CN117043557A - 利用活动源的地面感测 - Google Patents

Abstract

用于利用活动源确定地面稳定性测量值的设备和方法。在一实例中，分布式光学传感器检测沿着铁路线的长度的应变。一个或多个火车提供活动源。利用在活动源通过之前和之后的静态应变来确定地面稳定性。可以基于活动源的特性而将测量值规格化。

Description

利用活动源的地面感测

本公开涉及光学传感器，且更具体地说涉及利用基于光纤的传感器的分布式声学感测。以下公开内容具体集中于利用使用此传感器检测到的活动源来确定地面稳定性。

基于光纤的传感器已知用于经由光纤中的应变改变来检测各种参数，包括声学信号。分布式光学传感器并不具有预定义的传感器位置，但使用对返回信号的分析来推断沿着光纤长度的相变，且因此检测影响那些返回信号的光纤性质。举例来说，瑞利反向散射(Rayleigh backscatter)可以用作返回信号。

图1示出通常称为分布式声学传感器(Distributed Acoustic Sensor，DAS)的常规分布式光学传感器的示意图。询问器将探测光脉冲11发射到测量光纤12的第一端中。测量光纤12布置于其中需要感测的区域中。由于光纤的低损耗，光学传感器的优点是能够使询问器从感测位置移位。因此可以存在提供从询问器到测量区的导入的测量光纤12的相当长的长度。

当脉冲11穿过光纤传播时，光的一部分由光纤中的散射位点散射。这些散射光的一部分由光纤的数值孔径捕获，且往回朝向询问器10传播。所关注的主要散射机制是瑞利散射，其由于与散射位点(“散射体”)的弹性碰撞而导致在与传播光相同的频率下的反向散射。

在询问器处，接收反向散射脉冲14。在询问器处的到达时间与从询问器到沿着光纤的点的往返距离成比例。由于随着距离增加而增加的损耗，脉冲随时间衰减。通过在特定时间对返回脉冲14进行取样，可确定来自沿着光纤的特定位置的反向散射。光纤的扰动影响其物理结构(在微观水平)，且因此影响反向散射脉冲14。此类改变可用以推断干扰光纤的信号。

图2示出了典型的询问器10的示意图。发射器20发射探测脉冲，且接收器21包括用于检测反向散射脉冲的光学传感器和取样系统。光学循环器22将来自发射器20的探测脉冲耦合到测量光纤12中，且将返回反向散射脉冲耦合到接收器21。

示例性光学传感器描述于作为WO2018/134137公开的第PCT/EP2018/050793号PCT申请中。

通常而言，以无源方式利用光学传感器以检测信号而无需知道信号的源。然而，如果可以预测可检测信号的发生，则关于信号的源的信息可以与检测到的信号相关以确定来自传感器的额外信息。

发明内容

提供此发明内容而以简化形式引入下文在具体实施方式中进一步描述的概念选择。此发明内容并不意图识别所要求的主题的关键或基本特征，并且也不意图被用作辅助确定所要求的主题的范围。

提供一种利用分布式光学传感器确定地面稳定性的方法，所述方法包括以下步骤：确定沿着所述分布式光学传感器的长度的至少一个位置处的第一静态应变；检测所述至少一个位置处由活动源造成的应变变化；在由所述活动源造成的所述应变变化已结束之后，确定所述至少一个位置处的第二静态应变；以及确定所述第一静态应变与所述第二静态应变之间的差。

可以通过检测所述位置处的较高频率应变变化来执行所述应变变化的检测。

所述活动源的相对强度可以基于较高频率应变变化而确定。

所述方法还可以包括基于所述活动源的强度，规格化第一静态应变与第二静态应变之间的差。

所述方法还可以包括基于第一应变与第二应变之间的差，确定所述位置处的地面稳定性的指示。

所述地面稳定性的指示还可以基于第一应变与第二应变之间的多个差。

所述活动源可以是火车，且所述分布式光学传感器与所述火车运行的火车轨道相关联。

所述方法还可以包括在沿着所述分布式光学传感器的所述长度的多个位置处执行所述方法。

所述方法可以包括对来自所述多个位置的测量值进行平均化。

还提供一种用于确定地面稳定性的光学感测系统，所述系统包括：光纤，以及询问器，所述询问器以光学方式连接到所述光纤，且被配置成将光学信号传输到所述光纤中并检测从所述光纤输出的返回光学信号，其中所述询问器被配置成执行本文描述的方法。

