CN204789261U - 水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，系统包括自控热源测渗用特制单模光纤、光路耦合器和同步控制器，同步控制器与锁模激光器、偏振分束器、隔离器、光栅对、衍射光栅、反射镜、分束器、非线性晶体、光谱仪和迈克尔逊干涉仪连接，迈克尔逊干涉仪输出端与光路耦合器连接，光路耦合器的输出端分别与探测器和第二光分器连接，探测器与数字信号处理器连接，第二光分器通过放大电路与数字信号处理器连接，数字信号处理器分别与同步控制器和采集器连接。本实用新型具有高精度、高空间分辨率、高传感速度、远距离监测等优点，可实现恶劣环境下水工结构物及其基础渗流监测和状况辨识的流程化、自动化。

Description

水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统

技术领域

本实用新型涉及一种水工结构物及其基础渗流监测系统，具体涉及一种恶劣环境下水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统。

背景技术

渗流是关系水工结构物安全长效服役的重要因素，尤其对于土石坝、堤防等土石散粒结构物，渗流问题及其影响更加突出。研发先进、实用、可靠的涉水结构物测渗仪器设备，加强其合理布设和监测数据的高效传输与科学处理分析，以准确辨识结构物的渗流状况，对保障工程安全具有极其重要的意义。随着光纤传感技术的快速发展和应用领域的不断拓展，借助其探测涉水结构物内部温度变化，利用温度与渗流的关联机制，间接实现结构物渗流状况的监测和辨识，已成为光纤传感技术中的一个重要研究课题和应用方向。

A.G.S.Smekal最早从理论上预言了光入射到介质后，除了产生反射和折射外，还会出现频率发生改变的散射光；且研究证明，光子与声子相互作用时，是以吸收或发射声子的形式进行的，当光子吸收或者发射声子时产生了散射现象，发射或者吸收光学声子的散射称为拉曼散射，发射或者吸收声学声子的散射称为布里渊散射，且背向散射光中以拉曼散射光最弱，这两种散射都发生了频移现象，布里渊散射的频移是由声波或声学支声子波造成的，拉曼散射的频移则是因为分子内部的振动或光学支声子波引起，由于声子描述了晶格振动，声学支描述了原子质心的运动，因此，拉曼散射光的频移量与入射光波长无关，只取决于介质特性。进一步，量子理论认为，拉曼散射是由于光量子和介质分子的非弹性碰撞造成的，非弹性碰撞进而导致能量发生转移，即表现为分子能级的跃迁，或吸收声子，转换为频率较高的散射光，或发射声子，转化为频率较低的散射光，当处于基态的介质分子通过吸收的入射光子所处于的高能量级跃迁回激发态时会产生一个低频的斯托克斯光子，处于激发态的介质分子在吸收入射光子之后所处于的高能量级跃迁回基态时会产生一个频率更高的反斯托克斯光子，当其大量作用时，其反斯托克斯光和斯托克斯光的强度会不断增加，对于拉曼散射光而言研究发现，只有反斯托克斯光的光强对温度敏感，斯托克斯光以及拉曼散射光的波长均不受温度影响。

依据上述基本理论，目前研制出了很多基于拉曼散射光的测温测渗系统，但拉曼散射光的强度较弱，经过光电转换后的信号会被各种噪声所覆盖，信噪比非常差，信噪比的大小却往往又是决定系统测温精度或测量距离的最重要因素之一。增强信噪比的传统方法有：提高泵浦脉冲光峰值功率，该方法的缺点是当脉冲光峰值功率超过了光纤的非线性阈值时，拉曼散射会发生非线性效应，而非线性效应会严重干扰温度的解调；第二种方法是对采集的数据多次进行平均化处理，但过长的监测距离会花费巨大的时间及耗费巨大的内存处理，极大降低了测温的实时反应能力。因此，空间分辨率、传感光纤长度、测温不确定度和测量时间等成为了决定分布式光纤拉曼温度传感器系统性能的重要因素。

