CN205154255U - 一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，本方案利用光纤作为传感、传输的双重介质，沿地铁隧道壁布设的光缆作为感应体，感应通过地铁隧道壁传递的机械施工、挖掘等行为，通过解调设备还原信号，获取地层结构传递的振动信息，发现因为隧道周边一些施工行为，可能对隧道造成的威胁行为。本方案利用布设于隧道壁的光缆，构建无源的地铁隧道信息传送通道，实现对地铁隧道周边建筑施工可能对威胁地铁隧道结构安全的实时监控行为。再者，本方案在沿隧道布设的全部为无源，无需供电，可靠性高，抗干扰性好，易于实现，与正常地铁运营完全无影响。

Description

一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感技术的地铁隧道安全监控技术。

背景技术

中国的地铁建设经过了十多年的发展已经进入了一个非常关键的承前启后阶段。一方面，经过十多年的高速建设，中国各城市地铁已经形成了拥有数百条线路，运营里程超过上万公里的庞大复杂网络。另一方面，地铁建设运营实践中，积累了丰富的经验，同时也有一些教训和问题。在今后十年中，中国各省市地铁还将陆续进行建设，其运营中的安全管理的难度和复杂程度进一步提高。

而地铁网络安全运营所面临的挑战与城市总体建设和地下空间开发密切相关。一方面，地铁线路必将越来越密集、环境越来越复杂；另一方面，城市基础设施、地面建筑及地下空间的开发业越来越密集，从而不可避免地形成冲突。如在地铁隧道附近，甚至在正上方，有各类桩基施工、各类钻孔以及开挖作业，其形成的振动、侵入等严重威胁地铁隧道的结构安全和运营安全。如中国上海地铁11号线某区间隧道被高铁桩基施工所贯穿，一旦形成破坏，带来的后果往往很严重。因此必须提前预知，即时防护，迅速对策。

但世界各国外对地铁范围内可能危及到地铁隧道结构及运营安全的预知技术和手段研究较少。日本往往是采用管理的手段进行对策，即施工前对有可能牵涉到隧道本身安全的工程活动，交由地铁建设运营单位进行审核，严格核算其对地铁结构的可能危害，从而进行相应的控制。而欧美国家曾经尝试采用GPS、卫星照相以及大面积航拍等手段进行监测。然而，由于成本高、操作可行性差、效果等问题，尚未有得到正式使用及普及。

光纤分布式振动实时监测技术，是近年来的传感技术的研究热点。由此如何有效利用光纤分布式振动实时监测技术来对威胁地铁隧道安全行为的实时监测是本领域亟需解决的问题。

实用新型内容

针对现有地铁隧道结构及运营安全监测技术所存在的问题的，本实用新型的目的在于提供一种精确可靠的地铁隧道安全监控系统。本实用新型将光纤分布式振动测试技术用于对威胁地铁隧道安全行为的实时监测，利用连续布设的光纤感知长距离线状结构的异常振动，为地铁的安全运营提供切实可行且可靠地技术支撑。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，该监控系统以光纤作为传感元来监控地铁隧道安全。

进一步的，所述光纤为单芯光纤，作为传感、传输的双重介质。

进一步的，所述监控系统具体包括：前端光处理模块、监控光纤、尾端模块以及分析处理模块，所述前端光处理模块通过监控光纤与尾端模块相连接，构成光纤干涉结构，所述分析处理模块与前端光处理模块连接，对光纤干涉结构反馈的光信号进行分析判断，实现安全监控。

再进一步的，所述前端光处理模块包括光源模块和干涉模块，所述尾端模块为反射模块；所述光源模块与干涉模块连接，所述干涉模块通过监控光纤与反射模块相连，并与分析处理模块连接。

再进一步的，所述光源模块为激光光源。

再进一步的，所述光纤干涉模块由光纤延迟器和X×Y耦合器、L×M耦合器构成，X、Y为整数，L、M为整数。

再进一步的，所述干涉模块中X×Y耦合器采用3×3均分耦合器，L×M耦合器采用2×2耦合器。

再进一步的，所述监控光纤布设在待监控隧道管壁，作为获取信息的感应体以及传送信息的通道。

再进一步的，所述分析处理模块主要包括检测与放大模块，数据采集与信号分析模块，所述检测与放大模块的输入端与前端光处理模块中的干涉模块相接，输出端与数据采集与信号分析模块数据相接。

本方案利用单芯光纤作为传感、传输的双重介质，将沿地铁隧道壁布设的光缆作为感应体，感应通过地铁隧道壁传递的机械施工、挖掘等行为，通过解调设备还原信号，获取地层结构传递的振动信息，发现因为隧道周边一些施工行为，可能对隧道造成的威胁行为。

据此，本方案可实现对地铁隧道周边建筑施工可能对威胁地铁隧道结构安全的实时监控行为。

再者本方案在沿隧道布设的全部为无源，无需供电，可靠性高，抗干扰性好，易于实现，与正常地铁运营完全无影响。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本实用新型。