附图说明

将参考以下附图通过举例来描述本发明的实施例，在附图中：

图1和2示出了光学感测系统的示意图；

图3示出了地面监测系统的应变对时间的图表；

图4示出了活动源的应变对时间的图表；

图5示出了随时间变化的应变的图表；

图6示出了沿着传感器的应变的图式；以及

图7示出了确定地面稳定性的方法的流程图。

具体实施方式

现将参考图式仅借助于实例描述本发明的另外的细节、方面和实施例。图式中的元件为简单和清楚起见被示出并且不必按比例绘制。相同附图标记已经包含于相应图式中以易于理解。

光学传感器允许确定光纤的性质的改变。如上所述，分布式传感器允许沿着光纤连续进行此类确定(经受系统的分辨率)，而不需要预定的离散传感器位置。通常，光学传感器用以推断光纤中的应变。光纤上的应变是光纤周围的机械环境的指示，且因此可用来推断光纤的移动或施加到光纤的力。如果光学感测系统具有降至DC的频率响应，则除应变的改变之外还可确定静态应变。

应变改变的检测可用以检测感测光纤的移动，例如感测光纤可以布置于地面区域上或地面区域中以便检测崩塌。图3示出随时间变化的(在所选位置处)光纤的应变。在区30和31中仅看见相对小的应变改变，其可能与随时间自然地发生的地面中的小移动相关联。在这些区中，应变是基本上静态的。然而，在区32中，在相对短时间周期中存在大的改变，指示造成感测光纤的移动的崩塌且因此指示应变的改变。可在区32中的改变期间检测实际移动，其中梯度指示移动速度。区30与31之间的偏移指示在移动之前和之后的静态应变的改变，其表明光纤的位置改变且因此表明光纤周围的地面的位置改变。静态改变可从动态改变推断，或在感测系统可感测到极低频率或可感测静态应变(DC)(绝对或相对于参考)的情况下直接检测。

在本公开中，术语“地面”用以指代感测光纤周围的环境。这可以是实际地面，但也可包括其上/其中安装感测光纤或感测光纤机械地相关的任何材料或结构。举例来说，在沿着火车轨道的感测光纤的情形中，地面可以包括压载物、轨道、枕木和轨道夹，其全部可以移动且具有相关联的稳定性值。在道路的情形中，地面可以是周围的地面、地基和/或柏油路面或道路表面。因此一般来说，“地面”包括感测光纤可响应于活动源而检测其移动的任何方面。

光学感测系统的实例描述于专利申请公开案WO2018/134137中，其陈述了具有降至DC的带宽和合适的分辨率的基于瑞利反向散射的系统。

在光学传感器的实例部署中，感测光纤可以沿着火车轨道布置。举例来说，感测光纤可以定位于支撑轨道的压载物中或压载物上，或定位于相关联电缆导管或通道中。当安装于此位置中时，感测系统可用以检测与传感器的机械环境相关的一系列参数。在稳态期间，传感器可用以通过检测应变改变来检测传感器的一般环境移动，所述应变改变可能较小且在相对长时间段内存在。当火车沿着轨道经过时，传感器可用以检测由火车带给轨道和周围材料的振动造成的光纤的应变的较高频率改变。那些较高频率改变与火车一起沿着轨道移动，且因此可用以监测火车沿着轨道的移动且确定火车在一时间点的位置。

现在还已经发现，较高频率改变可以与在火车通过之前和之后的静态应变的改变相关联。即，可能存在在火车通过之前和之后的静态应变的偏移，其表明由火车造成的地面的移动。此静态应变的改变可用以识别由火车造成的地面的移动，从而潜在地指示地面中的需要注意的不稳定性。

图4示出了在火车沿着与传感器相关联的轨道通过期间在沿着传感器光纤的位置处的应变对时间的实例绘图。在此实例中，火车形成活动源，其由区40中的传感器检测为应变的较高频率变化和一般的应变改变。在41之前和在42之后的静态应变是静态应变的之前和之后的值，其提供由于火车通过带来的静态应变的改变。该静态应变的改变可以指示由火车通过造成的环境(即，其中安装传感器的轨道床或环境)的移动。

图4示出在火车通过时应变的高频变化。这些变化的量值和形式提供关于动态地面移动的信息，且也可以提供关于活动源的信息；例如其可以指示火车可以如何具有轮组且因此可确定火车的类型。较大的较高频率改变可以指示较不稳定的地面，即使在火车已通过之后存在低静态改变也是如此。一系列感测事件(例如一系列火车)的较高频率移动的量值的增加可以指示随时间的地面中的改变或指示恶化。在火车通过的同时在静态值之间的应变改变的梯度也可以提供关于地面的稳定性的信息。

在上述实例中，与关于活动源的信息的相关性可以增加可确定的信息。举例来说，如果火车的重量或相对重量是已知的或可确定的，则可将应变改变的量值规格化为重量，因为预期更重的火车将产生更多移动。