目前，最常用的分布式光纤温度传感系统(DistributedOpticalFiberTemperatureSystem，DTS)是基于拉曼背向散射光受温度调制的特性来测温的，由于拉曼散射光强度非常微弱，因此DTS系统本质上而言，是一个对弱信号进行处理和检测的技术，其用反斯托克斯拉曼散射光作为测量温度信号，使用激光单脉冲作为泵浦信号，斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考通道，其缺点是脉冲宽度不容易调节，空间分辨率低，信噪比差。随着发展，出现了一些新技术，其中代表性的有集成光纤拉曼放大器的分布式光纤温度传感器、采用脉冲编码技术的分布式光纤拉曼温度传感器、采用拉曼相关双波长自校正技术的分布式光纤温度传感器、嵌入光开关的分布式光纤温度传感器等。

集成光纤拉曼放大器的分布式光纤温度传感器，仅是放大提高了模拟电信号，其并未从根本上解决脉宽及信噪比的问题；采用脉冲编码技术的分布式光纤拉曼温度传感器，主要针对单模光纤，且为了提高系统的信噪比及信号的提取、辨别能力，需采用复杂的编码、解码技术，大大增加了操作难度及设备的设计复杂程度，从其最终的空间分辨率及系统的信噪比上看，尚存在较大不足；采用拉曼相关双波长自校正技术的分布式光纤温度传感器，使用双光源仍不能很好保证两个通道在相同波段的测温光纤的相同损耗，其温度解调曲线仍会出现倾斜、畸变等问题；嵌入光开关的分布式光纤温度传感器，虽然可以通过增加光开关将测温光纤从原来的一路扩展为多路，但其精度及测量时效性却很难得到保证。

另一方面，目前基于传感光纤的渗流监测技术，大多需要借助外接电路实现对光纤加热，因而不但要求所使用光纤应有加热功能，而且必须构建一套完整的加热电路，这大大增加了生产光纤的成本，且由于室内外监测时较难于协调外接电路的电压与加热光纤之间的关系，所生产的加热光纤往往会在该种情况下出现电压不稳或者过大现象，短时间内即会因为难于控制的电压导致光纤护套松软甚至烧焦，对操作人员及仪器等产生极为严重的危害；另外，应用于实际工程的现场监测，常缺少必要的安全措施，加热电路铺设较为困难，特别是对于大坝等水利水电工程，由于大多坐落于偏远地区，服役环境异常恶劣，光纤铺设和加热功能的实现更加不易甚至无法完成。

基于上述背景和现状，迫切需要从水工渗流监测特点和特殊工作环境出发，对光纤测渗技术进行重大变革研究，为从根本上解决空间分辨率、信噪比、加热等问题，真正实现超高空间分辨率、超远传感距离、超高测温测渗精度和超高测量效率的水工渗流光纤监测提供技术支持。

实用新型内容

实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，利用先进的飞秒脉冲技术，创造性地研发了一种专门的温度解调系统及用于水工渗流监测的新型传感光纤，特别是渗漏量和浸润线监测，其具有监测精度高、空间分辨率高、传感速度快、监测距离远等优势，通过采集装置与坝群安全监测信息管理与分析评估系统集成，形成大数据分析系统，以及时高效动态监测水工结构体渗流状况。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型的一种水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统与监测方法，包括垂直交错铺设于水工结构物及其基础渗流监测区中的自控热源测渗用特制单模光纤、与自控热源测渗用特制单模光纤连接的光路耦合器和同步控制器，在自控热源测渗用特制单模光纤与光路耦合器之间设有监测恒温室，所述同步控制器依次与锁模激光器、第一波分复用器、偏振分束器、隔离器、非线性放大器、光栅对、液晶空间光调制器、衍射光栅、反射镜、分束器、非线性晶体、光谱仪和迈克尔逊干涉仪连接，迈克尔逊干涉仪输出端与光路耦合器连接，光路耦合器的输出端分别与探测器和第二光分器连接，探测器与数字信号处理器连接，第二光分器通过放大电路与数字信号处理器连接，数字信号处理器输出端分别与同步控制器和采集器连接，采集器的输出端分别与同步控制器和计算机连接，计算机与配置有远程云数据库的模块连接，配置有远程云数据库的模块将汇集信息输送到坝群安全监测信息管理与分析评估系统中。

