CN113267207B - 基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置及边坡监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置及边坡监测系统，其中监测装置包括光源、1×(N+1)光耦合器、探测光路部件、泵浦光路部件、转换控制开关、多通道布里渊光纤传感器、光电解调器和数据采集终端，多通道布里渊光纤传感器的数量为若干个，且依次串联，光源的出射光通过1×(N+1)光耦合器分成N+1路分支光路，其中N路分支光路分别通过探测光路部件产生连续光信号接入多通道布里渊光纤传感器，剩余1路分支光路通过泵浦光路部件产生脉冲光信号接入多通道布里渊光纤传感器，N路分支光路由转换控制开关控制切换。本发明实现对边坡多种监测项目的在线监测。

Description

基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置及边坡监测系统

技术领域

本发明属于边坡监测技术领域，尤其涉及一种基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置及边坡监测系统。

背景技术

边坡灾害在我国分布范围广、危害严重。边坡稳定性监测装置需要在一个野外监测点尽可能的多布设不同种类的监测装置来进行综合预警监测。然而受野外条件和成本限制，现有的监测综合站存在每种监测项目都需要独立的传感器和监测装置的问题，无形中增加设备投入的成本、运行功耗和监测站占地面积。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，实现对边坡多种监测项目的在线监测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，包括光源、1×(N+1)光耦合器、探测光路部件、泵浦光路部件、转换控制开关、多通道布里渊光纤传感器、光电解调器和数据采集终端，光源的输出端连接1×(N+1)光耦合器的输入端，1×(N+1)光耦合器的(N+1)个输出端分别与N个探测光路部件和1个泵浦光路部件连接，探测光路部件包括依次连接的频率调制器、第一偏振控制器和参考光纤，泵浦光路部件包括依次连接的脉冲调制器、光信号转换驱动器、环形器和第二偏振控制器，参考光纤的输出端和第二偏振器的输出端均连接转换控制开关的输入端，环形器的另一输出端通过光电解调器连接数据采集终端；

多通道布里渊光纤传感器包括壳体和传输光纤组，壳体为中空结构，其侧壁上设有压力传递孔，壳体内间隔设有两个固定器，传输光纤组包括若干不同种类的传输光纤，若干传输光纤相互平行且螺旋缠绕在两个固定器上，若干传输光纤的第一端和第二端分别对应固定在壳体的两相对侧壁，并伸出至壳体的外部；

多通道布里渊光纤传感器的数量为若干个，若干个多通道布里渊光纤传感器中相同种类的传输光纤依次串联，沿串联方向最首端的多通道布里渊光纤传感器的若干传输光纤的第一端均连接转换控制开关和光电解调器。

进一步地，壳体的两相对侧壁上均设有保护塞，保护塞远离壳体的一端设有管套，若干传输光纤的第一端和第二端分别固定在两个保护塞上，且分别位于相应的管套内。

进一步地，固定器为圆管结构，其两端分别通过固定螺丝连接到壳体上。

进一步地，光源为窄线宽激光光源。

本发明还提供了一种边坡监测系统，布设在边坡上，包括两个如上述任一项所述的基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，边坡的后缘和前缘均挖设有钻孔，钻孔的长度方向与竖直方向一致，且其底端深度低于边坡滑移面的深度，两个基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置分别与两个钻孔对应，任一基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置的若干个多通道布里渊光纤传感器等间距设置在对应的钻孔内。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：光源的出射光通过1×(N+1)光耦合器分成N+1路分支光路，其中N路分支光路分别通过探测光路部件接入多通道布里渊光纤传感器，剩余1路分支光路通过泵浦光路部件接入多通道布里渊光纤传感器，减少脉冲衰减和提高信噪比，N路分支光路由转换控制开关控制切换，可以实现多种边坡监测项目的测量，并且可以通过重复测量的累加平均从而提高信噪比；多通道布里渊光纤传感器采用光纤传感器，无需供电，测量精度高，测量距离长，抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，能够减少设备投入的成本、运行功耗和监测站占地面积。

