CN114993453A - 基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统及方法 - Google Patents

基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统及方法 Download PDF

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CN114993453A CN202210939534.5A CN202210939534A CN114993453A CN 114993453 A CN114993453 A CN 114993453A CN 202210939534 A CN202210939534 A CN 202210939534A CN 114993453 A CN114993453 A CN 114993453A
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Abstract

本发明提供了一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统及方法，其系统包括：光发生单元、光环形器、光纤光栅阵列传感光缆、解调单元及数据处理单元；光发生单元用于生成目标脉冲光；光环形器用于将目标脉冲光输入至光纤光栅阵列传感光缆；光纤光栅阵列传感光缆包括传感光纤和多个弱光栅，多个弱光栅用于获取桥梁中多个测点的振动干涉信号；光环形器还用于将振动干涉信号输入至解调单元；解调单元用于将振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据；数据处理单元用于根据振动解调数据确定桥梁振动模态。本发明发挥光纤光栅阵列传感光缆大容量、高密度的优势，实现对桥梁整体进行全面监测，提高对桥梁振动模态进行监测的全面性和准确性。

Description

基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统及方法
技术领域
本发明涉及桥梁安全监测技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统及方法。
背景技术
我国是一个桥梁大国。由于桥梁材料的老化，环境的侵蚀以及交通荷载增大导致近些年桥梁坍塌事故频发，严重危害人民生命财产安全，因此有必要定期对桥梁进行损伤评估。当桥梁内部结构发生损伤时会引起动力特性改变，通过模态测试可以判断结构损伤位置以及损伤程度。
目前桥梁模态测试的方法主要为利用传统加速度传感器等装置周期性获取桥梁模态参数，如固有频率、模态振型或阻尼比，然后与初始模态参数进行对比分析桥梁损伤状态。然而这类方法目前存在较多问题：（1）传统加速度传感器需要在安装在桥梁结构上，只能获取有限点的振动数据，无法对桥梁结构整体进行全面分析，而桥梁的倒塌都是由局部发展至整体。（2）传统加速度传感器难以实现信号同步，而对桥梁模态振型的监测对信号的同步性有很高的要求。（3）传统加速度传感器设备养护困难，使用期限相比桥梁服役寿命明显偏短。（4）传统加速度传感器之间需要大量的电缆进行连接，布设工作周期长、故障率高，严重影响桥梁正常运营。相比于基于传统加速度传感器的方法，基于数字图像检测的技术具有分布式监测的能力，不需要添加外部传感器影响桥梁真实振动状态，然而这种非接触式的测量方法，设备的价格十分昂贵，摄像机受桥梁真实地形的影响不便于架设，视频类实测数据的处理难度也更高。
因此，急需提出一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统及方法，解决现有技术中存在的对桥梁振动模态进行监测的监测不全面、监测准确率不高以及监测成本较高的技术问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统及方法，用以解决现有技术中存在的对桥梁振动模态进行监测的监测不全面、监测准确率不高以及监测成本较高的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，包括：光发生单元、光环形器、光纤光栅阵列传感光缆、解调单元以及数据处理单元；
所述光发生单元用于生成目标脉冲光；
所述光环形器用于将所述目标脉冲光输入至所述光纤光栅阵列传感光缆；
所述光纤光栅阵列传感光缆包括传感光纤和等距间隔刻写在所述传感光纤上的多个弱光栅，所述多个弱光栅用于获取桥梁中多个测点的振动干涉信号；
所述光环形器还用于将所述振动干涉信号输入至所述解调单元；
所述解调单元用于将所述振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据；
所述数据处理单元用于根据所述振动解调数据确定桥梁振动模态。
