换为对应的振动参数。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的隧道结构检测部位数量至少为2个，每个隧道结构检测部位的长度至少为2公里，每个隧道结构检测部位至少布置500个光栅振动传感器。
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