CN112432664B - 一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统与工作方法 - Google Patents

一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统与工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统与工作方法，属于隧道安全监测技术领域，系统包括激光器，输出光路上设有光纤分束器1，光纤分束器1的两路输出分别至光纤分束器2和光纤调制器，光纤调制器输出连接至光纤分束器3；光纤分束器3的两个输出分别连接至光纤合束器1和光纤合束器2；光纤分束器2的一路输出经过光纤环形器连接至光纤合束器1，光纤分束器2的另一路输出经过光纤耦合头连接至光纤合束器2；光纤合束器1经过光电探测器1连接至数据采集处理与控制系统，光纤合束器2经过光电探测器2连接至数据采集处理与控制系统。可以同时实现气体测量和位移形变测量；气体测量灵敏度高，位移形变测量准确度高。

Description

一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统与工作方法
技术领域
本发明涉及一种用于隧道挖掘中用于安全监测的全光纤激光检测系统与工作方法，属于隧道安全监测技术领域。
背景技术
随着我国经济技术的发展，我国的隧道的交通里程数不断增加。隧道安全是交通施工中的重要安全问题之一。隧道中的坍塌和危险气体极易造成施工人员的伤亡。近年来，隧道施工坍塌、中毒事故频繁发生，因此，对隧道形变和危险气体的实时监测具有安全预警作用，减少事故发生。目前的形变和气体监测方法采用激光测距仪或便携式的气体监测仪进行监测，目前检测手段都是采用人工轮班对隧道进行安全监测，这种检测工具和手段具有工作效率低、检测精度低、实时性差的缺点。所述以上缺点是未来亟待解决的关键问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明利用激光吸收光谱原理和线性调频技术实现了一种时分多种气体测量和形变监测的系统和方法，该方法可以同时实时测量隧道的瓦斯浓度、水汽浓度、以及隧道墙面的微小位移形变。该发明采用全光纤结构、具有结构简单、气体探测灵敏度高(可达ppm级别)、测量精度高(可达到um级别)的特点。该发明结合不同平台也可进一步实现三维气体成像技术或其他危害气体检测。
本发明的技术方案如下：
一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统，包括激光器，激光器输出光路上设有光纤分束器1，光纤分束器1的两路输出分别至光纤分束器2和光纤调制器，光纤调制器输出连接至光纤分束器3；
光纤分束器3的两个输出分别连接至光纤合束器1和光纤合束器2；
光纤分束器2的一路输出经过光纤环形器连接至光纤合束器1，光纤分束器2的另一路输出经过反射镜反射后、通过非球面透镜、光纤耦合头连接至光纤合束器2；
光纤合束器1经过光电探测器1连接至数据采集处理与控制系统，光纤合束器2经过光电探测器2连接至数据采集处理与控制系统。
优选的，光纤分束器1为90/10光纤分束器，激光器通过90/10光纤分束器分为90％能量的A路和10％能量的B路，A路输入至光纤分束器2；
光纤分束器2为90/10光纤分束器，A路激光再经过90/10光纤分束器2分为90％能量的E路和10％能量的F路；
光纤分束器3为45/55光纤分束器，B路激光通过光纤调制器后，再经45/55光纤分束器3分为45％能量的C路和55％能量的D路；
E路激光经过反射镜反射、非球面透镜耦和到光纤耦合头中；
F路信号经过光纤环形器后与C路激光通过光纤合束器1合束后在光电探测器1上产生信号1；
耦和到光纤耦合头的激光与D路激光通过光纤合束器2合束后在光电探测器2上产生信号2。
进一步优选的，信号1包括根据时序产生的拍频信号，信号2包括根据时序产生拍频信号和气体吸收信号。信号1和信号2经数据采集处理及控制系统采集后分析。
优选的，数据采集处理及控制系统产生调制信号驱动激光器。
进一步优选的，调制信号为三角波信号，调制信号的波长周期为T，T＝T1+T2+T3；0-T1时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对其水汽的测量，在T1-T2时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对甲烷测量；在T2-T3时刻，采用下降时间三角波信号，实现对系统的位移形变监测。