作为优选，所述放大电路包含并联连接的第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路，第一放大电路包含依次连接的第一光电二极管、第三放大器和斯托克斯接收器，第二放大电路包含依次连接的第二光电二极管、第四放大器和反斯托克斯接收器，第三放大电路包含依次连接的第三光电二极管、第五放大器和瑞利光接收器，第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管分别与第二光分器的输出端连接。

作为优选，所述迈克尔逊干涉仪输出端同时与光电开关连接，光电开关布置有L和R双侧开关，L侧开关与主飞秒脉冲输入端相连，R侧开关与副飞秒脉冲相连，主飞秒脉冲的主飞秒脉冲光会进入第一放大器的光信号输入端，副飞秒脉冲的副飞秒脉冲光会经过第二放大器的光信号输入端，第一放大器的光信号输出端口与第一光分器的输入端口相连，第一光分器的输出端口分别与第二光滤波器的信号输入端口和第三光滤波器的信号输入端口相连，第二放大器的光信号输出端口与第一光滤波器的光信号输入端口相接，第一光滤波器、第二光滤波器和第三光滤波器的输出端与第二波分复用器输入端连接，第二波分复用器的输出端与第二光分器输入端连接。

作为优选，所述自控热源测渗用特制单模光纤从内到外依次设有单芯光纤、内护弹性层、绝热钢环、内层填护环、弹性硬环、防渗隔热硬套环，单芯光纤分别与若干根外圆套护管连接，外圆套护管依次穿过内护弹性层、绝热钢环、内层填护环、弹性硬环与防渗隔热硬套环连接，外圆套护管内装填有引流储水棉套，引流储水棉套与第二滤网相连，第二滤网上布设有第二滤网纱网通孔，第二滤网外与第一滤网相连，第一滤网上布设有第一滤网纱网通孔。

作为优选，所述弹性硬环和防渗隔热硬套环为不规则的四边形框，四边形框的四个边向内凹陷，四边形框的四个角为圆角。四边形框四个边凹陷设计，首先，可以与结构体更好的咬合，其次，在四个方向上都可以实现对结构体的监测。

作为优选，所述第一滤网上布设的第一滤网纱网通孔孔径要大于第二滤网上布设的第二滤网纱网通孔孔径，且其孔径的差值要在2倍以上。

作为优选，所述外圆套护管有四根，分别位于单芯光纤的0°、90°、180°、270°径向上。

作为优选，所述第一滤网和第二滤网均位于防渗隔热硬套环内。

本实用新型借助啁啾补偿技术、飞秒激光放大技术、锁模激光技术、激光压缩技术等，巧妙结合偏振分束器、液晶空间光调制器、迈克尔逊干涉仪、光分器、分束器、波分复用器等元器件，将脉冲宽度从纳秒级提升到飞秒级，显著提升了光纤测温测渗的精度，通过有效控制与利用飞秒激光脉冲极高的峰值功率、极宽的光谱特点，极大保证了其信噪比，大大提高了其监测距离，同时引入瑞利散射、斯托克斯散射、反斯托克斯散射三通道互纠正的光信息解调系统，最大程度地保证了其监测性能的可靠性；结合当前大数据信息分析的趋势，基于存储监测信息的云数据库，融合坝群安全监测信息管理与分析评估系统，构建了水工结构物及其基础渗流状况的分布式光纤辨识系统。