图5示出与火车轨道相关联的分布式传感器在火车通过之前、期间和之后进行的测量的实例。颜色尺度示出与在时间＝0的火车相比的应变改变。竖直轴线示出时间，且水平轴线示出距离。火车在t＝0时在近似1250m处启动，且随时间增加而移动到更大距离值。

在沿着轨道的特定位置处的应变改变通过图表中从上到下沿着竖直线的颜色改变来指示。来自每一传感器位置(沿着传感器的距离)的应变在时间t＝0被规格化为零(图6中的白色)。在沿着轨道的每一点处火车的到达由彩色条的顶部指示(由椭圆形50指示)。如果在火车通过之后不存在静态应变的改变，则将预期在火车通过的同时为暗色，并且接着返回到其下方的白色。因此将存在遵循图5中的可见列的顶部的对角线。然而，如可见，在火车通过之后的时间，应变改变持续，指示火车通过对地面的长期干扰。这些长期改变等效于参考图4描述的偏移/斜坡高度。

较暗区指示地面的较大移动。因此可确定，在约2000m的区中存在比约4000m的区更大的由每一火车造成的静态移动，这可以指示在2000m区域中地面较不稳定。另外，例如2500m附近的红线指示光纤的静态收缩。因此可得出结论，火车造成一些区域中的光纤的静态伸长以及其它区域中的静态收缩。监测一系列火车的此数据(可能在例如数月或数年等延长的时间段中)可用以指示地面稳定性的长期趋势，如图6中所示。同样，较小数目的活动感测事件(火车通过)的显著改变可以指示地面状况的也可能值得注意的快速改变。

图6示出了当火车通过每一点(图5中的斜坡高度)时静态应变的改变的绘图。蓝色指示较小改变，且红色指示较大改变。数据是针对与在两条标绘线之间延伸的火车轨道相关联的分布式传感器。线沿着轨道的长度对准，以与轨道位置关联，但为了便于观看，线横向于轨道偏移。在带圆圈区域中，在2018年存在相对较小量的移动，且在2020年存在较大量的移动(即，在2018年与2020年之间增加的斜坡高度)，从而指示地面稳定性的减小。此减小通过现场查看得到确认，揭示了轨道支撑集料需要修复。所公开的系统因此经确认以通过使静态应变的改变与活动源事件(在此情况下为通过位置的火车)相关联，来提供地面稳定性的指示。

数据因此示出火车充当活动源以探测周围的地面，使得由传感器检测所述探测的改变以提供地面稳定性的指示。传感器系统测量光纤中存在的纵向应变，其通常是由于光纤周围的环境的横向偏转引发。然而，随时间的应变改变无法被求和以得到总移动，因为每一偏转可能在不同方向上，所述方向无法从应变测量值确定。应变因此是地面稳定性的指示，而不是绝对地面移动的量度。

由于与其它参数的交叉灵敏度，地面的被动测量无法提供地面稳定性的指示。举例来说，温度的改变可能影响应变测量。此外，地面稳定性的减小可能不直接导致地面的移动，且因此无法由被动传感器感测。可能仅当通过例如火车等活动源探测地面时，稳定性的减少才导致实际地面移动。活动源的短时期意味着可影响静态应变测量的其它参数的改变预期为可忽略的。所公开的系统因此允许测量被动传感器无法检测的参数。

除地面稳定性之外，斜坡高度也可受其它参数影响，特别是活动源的那些参数。举例来说，可预期更重或更大的火车将导致地面的更大移动且因此更大的应变改变。基于火车大小或重量将斜坡高度规格化将移除此类相依性，且因此改进比较不同活动源事件以确定地面稳定性的能力。

在火车通过时发生的应变的高频变化可用以推断关于火车的重量或大小的信息以用于规格化斜坡高度。举例来说，火车的轮组的数目可以从在固定位置的应变的振荡次数确定。作为一般指示，静态改变是在<0.2Hz的频率下的那些改变，且动态或更高频率改变是具有>0.2Hz的频率的那些改变。轮组信号的数目、间隔和相对强度可关联到火车组成和类型，且因此关联到估计的重量。高频率改变的振幅也可以指示火车重量。可以不需要确定绝对重量，因为火车之间的相对重量的确定可以更简单。相对重量允许规格化连续斜坡高度，使得变化可归因于地面稳定性的改变而不是较大的探测(火车重量)。

图7示出用于确定地面稳定性的实例方法。方法是针对利用分布式传感器的应用，所述分布式传感器被定位成检测由于沿着火车轨道的长度的地面移动带来的应变改变。在步骤70，确定在沿着所关注区域的长度的关注点处的静态应变。在步骤71，通过检测到的应变的较高频率变化的存在来检测经过关注点的火车的通过。在步骤72，经过关注点的火车的通过完成，且确定在关注点处的静态应变。在步骤73，确定由火车的通过造成的在步骤70与72之间的静态应变的改变。在步骤74，基于火车的相对重量而规格化静态应变的改变，所述相对重量可以从步骤71的较高频率变化确定。在步骤75，将在关注点处的多个规格化的静态应变改变进行比较以确定随时间的地面稳定性的改变。图7的方法因此允许确定随时间的地面稳定性的改变。

