CN115171342A - 基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,包括:构建分布式光纤传感网络;施加动态激励,采集山体结构动态响应信号;对采集的动态响应信号进行频域和时域信号处理;模态参数识别,并构建模态参数模型;模态参数模型验证与修正;长时间持续监测,跟踪地质结构变化。本发明充分利用分布式光纤传感的分布式优势,采用传感光缆和光纤传感单元相结合的布设方式,同时具有大规模和高灵敏度的探测能力,能够实现山体动态响应的全天候持续监测。结合模态分析的方法,提取山体不同位置动态响应的差异化特征,判断不同山体结构的稳定状态,追踪地质结构的渐变过程。本发明是对现有山体动态响应监测技术的补充,有效地推动了地质灾害研究和早期预警。
Description
技术领域
本发明涉及山体动态响应监测,特别是一种基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法。
背景技术
山崩、滑坡等地质灾害威胁着人们的生命财产安全,因此对其进行持续监测和早期预警十分必要。动态响应分析可以为滑坡的崩塌过程提供合理的解释,为灾害处置提供充分的信息,特别是崩塌演变过程、破坏机理等。基于动态激励的原位山体动态响应监测是最为直接的研究手段,逐渐成为该领域的研究热点之一。
现有技术一【Davis,Lawrence L.,Lewis R.West,Observed effects oftopography on ground motion,Bulletin of the Seismological Society of America,63(1):283-298,1973】基于L-7地震记录仪记录了1971年San Fernando大地震的余震对加利福尼亚州Kagel山脉坡脚和坡顶产生的振动响应。但是该方法采用的传统电子学地震仪器成本昂贵,无法实现对探测山体高密度覆盖,难以满足山体动态响应长距离大尺度监测的需求。
现有技术二【Stephen H.Hartzell,David L.Carver,Kenneth W.King,Initialinvestigation of site and topographic effects at Robinwood Ridge,California.Bulletin of the Seismological Society of America,84(5):1336–1349,1994】利用7个三分量地震仪记录了1989年Loma Prieta地震的余震从Robinwood山脊底部到顶部的振动响应,揭示了复杂的地面运动模式和山体场地的频谱特征。然而,不同地震仪之间时间同步难度大,不便于大规模组网监测,给地质灾害研究带来困难。同时,传统地震仪安装复杂,环境适应性差,无法满足复杂环境下的动态响应监测需求。
现有技术三【Yonghong Luo,Xuanmei Fan,Runqiu Huang,Yunsheng Wang,AliP.Yunus,H.B.Havenith,Topographic and near-surface stratigraphic amplificationof the seismic response of a mountain slope revealed by field monitoring andnumerical simulations,Engineering Geology,vol.271,105607,2020】基于中国地震局安装在龙门山断裂带的强震记录仪的地震数据对山体动态响应和地震场地效应进行了分析。然而,强震仪对于无感地震灵敏度低,难以实现无感地震激励下的山体动态监测。
发明内容
为了克服上述在先技术的缺点,本发明提出一种基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,突破目前山体动态响应监测领域存在的监测范围有限、设备组网难度大、环境适应性差等关键问题。
本发明的技术解决方案如下:
一种基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,其特点在于,该方法包括下列步骤:
1)构建分布式光纤传感网络:包括分布式光纤振动传感器、多根传感光纤和若干光纤传感单元;所述光纤传感单元分布在山体基岩表面,作为山体各位置动态采样点,各光纤传感单元之间通过传感光纤相连,并通过传感光纤与所述分布式光纤振动传感器相连;
2)对山体结构施加一个动态激励,利用分布式光纤传感网络采集同一时刻山体各位置的动态响应信号;获取山体动态响应信号的时间-空间分布V(z,t),其中z为沿传感光缆的轴向位置,t为分布式光纤传感系统信号采样时刻;
3)对采集的动态响应信号进行频域和时域信号处理,得到山体结构的脉冲响应函数H(f),具体如下:
设稳定状态下的地质结构为时不变系统,选取距离激励点较近且响应信号幅值较大的稳定结构作为参考点,选取山体结构具有代表性且信噪好的位置作为响应点;