图1为本实用新型实例中监测系统的布设示意图；

图2是本实用新型实例中监测系统的系统原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本实用新型。

本实例针对对地铁隧道具有破坏性，危害地铁运营安全的工程施工行为，提供一种光纤分布式地铁隧道安全监控技术。该技术以沿隧道布设的一芯连续光纤为传感元来探测隧道传导的振动，是一种分布式传感技术，在连续的光纤上每一点都具有感应能力；通过光纤干涉光路的构建，以及信号探测及分析技术，实时监测危害地铁安全行为的发生，并定位危害行为发生的位置。

针对上述原理，本实例方案的实现技术点如下：

1、光弹效应。

当有外界有扰动作用在光纤上时，将引起光纤的长度和折射率等光学传输特性发生变化，从而引起感应光纤中传输光相位的变化。这就是普遍存在的“光弹效应”，也叫“弹光效应”。由于作用在光缆护套上的变力作用，光缆介质的传输，以间接压力、声压等作用在光缆内的光纤上，即对光纤产生压力作用，由于光弹效应，光纤将感受到的压力转变为在光纤内部传输的光的相位的变化。由于光纤中，传输信号的载体是光，光波的频率很高，波长很短，通常是微米量级，因此，虽然光缆的保护套具有一定的硬度和韧性，使得经光缆介质的传输，作用到内部光纤上的压力从宏观上来看是微小的，但对于波长仅为微米量级的光波来说已是非常显著。本实例通过相应的技术手段，将这种变化“显著”的变化还原出来，从而获得一种直接用光纤作为感应器件的、基于光弹效应的光缆寻踪技术。

2、构建干涉光路的。

为将变化的微压力信号引起的光相位信息变化提取出来，本实例通过构造光纤干涉光路。干涉结构由光纤干涉模块与待寻光缆(光纤)共同构成，并借助待寻光缆内光纤自身的后向散射、反射特性或是在光缆另一端人为连接的反射器件实现完整的干涉光路。

其中，干涉模块由光纤延迟器和X×Y耦合器、L×M耦合器构成，X、Y为整数，L、M为整数，光纤延迟器的延迟为τ。

具体的，干涉模块中X×Y耦合器采用3×3均分耦合器，L×M耦合器采用2×2耦合器。a1、a2、…、aX、b1、b2为3×3均分耦合器的端口，a1、a2、…、aX是同向端口，共X个，b1、b2是3×3均分耦合器的另一组同向端口共Y个中的两个端口；c1、c2、c3是L×M耦合器。

据此，基于该涉模块可形成两路干涉光路，其具体的光路径如下(其中以箭头所指方向表示光经过的路径)：

Ⅰ：端口b1→光纤延迟模块→端口c1→端口c3→传感/传输光缆→反射模块→传感/传输光缆→端口c3→端口c2→端口b2；

Ⅱ：端口b2→端口c2→端口c3→传感/传输光缆→反射模块→传感/传输光缆→端口c1→端口c1→光纤延迟模块→端口b1；

3、稳定光源的设计。

光源控制模块对光源的发光进行控制，是获得稳定的工作波长和功率的保障，是获得小的系统噪声的关键部件。其中光源的驱动电流和温度的稳定性。光源是整个系统工作的能量源，其功率大小以及波长、功率的稳定程度直接影响了拾音系统的噪声及稳定性。同时，由于语音拾取装置会需要长时间不间断工作，对光源的稳定性也提出了高的要求。光源光谱特性也是是否能优良系统的关键。本技术采用普适性强的白光光源，通过APC(自动功率控制)，ATC(自动温度控制)获取稳定的光源。

4、光电转换和信号处理。

在本实例中，获得两路光干涉信号。这两路信号经过光电转换器件转变成电信号后，对电信号进行滤波、放大等处理。由于外界冲击信号通过隧道体介质的传播，到达光纤处的信号很微弱，要获得有效可用的信号，要求光电转换及后续处理部分要不失真的转换和放大光信号，并且保证高的信噪比。

5、光纤传感器的布设方式。

地铁隧道中，由于要地铁列车运行安全，所以线缆的布设位置将被限制于固定位置。在有限的位置上通过最合理的方式将光缆铺设于隧道中使得光缆可以灵敏的感受到隧道的振动。通常，地铁隧道存在着强电磁干扰。由于光纤本身不易被电磁干扰，光纤在地铁隧道中的布设不受地铁内电磁干扰的影响，无需采用特殊的防电磁技术，相对于有源传感元为基础的探测技术具有极好的效果。

6、振动信号的模式识别。

振动信号的模式识别是本实例方案的关键，地铁隧道里每天有众多振动信号，不是所有信号都具有危险性，本实例将采集的信号进行分类，据此可准确的判断出危险的振动信号，降低系统的误报和漏报率。

