一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法

摘要

本发明公开了一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，通过在隧道顶部等间距的设置固定件，将探测光缆穿过固定件，使探测光缆自然伸展，探测光缆一端与监测主机相连；探测光缆中设置有传感光纤，监测主机包括强相干光源和光探测器；包括：S1、强相干光源作为入射脉冲从传感光纤的入射段注入，光探测器接收返回的后向散射信号；S2、监测主机实时读取全段数据，计算当前时刻的光纤末端位置；S3、光纤断裂判断；S4、光纤弯折判断。本发明可以准确地定位应变变化发生的位置，通过采用COTDR技术，对地铁隧道的施工安全状态进行临时监测，相对于传统的水准测量方法，具有反应灵敏、实时高效、布设灵活等明显优势。

权利要求

1.一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，其特征在于，在隧道顶部等间距的设置固定件，将探测光缆穿过固定件，使探测光缆自然伸展，探测光缆一端与监测主机相连；探测光缆中设置有传感光纤，监测主机包括强相干光源和光探测器；

该方法包括以下步骤：

S1、强相干光源作为入射脉冲从传感光纤的入射段注入，光探测器接收返回的后向散射信号，后向散射信号为传感光纤中各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信号；

S2、监测主机实时读取运行s秒内的全段数据，全段数据包括探测光缆内各个探测单元的后向散射信号，计算全段数据的平均值，并设置光纤末端判断阈值Te，比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值Te，得到当前时刻的光纤末端位置Pb；

S3、光纤断裂判断：监测主机实时监测每隔s秒内的全段数据，计算其平均值，比较平均值和光纤末端判断阈值Te，得到下一时刻的光纤末端位置Pn；若Pb和Pn的偏差在偏差阈值范围内，则更新光纤末端位置使Pb＝Pn；若Pb和Pn的偏差不在偏差阈值范围内，则发出断纤报警，停止更新光纤末端位置Pb；

S4、光纤弯折判断：读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，对全段数据进行逐行差分处理得到差分数组，找到差分数组各列的绝对值中的最大值；读取最大值对应差分数组数据，即对应当前时刻的光纤末端位置Pb，在1-Pb位置之间寻找是否存在超过弯折阈值的位置，若存在，则发出弯折报警。

2.根据权利要求1所述的基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，其特征在于，步骤S2中光纤末端判断阈值的设置方法为：全段数据包括探测信号部分和噪声部分，全段数据经过平均后，有光纤接入的探测信号部分，数值范围没有受到影响，而无光纤接入的噪声部分，数值范围会明显减小，探测信号部分的数值范围高于噪声部分；光纤末端判断阈值，高于噪声部分的数值范围，低于探测信号部分尾部的数值范围。

3.根据权利要求1所述的基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，其特征在于，步骤S2中比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值，得到当前时刻的光纤末端位置的方法为：从全段数据平均值的尾端开始查找，第一个高于光纤末端判断阈值的位置，即为当前时刻的光纤末端位置。

4.根据权利要求1所述的基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，其特征在于，步骤S4中处理差分数组的方法具体为：读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，该全段数据为fs×N的数组，fs为采样率，N为最大探测点数；逐行做差分后得到(fs-1)×N的数组，找出这个差分数组各列中绝对值的最大值，得到一个1×N的数组。

说明书

一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及地铁隧道施工安全监测领域，尤其涉及一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法。

背景技术

[0002] 地铁隧道不仅要进行工程运行期间的安全监测，也要进行工程施工期间的安全监测，不能忽略临时监测的重要性和必要性。在盾构推进施工过程中，由于盾构刀头的旋转和对周围土体的挤压等作用，周围土体的内应力发生变化而破坏了土体内部的应力平衡，致使周围土体发生沉降、位移形变，当形变达到一定程度则极有可能引发施工安全事故。所以在盾构推进施工过程中必须通过监测隧道形变来控制盾构推进的进度和盾构本身的状态，从而实现地铁隧道施工过程的信息化，确保施工的质量、进度和安全。

