CN115507817B - 基于分布式光纤传感器的地下管廊管片沉降检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式光纤传感器的地下管廊管片沉降检测方法，包括如下具体步骤：步骤1）：布设传感光纤；步骤2）：将激光器产生的激光分配成本振光和激励光，激励光经过处理后得到传感激励光，传感激励光通入传感光纤后返回传感检测光；步骤3）：本振光经过频移处理后得到频移本振光，传感检测光与频移本振光在频谱分离模块中进行相干检测，并从传感检测光中分离出布里渊光电信号；步骤4）：通过布里渊光电信号计算得到传感光纤各处的实际应变值，并判断管片是否发生沉降。本发明通过传感光纤对地下管廊内壁上的管片的沉降情况进行实时监测，解决了传统人工巡检费时费力、人力成本大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器检测技术领域，特别涉及一种基于分布式光纤传感器的地下管廊管片沉降检测方法。
背景技术
地下管廊是建设在城市地下，用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水等市政管线的公共隧道。在地下管廊的内壁上铺设有管片，管片在重力和外界振动的作用下会发生沉降，因此需要人工定期对地下管廊内壁上的管片进行巡检，及时掌握管片的沉降情况；若发现管片产生沉降，则需要及时通知检修人员进行维修，矫正管片的位置。
但是由于地下管廊内壁上铺设的管片数量较多，且地下管廊长度较长，在进行人工巡检时，需要工作人员耗费大量的时间进行仔细巡查，费时费力，人力成本大。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中的不足之处，提供一种基于分布式光纤传感器的地下管廊管片沉降检测方法
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种基于分布式光纤传感器的地下管廊管片沉降检测方法，包括如下具体步骤：
步骤1）：布设传感光纤，传感光纤固定在沿地下管廊长度方向依次排列的管片上，传感光纤固定在管片上的一段为固定段，相邻管片上的固定段之间形成应变段；并使整个传感光纤处于张紧状态；
步骤2）：将激光器产生的激光分配成本振光和激励光，激励光经过处理后得到传感激励光，传感激励光通入传感光纤后在传感光纤各处发生瑞利散射和布里渊散射，获得包含瑞利散射光和布里渊散射光的传感检测光；
步骤3）：本振光经过频移处理后得到频移本振光，传感检测光与频移本振光在频谱分离模块中进行相干检测，并从传感检测光中分离出布里渊光电信号；
步骤4）：获取布里渊光电信号的光功率P B 、光功率变化ΔP B 和布里渊频移Δv B ，并根据光功率P B 、光功率变化ΔP B 和布里渊频移Δv B 计算出传感光纤各处的应变改变量
，通过应力变化值/>
得到传感光纤各处的实际应变值，根据传感光纤各处的实际应变值判断管片是否发生沉降。
作为优选，步骤1）中，在布置传感光纤时，固定段通过胶水粘接于管片表面，固定段的两端通过固线扣紧扣于管片上，各个管片上的固定段的长度均相同，且固定段设置在管片表面的水平中线位置上。
作为优选，步骤2）中，通过光纤耦合器将激光器产生的激光分配为激励光和本振光，激励光由声光调制器调制成激励光脉冲，激励光脉冲传入掺铒光纤放大器进行光功率放大后，再通过光纤布拉格光栅进行滤波，得到传感激励光。
作为优选，所述激光器为分布反馈式半导体激光器。
作为优选，通过滤波器对步骤3）中得到布里渊光电信号进行滤波处理。
作为优选，滤波器公式为：
其中，Hpre(z)是滤波器传递函数，Npre是滤波器阶数，apre(k)是第k阶的系数。
作为优选，步骤4）中，应变改变量
的计算公式如下：
其中，C vε 是频移-应变转换系数，C vT 是频移-温度转换系数，C Pε 是应变比例系数，C PT 是温度比例系数。
作为优选，步骤4）中，设定一个预警应变阈值和沉降应变阈值；当传感光纤上的实际应变值大于预警应变阈值时，则发出提前预警并进行人工巡检；当传感光纤上的实际应变值大于沉降应变阈值时，则认为发生管片沉降事件。
作为优选，预警应变阈值和沉降应变阈值的确定方法如下：先通过管片的尺寸确定管片的预警竖直下移量和沉降竖直下移量，通过预警竖直下移量换算后得到预警应变阈值，通过沉降竖直下移量换算后得到沉降应变阈值。