在一些可能的实现方式中，所述桥梁振动模态包括桥梁的各阶真实固有频率和桥梁振型，所述桥梁振型包括桥梁振型值和振型值符号，所述多个测点包括参考测点和多个关键测点，所述振动解调数据包括所述参考测点的参考振动解调数据以及所述关键测点的关键振动解调数据；所述数据处理单元包括数据预处理子单元以及桥梁振动模态识别子单元；
所述数据预处理子单元用于对所述参考振动解调数据以及所述关键振动解调数据进行预处理，对应获得目标参考振动解调数据以及目标关键振动解调数据；
所述桥梁振动模态识别子单元用于基于预设的自功率谱模型确定所述目标关键振动解调数据的自功率谱，并基于所述自功率谱和预设的融合模型确定所述桥梁的各阶真实固有频率，根据所述各阶真实固有频率和所述自功率谱确定所述桥梁振型值；
所述桥梁振动模态识别子单元还用于基于预设的互功率谱模型确定所述目标关键振动解调数据与所述目标参考振动解调数据的互功率谱，并根据所述互功率谱确定所述振型值符号。
在一些可能的实现方式中，所述自功率谱模型为：
Figure 979374DEST_PATH_IMAGE001
所述融合模型为：
Figure 686430DEST_PATH_IMAGE002
所述互功率谱模型为：
Figure 519257DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 145411DEST_PATH_IMAGE004
为第i个关键测点的自功率谱；
Figure 939054DEST_PATH_IMAGE005
为第i个关键测点的目标关键振动解调数据的傅里叶变换；| |为取模运算符；
Figure 574435DEST_PATH_IMAGE006
为前i个关键测点消除虚假模态后的自功率谱；
Figure 871555DEST_PATH_IMAGE007
为前i-1个关键测点的消除虚假模态后的自功率谱；
Figure 934189DEST_PATH_IMAGE008
为第i个关键测点的互功率谱；
Figure 74184DEST_PATH_IMAGE009
为目标参考振动解调数据的傅里叶变换。
在一些可能的实现方式中，所述光发生单元包括依次连接的激光器、脉冲调制器以及光放大器；
所述激光器用于生成连续光源；
所述脉冲调制器用于对所述连续光源的脉宽进行调制，生成初始脉冲光；
所述光放大器用于对所述初始脉冲光进行放大，生成所述目标脉冲光。
在一些可能的实现方式中，所述目标脉冲光的脉宽大于第一脉宽阈值，小于第二脉宽阈值，所述第一脉宽阈值为：
Figure 388621DEST_PATH_IMAGE010
所述第二脉宽阈值为：
Figure 930461DEST_PATH_IMAGE011
式中，W1为第一脉宽阈值；W2为第二脉宽阈值；L为相邻两个弱光栅之间的间距；neff为传感光纤的纤芯有效折射率；c为光速。
在一些可能的实现方式中，所述光纤光栅阵列传感光缆还包括多个间隔设置在所述传感光纤上的多个拱形线卡。
在一些可能的实现方式中，所述解调单元包括通讯光缆和光纤光栅阵列振动解调仪；
所述通讯光缆的两端分别连接所述光环形器和所述光纤光栅阵列振动解调仪，用于将所述振动干涉信号传输至所述光纤光栅阵列振动解调仪；
所述光纤光栅阵列振动解调仪用于将所述振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据。
在一些可能的实现方式中，所述解调单元还包括包覆在所述光纤光栅阵列振动解调仪外部的保温海绵。
在一些可能的实现方式中，所述基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述桥梁振动模态。
另一发明，本发明还提供了一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测方法，适用于上述任意一种可能的实现方式中所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，所述基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测方法包括：
基于所述光发生单元生成目标脉冲光；
基于所述光环形器将所述目标脉冲光输入至所述光纤光栅阵列传感光缆；
基于所述多个弱光栅获取桥梁中多个测点的振动干涉信号；
基于所述光环形器将所述振动干涉信号输入至所述解调单元；
基于所述解调单元将所述振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据；
基于所述数据处理单元根据所述振动解调数据确定桥梁振动模态。
采用上述实施例的有益效果是：本发明提供的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，通过设置光纤光栅阵列传感光缆，光纤光栅阵列传感光缆包括传感光纤和等距间隔刻写在传感光纤上的多个弱光栅，可发挥光纤光栅阵列传感光缆中弱光栅大容量、高密度的优势，形成大范围的振动监测网络，密集的测点可以保证不丢失桥梁重要节点的振动信号，实现对桥梁整体进行全面监测，提高对桥梁振动模态进行监测的全面性。