发明内容

[0003] 本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中隧道周围土体容易发生变形，且变形难以及时监测的缺陷，提供一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法。

[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0005] 本发明提供一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，在隧道顶部等间距的设置固定件，将探测光缆穿过固定件，使探测光缆自然伸展，探测光缆一端与监测主机相连；探测光缆中设置有传感光纤，监测主机包括强相干光源和光探测器；

[0006] 该方法包括以下步骤：

[0007] S1、强相干光源作为入射脉冲从传感光纤的入射段注入，光探测器接收返回的后向散射信号，后向散射信号为传感光纤中各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信号；

[0008] S2、监测主机实时读取运行s秒内的全段数据，全段数据包括探测光缆内各个探测单元的后向散射信号，计算全段数据的平均值，并设置光纤末端判断阈值Te，比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值Te，得到当前时刻的光纤末端位置Pb；

[0009] S3、光纤断裂判断：监测主机实时监测每隔s秒内的全段数据，计算其平均值，比较平均值和光纤末端判断阈值Te，得到下一时刻的光纤末端位置Pn；若Pb和Pn的偏差在偏差阈值范围内，则更新光纤末端位置使Pb＝Pn；若Pb和Pn的偏差不在偏差阈值范围内，则发出断纤报警，停止更新光纤末端位置Pb；

[0010] S4、光纤弯折判断：读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，对全段数据进行逐行差分处理得到差分数组，找到差分数组各列的绝对值中的最大值；读取最大值对应差分数组数据，即对应当前时刻的光纤末端位置Pb，在1-Pb位置之间寻找是否存在超过弯折阈值的位置，若存在，则发出弯折报警。

[0011] 进一步地，本发明的步骤S2中光纤末端判断阈值的设置方法为：

[0012] 全段数据包括探测信号部分和噪声部分，全段数据经过平均后，有光纤接入的探测信号部分，数值范围没有受到影响，而无光纤接入的噪声部分，数值范围会明显减小，探测信号部分的数值范围高于噪声部分；光纤末端判断阈值，高于噪声部分的数值范围，低于探测信号部分尾部的数值范围。

[0013] 进一步地，本发明的步骤S2中比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值，得到当前时刻的光纤末端位置的方法为：

[0014] 从全段数据的尾端开始查找，第一个高于光纤末端判断阈值的位置，即为当前时刻的光纤末端位置。

[0015] 进一步地，本发明的步骤S4中处理差分数组的方法具体为：

[0016] 读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，该全段数据为fs×N的数组，fs为采样率，N为最大探测点数；逐行做差分后得到(fs-1)×N的数组，找出这个差分数组各列中绝对值的最大值，得到一个1×N的数组。

[0017] 本发明产生的有益效果是：本发明的基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，通过相干光时域反射(COTDR)技术将强相干光作为入射光脉冲从光纤的一端注入，光探测器探测到的后向散射信号是各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的结果。传感光纤某区域内的应变发生变化时，由于弹光效应，该区域内光纤的折射率及密度将发生变化，从而导致该区域后向瑞利散射光相位的变化，因此，最终干涉结果将会引起后向瑞利散射光强的变化。通过探测后向瑞利散射光强的变化和入射脉冲与探测到的信号之间的时间延迟，可以准确地定位应变变化发生的位置。本发明采用COTDR技术，对地铁隧道的施工安全状态进行临时监测。相对于传统的水准测量方法，具有反应灵敏、实时高效、布设灵活等明显优势。