分别将参考点和各响应点的动态响应V(z,t)进行时频分析,得到动态响应信号的时间-频率分布zg为参考点或相应点的位置,f为所述的动态响应频率,ts、te分别是某次动态响应下山体振动的开始和结束时刻,ψ(t,τ)为选取的时域窗函数;
H(f)=Sy(t,f)/Sx(t,f)
4)拟合脉冲响应函数曲线,通过模态参数识别方法得到山体结构模态参数模型,具体如下:
对所述的步骤3)中脉冲响应函数H(f)进行曲线拟合,将拟合曲线对比H(ω)进行模态参数识别可以得到每一阶模态的一组模态参数模型,包括固有频率、模态振型、模态阻尼、模态刚度和模态质量等;
5)模态参数模型验证与修正:对模态参数识别所得结果的正确性进行检验,根据模态参数模型构建脉冲响应函数并与实测到的脉冲响应函数进行对比,修正模态参数模型,使二者更接近,提升模态参数识别效果与泛化能力,为进一步动力学分析奠定基础。
6)长时间持续监测,跟踪地质结构变化:针对多次动态激励,持续采集山体动态响应信号,按照前述步骤识别每次动态激励影响下的模态参数,进而由模态参数模型推测地质结构随时间的变化。
所述的根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,其特征在于,所述步骤1)中分布式光纤振动传感系统包括光频域反射计(OFDR)、相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)、啾脉冲相位敏感光时域反射计(CP-φOTDR)、相干光时域反射计(COTDR)、分布式振动传感(DVS)、分布式声传感(DAS)的一种或多种。
所述的传感光缆布设方式包括全面接触式铺设于基岩表面或土壤埋设。
所述的光纤传感单元固定方式包括混凝土预制或膨胀螺钉固定。
所述的动态激励包括天然地震、爆破、大型机械作业、交通噪声或人为震动源等。
所述的时频分析方法包括域变换、小波(包)分析、短时傅里叶变换、倒谱分析或希尔伯特黄变换等。
所述的模态参数识别方法包括单自由度法和多自由度法,所述的单自由度法包括峰值法和导纳圆拟合法,所述的多自由度法包括正交多项式拟合法、复指数法等。
本发明的特点和优点如下:
(1)利用分布式光纤传感系统进行山体动态响应监测,本发明不仅具备大规模、高密度的监测能力,同时具有高灵敏度,能够实现对无感地震的有效探测。
(2)充分利用分布式光纤振动传感的分布式传感优势,能够大规模组网探测,解决了传统点式检波器时间同步精度低的难题,而且环境适应性好、体积小、成本低廉,为有效监测山体动态响应提供了新的手段和工具。
(3)本发明根据动态响应的频响函数或脉冲响应函数,可以识别山体不同位置结构的模态参数模型,能够推演山体结构稳定状态,追踪地质结构渐变过程,有助于实现地质灾害早期预警。
附图说明
图1是本发明基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法实施例的流程图;
图2是本发明的实施例的构建分布式光纤传感网络的结构示意图;
图3是本发明的实施例的时域和频域信号处理的流程图;
图4是本发明的实施例的模态参数识别并构建模态参数模型的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明,但不限于此。根据本发明的思想,可以采用若干实施方法。如下几种方案仅作为该发明思想的解释说明,具体方案并不局限于此。此外,为了便于描述,附图中仅示出了与本发明有关的部分,而非全部过程。
本发明基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法实施例1,如图1所示,该方法主要包括:
1)构建分布式光纤传感网络,如图2所示:分布式光纤传感网络至少包括分布式光纤振动传感器1、传感光纤3和若干光纤传感单元2,所述的分布式光纤振动传感器1与传感光纤3直接相连,所述的传感光纤3大范围布设在山体上,满足山体动态响应高密度监测的需求;若干个所述的光纤传感单元2固定在山体基岩表面,经传感光纤3与所述分布式光纤振动传感器1相连,达到光纤传感器的测量范围能够覆盖山体结构所需监测的全部区域,实现不同山体位置动态响应的有效探测。
本实施例中分布式光纤振动传感器1选用相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)。传感光纤3全面接触式铺设在抗滑桩、岩体表面,或埋设在土壤中,埋设深度20cm。光纤传感单元2采用膨胀螺钉固定在岩体或抗滑桩上。
2)对山体结构施加一个动态激励,利用分布式光纤传感网络采集同一时刻山体各位置的动态响应信号;获取山体动态响应信号的时间-空间分布V(z,t),其中z为沿传感光纤的轴向位置,t为分布式光纤传感系统信号采样时刻。
所述的动态激励采用震中距50-300km、震级M2.8-M6.0的天然地震。
3)对采集的动态响应信号进行频域和时域信号处理,得到山体结构的脉冲响应函数H(f),具体如图3所示:
设稳定状态下的地质结构为时不变系统,选取距离激励点较近且响应信号幅值较大的山体底部抗滑桩作为参考点,选取山顶危岩体、山坡等代表性位置作为多个响应点;