本发明的有益效果是：本发明通过传感光纤对地下管廊内壁上的管片的沉降情况进行实时监测，当管片发生沉降时，能够及时作出预警，省去了人工巡检的麻烦，解决了传统人工巡检费时费力、人力成本大的问题。
附图说明
图1为激励光信号处理模块示意图。
图2为传感检测光分离获得布里渊光电信号的示意图。
图3为传感光纤变形模型测量沉降值示意图。
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，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1至图3所示，一种基于分布式光纤传感器的地下管廊管片沉降检测方法，包括如下具体步骤：
步骤1）：布设传感光纤，传感光纤固定在沿地下管廊长度方向依次排列的管片上，传感光纤固定在管片上的一段为固定段，相邻管片上的固定段之间形成应变段；并使整个传感光纤处于张紧状态。
其中，在布置传感光纤时，固定段通过胶水粘接于管片表面，固定段的两端通过固线扣紧扣于管片上，各个管片上的固定段的长度均相同，且固定段设置在管片表面的水平中线位置上。
本实施例中，传感光纤采用外径为5mm的微应变高敏贴敷光缆，其内芯为G657A1光纤、紧套层为2毫米厚的树酯，管片的宽度为1000毫米。传感光纤固定在管片上的固定段的长度为900毫米，固定段通过环氧树脂胶粘接于管片的表面，并使得固定段位于管片表面的正中间位置，传感光纤上未粘接的部分即为应变段，各个应变段的长度均为100毫米，传感光纤的布设方式参考附图3。当管片发生沉降时，即管片发生竖直向下的位移，此时该管片会与相邻的管片产生相对位移，使得传感光纤上的应变段发生形变，从而使应变段处的应变发生改变。
由于传感光纤粘贴部分（即固定段）与未粘贴部分（即应变段）皆处于张紧状态，传感光纤上的各个位置都可视为一个传感点，并将监测的信号传输给位于机房内的布里渊光时域反射器(BOTDR)，从而构成分布式光纤传感网络。
步骤2）：将激光器产生的激光分配成本振光和激励光，激励光经过处理后得到传感激励光，传感激励光通入传感光纤后在传感光纤各处发生瑞利散射和布里渊散射，获得包含瑞利散射光和布里渊散射光的传感检测光。
如附图1所示，该步骤中，采用线宽小于1MHz的分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)作为光源，通过光纤耦合器将激光器产生的激光分配为激励光和本振光，激励光的处理由激励光信号处理模块实现的，激励光信号处理模块包括声光调制器(AOM)、掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤布拉格光栅(FBG)；激励光由声光调制器(AOM)形成脉宽10ns、重复频率固定的激励光脉冲，激励光脉冲传入掺铒光纤放大器(EDFA)进行光功率放大后，再通过光纤布拉格光栅(FBG)进行滤波，得到传感激励光，传感激励光通入传感光纤中。
其中，在掺铒光纤放大器(EDFA)与传感光纤之间设有环形器，环形器上依次设置有端口1、端口3和端口2，端口1连接掺铒光纤放大器，光纤布拉格光栅(FBG)连接于端口3上，端口2连接传感光纤；经过掺铒光纤放大器(EDFA)进行光功率放大后的激励光从环形器的端口1传入，然后顺着环形器到达端口2，激励光经过光纤布拉格光栅(FBG)进行滤波后，顺着环形器到达端口2并传入传感光纤中。
传感激励光在传感光纤各处发生瑞利散射和布里渊散射，其中瑞利散射光频率与布里渊散射光频率之差为布里渊频移；两种散射光的信号混叠并向后散射，即为传感检测光。
步骤3）：本振光经过频移处理后得到频移本振光，传感检测光与频移本振光在频谱分离模块中进行相干检测，并从传感检测光中分离出布里渊光电信号。
步骤3）的过程可参见附图2：本振光通过微波电光调制器的频移处理后，得到频移本振光；于此同时，传感激励光通过光分路器通入传感光纤后，传感光纤返回传感检测光；传感检测光与频移本振光同时传入基于相干检测的频谱分离模块，传感检测光与频移本振光在频谱分离模块中发生相干作用，并将布里渊光电信号进行分离。
在分离得到布里渊光电信号后，考虑到长期使用下，激光器频率漂移等因素，传感光纤监测到的信号会产生缓慢畸变，为去除这种变化趋势，需要对采集到的布里渊光电信号预先使用滤波器进行滤波处理，滤波器公式为：
其中，Hpre(z)是滤波器传递函数，Npre是滤波器阶数，apre(k)是第k阶的系数。此种应用具体为H(z)= 1 -