本实用新型独特研制了一种专用自控热源测渗用特制单模光纤，该渗流专用光纤无需借助外设热源对待测光纤给予加热，其通过自身独特设计的结构自动实现变温，且可以形成较大温差，避免了上述情况的出现，极大提升了水工渗流光纤监测的工程应用能力。

本实用新型中的单芯光纤可以更有效更直接地探测结构物渗流，且可更好地扩大其应用范围，也方便生产制造，使用了内护弹性层、绝热钢环、内层填护环、弹性硬环、防渗隔热硬套环的五层布设，增加了防渗、弹性缓冲等功能的层级，工程适用性强。

本实用新型进行了四个边的向内凹陷设计，大大增加了其监测的方向及范围，可以实现0°、90°、180°、270°多方位的监测。为了更好地配套于多方位监测，设计了对应方向的引流储水棉套、第一滤网和第二滤网，容易生产制造，且由于只与单模光纤连接，更增强了其整体的密合性。

本实用新型中防渗隔热硬套环将其四个边向内凹陷处所设滤网以外的结构体进行隔离及阻渗，在第一滤网纱网和第二滤网纱网的联合作用下对渗流水进行过滤，且第一滤网纱网和第二滤网纱网上布设有不等直径的通孔可实现对渗流水的控流，被控制渗流流速的渗流水在通过引流储水棉套后与单芯光纤接触，不同流速下渗流水与单芯光纤的接触实现了单芯光纤温度的自动变化，在外界渗流较大时，其渗流流速较大，则与单芯光纤接触速度增快，在短时间内的降温更快，反之，更慢，本实用新型可以实现基于外界实际渗流情况的自动变温。

有益效果：本实用新型的一种水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，基于恶劣环境下水工结构物及其基础渗流特性及力学机理，研发了一套专门的温度解调系统及用于水工渗流监测(特别是渗漏量和浸润线监测)的新型传感光纤，依托于所研发的温度解调系统及新型的传感光纤，基于其高精度、高空间分辨率、高传感速度、远监测距离、无需加热、分布式探测的优势，有效弥补了传统监测技术及已有分布式光纤监测技术中的部分不足，提供了一种可供室内试验及工程实际应用的水工结构物及其基础渗流状况辨识系统与监测技术，本系统结构完整，可以实现流程化、自动化应用，在降低监测成本、提升监测精度及工程实用化等方面具有较大优势。

附图说明

图1为本实用新型的系统构造图；

图2为图1中自控热源测渗用特制单模光纤的结构示意图；

图3为图2中外圆套护管的细部结构图。

其中：100-配置有远程云数据库的模块、101-坝群安全监测信息管理与分析评估系统、102-同步控制器、103-锁模激光器、104-第一波分复用器、105-偏振分束器、106-隔离器、107-非线性放大器、108-光栅对、109-液晶空间光调制器、110-衍射光栅、111-反射镜、112-分束器、113-非线性晶体、114-光谱仪、115-迈克尔逊干涉仪、116-光电开关、117-主飞秒脉冲、118-副飞秒脉冲、119-第一放大器、120-第二放大器、121-第一光分器、122-第一光滤波器、123-第二光滤波器、124-第三光滤波器、125-第二波分复用器、126-第二光分器、127-光路耦合器、128-探测器、129-恒温室、130-渗流监测区、131-第一光电二极管、132-第二光电二极管、133-第三光电二极管、134-第三放大器、135-第四放大器、136-第五放大器、137-瑞利光接收器、138-反斯托克斯接收器、139-斯托克斯接收器、140-数字信号处理器、141-采集器、142-计算机、143-自控热源测渗用特制单模光纤、200-第三过渡突端、201-外圆套护管、202-第二过渡突端、203-第一过渡突端、204-第一滤网纱网通孔、205-第一滤网、206-第二滤网、207-第二滤网纱网通孔、208-引流储水棉套、209-绝热钢环、210-内护弹性层、211-单芯光纤、212-内层填护环、213-弹性硬环、214-防渗隔热硬套环。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作更进一步的说明。