优选的，激光器为窄线宽激光器，线宽<10KHz。
进一步优选的，E路激光经过光束准直后射入锥角反射镜上，经锥角反射镜反射、光束通过光接收透镜汇集、射入反射镜，经反射镜反射后，射入非球面透镜汇集，经非球面透镜收集后耦和到光纤耦合头中。实际使用时，小型锥角反射镜置于隧道墙面任意处，其余结构集成在一个装置系统中。
一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统的工作方法，包括步骤如下：
所采用的激光器波长调制范围覆盖甲烷和水汽；整个调制周期为T，T＝T1+T2+T3；0-T1时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对其水汽的测量，在T1-T2时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对甲烷测量；在T2-T3时刻，采用下降时间三角波信号，实现对系统的位移形变监测；
在0-T1、T1-T2时刻，AOM光纤调制器处于关闭状态，此时，光纤分束器3、光纤合束器1、光电探测器1不工作；通过光电探测器2可以获得气体浓度信息，此时，激光器经过光纤分束器1和光纤分束器2后，直接耦和输出到隧道内部的锥角反射镜5处，反射回的信号经过光接收透镜6接收后，再经反射镜4反射后，通过非球面透镜7汇聚到光纤耦和头8上，经光电探测器2光电转换后，通过数据采集与处理系统进行数据处理，获得浓度气体信息；在0-T1时刻测甲烷浓度、在T1-T2时刻测水汽浓度；
在T2-T3时刻，AOM光纤调制器处于打开状态，此时所有部件都正常工作，通过光电探测器1和光电探测器2获得位移形变监测。
优选的，所采用的激光器波长调制范围为6046cm-1-6050cm-1，可覆盖甲烷和水汽。
优选的，T时间为10Hz，T1时间为0.02S，T2时间为0.03S，T3时间为0.05秒。
优选的，0-T1时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对其水汽的测量，其中正弦调制系数为0.15cm-1，在T1-T2时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对甲烷测量，其中正弦调制系数为0.12cm-1。
本发明的有益效果在于：
本发明将激光吸收光谱原理和线性调频技术集成在一起，属于一种原理性创新，可以同时实现气体测量和位移形变测量；气体测量灵敏度高，位移形变测量准确度高，在微米级别。且系统装置结构简单，采用单个窄线宽激光器(线宽小于10KHz)即可实现上述功能。
本发明整个系统是个集成的小型化装置，具有非接触测量的优势和特点，放在隧道任意角落即可。
附图说明
图1为全光纤系统形变及气体监测结构；
其中：1-窄线宽DFB激光器，2-90/10光纤分束器1，3-90/10光纤分束器2，4-反射镜5-锥角反射镜，6-光接收透镜，7-非球面透镜，8-光纤耦合头，9-AOM光纤调制器，10-45/55光纤分束器3，11-光纤合束器1，12-光电探测器1，13-光纤环形器及反射镜，14-光纤合束器2，15-光电探测器2，16-数据采集处理与控制系统。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统，包括激光器，激光器输出光路上设有光纤分束器1，光纤分束器1的两路输出分别至光纤分束器2和光纤调制器，光纤调制器输出连接至光纤分束器3。
光纤分束器3的两个输出分别连接至光纤合束器1和光纤合束器2。
光纤分束器2的一路输出经过光纤环形器连接至光纤合束器1，光纤分束器2的另一路输出经过反射镜反射后、通过非球面透镜、光纤耦合头连接至光纤合束器2。
光纤合束器1经过光电探测器1连接至数据采集处理与控制系统，光纤合束器2经过光电探测器2连接至数据采集处理与控制系统。
实施例2：
一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统，其结构如实施例1所述，所不同的是，光纤分束器1为90/10光纤分束器，激光器通过90/10光纤分束器分为90％能量的A路和10％能量的B路，A路输入至光纤分束器2。
