CN112525329B - 基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，包括传感光缆、分布式光纤应变/振动解调仪、振动监测报警平台，应变监测平台。将传感光缆和边坡框架梁相耦合，同时监测边坡的应变信息和振动信息，实时地监测边坡的入侵事件，避免由于落石和攀爬所造成的道路和人身安全事故，并全方位地监测边坡的安全状态。

Description

基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统

技术领域

本发明涉及边坡工程监测技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统。

背景技术

山体滑坡不仅造成一定范围内的人员伤亡、财产损失，还会对附近道路交通造成严重威胁。滑坡常常给工农业生产以及人民生命财产造成巨大损失、有的甚至是毁灭性的灾难。滑坡对乡村最主要的危害是摧毁农田、房舍、伤害人畜、毁坏森林、道路以及农业机械设施和水利水电设施等，有时甚至给乡村造成毁灭性灾害。位于城镇的滑坡常常砸埋房屋，伤亡人畜，毁坏田地，摧毁工厂、学校、机关单位等，并毁坏各种设施，造成停电、停水、停工，有时甚至毁灭整个城镇。发生在工矿区的滑坡，可摧毁矿山设施，伤亡职工，毁坏厂房，使矿山停工停产，常常造成重大损失。

光纤由于其受环境因素影响小、耐久性好的特点，目前分布式光纤传感技术已经逐步应用到边坡工程的监测中。分布式光纤应变监测系统通过收集光纤沿线的布里渊散射信号，可反映出外界的应变变化，实现对大范围、任意位置应变的实时监测。

目前尽管已有一定的关于利用分布式光纤传感技术对边坡进行监测的报道，但是由于边坡岩土介质的复杂性，所以分布式光纤传感技术在边坡稳定性监测中仍然存在很多不确定因素。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，通过一根和边坡框架梁相耦合的光缆同时监测边坡的应变信息和振动信息。基于分布式在线监测边坡上的振动信息，及时发现落石、人员攀爬、结构失稳等瞬态事件；同时基于分布式在线监测边坡的形变状态，判断边坡结构的状态演变规律；并将分布式在线振动与应变监测进行联动，及时加强对可疑位置的监测，更全面、准确的掌握边坡的状态信息。

为实现本发明的目的，提供一种基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，包括传感光缆、分布式光纤应变/振动解调仪、振动报警监测系统和应变监测系统；所述传感光缆一端连接分布式光纤应变/振动解调仪的输入端口，所述传感光缆铺设在边坡上，所述分布式光纤应变/振动解调仪系统的输出端分别连接所述振动报警监测系统和所述应变监测系统；

当边坡坡面发生变形时，所述传感光缆检测到变形的作用力，其中传输的光信号发生改变，所述分布式光纤应变/振动解调仪解调改变的光信号，将坡面发生应变的大小信息和位置信息还原，将还原得到的大小信息和位置信息发送至所述应变监测系统，以实现边坡应变监测；

当所述传感光缆检测到外界振动时，传感光缆中光信号的相位参量被调制，所述分布式光纤应变/振动解调仪对相位参量被调制的光信号进行解调，将解调结果发送至所述振动报警监测系统，所述振动报警监测系统输出报警信息，以实现边坡振动监测。

在一个实施例中，所述基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统对振动和应变双参量进行联动监测，具体过程包括：当局部位置处监测到超过阈值的振动时，将该时刻和该位置作为一个应变对比监测的参考点，通过提高采样分辨率、空间分辨率和信号平均次数，在一段时间内提高分布式应变监测在空间上的精细度和信噪比，分析以该位置为中心的设定区域内应变的局部细微变化特征及应变变化速度，判断造成振动的事件是否导致坡体在该位置处出现结构失稳；当监测到大范围的超过阈值的振动事件时，将该时刻作为边坡整体应变对比监测的参考点，在一段时间内查看整个边坡的应变变化特征，与历史变化趋势进行对比，判断坡体结构强度弱化程度和失稳情况，并根据振动分布的空间强弱特征，对其应变分布进行预期判断，分析对坡体振动更大的地方。

在一个实施例中，所述传感光缆通过和边坡框架梁耦合的方式，铺设在所述边坡上。

在一个实施例中，所述应变监测系统对接收的大小信息和位置信息进行可视化展示。

在一个实施例中，所述分布式光纤应变/振动解调仪对相位参量被调制的光信号进行解调，得到时域振动信号，将时域振动信号发送至所述振动报警监测系统；所述振动报警监测系统将时域振动信号分割成时间长度小于设定时长的小段信号，并对各段信号做方差计算，再对一段较长时间内各小段信号的方差进行累加计算，得到累加值，根据累加值进行边坡振动监测。

