CN108646300B - 基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置及探测方法 - Google Patents

基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置及探测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置及探测方法，所述装置包括：调幅波生成器，恒流源，光纤电流传感器及信号处理模块。调幅波生成器由信号发生器和硬件乘法器构成，生成的调幅波输入到恒流源，恒流源的输出电流穿过绕在TBM主驱动轴承的光纤电流传感器，然后连接在刀盘上面。信号处理模块用来将光纤电流传感器探测到的信号进行带通滤波，消除振动以及法拉第反射镜不理想所带来的干扰信号，经检波处理后得到传感电流信号。与传统的恒流源供电探测法相比，本发明解决了光纤电流传感器探测性能受振动影响强烈的问题，大为提高了光纤电流屏蔽隧道超前探测***的稳定性。

Description

基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置及探测方法
技术领域
本发明属于地质超前探测领域，更具体地，涉及一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置及探测方法。
背景技术
电法探测是一种应用较广的地质勘测方法，该方法通过在地质体内施加强度一定，频率可调的电流，根据不同的地质体在电场下呈现的不同特征(电阻率和激发极化率)，来判断地质体的含水量或其他信息。
2002年，德国GEO公司将该方法应用在隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)上，以TBM的刀盘和护盾作为探测电极向地质体内输送电流，用于预报掘进方向上的地质状况，该方法在提高工程安全系数方面帮助较大。
相较于德国GEO公司的BEAM(Bore Tunnel Electrical Ahead Monitoring)在线超前探测***，光纤电流屏蔽隧道超前探测***能够完全抑制侧方地质体变化的影响，实现严格的聚焦电流测量。但是隧道掘进过程中的强振动会导致传感光纤产生线性双折射，进而会严重干扰光纤电流传感器的探测信号。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置及探测方法，其目的在于有效抑制隧道掘进过程中强振动对光纤电流传感器探测信号的干扰，由此解决隧道掘进现场强振动导致传感光纤产生线性双折射，进而严重干扰光纤电流传感器的探测信号的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置，包括：调幅波生成模块，恒流源模块，光纤电流传感器及信号处理模块；
所述调幅波生成模块包括信号发生器和硬件乘法器，所述信号发生器用于分别产生第一角频率的低频正弦调制信号和第二角频率的高频正弦载波信号，所述低频正弦调制信号及所述高频正弦载波信号通过所述硬件乘法器后得到调幅波信号，其中，所述第一角频率小于所述第二角频率；
所述恒流源模块用于生成正比于所述调幅波信号电压的驱动电流信号，并将所述驱动电流信号穿过绕在TBM主驱动轴承外部的传感光纤环；
所述光纤电流传感器用于将接收到的所述传感光纤环的输出信号经过光电转换后得到探测信号；
所述信号处理模块，用于将所述探测信号进行带通滤波处理滤除振动信号后，经过包络检波处理得到传感电流信号。
优选地，所述驱动电流信号通过屏蔽电缆线穿过所述传感光纤环，连接在TBM的刀盘上，以提供掌子面的前探电流。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测方法，包括：
分别生成第一角频率的低频正弦调制信号和第二角频率的高频正弦载波信号，其中，所述第一角频率小于所述第二角频率；
将所述低频正弦调制信号及所述高频正弦载波信号进行调幅处理得到调幅波信号；
由所述调幅波信号得到正比于所述调幅波信号的驱动电流信号，并将所述驱动电流信号穿过绕在TBM主驱动轴承外部的传感光纤环；
将经过所述传感光纤环的输出信号进行光电转换处理得到探测信号；
将所述探测信号进行带通滤波处理滤除振动信号后，经过包络检波处理得到传感电流信号。
优选地，所述驱动电流信号通过屏蔽电缆线穿过所述传感光纤环，连接在TBM的刀盘上，以提供掌子面的前探电流。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)通过引入调幅波信号以及对应的信号处理模块，能够较好地解决光纤电流传感器受隧道掘进过程中强振动干扰的难题，而这是制约光纤电流屏蔽隧道超前探测***性能的关键问题之一，具有良好的工业应用前景。
(2)光纤电流传感器所使用的法拉第反射镜并不是完全理想的，其带来的直流偏置会随着振动等引起的线性双折射而变化，本发明提出的调幅波测量法通过采用带通滤波对直流信号进行滤除，能够消除法拉第反射镜不理想所带来直流偏置随振动而变化的影响。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置的结构示意图。