光纤分束器2为90/10光纤分束器，A路激光再经过90/10光纤分束器2分为90％能量的E路和10％能量的F路。
光纤分束器3为45/55光纤分束器，B路激光通过光纤调制器后，再经45/55光纤分束器3分为45％能量的C路和55％能量的D路。
E路激光经过反射镜反射、非球面透镜耦和到光纤耦合头中。
F路信号经过光纤环形器后与C路激光通过光纤合束器1合束后在光电探测器1上产生信号1。
耦和到光纤耦合头的激光与D路激光通过光纤合束器2合束后在光电探测器2上产生信号2。
信号1包括根据时序产生的拍频信号，信号1作为判断位移变形的基准，信号2包括根据时序产生的气体吸收和拍频信号。信号1和信号2经数据采集处理及控制系统采集后分析。
实施例3：
一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统，其结构如实施例2所述，所不同的是，数据采集处理及控制系统产生调制信号驱动激光器。
调制信号为三角波信号，调制信号的波长周期为T，T＝T1+T2+T3；0-T1时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对其水汽的测量，在T1-T2时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对甲烷测量；在T2-T3时刻，采用下降时间三角波信号，实现对系统的位移形变监测。
实施例4：
一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统，其结构如实施例3所述，所不同的是，激光器为窄线宽激光器，线宽<10KHz。
实施例5：
一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统，其结构如实施例4所述，所不同的是，E路激光经过光束准直后射入锥角反射镜上，经锥角反射镜反射、光束通过光接收透镜汇集、射入反射镜，经反射镜反射后，射入非球面透镜汇集，经非球面透镜收集后耦和到光纤耦合头中。实际使用时，锥角反射镜置于隧道内某处，其余结构集成在一个装置系统中。
实施例6：
一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统的工作方法，系统如实施例5所述，包括步骤如下：
所采用的激光器波长调制范围覆盖甲烷和水汽；整个调制周期为T，T为三角波信号的波长周期，T＝T1+T2+T3；0-T1时刻，在三角波信号上叠加一个正弦信号，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对其水汽的测量，在T1-T2时刻，在三角波信号上叠加一个正弦信号，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对甲烷测量；在T2-T3时刻，采用下降时间三角波信号，实现对系统的位移形变监测；T时间为10Hz，T1时间为0.02S，T2时间为0.03S，T3时间为0.05秒。
在0-T1、T1-T2时刻，AOM光纤调制器处于关闭状态，此时，光纤分束器3、光纤合束器1、光电探测器1不工作；通过光电探测器2可以获得气体浓度信息，此时，激光器经过光纤分束器1和光纤分束器2后，直接耦和输出到隧道内部的锥角反射镜5处，反射回的信号经过光接收透镜6接收后，再经反射镜4反射后，通过非球面透镜7汇聚到光纤耦和头8上，经光电探测器2光电转换后，通过数据采集与处理系统进行数据处理，获得浓度气体信息；在0-T1时刻测甲烷浓度、在T1-T2时刻测水汽浓度；
在T2-T3时刻，AOM光纤调制器处于打开状态，此时所有部件都正常工作，通过光电探测器1和光电探测器2获得位移形变监测。
所采用的激光器波长调制范围为6046cm-1-6050cm-1，可覆盖甲烷和水汽。
0-T1时刻，在三角波信号上叠加一个正弦信号，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对其水汽的测量，其中正弦调制系数为0.15cm-1，在T1-T2时刻，在三角波信号上叠加一个正弦信号，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对甲烷测量，其中正弦调制系数为0.12cm-1。

Claims (7)