附图说明

图1为本发明基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置的结构示意图；

图2为本发明基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置中多通道布里渊光纤传感器的剖视图；

图3为本发明边坡监测系统的结构示意图。

图中，1-光源，2-1×(N+1)光耦合器，3-转换控制开关，4-多通道布里渊光纤传感器，41-壳体，42-压力传递孔，43-固定器，44-传输光纤，45-保护塞，46-管套，5-光电解调器，6-数据采集终端，7-频率调制器，8-第一偏振控制器，9-参考光纤，10-脉冲调制器，11-光信号转换驱动器，12-环形器，13-第二偏振控制器，14-边坡，15-钻孔，16-滑移面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1和图3，图1为本发明基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置的结构示意图，图3为本发明边坡监测系统的结构示意图。一种基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，包括光源1、1×(N+1)光耦合器2、探测光路部件、泵浦光路部件、转换控制开关3、多通道布里渊光纤传感器4、光电解调器5和数据采集终端6，光源1的出射光通过1×(N+1)光耦合器2分成N+1路分支光路，其中N路分支光路分别通过探测光路部件产生连续光信号接入多通道布里渊光纤传感器4，剩余1路分支光路通过泵浦光路部件产生脉冲光信号接入多通道布里渊光纤传感器4，减少脉冲衰减和提高信噪比，N路分支光路由转换控制开关3控制切换，可以实现多种边坡14监测项目的测量，并且可以通过重复测量的累加平均从而提高信噪比。

具体地，光源1的输出端连接1×(N+1)光耦合器2的输入端，1×(N+1)光耦合器2的(N+1)个输出端分别与N个探测光路部件和1个泵浦光路部件连接。在一实施例中，光源1为窄线宽激光光源1。1×(N+1)光耦合器2的输出端数量和探测光路部件的数量可以根据边坡14所需要测量的测量项目来确定，如边坡14需要测量的测量项目为孔隙水压力、土壤湿度和土壤温度三项，则N＝3，这样选择具有4个输出端的光耦合器即可，即采用1×4光耦合器以及3个探测光路部件，1×4光耦合器的4个输出端中的3个输出端与3个探测光路部件连接，剩余1个输出端与1个泵浦光路部件连接。探测光路部件包括依次连接的频率调制器7、第一偏振控制器8和参考光纤9，频率调制器7为高带宽的连续光频率调制器7，其可在偏置电流控制下进行上边带抑制，只留下下边带作为探测光，进行降低噪声，连续的探测光强度一般要求控制在毫瓦量级以下，以减小脉冲衰减和提高信噪比。泵浦光路部件包括依次连接的脉冲调制器10、光信号转换驱动器11、环形器12和第二偏振控制器13，参考光纤9的输出端和第二偏振器的输出端连接转换控制开关3的输入端，环形器12的另一输出端通过光电解调器5连接数据采集终端6。1路分支光路通过脉冲调制器10产生固定频率的窄脉冲泵浦光，窄脉冲泵浦光经光信号转换驱动器11驱动放大后进入环形器12分开为两路，一路经过第二偏振控制器13和转换控制开关3进入若干串联的多通道布里渊光纤传感器4，为减少脉冲衰减和提高信号比，另一路进入光电解调器5。N路连续光信号和1路脉冲光信号的频率差保持在光纤布里渊频移范围附近。由于受激布里渊散射偏振相关性明显，传输光纤44两端分别串联偏振小于5％的第一偏振控制器8和第二偏振控制器13以抑制布里渊信号的偏振失配衰落。

转换控制开关3为现有半导体式光纤转换开关，通过改变半导体的输入电压来改变光的反射的反射方向，从而控制每个分支光路的通断，实现控制切换每个分支光路接入多通道布里渊光纤传感器4。

请结合参阅图2，图2为本发明基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置中多通道布里渊光纤传感器的剖视图。多通道布里渊光纤传感器4用于设置在边坡14内，多通道布里渊光纤传感器4包括壳体41和传输光纤组，壳体41为中空结构，其侧壁上设有压力传递孔42，具体地，壳体41两端均设有压力传递孔42。壳体41内间隔设有两个固定器43。在一实施例中，固定器43为圆管结构，其两端分别通过固定螺丝连接到壳体41上。传输光纤组包括若干不同种类的传输光纤44，若干传输光纤44相互平行且螺旋缠绕在两个固定器43上，若干传输光纤44的第一端和第二端分别对应固定在壳体41的两相对侧壁，并伸出至壳体41的外部。传输光纤组包括若干不同种类的传输光纤44，分别为第1传输光纤、第2传输光纤、……、第N传输光纤，传输光纤44的具体数量同样可以根据边坡14所需要测量的测量项目来确定，如边坡14需要测量的测量项目为孔隙水压力、土壤湿度和土壤温度三项，则需要三种不同种类的传输光纤44，即第1传输光纤、第2传输光纤和第3传输光纤。若干传输光纤44的第一端和第二端分别对应固定在壳体41的长度方向的两侧壁，并伸出至壳体41的外部，该设置便于若干传输光纤44分别与其他部件连接。在一实施例中，为保护传输光纤44并增加抗拉力，壳体41的两相对侧壁上均设有保护塞45，保护塞45远离壳体41的一端设有管套46，若干传输光纤44的第一端和第二端分别固定在两个保护塞45上，且分别位于相应的管套46内。若干传输光纤44的第一端和第二端分别分别穿过两个保护塞45后位于相应的管套46内，保护塞45和管套46可以对传输光纤44起到保护的作用，增加抗拉力。优选地，管套46为PE管套。