如图1至图3所示，本实用新型的一种水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，包括垂直交错铺设于水工结构物渗流监测区130中的自控热源测渗用特制单模光纤143、与自控热源测渗用特制单模光纤143连接的光路耦合器127和同步控制器102，在自控热源测渗用特制单模光纤143与光路耦合器127之间设有监测恒温室129，所述同步控制器102依次与锁模激光器103、第一波分复用器104、偏振分束器105、隔离器106、非线性放大器107、光栅对108、液晶空间光调制器109、衍射光栅110、反射镜111、分束器112、非线性晶体113、光谱仪114和迈克尔逊干涉仪115连接，迈克尔逊干涉仪115输出端同时与光路耦合器127和光电开关116连接，光路耦合器127的输出端分别与探测器128和第二光分器126连接，探测器128与数字信号处理器140连接，第二光分器126通过放大电路与数字信号处理器140连接，放大电路包含并联连接的第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路，第一放大电路包含依次连接的第一光电二极管131、第三放大器134和斯托克斯接收器139，第二放大电路包含依次连接的第二光电二极管132、第四放大器135和反斯托克斯接收器138，第三放大电路包含依次连接的第三光电二极管133、第五放大器136和瑞利光接收器137，第一光电二极管131、第二光电二极管132和第三光电二极管133分别与第二光分器126的输出端连接；迈克尔逊干涉仪115输出端同时与光电开关116连接，光电开关116布置有L和R双侧开关，L侧开关与主飞秒脉冲117输入端相连，R侧开关与副飞秒脉冲118相连，主飞秒脉冲117的主飞秒脉冲光会进入第一放大器119的光信号输入端，副飞秒脉冲117的副飞秒脉冲光会经过第二放大器120的光信号输入端，第一放大器119的光信号输出端口与第一光分器121的输入端口相连，第一光分器121的输出端口分别与第二光滤波器123的信号输入端口和第三光滤波器124的信号输入端口相连，第二放大器120的光信号输出端口与第一光滤波器122的光信号输入端口相接，第一光滤波器122、第二光滤波器123和第三光滤波器124的输出端与第二波分复用器125输入端连接，第二波分复用器125的输出端与第二光分器126输入端连接；数字信号处理器140输出端分别与同步控制器102和采集器141连接，采集器141的输出端分别与同步控制器102和计算机142连接，计算机142与配置有远程云数据库的模块100连接，配置有远程云数据库的模块100将汇集信息输送到坝群安全监测信息管理与分析评估系统101中。

在本实用新型中，所述自控热源测渗用特制单模光纤143从内到外依次设有单芯光纤211、内护弹性层210、绝热钢环209、内层填护环212、弹性硬环213、防渗隔热硬套环214，单芯光纤211分别与四根外圆套护管201连接，分别位于单芯光纤211的0°、90°、180°、270°径向上，外圆套护管201依次穿过内护弹性层210、绝热钢环209、内层填护环212、弹性硬环213与防渗隔热硬套环214连接，外圆套护管201内装填有引流储水棉套208，引流储水棉套208与第二滤网206相连，第二滤网206上布设有第二滤网纱网通孔207，第二滤网206外与第一滤网205相连，第一滤网205上布设有第一滤网205纱网通孔204。所述弹性硬环213和防渗隔热硬套环214为不规则的四边形框，四边形框的四个边向内凹陷，四边形框的四个角为圆角，分别为防渗隔热硬套环214、弹性硬环213和内层填护环212形成的第三过渡突端200、第二过渡突端202、第一过渡突端203。所述第一滤网205上布设的第一滤网205纱网通孔204孔径要大于第二滤网206上布设的第二滤网纱网通孔207孔径，且其孔径的差值要在2倍以上。所述第一滤网205和第二滤网206均位于防渗隔热硬套环214内。