来自多个距离(传感器/通道)的数据可以被累计，且作为集合来处理以提供进一步的信息。举例来说，可以对静态应变的集合取平均值以确定区的总体移动。交替的正应变和负应变可以求和或平均化为近似零，这可以指示所述区中的地面稳定性不存在总体问题，即使个别测量值可能较高也是如此。此外，新布置的感测光纤可以初始地放松到其物理环境中，由随时间的净收缩指示。数据处理可用以补偿并非由地面稳定性改变造成的此改变。

在图7的方法中，火车的通过可以由任何适当方法确定，所述方法可以不利用在步骤71提到的高频率应变改变。类似地，火车的相对重量可以由任何适当方式确定，或可以不通过相对重量来规格化静态改变。重量在本文中用作用于规格化静态应变改变的实例参数，但取决于活动源的性质，可以利用指示活动源的强度的任何参数。如果火车在加速或减速，则其它实例可以是动能(与速度的平方成比例)或脉冲(质量乘以特定时间间隔中的速度改变)。

显而易见，图7的方法可应用于沿着传感器的长度的多个点以形成沿着所述长度的地面稳定性的测量，例如图6中示出的数据。将通过传感器系统在检测到静态应变时提供的分辨率来确定数据的分辨率。

已主要参考相对于火车轨道的地面移动且利用火车作为活动源来给出上述公开内容。然而，使用具有分布式传感器的活动源检测地面稳定性的改变的原理可在一系列其它环境中利用。举例来说，传感器可以沿着道路或跑道布置，且交通工具可以提供活动源。如同火车实例，在交通工具通过之前/之后的静态应变改变可用以监测随时间的地面稳定性。本公开预期使用干扰地面而产生静态应变改变的任何活动源。其它实例包括温度改变或潮汐移动。

已主要仅参考分布式传感器给出以上描述。然而，所述技术和设备也可以应用于具有反射器以产生在沿着光纤的经界定位置处的特定返回信号的系统。这对于增加在沿着测量光纤的经界定位置处的测量光纤的灵敏度可为合意的。

如将了解，本文描述的方法可由如上文所描述的询问器单元执行。询问器单元可以视情况以硬件或硬件和软件实施。

尽管已结合一些实施例描述本发明，但并不希望限于本文阐述的特定形式。实际上，本发明的范围仅受所附权利要求书的限制。另外，尽管可结合特定实施例来描述特征，但所属领域的技术人员将认识到，可根据本发明来组合所描述的实施例的各种特征。在权利要求书中，术语‘包括’不排除其它元件或步骤的存在。

此外，权利要求书中的特征的次序并不暗示所述特征必须执行的任何特定次序，且特定来说方法权利要求中的个别步骤的次序并不暗示所述步骤必须按此次序执行。而是，步骤可以任何合适的次序执行。另外，单数参考并不排除复数。因此，对‘一’、‘一个’、‘第一’、‘第二’等的参考并不排除多个。在权利要求书中，术语“包括”或“包含”不排除其它元件的存在。

Claims (10)

1.一种利用分布式光学传感器确定地面稳定性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

确定沿着所述分布式光学传感器的长度的至少一个位置处的第一静态应变；

检测由活动源在所述至少一个位置处造成的应变变化；

在由所述活动源造成的所述应变变化已结束之后，确定所述至少一个位置处的第二静态应变；以及

确定所述第一静态应变与所述第二静态应变之间的差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变变化的检测是通过检测所述位置处的较高频率应变变化来执行的。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述活动源的相对强度是基于较高频率应变变化而确定的。

4.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：基于所述活动源的强度，规格化第一静态应变与第二静态应变之间的所述差。

5.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：基于第一应变与第二应变之间的所述差，确定所述位置处的地面稳定性的指示。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述地面稳定性的指示还基于第一应变与第二应变之间的多个差。

7.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述活动源是火车，且所述分布式光学传感器与所述火车运行的火车轨道相关联。

8.根据前述任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：在沿着所述分布式光学传感器的所述长度的多个位置处执行所述方法。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括：对来自所述多个位置的测量值进行平均化。

10.一种用于确定地面稳定性的光学感测系统，其特征在于，所述系统包括：

光纤，以及

询问器，其以光学方式连接到所述光纤，且被配置成将光学信号传输到所述光纤中并检测从所述光纤输出的返回光学信号，其中所述询问器被配置成执行根据权利要求1到9中任一项所述的方法。