多通道布里渊光纤传感器4的数量为若干个，可根据设计需要将若干个多通道布里渊光纤传感器4进行串联连接，具体地，若干个多通道布里渊光纤传感器4中相同种类的传输光纤44依次串联，即若多通道布里渊光纤传感器4中有N种不同种类的传输光纤44，分别为第1传输光纤、第2传输光纤、……、第N传输光纤，若干个多通道布里渊光纤传感器4中的第1传输光纤即为相同种类的传输光纤44，将若干个多通道布里渊光纤传感器4中第1传输光纤依次串联，形成第1路光纤，同样将若干个多通道布里渊光纤传感器4中第2传输光纤依次串联，形成第2路光纤，……，将若干个多通道布里渊光纤传感器4中第N路传输光纤依次串联，形成第N路光纤，每一路光纤用于测量边坡14不同的测量项目。沿串联方向最首端的多通道布里渊光纤传感器4的若干传输光纤44的第一端均连接转换控制开关3和光电解调器5，转换控制开关3用于控制每一路光纤的通断，即控制及切换每个分支光路与每一路光纤的连通。沿串联方向最首端的多通道布里渊光纤传感器4的若干传输光纤44的第一端即未与其他多通道布里渊光纤传感器4连接的一端。多通道布里渊光纤传感器4输出不同频率和相位的信号，经过光电解调器5调解后，传输至数据采集终端6。多通道布里渊光纤传感器4布设在边坡14内时，水会从压力传递孔42进入，通过与水接触的部分进行测量，然后多通道布里渊光纤传感器4输出不同频率和相位的信号，经光电解调器5解调后输出至数据采集终端6，数据采集终端6传送至云平台进行处理。

本发明还提供了一种边坡14监测系统，布设在边坡14上，包括两个如上述任一项所述的基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，边坡14的后缘和前缘均挖设有钻孔15，钻孔15的长度方向与竖直方向一致，且其底端深度低于边坡14滑移面16的深度，两个基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置分别与两个钻孔15对应，任一基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置的若干个多通道布里渊光纤传感器4等间距设置在对应的钻孔15内。

以下简单说明本发明基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置的测量过程：

以测量边坡14孔隙水压力、土壤湿度和土壤温度为例进行说明，1×(N+1)光耦合器2即采用1×4光耦合器，多通道布里渊光纤传感器4中包含第1传输光纤、第2传输光纤和第3传输光纤。

按照上述边坡监测系统的布置，将两个上述任一项所述的基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置布置在边坡14上。窄线宽激光光源1的出射光通过1×4光耦合器分为4路分支光路，分别为第1分支光路、第2分支光路、第3分支光路和第4分支光路。其中第1分支光路、第2分支光路和第3分支光路分别经过高带宽的连续光频率调制器7、第一偏振控制器8、参考光纤9和转换控制开关3接入若干串联的多通道布里渊光纤传感器4，第4路分支光路通过脉冲调制器10产生固定频率的窄脉冲泵浦光，窄脉冲泵浦光经光信号转换驱动器11驱动后放大进入环形器12分开为两路，一路经过第二偏振控制器13和转换控制开关3进入若干串联的多通道布里渊光纤传感器4，为减少脉冲衰减和提高信号比，另一路进入光电解调器5。

当需要测量边坡14的孔隙水压力时，转换控制开关3将第2分支光路、第3分支光路、第2路光纤和第3路光纤关断，使得第1分支光路的连续光信号和第4分支光路的脉冲光信号进入第1路光纤，脉冲光信号和连续光信号在传输光纤44中相向传播，在传输光纤44中相遇于某一点的频率差接近所在位置的布里渊频移的时候，探测光将被放大，可以通过扫描方式逐步调节脉冲光信号和连续光信号的频率差，便可测量布里渊增益信号同时获得布里渊频移，第1路光纤输出布里渊增益信号和布里渊频移等信号，数据采集终端6和光电解调器5按照时间序列接收和处理信号，以实现对脉冲传递时间的判断和计算，光电解调器5通过频率和相位的变化计算出边坡孔隙水压力信息的变化，从而得到孔隙水压力信息，同时可通过重复测量的累加平均可以提高信噪比；