，通过此滤波器将采集的布里渊光电信号低频部分抑制，有利于去除缓变干扰，维持布里渊光电信号在整个频谱的信噪比一致，以便于对布里渊光电信号进行进一步的频谱分析。
对分离后的布里渊光电信号进行分析处理，可以得布里渊散射的光功率P B 、光功率变化ΔP B 和布里渊频移Δv B 。由于相干检测布里渊光电信号存在偏振相关性，采用正交偏振分集接收的方法来抑制此偏振相关性，实现布里渊散射信号的光功率数据和频移数据的同时提取。
步骤4）：获取布里渊光电信号的光功率P B 、光功率变化ΔP B 和布里渊频移Δv B ，并根据光功率P B 、光功率变化ΔP B 和布里渊频移Δv B 计算出传感光纤各处的应变改变量
，通过应力变化值/>
得到传感光纤各处的实际应变值，根据传感光纤各处的实际应变值判断管片是否发生沉降。
在传感光纤中，布里渊散射光的频移与光纤的折射率及超声声速有关，而温度和应力都能改变传感光纤的折射率和超声声速，所以只要检测光纤中布里渊频移的变化，就能得到温度或应力在传感光纤上的分布；光纤中布里渊散射光功率与光纤所处环境温度和所受应变，在一定条件下呈线性变化关系。
温度和应变分别对布里渊散射光频移和光功率的影响是不同的，普通单模光纤中布里渊频移Δv B 和光功率变化ΔP B 是温度T和应变ε的函数，有如下关系：
式中P B (ε,t)是温度为t、应变为ε时的布里渊光电信号的光功率，该布里渊光电信号的光功率P B (ε,t)可以从布里渊光电信号中直接获知；
为传感光纤的应变改变量，/>
为传感光纤的温度改变量，其中C vε 、C vT 、C Pε 、C PT 皆为常数，C vε 是频移-应变转换系数，C vT 是频移-温度转换系数，C Pε 是应变比例系数，C PT 是温度比例系数，且有：
C vε =0.0483±0.0004MHz/υε，
C vT =1.10±0.02MHz/K，
C Pε =―9.0×10-4%/υε，
C PT =0.32%/K
由上述两式变换可得到；
通过上述计算公式，即可计算出传感光纤各处的应变改变量
和温度改变量/>
。由于传感光纤的初始应变值是已知的，因此计算出了应变改变量/>
后，便可以知道传感光纤各处的实际应变值。由于传感光纤的应变量由管片的沉降量决定的，因此通过传感光纤的实际应变值便能够分析处管片是否发生沉降。
在判断管片是否发生沉降时，设定一个预警应变阈值和沉降应变阈值；当传感光纤上的实际应变值大于预警应变阈值时，则发出提前预警并进行人工巡检；当传感光纤上的实际应变值大于沉降应变阈值时，则认为发生管片沉降事件，应当通知相应的维修人员进行维修，并矫正管片的位置。
预警应变阈值和沉降应变阈值的确定方法如下：先通过管片的尺寸确定管片的预警竖直下移量和沉降竖直下移量，通过预警竖直下移量换算后得到预警应变阈值，通过沉降竖直下移量换算后得到沉降应变阈值。
以下对预警应变阈值和沉降应变阈值的具体计算方法作进一步的阐述。
参见附图3，由于直接测得量为传感光纤的应变值而非沉降值，使用传感光纤变形模型将应变值转换为沉降量，此模型适用于沉降量稍大的情况。本实施例中，根据管片的尺寸，将管片向下滑移5mm时的应变值视为沉降应变阈值，故管片向下滑移5mm即为沉降竖直下移量；管片向下滑移3mm时的应变值视为预警应变阈值，故管片向下滑移3mm即为预警竖直下移量。
在管片的沉降事件初期，发生沉降的管片与相邻两管片发生竖直方向上的相对滑移，其滑移量为一微小值；管片滑移时，光纤粘贴部分（即固定段）随管片滑移，其长度不变；传感光纤的应变段发生变形，应变段的其长度改变。
本发明中，BOTDR系统发出的激励光脉宽为10ns，其应变检测的空间分辨率为1m，测得的应变数值E h 为传感光纤应变段的平均应变，其单位为微应变υε；根据E h 可求得光纤未粘贴部分变形后的长度S，式为：
式中，l为传感光纤固定段的长度，本发明中l为固定值900mm，L为变形前传感光纤上的固定段与两侧的应变段的总长度，本发明中L为固定值1100mm。
由于模型中将光纤粘贴部分视为竖直下移，故传感光纤上应变段的竖直下移量H为：
将式(1)代入式(2)可得：
由于E h 数值在几十至几百之间，考虑到传感光纤测量应变的误差为±20υε，并将l与L的具体数值代入式（3）中，进一步可得：