在本实用新型中，同步控制器102的信号输出端口与锁模激光器103信号输入端口相连，在同步控制器102与激光锁模激光器103的联合作用下产生了脉宽窄、峰值功率高的超短脉冲，锁模激光器103产生的超短脉冲信号途径第一波分复用器104到达偏振分束器105，第一波分复用器104与偏振分束器105的组合使用增强了泵浦功率，实现了泵浦源的组合，经过偏振分束器105的光信号到达隔离器106，将偏振分束器105的输入光信号进行转换输出，最终汇集到非线性放大器107的光信号输入端口处，通过非线性放大器107的光信号与声子相互作用，激光信号被放大，后非线性放大器107的光信号输出端口与光栅对108的光信号输入端口相连，光栅对108对光信号进行了波矢调制，后与液晶空间光调制器109相接，进而获取了更强增益更窄脉宽的激光信号，液晶空间光调制器109的光信号输出端口连接到衍射光栅110的光信号输入端，经过衍射光栅110的光束发生了色散，色散光信号通过反射镜111转接到分束器112上，分束器112的光信号输出端经过非线性晶体113，经过反射镜111、分束器112及非线性晶体113将飞秒脉冲聚焦形成光谱，后通过光谱仪114的光信号输入端，光谱仪114的光信号输出端与迈克尔逊干涉仪115的光信号输入端相接，通过迈克尔逊干涉仪115作用，将通过光谱仪114的光波进行标定及长度和折射率的测量，迈克尔逊干涉仪115的光信号E输出端口与光路耦合器127的A输入端接口相连接，迈克尔逊干涉仪115的光信号F输出端口连接到光电开关116，光电开关116布置有L和R双侧开关，L侧开关与主飞秒脉冲117输入端相连，R侧开关与副飞秒脉冲118相连。

在本实用新型中，为能将飞秒脉冲引入到分布式光纤测温解调系统中，且实现多分路测量多分路互标定的目的，将飞秒脉冲进行了分离、放大、滤波等操作，过程如下：主飞秒脉冲117的主飞秒脉冲光会进入第一放大器119的光信号输入端，副飞秒脉冲117的副飞秒脉冲光会经过第二放大器120的光信号输入端，第一放大器119的光信号输出端口与第一光分器121的输入端口相连，第一光分器121的E输出端口与第二光滤波器123的信号输入端口相连，第一光分器121的F输出端口与第三光滤波器124的信号输入端口相连，第二放大器120的光信号输出端口与第一光滤波器122的光信号输入端口相接，第二波分复用器125的A输入端与第二光滤波器123的输出端相连，第二波分复用器125的B输入端与第三光滤波器124的输出端相连，第二波分复用器125的C输入端与第一光滤波器122的输出端相连，第二波分复用器125的输出端与第二光分器126的B端连接，为能够实现一根光纤上同时传输携带不同信息的三路光信号，该处使用了第二波分复用器125及第二光分器126，光路耦合器127的F输出端与第二光分器126的A输入端相连接，将承载有反映外界变化的光纤信号通过第二光分器126进行分离，第二光分器126的E输出端与第一光电二极管131的输入端相连，第二光分器126的F输出端与第二光电二极管132的输入端相连，第二光分器126的G输出端与第三光电二极管133的输入端相连，第一光电二极管131131的输出端口与第三放大器134的信号输入端相连，第二光电二极管132的输出端口与第四放大器135的输入端相连，第三光电二极管133的输出端与第五放大器136136的输入端相接，第五放大器136的输出端与瑞利光接收器137输入端连接，第四放大器135的输出端与反斯托克斯接收器138的输入端相接，第三放大器134的输出端与斯托克斯接收器139的输入端相连接，反斯托克斯接收器138的输入端、斯托克斯接收器139的输入端、瑞利光接收器137的输入端分别与数字信号处理器140的A、D、C端口相连，经过第二光分器126将承载外界荷载或者温度变化所引起的变化光信号被分离成携带三种光信息的三光路，通过三光路各自对应的光电二极管、放大器及接收器对其进行收集，光路耦合器127的E输出端与探测器128输入端相连，探测器128将自控热源测渗用特制单模光纤143上的飞秒脉冲光信号转化成电信号进行探测、校准及收集，探测器128输出端与数字信号处理器140的B端口相连，数字信号处理器140的E输出端口与同步控制器102的B输入端口相连，数字信号处理器140的F输出端口与采集器141的输入端相连，采集器141的E输出端口与同步控制器102的A输入端口相连，采集器141的F输出端口与计算机142的信号输入端相连，计算机142的E信号输出端口与同步控制器102的C信号输入端相连，计算机142的F信号输出端口与配置有远程云数据库的模块100信号输入端连接，配置有远程云数据库的模块100将汇集信息输送到坝群安全监测信息管理与分析评估系统101中。