具体实施方式
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种应用于全断面硬岩隧道掘进机TBM的电法地质超前探测方法。针对隧道掘进过程中，TBM所产生的强振动会引起传感光纤线性双折射剧烈变化，进而会严重影响到光纤电流传感器探测性能这一关键问题，提供了一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置及探测方法，将低频探测电流变成高频调幅波电流，然后对光纤电流传感器探测到的信号进行带通滤波，消除振动信号，经检波处理后得到电流传感信号。通过本发明能够抑制强振动对光纤电流探测信号的影响，并且能够消除法拉第反射镜不理想所带来直流偏置随振动变化的影响。
如图1所示是本发明实施例提供的一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置的结构示意图，包括：调幅波生成模块，恒流源模块，光纤电流传感器及信号处理模块；
调幅波生成模块包括信号发生器和硬件乘法器，信号发生器用于分别产生第一角频率的低频正弦调制信号和第二角频率的高频正弦载波信号，低频正弦调制信号及高频正弦载波信号通过硬件乘法器后得到调幅波信号，其中，第一角频率小于第二角频率；
在本发明实施例中，恒流源模块用于生成正比于调幅波信号电压的驱动电流信号，并将驱动电流信号穿过绕在TBM主驱动轴承外部的传感光纤环；
在本发明实施例中，驱动电流信号通过屏蔽电缆线穿过传感光纤环，连接在TBM的刀盘上，以提供掌子面的前探电流。恒流源模块的地线连接在隧道后方一定距离的锚杆上。
光纤电流传感器用于将接收到的传感光纤环的输出信号经过光电转换后得到探测信号；
信号处理模块，用于将探测信号进行滤波处理滤除振动信号后，经过包络检波处理得到传感电流信号。
在本发明实施例中，光纤电流传感器的探测信号经放置在主控室的光纤电流屏蔽隧道探测主控设备经过光电转换、带通滤波、包络检波处理后根据最终得到的传感电流信号在终端的测量软件上实时显示前方地质视电阻率变化曲线。
本发明还提供了一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测方法，包括：
分别生成第一角频率的低频正弦调制信号和第二角频率的高频正弦载波信号，其中，第一角频率小于第二角频率；
将低频正弦调制信号及高频正弦载波信号进行调幅处理得到调幅波信号；
在本发明实施例中，在硬件实现上可以通过信号发生器分别生成第一角频率的低频正弦调制信号和第二角频率的高频正弦载波信号，通过硬件乘法器将低频正弦调制信号及高频正弦载波信号进行调幅处理得到调幅波。
由调幅波信号得到正比于该调幅波信号的驱动电流信号，并将驱动电流信号穿过绕在TBM主驱动轴承外部的传感光纤环；
在本发明实施例中，在硬件实现上可以通过恒流源模块得到恒定大小的输出驱动电流信号。
将经过传感光纤环的输出信号进行光电转换处理得到探测信号；
在本发明实施例中，在硬件实现上可以通过光纤电流传感器将经过传感光纤环的输出信号进行光电转换处理得到探测信号。
将探测信号进行滤波处理滤除振动信号后，经过包络检波处理得到传感电流信号。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测装置，其特征在于，包括：调幅波生成模块，恒流源模块，光纤电流传感器及信号处理模块；
所述调幅波生成模块包括信号发生器和硬件乘法器，所述信号发生器用于分别产生第一角频率的低频正弦调制信号和第二角频率的高频正弦载波信号，所述低频正弦调制信号及所述高频正弦载波信号通过所述硬件乘法器后得到调幅波信号，其中，所述第一角频率小于所述第二角频率；
所述恒流源模块用于生成正比于所述调幅波信号电压的驱动电流信号，并将所述驱动电流信号穿过绕在TBM主驱动轴承外部的传感光纤环；
所述光纤电流传感器用于将接收到的所述传感光纤环的输出信号经过光电转换后得到探测信号；
所述信号处理模块，用于将所述探测信号进行带通滤波处理滤除振动信号后，经过包络检波处理得到传感电流信号。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动电流信号通过屏蔽电缆线穿过所述传感光纤环，连接在TBM的刀盘上，以提供掌子面的前探电流。
3.一种基于调幅波的光纤电流屏蔽隧道超前探测方法，其特征在于，包括：
分别生成第一角频率的低频正弦调制信号和第二角频率的高频正弦载波信号，其中，所述第一角频率小于所述第二角频率；
将所述低频正弦调制信号及所述高频正弦载波信号进行调幅处理得到调幅波信号；
由所述调幅波信号得到正比于所述调幅波信号电压的驱动电流信号，并将所述驱动电流信号穿过绕在TBM主驱动轴承外部的传感光纤环；
将经过所述传感光纤环的输出信号进行光电转换处理得到探测信号；
将所述探测信号进行带通滤波处理滤除振动信号后，经过包络检波处理得到传感电流信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述驱动电流信号通过屏蔽电缆线穿过所述传感光纤环，连接在TBM的刀盘上，以提供掌子面的前探电流。
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