具体地，所述振动报警监测系统将累加值作为振动信息的判断条件，对累加值超过阈值的振动信号进行事件类型、振动位置和范围的判断。

具体地，所述设定时长为0.1s。

上述基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

(1)本发明采用分布式光纤传感的双参量边坡监测系统及方法，充分利用光纤的优势特性，对边坡的应变信息和振动信息同时监测。

(2)本发明利用分布式光纤传感的双参量边坡监测系统的振动报警平台，根据振动信号的特征，设置合适的阈值条件，监测边坡的振动事件。

(3)本发明利用振动应变双参量联动监测方法，通过局部振动信息和范围振动信息来调整应变监测的方式，全方位多角度的监测边坡的安全稳定状况。

附图说明

图1是一个实施例的基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统流程图；

图2是一个实施例的系统整体示意图；

图3是一个实施例的2×2的框架梁的示意图；

图4是一个实施例的4×4的框架梁的示意图；

图5为一个实施例的模拟数据的效果图；

图6为一个实施例中振动前和振动后的两条坡体应变分布曲线示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

在一个实施例中，提供基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，包括传感光缆、分布式光纤应变/振动解调仪、振动报警监测系统和应变监测系统；所述传感光缆一端连接分布式光纤应变/振动解调仪的输入端口，所述传感光缆铺设在边坡上，所述分布式光纤应变/振动解调仪系统的输出端分别连接所述振动报警监测系统和所述应变监测系统；

当边坡坡面发生变形时，所述传感光缆检测到变形的作用力，其中传输的光信号发生改变，所述分布式光纤应变/振动解调仪解调改变的光信号，将坡面发生应变的大小信息和位置信息还原，将还原得到的大小信息和位置信息发送至所述应变监测系统，以实现边坡应变监测；

当所述传感光缆检测到外界振动时，传感光缆中光信号的相位参量被调制，所述分布式光纤应变/振动解调仪对相位参量被调制的光信号进行解调，将解调结果发送至所述振动报警监测系统，所述振动报警监测系统输出报警信息，以实现边坡振动监测。

上述基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，在边坡坡面发生变形时，传感光缆检测到变形的作用力，其中传输的光信号发生改变，所述分布式光纤应变/振动解调仪解调改变的光信号，将坡面发生应变的大小信息和位置信息还原，将还原得到的大小信息和位置信息发送至所述应变监测系统，以实现边坡应变监测，在传感光缆检测到外界振动时，传感光缆中光信号的相位参量被调制，所述分布式光纤应变/振动解调仪对相位参量被调制的光信号进行解调，将解调结果发送至所述振动报警监测系统，所述振动报警监测系统输出报警信息，以实现边坡振动监测，其可以实现振动应变双参量联动监测，具有较好的监测效果。

在一个实施例中，所述传感光缆通过和边坡框架梁耦合的方式，铺设在所述边坡上。

本实施例中，传感光缆通过和边坡框架梁耦合的方式，铺设在所述边坡上，结合其他组成结构可以实现分布式应变监测和分布式振动监测。

具体地，分布式振动监测过程包括：分布式振动信息监测路堑高边坡坡率较为陡峭，意外的落石会给高速路面带来安全隐患、周围居民或者非专业人士在高边坡上攀爬可能造成人身安全事件，这些事件均会造成边坡局部的振动。同时振动也是边坡结构失稳的诱因或前兆。由于不同事件造成的边坡振动的大小、时间长短不同，为兼顾效率和准确性，本方案通过分布式振动监测获取框架梁上各个位置的振动信号，并对各个位置的振动信号均进行如下处理：首先将时域振动信号分割成时间长度很短的小段，并对各段信号做方差计算，以避免短时间内的振动信号淹没在长时间的平稳信号中；再对一段较长时间内各小段信号的方差进行累加计算，将累加值做为振动信息的判断条件，兼顾了瞬时大振动信号和长期小振动信号的影响。最后，对超过阈值的振动信号进行事件类型、振动位置和范围的判断。分布式应变监测过程包括：分布式应变监测可对边坡各个位置框架梁的应变状态进行测量，可反映边坡上缓慢产生的形变及其在长时间下的形变累积。本方案通过分布式应变监测持续监测边坡各个位置框架梁的应变状态，并与第一次测量得到的框架梁应变状态进行对比，以判断框架梁的形变大小。

在一个实施例中，所述应变监测系统对接收的大小信息和位置信息进行可视化展示。

在一个实施例中，所述分布式光纤应变/振动解调仪对相位参量被调制的光信号进行解调，得到时域振动信号，将时域振动信号发送至所述振动报警监测系统；所述振动报警监测系统将时域振动信号分割成时间长度小于设定时长的小段信号，并对各段信号做方差计算，再对一段较长时间内各小段信号的方差进行累加计算，得到累加值，根据累加值进行边坡振动监测。