附图说明

[0018] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

[0019] 图1是本发明实施例的监测系统架构及探测光缆在隧道内的安装方式结构示意图；

[0020] 图2是本发明实施例的信号处理流程示意图；

[0021] 图3a是本发明实施例的一次采样的全段数据与经过1秒(400次采样)平均后的全段数据图a；

[0022] 图3b是本发明实施例的一次采样的全段数据与经过1秒(400次采样)平均后的全段数据图b；

[0023] 图4a是本发明实施例的常态全段差分数据和6km处光纤弯折的全段差分数据图a；

[0024] 图4b是本发明实施例的常态全段差分数据和6km处光纤弯折的全段差分数据图b。

具体实施方式

[0025] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0026] 如图1所示，本发明实施例的基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，在隧道顶部等间距的设置固定件，将探测光缆穿过固定件，使探测光缆自然伸展，探测光缆一端与监测主机相连；探测光缆中设置有传感光纤，监测主机包括强相干光源和光探测器；

[0027] 该方法包括以下步骤：

[0028] S1、强相干光源作为入射脉冲从传感光纤的入射段注入，光探测器接收返回的后向散射信号，后向散射信号为传感光纤中各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信号；

[0029] S2、监测主机实时读取运行s秒内的全段数据，全段数据包括探测光缆内各个探测单元的后向散射信号，计算全段数据的平均值，并设置光纤末端判断阈值Te，比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值Te，得到当前时刻的光纤末端位置Pb；

[0030] COTDR是将强相干光作为入射光脉冲从光纤的一端注入，光探测器探测到的后向散射信号是各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的结果。传感光纤某区域内的应变发生变化时，由于弹光效应，该区域内光纤的折射率及密度将发生变化，从而导致该区域后向瑞利散射光相位的变化，因此，最终干涉结果将会引起后向瑞利散射光强的变化。通过探测后向瑞利散射光强的变化和入射脉冲与探测到的信号之间的时间延迟，可以准确地定位应变变化发生的位置。

[0031] 设置光纤末端判断阈值的方法为：

[0032] 如图3b所示，全段数据经过平均后，有光纤接入的探测信号部分，数值范围没有受到影响，而无光纤接入的噪声部分，数值范围会明显减小。探测信号部分的数值范围明显高于噪声部分。光纤末端判断阈值，应高于噪声部分的数值范围，低于探测信号部分尾部的数值范围。

[0033] 比较比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值，得到当前时刻的光纤末端位置的方法为：

[0034] 从全段数据的尾端开始查找，第一个高于光纤末端判断阈值的位置，即为当前时刻的光纤末端位置。

[0035] S3、光纤断裂判断：监测主机实时监测每隔s秒内的全段数据，计算其平均值，比较平均值和光纤末端判断阈值Te，得到下一时刻的光纤末端位置Pn；若Pb和Pn的偏差在偏差阈值范围内，则更新光纤末端位置使Pb＝Pn；若Pb和Pn的偏差不在偏差阈值范围内，则发出断纤报警，停止更新光纤末端位置Pb；

[0036] 设置偏差阈值的方法为：

[0037] 偏差阈值指的是每次判断的光纤尾端位置偏差须在一定的范围内，建议值为5。

[0038] S4、光纤弯折判断：读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，对全段数据进行逐行差分处理得到差分数组，找到差分数组各列的绝对值中的最大值；读取最大值对应差分数组数据，即对应当前时刻的光纤末端位置Pb，在1-Pb位置之间寻找是否存在超过弯折阈值的位置，若存在，则发出弯折报警。

[0039] 设置弯折阈值的方法为：

[0040] 观察有光纤接入的探测信号在常态时，经过差分并寻找最大值后的数据，弯折阈值应略高于此常态信号的数值范围。

[0041] 寻找超过阈值的位置的方法：取最大值是为了把差分数组整合成一行，读取光纤末端位置是为了只分析有光纤接入的探测信号部分，不用分析全段数据。

[0042] 如图1所示，将探测光缆每隔一段距离(如10m)，通过固定件安装于隧道内壁，安装时保证光缆自然伸展不受力。当隧道的某个位置发生形变时，附着于这段隧道内壁的光缆也随之被拉伸、弯折或断裂，光缆此处的瑞利后向散射回波强度由此发生改变。监测系统经过判断后，发出报警信息。