进一步地，本发明通过使用光发生单元生成的目标脉冲光作为信号载体，可保证测点信号的同步性，从而可提高对桥梁振动模态进行监测的准确性。
更进一步地，本发明使用的光纤光栅阵列传感光缆作为传感器集传感与传输于一体，具有成本低、耐腐蚀、抗电磁干扰、传输损耗低等优点，在现场不需要布设额外电缆，降低了对桥梁振动模态进行监测的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统的一个实施例结构示意图；
图2为本发明提供的光纤光栅阵列传感光缆的一个实施例结构示意图；
图3为本发明提供的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测方法的实施例流程示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做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。
附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器系统和/或微控制器系统中实现这些功能实体。
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发明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。
本发明提供了一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统及方法，以下分别进行说明。
图1为本发明提供的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统的一个实施例结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统10包括：光发生单元100、光环形器200、光纤光栅阵列传感光缆300、解调单元400以及数据处理单元500；
光发生单元100用于生成目标脉冲光；
光环形器200用于将目标脉冲光输入至光纤光栅阵列传感光缆300；
光纤光栅阵列传感光缆300包括传感光纤310和等距间隔刻写在传感光纤310上的多个弱光栅320，多个弱光栅320用于获取桥梁中多个测点的振动干涉信号；
光环形器200还用于将振动干涉信号输入至解调单元400；
解调单元400用于将振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据；
数据处理单元500用于根据振动解调数据确定桥梁振动模态。
与现有技术相比，本发明实施例提供的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统10，通过设置光纤光栅阵列传感光缆300，光纤光栅阵列传感光缆300包括传感光纤310和等距间隔刻写在传感光纤310上的多个弱光栅320，可发挥光纤光栅阵列传感光缆300中弱光栅320大容量、高密度的优势，形成大范围的振动监测网络，密集的测点可以保证不丢失桥梁重要节点的振动信号，实现对桥梁整体进行全面监测，提高对桥梁振动模态进行监测的全面性。
进一步地，本发明通过使用光发生单元100生成的目标脉冲光作为信号载体，可保证测点信号的同步性，从而可提高对桥梁振动模态进行监测的准确性。
更进一步地，本发明使用的光纤光栅阵列传感光缆300作为传感器集传感与传输于一体，具有成本低、耐腐蚀、抗电磁干扰、传输损耗低等优点，在现场不需要布设额外电缆，降低了对桥梁振动模态进行监测的成本。
在本发明的具体实施例中，相邻两个弱光栅320之间的间距为1米，且多个弱光栅320的反射率相同，均在0.001%~1%范围内。
应当理解的是：在本发明的一些实施例中，光纤光栅阵列传感光缆300铺设于桥梁的桥面调平层10cm深度位置。
通过设置将光纤光栅阵列传感光缆300埋设于桥梁中，不仅可保护光纤光栅阵列传感光缆300，延长其使用寿命，还降低了环境噪声对光纤光栅阵列传感光缆300监测到的振动干涉信号的影响，提高振动干涉信号的准确性，从而可进一步提高对桥梁振动模态进行监测的准确性。
在本发明的一些实施例中，对于正在服役中的桥梁，即：已经建好并在使用中的桥梁来说，光纤光栅阵列传感光缆300可以使用环氧结构胶等粘接材料直接粘贴于桥梁表面。
为了确保获取的振动干涉信号的准确性，光纤光栅阵列传感光缆300在布放时，需由绕盘上方放出，并保持松弛弧形，布放过程中不应牵拉过紧，其布放拉力不应超过500N，布放过程中应无扭转、严禁打圈、浪涌、背扣等现象发生，一旦出现扭转、打圈等现象，应立即停止布放。