基于上述方案原理，本实例提供的地铁隧道安全监控系统具体包括：前端光处理模块100、监控光纤200、尾端模块300、分析处理单元400(参见图2)。

其中，监控光纤200沿地铁隧道壁布设，作为安全监测的感应体以及传送信息的通道，而前端光处理模块100通过监控光纤200与尾端模块300相连接，构成光纤干涉结构，由此利用监控光纤200对通过隧道壁传递的地音振动信号的探测，探测隧道周边施工、机械挖掘、爆破等第三方破坏行为带来的机械冲击量可能对隧道管壁造成的破坏。

分析处理单元400与前端光处理模块100连接，对光纤干涉结构反馈的探测光信号进行分析判断，对可能威胁地铁运营安全的机械行为进行警报，实现安全监测。

参见图2，在具体实现时，前端光处理模块100由光源模块101、干涉模块102配合构成。

监控光纤200具体为用于传感和传输合二为一的光缆。

尾端模块300为一反射模块。

分析处理单元400主要包括检测与放大模块401、以及数据采集与信号分析模块402。

其中，光源模块101具体采用激光光源，其与干涉模块102连接构成前端光处理模块100，并设置在隧道管壁上。

干涉模块102设置在隧道管壁上，为由光器件构成的前端无源干涉模块，构成光纤干涉结构，其依次与检测与放大模块401和数据采集与信号分析模块402连接。

监控光缆200沿地铁隧道管壁设置，作为获取信息的感应体以及传送信息的通道。其两端分别连接干涉模块102和反射模块300，由此构成光纤干涉光路。

反射模块300，其设置在隧道管壁上，用于反射监控光缆200内传递的光信号。

检测与放大模块401，其输入端与干涉模块102数据相接，输出端与数据采集与信号分析模块402数据相接。该模块由检测和放大芯片构成，用于提取光缆上的干涉光信号，并对其进行放大，并将放大后的光信号传至数据采集与信号分析模块402。

数据采集与信号分析模块402，其与检测与放大模块401数据相接。该模块由数据采集和分析芯片构成，用于采集检测与放大模块401放大后光信号，并将其进行光电转换形成相应的电信号，并进行安全监测分析。

据此构成的安全监控系统以监控光缆200作为无源感应器，感应通过隧道管壁传递的振动信息，当传递的振动信息改变光缆中传输的光的相位、偏振、光强或频率等；通过干涉模块102、检测与放大模块401将施加于光缆的信号提取出来，通过数据采集与信号分析模块402，对获得的信号进行分析，从而将地铁运营的环境振动信息、地面车辆、河道中行船等不构成破坏性的振动信号滤除，从而对具破坏性的行为进行警报。

具体的，本安全监控系统运行时，作为光源模块101的激光光源从光纤干涉模块102中输入一路光，这路光沿传感传输的光缆200行至尾端反射模块300后，反射模块300再将光信号返回至干涉模块102。

当光缆上的任一位置感应到通过隧道壁传递的振动信号时，由于光弹效应，光纤会产生微变，振动点传输的光的相位会发生改变，即实现信号的调制。

此时，光纤干涉光路将相位的变化转换为光强的变化，返回的光在干涉模块102处发生干涉，再返回给检测及放大模块401两路光信号，通过数据采集与信号分析模块402对相干的两路光进行分析比对，从而将环境干扰因数带来的振动信号滤除，将可能存在威胁的行为信号进行警报，并通过两路信号的光程比对，定位威胁行为的发生位置。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，其特征在于，监控系统以光纤作为传感元来监控地铁隧道安全；所述监控系统具体包括：前端光处理模块、监控光纤、尾端模块以及分析处理模块，所述前端光处理模块通过监控光纤与尾端模块相连接，构成光纤干涉结构，所述分析处理模块与前端光处理模块连接，对光纤干涉结构反馈的光信号进行分析判断，实现安全监控。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述光纤为单芯光纤，作为传感、传输的双重介质。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述前端光处理模块包括光源模块和干涉模块，所述尾端模块为反射模块；所述光源模块与干涉模块连接，所述干涉模块通过监控光纤与反射模块相连，并与分析处理模块连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述光源模块为激光光源。

5.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述光纤干涉模块由光纤延迟器和X×Y耦合器、L×M耦合器构成，X、Y为整数，L、M为整数。

6.根据权利要求5所述的一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述干涉模块中X×Y耦合器采用3×3均分耦合器，L×M耦合器采用2×2耦合器。

7.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述监控光纤布设在待监控隧道管壁，作为获取信息的感应体以及传送信息的通道。

8.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，其特征在于，所述分析处理模块主要包括检测与放大模块，数据采集与信号分析模块，所述检测与放大模块的输入端与前端光处理模块中的干涉模块相接，输出端与数据采集与信号分析模块数据相接。