在本实用新型中，光路耦合器127的G信息获取端口通过一段自控热源测渗用特制单模光纤143与恒温室129相连，通过监测恒温室129而获取的温度作为标定用的温度值，自控热源测渗用特制单模光纤143在穿过恒温室129后被垂直交错铺设于结构渗流监测区130中。

一种上述的水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统的监测方法，包括以下步骤：

第一步，将单芯光纤211压制于绝热钢环209、内护弹性层210、内层填护环212、弹性硬环213与防渗隔热硬套环214中，使用外圆套护管201、第一滤网205、第二滤网206、第二滤网纱网通孔207和第一滤网205纱网通孔204组建成具有引流、控流、导热、控热功能的装置部件，将结构体按照由内到外材料强度不断增强的原则进行密实和封装，处于最外层的结构除具有相对比其他层更高的强度之外，还应满足防腐蚀、防渗、隔热等要求；

第二步，自控热源测渗用特制单模光纤143装配完毕之后，首先，打开同步控制器102与计算机142对待铺设自控热源测渗用特制单模光纤143进行通路验证，后沿着待测结构区域做横向与竖向的自控热源测渗用特制单模光纤143的铺设，以在该待测空间中形成一种网格化光纤分布，打开同步控制器102与计算机142，对铺设好的自控热源测渗用特制单模光纤143进行二次通路探测，在复杂结构区域需要平行布设多条自控热源测渗用特制单模光纤143以做备用，将自控热源测渗用特制单模光纤143通过恒温室129与光路耦合器127连接，完成整个系统的组装；

第三步，打开水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统中各待测开关，对该系统进行调试，连接自控热源测渗用特制单模光纤143，进行校准及标定，测试各个通道，待无误之后，通过同步控制器102调制待测自控热源测渗用特制单模光纤143的脉冲光信息，通过采集器141采集脉冲光信息数据，后将数据信息汇集到计算机142中进行反馈分析，进而调控同步控制器102，通过配置有远程云数据库的模块100将最后的采集信息汇集到坝群安全监测信息管理与分析评估系统101中；

第四步，待渗流水经过待测结构区域时，通过第一滤网205上的第一滤网205纱网通孔204和第二滤网206上的第二滤网纱网通孔207将渗流水中的颗粒杂质施以双层变径过滤，渗流水通过引流储水棉套208的存储、过滤及引流功能将源源不断地从四个方向与单芯光纤211直接接触，从而形成实际温差；

第五步，绘制由横纵向自控热源测渗用特制单模光纤143上的温差所形成的被测结构体温度差值场，在渗流水所流经的区域中，由于渗流水与待测水工结构物及其基础之间会产生热量交换，一部分热量会被渗流水所带走，温差场数值将出现局部区域的突变，该处即为渗透产生的位置；进一步，当渗流水在待测水工结构物中形成自由水面的通道时，水体与外界交换所带走的相对热量值在某时刻认为在通道各处基本一样，因此，沿着水工结构物上下游向结构面将温差值相同的地方连接，其与水工结构物上下游向结构面的交线即为浸润线；