为了避免光纤光栅阵列传感光缆300在布放过程中出现不必要的弯曲，或因施工而导致布设偏离预设位置，在本发明的一些实施例中，如图1所示，光纤光栅阵列传感光缆300还包括多个间隔设置在传感光纤310上的多个拱形线卡330。
本发明实施例通过设置拱形线卡330可固定光纤光栅阵列传感光缆300，避免光纤光栅阵列传感光缆300出现不必要的弯曲，同时能防止因施工而导致布设偏离预设位置，提高光纤光栅阵列传感光缆300布设的准确性和可靠性。
在本发明的具体实施例中，多个拱形线卡330可等距间隔设置，相邻两个拱形线卡330之间的间距为5米。
在本发明的一些实施例中，桥梁振动模态包括桥梁的各阶真实固有频率和桥梁振型，桥梁振型包括桥梁振型值和振型值符号，多个测点包括参考测点和多个关键测点，振动解调数据包括参考测点的参考振动解调数据以及关键测点的关键振动解调数据；则如图2所示，数据处理单元500包括数据预处理子单元510以及桥梁振动模态识别子单元520；
数据预处理子单元510用于对参考振动解调数据以及关键振动解调数据进行预处理，对应获得目标参考振动解调数据以及目标关键振动解调数据；
桥梁振动模态识别子单元520用于基于预设的自功率谱模型确定目标关键振动解调数据的自功率谱，并基于自功率谱和预设的融合模型确定桥梁的各阶真实固有频率，根据各阶真实固有频率和自功率谱确定桥梁振型值；
桥梁振动模态识别子单元520还用于基于预设的互功率谱模型确定目标关键振动解调数据与目标参考振动解调数据的互功率谱，并根据互功率谱确定振型值符号。
本发明实施例通过设置基于自功率谱和预设的融合模型确定桥梁的各阶真实固有频率，消除了虚假固有频率，可降低“虚假模态”对固有频率识别的干扰，进一步提高对桥梁振动模态进行监测的准确性和可靠性。
在本发明的具体实施例中，数据预处理子单元510具体用于对参考振动解调数据以及关键振动解调数据进行降噪处理，对应获得目标参考振动解调数据以及目标关键振动解调数据。其中，降噪处理方法可为小波阈值降噪方法。
在本发明的一些实施例中，自功率谱模型为：
Figure 163996DEST_PATH_IMAGE001
融合模型为：
Figure 666653DEST_PATH_IMAGE002
互功率谱模型为：
Figure 909415DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 915549DEST_PATH_IMAGE004
为第i个关键测点的自功率谱；
Figure 585564DEST_PATH_IMAGE005
为第i个关键测点的目标关键振动解调数据的傅里叶变换；| |为取模运算符；
Figure 434572DEST_PATH_IMAGE006
为前i个关键测点消除虚假模态后的自功率谱；
Figure 90812DEST_PATH_IMAGE007
为前i-1个关键测点的消除虚假模态后的自功率谱；
Figure 607244DEST_PATH_IMAGE008
为第i个关键测点的互功率谱；
Figure 55019DEST_PATH_IMAGE009
为目标参考振动解调数据的傅里叶变换。
具体地：振型值符号由互功率谱的实部正负确定，实部为正时，振型值符号为正，实部为负时，振型值符号为负。
由于存在噪声干扰，振动信号功率谱会出现很多伪峰值给固有频率提取带来困难，但短时间内固有频率基本为恒定值，而噪声产生的伪峰值则存在随机性，因此对采集多个测点的振动数据，利用融合模型消除伪峰值，大大提高了固有频率识别准确率。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，光发生单元100包括依次连接的激光器110、脉冲调制器120以及光放大器130；
激光器110用于生成连续光源；
脉冲调制器120用于对连续光源的脉宽进行调制，生成初始脉冲光；
光放大器130用于对初始脉冲光进行放大，生成目标脉冲光。
为了使目标脉冲光在光纤光栅阵列传感光缆300中的相邻两个弱光栅320之间形成干涉光，在本发明的一些实施例中，目标脉冲光的脉宽大于第一脉宽阈值，目标脉冲光的脉宽小于第二脉宽阈值，第一脉宽阈值为：
Figure 656901DEST_PATH_IMAGE010
第二脉宽阈值为：
Figure 975887DEST_PATH_IMAGE011
式中，W1为第一脉宽阈值；W2为第二脉宽阈值；L为相邻两个弱光栅之间的间距；neff为传感光纤的纤芯有效折射率；c为光速。
本发明实施例通过设置目标脉冲光的脉宽大于第一脉宽阈值，小于第二脉宽阈值，可确保仅由光纤光栅阵列传感光缆300中的相邻两个弱光栅320之间形成干涉光，在确保生成干涉光的同时，保证解调的成功性。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，解调单元400包括通讯光缆410和光纤光栅阵列振动解调仪420；
通讯光缆410的两端分别连接光环形器200和光纤光栅阵列振动解调仪420，用于将振动干涉信号传输至光纤光栅阵列振动解调仪420；