1.一种隧道安全监测的全光纤激光检测系统，其特征在于，包括激光器，激光器输出光路上设有光纤分束器1，光纤分束器1的两路输出分别至光纤分束器2和光纤调制器，光纤调制器输出连接至光纤分束器3；
光纤分束器3的两个输出分别连接至光纤合束器1和光纤合束器2；
光纤分束器2的一路输出经过光纤环形器连接至光纤合束器1，光纤分束器2的另一路输出经过反射镜反射后、通过非球面透镜、光纤耦合头连接至光纤合束器2；
光纤合束器1经过光电探测器1连接至数据采集处理与控制系统，光纤合束器2经过光电探测器2连接至数据采集处理与控制系统；
光纤分束器1为90/10光纤分束器，激光器通过90/10光纤分束器分为90％能量的A路和10％能量的B路，A路输入至光纤分束器2；
光纤分束器2为90/10光纤分束器，A路激光再经过90/10光纤分束器2分为90％能量的E路和10％能量的F路；
光纤分束器3为45/55光纤分束器，B路激光通过光纤调制器后，再经45/55光纤分束器3分为45％能量的C路和55％能量的D路；
E路激光经过反射镜反射、非球面透镜耦和到光纤耦合头中；
F路信号经过光纤环形器后与C路激光通过光纤合束器1合束后在光电探测器1上产生信号1；
耦和到光纤耦合头的激光与D路激光通过光纤合束器2合束后在光电探测器2上产生信号2；
信号1包括根据时序产生的拍频信号，信号2包括根据时序产生的拍频信号和吸收信号；
数据采集处理及控制系统产生调制信号驱动激光器；调制信号为三角波信号，调制信号的波长周期为T，T＝T1+T2+T3；0-T1时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对其水汽的测量，在T1-T2时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对甲烷测量；在T2-T3时刻，采用下降时间三角波信号，实现对系统的位移形变监测。
2.根据权利要求1所述的隧道安全监测的全光纤激光检测系统，其特征在于，激光器为窄线宽激光器，线宽<10KHz。
3.根据权利要求1所述的隧道安全监测的全光纤激光检测系统，其特征在于，所采用的激光器波长调制范围为6046cm-1-6050cm-1。
4.根据权利要求1所述的隧道安全监测的全光纤激光检测系统，其特征在于，E路激光经过光束准直后射入锥角反射镜上，经锥角反射镜反射、光束通过光接收透镜汇集、射入反射镜，经反射镜反射后，射入非球面透镜汇集，经非球面透镜收集后耦和到光纤耦合头中。
5.一种利用权利要求4所述隧道安全监测的全光纤激光检测系统的工作方法，包括步骤如下：
所采用的激光器波长调制范围覆盖甲烷和水汽；整个调制周期为T，T＝T1+T2+T3；0-T1时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对其水汽的测量，在T1-T2时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对甲烷测量；在T2-T3时刻，采用下降时间三角波信号，实现对系统的位移形变监测；
在0-T1、T1-T2时刻，光纤调制器处于关闭状态，此时，光纤分束器3、光纤合束器1、光电探测器1不工作；通过光电探测器2可以获得气体浓度信息，此时，激光器经过光纤分束器1和光纤分束器2后，直接耦和输出到隧道内部的锥角反射镜处，反射回的信号经过光接收透镜接收后，再经反射镜反射后，通过非球面透镜汇聚到光纤耦和头上，经光电探测器2光电转换后，通过数据采集与处理系统进行数据处理，获得浓度气体信息；在0-T1时刻测甲烷浓度、在T1-T2时刻测水汽浓度；
在T2-T3时刻，光纤调制器处于打开状态，此时所有部件都正常工作，通过光电探测器1和光电探测器2获得位移形变监测。
6.根据权利要求5所述隧道安全监测的全光纤激光检测系统的工作方法，其特征在于，T1时间为0.02S，T2时间为0.03S，T3时间为0.05秒。
7.根据权利要求5所述隧道安全监测的全光纤激光检测系统的工作方法，其特征在于，0-T1时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对其水汽的测量，其中正弦调制系数为0.15cm-1，在T1-T2时刻，采用正弦信号和上升时间三角波信号实现对甲烷测量，其中正弦调制系数为0.12cm-1。
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