分别将H=3与H=5代入式（4），可求得，管片沉降3mm的预警应变阈值Eh为61.8υε，管片沉降5mm对应的沉降应变阈值为207.3υε；BOTDR分布式光纤传感系统实时监测传感光纤沿线各点的应变，若某点位应变值大于预警应变阈值61.8υε时，则发出沉降事件的提前预警，通知工人进行人工巡检；当某点位的应变值大于沉降应变值207.3υε时，则认为沉降事件已经发生，需要通知相关人员对管片进行维修，矫正管片的位置。
Claims (3)
1.一种基于分布式光纤传感器的地下管廊管片沉降检测方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤1）：布设传感光纤，传感光纤固定在沿地下管廊长度方向依次排列的管片上，传感光纤固定在管片上的一段为固定段，相邻管片上的固定段之间形成应变段；并使整个传感光纤处于张紧状态；在布置传感光纤时，固定段通过胶水粘接于管片表面，固定段的两端通过固线扣紧扣于管片上，各个管片上的固定段的长度均相同，且固定段设置在管片表面的水平中线位置上；
步骤2）：将激光器产生的激光分配成本振光和激励光，激励光经过处理后得到传感激励光，传感激励光通入传感光纤后在传感光纤各处发生瑞利散射和布里渊散射，获得包含瑞利散射光和布里渊散射光的传感检测光；
通过光纤耦合器将激光器产生的激光分配为激励光和本振光，激励光的处理由激励光信号处理模块实现的，激励光信号处理模块包括声光调制器、掺铒光纤放大器、光纤布拉格光栅；激励光由声光调制器形成脉宽10ns、重复频率固定的激励光脉冲，激励光脉冲传入掺铒光纤放大器进行光功率放大后，再通过光纤布拉格光栅进行滤波，得到传感激励光，传感激励光通入传感光纤中；
在掺铒光纤放大器与传感光纤之间设有环形器，环形器上依次设置有端口1、端口3和端口2，端口1连接掺铒光纤放大器，光纤布拉格光栅连接于端口3上，端口2连接传感光纤；经过掺铒光纤放大器进行光功率放大后的激励光从环形器的端口1传入，然后顺着环形器到达端口2，激励光经过光纤布拉格光栅进行滤波后，顺着环形器到达端口2并传入传感光纤中；
步骤3）：本振光经过频移处理后得到频移本振光，传感检测光与频移本振光在频谱分离模块中进行相干检测，并从传感检测光中分离出布里渊光电信号；
本振光通过微波电光调制器的频移处理后，得到频移本振光；于此同时，传感激励光通过光分路器通入传感光纤后，传感光纤返回传感检测光；传感检测光与频移本振光同时传入基于相干检测的频谱分离模块，传感检测光与频移本振光在频谱分离模块中发生相干作用，并将布里渊光电信号进行分离；
通过滤波器对步骤3）中得到布里渊光电信号进行滤波处理，滤波器公式为：
其中，Hpre(z)是滤波器传递函数，Npre是滤波器阶数，apre(k)是第k阶的系数；
步骤4）：获取布里渊光电信号的光功率P B、光功率变化ΔP B和布里渊频移Δv B，并根据光功率P B、光功率变化ΔP B和布里渊频移Δv B计算出传感光纤各处的应变改变量
，通过应力变化值/>
得到传感光纤各处的实际应变值，根据传感光纤各处的实际应变值判断管片是否发生沉降；
其中，应变改变量
的计算公式如下：
其中，C vε是频移-应变转换系数，C vT是频移-温度转换系数，C Pε是应变比例系数，C PT是温度比例系数；
设定一个预警应变阈值和沉降应变阈值；当传感光纤上的实际应变值大于预警应变阈值时，则发出提前预警并进行人工巡检；当传感光纤上的实际应变值大于沉降应变阈值时，则认为发生管片沉降事件；预警应变阈值和沉降应变阈值的确定方法如下：先通过管片的尺寸确定管片的预警竖直下移量和沉降竖直下移量，通过预警竖直下移量换算后得到预警应变阈值，通过沉降竖直下移量换算后得到沉降应变阈值；
通过以下公式计算预警应变阈值和沉降应变阈值：
其中，L为变形前传感光纤上的固定段与两侧的应变段的总长度，l为传感光纤固定段的长度，Eh为传感光纤应变段的平均应变，H为传感光纤上应变段的竖直移量H。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的地下管廊管片沉降检测方法，其特征在于，步骤2）中，通过光纤耦合器将激光器产生的激光分配为激励光和本振光，激励光由声光调制器调制成激励光脉冲，激励光脉冲传入掺铒光纤放大器进行光功率放大后，再通过光纤布拉格光栅进行滤波，得到传感激励光。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的地下管廊管片沉降检测方法，其特征在于，所述激光器为分布反馈式半导体激光器。
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