光纤光栅阵列振动解调仪420用于将振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据。
具体地：光纤光栅阵列振动解调仪420采用的解调方法为干涉信号解调法；干涉信号解调法的解调原理为：第i个弱光栅320的反射光与第i+1个弱光栅320的反射光发生干涉，当第i个弱光栅320与第i+1个弱光栅320之间的光路发生扰动时，反射光的波长、相位会产生相应的变化，进而引起干涉信号强度的变化，通过解调干涉信号强度变化得到振动信号。
为了避免由于温度或湿度等外界因素的影响，导致光纤光栅阵列振动解调仪的解调过程收到影响，导致解调得到的振动解调数据不可靠，在本发明的一些实施例中，如图1所示，解调单元400还包括包覆在光纤光栅阵列振动解调仪420外部的保温海绵430。
本发明实施例通过设置保温海绵430，起到夏季防潮，冬季保温的作用，防止由于温度、湿度变化对解调过程产生影响，确保光纤光栅阵列振动解调仪420的解调可靠性。
在本发明的一些实施例中，如图1所示，基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统10还包括存储单元600，存储单元600用于存储所述桥梁振动模态。
本发明实施例通过设置存储单元对桥梁振动模态进行存储，可便于后续溯源或调用。
另一方面，本发明实施例还提供了一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测方法，如图3所示，基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测方法包括：
S301、基于光发生单元生成目标脉冲光；
S302、基于光环形器将目标脉冲光输入至光纤光栅阵列传感光缆；
S303、基于多个弱光栅获取桥梁中多个测点的振动干涉信号；
S304、基于光环形器将振动干涉信号输入至解调单元；
S305、基于解调单元将振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据；
S306、基于数据处理单元根据振动解调数据确定桥梁振动模态。
上述实施例提供的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测方法可实现上述基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统实施例中描述的技术方案，上述步骤具体实现的原理可参见上述基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统实施例中的相应内容，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上对本发明所提供的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，其特征在于，包括：光发生单元、光环形器、光纤光栅阵列传感光缆、解调单元以及数据处理单元；
所述光发生单元用于生成目标脉冲光；
所述光环形器用于将所述目标脉冲光输入至所述光纤光栅阵列传感光缆；
所述光纤光栅阵列传感光缆包括传感光纤和等距间隔刻写在所述传感光纤上的多个弱光栅，所述多个弱光栅用于获取桥梁中多个测点的振动干涉信号；
所述光环形器还用于将所述振动干涉信号输入至所述解调单元；
所述解调单元用于将所述振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据；
所述数据处理单元用于根据所述振动解调数据确定桥梁振动模态。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，其特征在于，所述桥梁振动模态包括桥梁的各阶真实固有频率和桥梁振型，所述桥梁振型包括桥梁振型值和振型值符号，所述多个测点包括参考测点和多个关键测点，所述振动解调数据包括所述参考测点的参考振动解调数据以及所述关键测点的关键振动解调数据；所述数据处理单元包括数据预处理子单元以及桥梁振动模态识别子单元；
所述数据预处理子单元用于对所述参考振动解调数据以及所述关键振动解调数据进行预处理，对应获得目标参考振动解调数据以及目标关键振动解调数据；
所述桥梁振动模态识别子单元用于基于预设的自功率谱模型确定所述目标关键振动解调数据的自功率谱，并基于所述自功率谱和预设的融合模型确定所述桥梁的各阶真实固有频率，根据所述各阶真实固有频率和所述自功率谱确定所述桥梁振型值；
所述桥梁振动模态识别子单元还用于基于预设的互功率谱模型确定所述目标关键振动解调数据与所述目标参考振动解调数据的互功率谱，并根据所述互功率谱确定所述振型值符号。
3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，其特征在于，所述自功率谱模型为：