第六步，通过计算机142，将所采集的自控热源测渗用特制单模光纤143的时空数据汇集到配置有远程云数据库的模块100中，最后的采集信息汇集到坝群安全监测信息管理与分析评估系统101的模块中，以动态监测与辨识水工结构物及其基础的渗流状态。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，其特征在于：包括垂直交错铺设于水工结构物及其基础渗流监测区中的自控热源测渗用特制单模光纤、与自控热源测渗用特制单模光纤连接的光路耦合器和同步控制器，在自控热源测渗用特制单模光纤与光路耦合器之间设有监测恒温室，所述同步控制器依次与锁模激光器、第一波分复用器、偏振分束器、隔离器、非线性放大器、光栅对、液晶空间光调制器、衍射光栅、反射镜、分束器、非线性晶体、光谱仪和迈克尔逊干涉仪连接，迈克尔逊干涉仪输出端与光路耦合器连接，光路耦合器的输出端分别与探测器和第二光分器连接，探测器与数字信号处理器连接，第二光分器通过放大电路与数字信号处理器连接，数字信号处理器输出端分别与同步控制器和采集器连接，采集器的输出端分别与同步控制器和计算机连接，计算机与配置有远程云数据库的模块连接，配置有远程云数据库的模块将汇集信息输送到坝群安全监测信息管理与分析评估系统中。

2.根据权利要求1所述的水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，其特征在于：所述放大电路包含并联连接的第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路，第一放大电路包含依次连接的第一光电二极管、第三放大器和斯托克斯接收器，第二放大电路包含依次连接的第二光电二极管、第四放大器和反斯托克斯接收器，第三放大电路包含依次连接的第三光电二极管、第五放大器和瑞利光接收器，第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管分别与第二光分器的输出端连接。

3.根据权利要求2所述的水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，其特征在于：所述迈克尔逊干涉仪输出端同时与光电开关连接，光电开关布置有L和R双侧开关，L侧开关与主飞秒脉冲输入端相连，R侧开关与副飞秒脉冲相连，主飞秒脉冲的主飞秒脉冲光会进入第一放大器的光信号输入端，副飞秒脉冲的副飞秒脉冲光会经过第二放大器的光信号输入端，第一放大器的光信号输出端口与第一光分器的输入端口相连，第一光分器的输出端口分别与第二光滤波器的信号输入端口和第三光滤波器的信号输入端口相连，第二放大器的光信号输出端口与第一光滤波器的光信号输入端口相接，第一光滤波器、第二光滤波器和第三光滤波器的输出端与第二波分复用器输入端连接，第二波分复用器的输出端与第二光分器输入端连接。

4.根据权利要求3所述的水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，其特征在于：所述自控热源测渗用特制单模光纤从内到外依次设有单芯光纤、内护弹性层、绝热钢环、内层填护环、弹性硬环、防渗隔热硬套环，单芯光纤分别与若干根外圆套护管连接，外圆套护管依次穿过内护弹性层、绝热钢环、内层填护环、弹性硬环与防渗隔热硬套环连接，外圆套护管内装填有引流储水棉套，引流储水棉套与第二滤网相连，第二滤网上布设有第二滤网纱网通孔，第二滤网外与第一滤网相连，第一滤网上布设有第一滤网纱网通孔。

5.根据权利要求4所述的水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，其特征在于：所述弹性硬环和防渗隔热硬套环为不规则的四边形框，四边形框的四个边向内凹陷，四边形框的四个角为圆角。

6.根据权利要求5所述的水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，其特征在于：所述第一滤网上布设的第一滤网纱网通孔孔径要大于第二滤网上布设的第二滤网纱网通孔孔径，且其孔径的差值要在2倍以上。

7.根据权利要求6所述的水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，其特征在于：所述外圆套护管有四根，分别位于单芯光纤的0°、90°、180°、270°径向上。

8.根据权利要求7所述的水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统，其特征在于：所述第一滤网和第二滤网均位于防渗隔热硬套环内。