分别将参考点和各响应点的动态响应V(z,t)进行小波变换,得到动态响应信号的时间-频率分布zg为参考点或相应点的位置,f为所述的动态响应频率,ts、te分别是某次天然地震影响下山体振动的开始和结束时刻,ψ(t,τ)为选取的小波基;
4)拟合脉冲响应函数曲线,通过模态参数识别方法得到山体结构模态参数模型,具体如下:
对所述的步骤3)中脉冲响应函数H(f)进行曲线拟合,将拟合曲线对比H(ω)进行模态参数识别可以得到每一阶模态的一组模态参数模型,包括固有频率、模态振型、模态阻尼、模态刚度和模态质量等;
5)模态参数模型验证与修正:对模态参数识别所得结果的正确性进行检验,根据模态参数模型构建脉冲响应函数并与实测到的脉冲响应函数进行对比,修正模态参数模型,使二者更接近,提升模态参数识别效果与泛化能力,为进一步动力学分析奠定基础。
6)长时间持续监测,跟踪地质结构变化:针对多次天然地震激励,持续采集山体动态响应信号,按照前述步骤识别每次动态激励影响下的模态参数,进而由模态参数模型推测地质结构随时间的变化。
以上结合附图对本发明的部分实施例进行性了详细说明,但本发明不仅仅受限于上述实施例中的实现方式。在不脱离本发明的宗旨前提下所做的各种变形或变化,均属于该专利。不应依此限制本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,其特征在于,包含下列步骤:
1)构建分布式光纤传感网络:包括分布式光纤振动传感器、多根传感光纤和若干光纤传感单元;所述光纤传感单元分布在山体基岩表面,作为山体各位置动态采样点,各光纤传感单元之间通过传感光纤相连,并通过传感光纤与所述分布式光纤振动传感器相连;
2)对山体结构施加一个动态激励,利用分布式光纤传感网络采集同一时刻山体各位置的动态响应信号;获取山体动态响应信号的时间-空间分布V(z,t),其中z为沿传感光纤的轴向位置,t为分布式光纤传感系统信号采样时刻;
3)对采集的动态响应信号进行频域和时域信号处理,得到山体结构的脉冲响应函数H(f),具体如下:
设稳定状态下的地质结构为时不变系统,选取距离激励点较近且响应信号幅值较大的稳定结构作为参考点,选取山体结构具有代表性且信噪好的位置作为响应点;
分别将参考点和各响应点的动态响应V(z,t)进行时频分析,得到动态响应信号的时间-频率分布zg为参考点或相应点的位置,f为所述的动态响应频率,ts、te分别是某次动态响应下山体振动的开始和结束时刻,ψ(t,τ)为选取的时域窗函数;
H(f)=Sy(t,f)/Sx(t,f)
4)拟合脉冲响应函数曲线,通过模态参数识别方法得到山体结构模态参数模型,具体如下:
对所述的步骤3)中脉冲响应函数H(f)进行曲线拟合,将拟合曲线对比H(ω)进行模态参数识别可以得到每一阶模态的一组模态参数模型,包括固有频率、模态振型、模态阻尼、模态刚度和模态质量;
5)模态参数模型验证与修正:对模态参数识别所得结果的正确性进行检验,根据模态参数模型构建脉冲响应函数并与实测到的脉冲响应函数进行对比,修正模态参数模型,使二者更接近,提升模态参数识别效果与泛化能力,为进一步动力学分析奠定基础;
6)长时间持续监测,跟踪地质结构变化:针对多次动态激励,持续采集山体动态响应信号,按照前述步骤识别每次动态激励影响下的模态参数,进而由模态参数模型推测地质结构随时间的变化。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,其特征在于,所述分布式光纤振动传感器为光频域反射计(OFDR)、相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)、啾脉冲相位敏感光时域反射计(CP-φOTDR)、相干光时域反射计(COTDR)、分布式振动传感(DVS)、分布式声传感(DAS)的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,其特征在于,所述传感光纤布设方式包括全面接触式铺设于基岩表面或土壤埋设。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,其特征在于,所述光纤传感单元固定方式包括混凝土预制或膨胀螺钉固定。
5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,其特征在于,所述动态激励包括天然地震、爆破、大型机械作业、交通噪声或人为震动源等。
6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,其特征在于,所述步骤3)中时频分析方法包括域变换、小波(包)分析、短时傅里叶变换、倒谱分析或希尔伯特黄变换等。
7.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感的山体动态响应监测方法,其特征在于,所述步骤4)中模态参数识别方法包括单自由度法和多自由度法,所述的单自由度法包括峰值法和导纳圆拟合法,所述的多自由度法包括正交多项式拟合法、复指数法。
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