具体地，所述振动报警监测系统将累加值作为振动信息的判断条件，对累加值超过阈值的振动信号进行事件类型、振动位置和范围的判断。

具体地，上述阈值可以依据监测精度进行设置，累加值超过阈值的振动信号，则可以触发报警，输出相应报警信号。

具体地，所述设定时长为0.1s。

在一个实施例中，所述基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统对振动和应变双参量进行联动监测，具体过程包括：当局部位置处监测到超过阈值的振动时，将该时刻和该位置作为一个应变对比监测的参考点，通过提高采样分辨率、空间分辨率和信号平均次数，在一段时间内提高分布式应变监测在空间上的精细度和信噪比，分析以该位置为中心的设定区域内应变的局部细微变化特征及应变变化速度，判断造成振动的事件是否导致坡体在该位置处出现结构失稳；当监测到大范围的超过阈值的振动事件时，将该时刻作为边坡整体应变对比监测的参考点，在一段时间内查看整个边坡的应变变化特征，与历史变化趋势进行对比，判断坡体结构强度弱化程度和失稳情况，并根据振动分布的空间强弱特征，对其应变分布进行预期判断，分析对坡体振动更大的地方。

上述阈值依据可以分布式光纤传感的性能特征设置。上述局部位置处监测到超过阈值的振动可以指监测到某个位置的振动超过阈值。上述大范围的超过阈值的振动事件可以指监测到多个位置的振动均超过相应阈值。

具体地，在实际监测过程中，上述基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统可以实现振动应变双参量联动监测：当局部位置处监测到超过阈值的振动时，将该时刻和该位置作为一个应变对比监测的参考点，通过提高采样分辨率、空间分辨率和信号平均次数，在一段时间内提高分布式应变监测在空间上的精细度和信噪比，重点分析该位置附近应变的局部细微变化特征及应变变化速度，判断造成振动的事件是否导致坡体在该位置处出现结构失稳。当监测到大范围的超过阈值的振动事件时，将该时刻作为边坡整体应变对比监测的参考点，在一段时间内查看整个边坡的应变变化特征，与历史变化趋势进行对比，判断坡体结构强度弱化程度和失稳情况。并根据振动分布的空间强弱特征，对其应变分布进行一个预期的判断，对坡体振动更大的地方，进行重点分析。

在一个实施例中，如图1所示，图1为一种基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统及相应方法的整体架构图，其中包含了框架梁耦合传感光缆1、分布式光纤应变/振动解调仪2、监测平台3，监测平台3可以设置振动报警监测系统和应变监测系统。

将传感光缆1根据情况铺设在边坡上，形成光纤网，通过引导光缆将传感光缆1连接到分布式光纤应变/振动解调仪2，在云端远程操作监测平台3；

分布式振动监测过程包括：

分布式光纤振动测量技术是基于Φ-OTDR原理，利用光波在光纤中的瑞利散射光信号的相干叠加效应进行传感。应用振动监测报警平台，根据实际边坡监测的需求，设计了边坡震动的阈值条件和信号筛选机制。在入侵事件中，现场试验，将人为的踩踏事件信号强度作为阈值条件，超过其强度的信号就会触发报警，实时地在线保存至云端。首先将时域振动信号分割成每0.1s时长的小段，并对该段信号做方差计算表示其信号强度，为了避免短时间内的振动信号淹没在长时间的平稳信号中，每0.1s的信号强度在1s内做连续10次累加，将瞬时的强爆发信号和持续性的信号在能量上做一个匹配，依据累加后的信号强度来设置联动监测的阈值条件。如图2所示，将人为踩踏事件1s内的信号强度设置为振动信号强度阈值曲线4，超过其强度的信号就会触发报警。实时获取的1s内振动信号强度为曲线5，一旦信号强度超过阈值条件，则会触发报警机制，将前5s内的时域信号和后5s的时域信号拼接保存。为了避免重复信号的保存，每10s最多触发一次报警。方差公式为：

V为0.1s信号求方差结果，μ为鉴相后信号在0.1s内的均值，N为0.1s内信号点的个数，A_i为在时间坐标轴上，鉴相位后的每一个信号点的幅值。

如图3所示，为通过振动报警监测系统捕获的落石事件信号相关信息。通过信号分布、信号强度、1s内信号特征和其频率响应全方位的掌握振动信息。

分布式应变监测过程包括：

分布式光纤振应变测量技术是利用光波在光纤中的布里渊散射光信号与光纤应变的关系进行分布式应变测量。分布式应变监测可对边坡各个位置框架梁的应变状态进行测量，可反映边坡上缓慢产生的形变及其在长时间下的形变累积。本方案通过分布式应变监测持续监测边坡各个位置框架梁的应变状态，并与第一次测量得到的框架梁应变状态进行对比，再将应变信息和位置信息映射在边坡上，对边坡的形状变形进行还原。