[0043] 如图2所示，信号处理方法步骤如下：

[0044] 1)系统开始运行时，读取全段s秒数据。将全段s秒数据进行平均，用以降低光纤尾端之后的电路白噪声。与光纤末端判断阈值Te比较，得到光纤末端位置Pb(实际接入的光纤长度)；

[0045] 2)之后读取每s秒全段数据，做平均处理，通过与Te比较，得到此时的光纤末端位置Pn，若与前一时刻判断的光纤末端位置Pb偏差在阈值范围之内，则更新Pb＝Pn；若与前一时刻判断的光纤末端位置Pb偏差大于偏差阈值，则系统发出断纤报警信息，Pb停止更新。

[0046] 3)读取的每s秒全段数据，同时做逐行差分处理，所得差分数组再取各列绝对值的最大值。即fs×N的数组(fs为采样率，N为最大探测点数)，逐行做差分后得到(fs-1)×N的数组，找出这个差分数组各列中绝对值的最大值，得到一个1×N的数组。读取当前的光纤末端位置Pb，在探测单元1～Pb位置之间寻找是否存在超过弯折阈值Tk的位置，若存在，系统发出弯折报警信息。

[0047] 在本实施例中，系统解调仪表采样率为400Hz，最大探测距离为40km，分辨单元为10m，即最大探测点数为4000个。s数值取1，即每次读取1秒全段原始数据。在实验室环境下，将大约26km长度的单模光纤接入系统，分别在大约1km、6km、25km处引出3个测试点，通过弯折光纤来测试光纤弯折报警效果，通过剪断光纤测试光纤断裂报警效果。

[0048] 采用全段1秒数据进行平均的处理方式，能够有效抑制光纤尾端之后的电路白噪声，如图3a和图3b所示，为1次采样的全段数据与经过1秒(400次采样)平均后的全段数据的对比。可以看出，光纤尾端之后的电路白噪声明显降低了，有助于之后的分析判断。光纤末端判断阈值Te设置为4700，偏差阈值设置为5(即5个分辨单元的长度，50m)。

[0049] 如图4a和图4b所示，在全段内探测点之间做差分处理，图3所示分别为常态全段差分数据和6km处光纤弯折的全段差分数据，弯折阈值Tk设置为75。

[0050] 在1km、6km、25km处分别进行100次光纤弯折测试，结果如下：

[0051] 表1光纤弯折测试结果

[0052]测试位置 1km 6km 25km
光纤弯折报警率 100％ 100％ 98％
定位偏差 0m 10m 20m

[0053] 在1km、6km、25km处分别进行10次光纤剪断测试，每次剪断光纤测试后再用熔接机熔接，结果如下：

[0054] 表2光纤剪断测试结果

[0055]测试位置 1km 6km 25km
光纤断裂报警率 100％ 100％ 100％
定位偏差 0m 0m 0m

[0056] 由以上实验结果，系统对光纤弯折与光纤断裂的情形均能有效报警并准确定位。本发明提出的基于COTDR的隧道形变临时监测方法，能够及时有效的探测到隧道形变的发生。

[0057] 地铁隧道临时监测是为了针对突发形变异常而做出快速反应，所采用的监测技术需力求先进和经济实用，要尽可能地与快速高效的作业方法相配合。光纤传感器具有反应灵敏、布设灵活、室外无源、经济节能、监测距离长等特点。相干光时域反射(COTDR)技术将强相干光作为入射光脉冲从光纤的一端注入，光探测器探测到的后向散射信号是各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的结果。传感光纤某区域内的应变发生变化时，由于弹光效应，该区域内光纤的折射率及密度将发生变化，从而导致该区域后向瑞利散射光相位的变化，因此，最终干涉结果将会引起后向瑞利散射光强的变化。通过探测后向瑞利散射光强的变化和入射脉冲与探测到的信号之间的时间延迟，可以准确地定位应变变化发生的位置。本发明采用COTDR技术，对地铁隧道的施工安全状态进行临时监测。相对于传统的水准测量方法，具有反应灵敏、实时高效、布设灵活等明显优势。

[0058] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。