Figure 7562DEST_PATH_IMAGE001
所述融合模型为：
Figure 11290DEST_PATH_IMAGE002
所述互功率谱模型为：
Figure 268615DEST_PATH_IMAGE003
式中，
Figure 725004DEST_PATH_IMAGE004
为第i个关键测点的自功率谱；
Figure 214891DEST_PATH_IMAGE005
为第i个关键测点的目标关键振动解调数据的傅里叶变换；| |为取模运算符；
Figure 682913DEST_PATH_IMAGE006
为前i个关键测点消除虚假模态后的自功率谱；
Figure 232843DEST_PATH_IMAGE007
为前i-1个关键测点的消除虚假模态后的自功率谱；
Figure 51894DEST_PATH_IMAGE008
为第i个关键测点的互功率谱；
Figure 345473DEST_PATH_IMAGE009
为目标参考振动解调数据的傅里叶变换。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，其特征在于，所述光发生单元包括依次连接的激光器、脉冲调制器以及光放大器；
所述激光器用于生成连续光源；
所述脉冲调制器用于对所述连续光源的脉宽进行调制，生成初始脉冲光；
所述光放大器用于对所述初始脉冲光进行放大，生成所述目标脉冲光。
5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，其特征在于，所述目标脉冲光的脉宽大于第一脉宽阈值，所述目标脉冲光的脉宽小于第二脉宽阈值，所述第一脉宽阈值为：
Figure 792634DEST_PATH_IMAGE010
所述第二脉宽阈值为：
Figure 388832DEST_PATH_IMAGE011
式中，W1为第一脉宽阈值；W2为第二脉宽阈值；L为相邻两个弱光栅之间的间距；neff为传感光纤的纤芯有效折射率；c为光速。
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，其特征在于，所述光纤光栅阵列传感光缆还包括多个间隔设置在所述传感光纤上的多个拱形线卡。
7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，其特征在于，所述解调单元包括通讯光缆和光纤光栅阵列振动解调仪；
所述通讯光缆的两端分别连接所述光环形器和所述光纤光栅阵列振动解调仪，用于将所述振动干涉信号传输至所述光纤光栅阵列振动解调仪；
所述光纤光栅阵列振动解调仪用于将所述振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据。
8.根据权利要求7所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，其特征在于，所述解调单元还包括包覆在所述光纤光栅阵列振动解调仪外部的保温海绵。
9.根据权利要求1所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，其特征在于，所述基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统还包括存储单元，所述存储单元用于存储所述桥梁振动模态。
10.一种基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测方法，其特征在于，适用于如权利要求1-9任意一项所述的基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测系统，所述基于光纤光栅阵列传感的桥梁振动模态监测方法包括：
基于所述光发生单元生成目标脉冲光；
基于所述光环形器将所述目标脉冲光输入至所述光纤光栅阵列传感光缆；
基于所述多个弱光栅获取桥梁中多个测点的振动干涉信号；
基于所述光环形器将所述振动干涉信号输入至所述解调单元；
基于所述解调单元将所述振动干涉信号进行解调，获得振动解调数据；
基于所述数据处理单元根据所述振动解调数据确定桥梁振动模态。
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Denomination of invention: Bridge Vibration Modal Monitoring System and Method Based on Fiber Bragg Grating Array Sensing

Granted publication date: 20221111

License type: Exclusive License

Record date: 20231128

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