振动应变双参量联动监测过程包括：

当坡体局部位置处监测到超过阈值的振动，将该时刻和该位置作为一个应变对比监测的参考点，通过提高采样分辨率、空间分辨率和信号平均次数，在一段时间内提高分布式应变监测在空间上的精细度和信噪比，重点分析该位置附近应变的局部细微变化特征及应变变化速度，判断造成振动的事件是否导致坡体在该位置处出现结构失稳。如图4所示，通过振动前和振动后的两条应变分布曲线，可以看到在该位置处坡体的发生了轻微的应变，可以确定该处岩体已经发生了局部轻微的变形，且岩体的损伤就是由于外部动力荷载所导致。

如图5所示，当监测到大范围的超过阈值的振动事件，将该时刻作为边坡整体应变对比监测的参考点，在一段时间内查看整个边坡的应变变化特征，与历史变化趋势进行对比，判断坡体结构强度弱化程度和失稳情况。如图6所示，通过大范围振动前和振动后的两条坡体应变分布曲线，可以看到在该坡体的整体应变分布在一段时间内特征几乎一致，边坡基本稳定。根据振动分布的空间强弱特征，对其应变分布进行一个预期的判断，从图5的信号强度图中可以看出，振动信号强度分布两头高，中间低，其有可能导致边坡在下一阶段的应变分布也呈现该分布特征，也就是说在振动信号强的地方对坡体造成的损伤略大，从而导致其产生一定程度的应变，后续还需要再重点关注。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

(1)本发明采用分布式光纤传感的双参量边坡监测系统及方法，充分利用光纤的优势特性，对边坡的应变信息和振动信息同时监测。

(2)本发明利用分布式光纤传感的双参量边坡监测系统的振动报警平台，根据振动信号的特征，设置合适的阈值条件，监测边坡的振动事件。

(3)本发明利用振动应变双参量联动监测方法，通过局部振动信息和范围振动信息来调整应变监测的方式，全方位多角度的监测边坡的安全稳定状况。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，其特征在于，包括传感光缆、分布式光纤应变/振动解调仪、振动报警监测系统和应变监测系统；所述传感光缆一端连接分布式光纤应变/振动解调仪的输入端口，所述传感光缆铺设在边坡上，所述分布式光纤应变/振动解调仪系统的输出端分别连接所述振动报警监测系统和所述应变监测系统；

当边坡坡面发生变形时，所述传感光缆检测到变形的作用力，其中传输的光信号发生改变，所述分布式光纤应变/振动解调仪解调改变的光信号，将坡面发生应变的大小信息和位置信息还原，将还原得到的大小信息和位置信息发送至所述应变监测系统，以实现边坡应变监测；

当所述传感光缆检测到外界振动时，传感光缆中光信号的相位参量被调制，所述分布式光纤应变/振动解调仪对相位参量被调制的光信号进行解调，将解调结果发送至所述振动报警监测系统，所述振动报警监测系统输出报警信息，以实现边坡振动监测；

所述基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统对振动和应变双参量进行联动监测，具体过程包括：当局部位置处监测到超过阈值的振动时，将该时刻和该位置作为一个应变对比监测的参考点，通过提高采样分辨率、空间分辨率和信号平均次数，在一段时间内提高分布式应变监测在空间上的精细度和信噪比，分析以该位置为中心的设定区域内应变的局部细微变化特征及应变变化速度，判断造成振动的事件是否导致坡体在该位置处出现结构失稳；当监测到大范围的超过阈值的振动事件时，将该时刻作为边坡整体应变对比监测的参考点，在一段时间内查看整个边坡的应变变化特征，与历史变化趋势进行对比，判断坡体结构强度弱化程度和失稳情况，并根据振动分布的空间强弱特征，对其应变分布进行预期判断，分析坡体振动更大的地方。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，其特征在于，所述传感光缆通过和边坡框架梁耦合的方式，铺设在所述边坡上。

3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，其特征在于，所述应变监测系统对接收的大小信息和位置信息进行可视化展示。

4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，其特征在于，所述分布式光纤应变/振动解调仪对相位参量被调制的光信号进行解调，得到时域振动信号，将时域振动信号发送至所述振动报警监测系统；所述振动报警监测系统将时域振动信号分割成时间长度小于设定时长的小段信号，并对各段信号做方差计算，再对一段较长时间内各小段信号的方差进行累加计算，得到累加值，根据累加值进行边坡振动监测。

5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，其特征在于，所述振动报警监测系统将累加值作为振动信息的判断条件，对累加值超过阈值的振动信号进行事件类型、振动位置和范围的判断。

6.根据权利要求4所述的基于分布式光纤传感的双参量边坡监测系统，其特征在于，所述设定时长为0.1s。

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