当需要测量边坡14的土壤湿度时，转换控制开关3将第1分支光路、第3分支光路、第1路光纤和第3路光纤关断，使得第2分支光路的连续光信号和第4分支光路的脉冲光信号进入第2路光纤，脉冲光信号和连续光信号在传输光纤44中相向传播，在传输光纤44中相遇于某一点的频率差接近所在位置的布里渊频移的时候，探测光将被放大，可以通过扫描方式逐步调节脉冲光信号和连续光信号的频率差，便可测量布里渊增益信号同时获得布里渊频移，第2路光纤输出布里渊增益信号和布里渊频移等信号，数据采集终端6和光电解调器5按照时间序列接收和处理信号，以实现对脉冲传递时间的判断和计算，光电解调器5通过频率和相位的变化计算出边坡土壤湿度信息的变化，从而得到土壤湿度信息，同时可通过重复测量的累加平均可以提高信噪比；

当需要测量边坡14的土壤温度时，转换控制开关3将第1分支光路、第2分支光路、第1路光纤和第2路光纤关断，使得第3分支光路的连续光信号和第4分支光路的脉冲光信号进入第3路光纤，脉冲光信号和连续光信号在传输光纤44中相向传播，在传输光纤44中相遇于某一点的频率差接近所在位置的布里渊频移的时候，探测光将被放大，可以通过扫描方式逐步调节脉冲光信号和连续光信号的频率差，便可测量布里渊增益信号同时获得布里渊频移，第3路光纤输出布里渊增益信号和布里渊频移等信号，数据采集终端6和光电解调器5按照时间序列接收和处理信号，以实现对脉冲传递时间的判断和计算，光电解调器5通过频率和相位的变化计算出边坡土壤温度信息的变化，从而得到土壤温度信息，同时可通过重复测量的累加平均可以提高信噪比。

相比于现有技术，本发明的有益效果为：光源1的出射光通过1×(N+1)光耦合器2分成N+1路分支光路，其中N路分支光路分别通过探测光路部件接入多通道布里渊光纤传感器4，剩余1路分支光路通过泵浦光路部件接入多通道布里渊光纤传感器4，减少脉冲衰减和提高信噪比，N路分支光路由转换控制开关3控制切换，可以实现多种边坡14监测项目的测量，并且可以通过重复测量的累加平均从而提高信噪比；多通道布里渊光纤传感器4采用光纤传感器，无需供电，测量精度高，测量距离长，抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，能够减少设备投入的成本、运行功耗和监测站占地面积。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，其特征在于，包括光源、1×(N+1)光耦合器、探测光路部件、泵浦光路部件、转换控制开关、多通道布里渊光纤传感器、光电解调器和数据采集终端，所述光源的输出端连接1×(N+1)光耦合器的输入端，所述1×(N+1)光耦合器的(N+1)个输出端分别与N个探测光路部件和1个泵浦光路部件连接，所述探测光路部件包括依次连接的频率调制器、第一偏振控制器和参考光纤，所述泵浦光路部件包括依次连接的脉冲调制器、光信号转换驱动器、环形器和第二偏振控制器，所述参考光纤的输出端和第二偏振器的输出端均连接转换控制开关的输入端，所述环形器的另一输出端通过光电解调器连接数据采集终端；

所述多通道布里渊光纤传感器包括壳体和传输光纤组，所述壳体为中空结构，其侧壁上设有压力传递孔，所述壳体内间隔设有两个固定器，所述传输光纤组包括若干不同种类的传输光纤，若干所述传输光纤相互平行且螺旋缠绕在两个固定器上，若干所述传输光纤的第一端和第二端分别对应固定在壳体的两相对侧壁，并伸出至所述壳体的外部；

所述多通道布里渊光纤传感器的数量为若干个，若干个所述多通道布里渊光纤传感器中相同种类的传输光纤依次串联，沿串联方向最首端的所述多通道布里渊光纤传感器的若干传输光纤的第一端均连接转换控制开关和光电解调器。

2.根据权利要求1所述的基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，其特征在于，所述壳体的两相对侧壁上均设有保护塞，所述保护塞远离壳体的一端设有管套，若干所述传输光纤的第一端和第二端分别固定在两个保护塞上，且分别位于相应的所述管套内。

3.根据权利要求1所述的基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，其特征在于，所述固定器为圆管结构，其两端分别通过固定螺丝连接到所述壳体上。

4.根据权利要求1所述的基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，其特征在于，所述光源为窄线宽激光光源。

5.一种边坡监测系统，布设在边坡上，其特征在于，包括两个如权利要求1～4任一项所述的基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置，所述边坡的后缘和前缘均挖设有钻孔，所述钻孔的长度方向与竖直方向一致，且其底端深度低于所述边坡滑移面的深度，两个所述基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置分别与两个钻孔对应，任一所述基于布里渊双纤的分布式多通道监测装置的若干个多通道布里渊光纤传感器等间距设置在对应的钻孔内。

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