CN112697997A - 基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，其借助与边坡框架梁耦合的传感光缆监测边坡的应变信息，通过设置阈值条件以及分析应变与边坡凹陷或凸起、断裂、滑坡的关系，还原边坡坡面的形状并对监测结果进行可视化展示。本发明***通过对边坡应变参量的处理，全方位地监测边坡的安全状态。

Description

基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法

技术领域

本发明涉及边坡工程监测技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法。

背景技术

滑坡是一种常见且危害巨大的地质灾害。比如在2019年某区域地质灾害共发生6181起，其中滑坡4220起，占比达68.27％。滑坡经常造成房屋、工厂、学校和道路等的严重损毁，对人民的生命财产产生了重大威胁。因此，对边坡进行实时在线监测，并且对边坡的特征信息进行分析得到其状态变化，对于防灾减灾保护人民生命财产安全有重要意义。

传统的边坡监测通常根据现场力学实验，这种方式虽然数据十分可靠，但监测的耗时长频率低且要耗费大量人力。目前已经有一些边坡在线监测的解决方案，这些方案实现了数据的实时互联，十分高效，但是这些解决方案中都用到大量的不同类型的传感器，***复杂繁琐，如某公司的边坡监测***，其中使用到了GPS边坡地滑仪、静力水准仪、固定式测斜仪、多点位移计、裂缝计等等大量的监测设备；还有些公司的边坡在线监测***中用到了边坡位移计、物位计、分层沉降仪、滑轮式固定测斜仪、裂缝计表面式应变计、土压力盒、钢筋计等等。另外，目前的在线监测***中通常只给出关键位置的关键参数信息(如地表位移、深层水平位移、裂缝等)的变化及报警信息，但是没有直观的展示出边坡的状态。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，通过使用分布式光纤应变传感器获取边坡框架梁的整体应变分布，并根据边坡凹陷或凸起、断裂、滑坡与框架梁变形的关系将光纤应变还原为边坡表面状态。

为实现本发明的目的，提供一种基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，包括如下步骤：

S10，根据传感光缆的铺设情况，获取传感光缆测量到的应变参数；

S20，根据框架梁的应变参数和预设的阈值条件提取有效应变参数，根据有效应变参数、以及边坡状态与应变参数之间的关系得到边坡各个位置的状态；其中，所述边坡状态包括凹陷、凸起、断裂和/或滑坡；

S30，将边坡各个位置的状态整合为边坡表面状态，以实现边坡状态反演。

在一个实施例中，所述根据框架梁的应变参数和预设的阈值条件提取有效应变参数包括：

若框架梁的应变参数小于第一阈值，判定该框架梁的应变参数为噪声；若框架梁的应变参数大于或者等于第一阈值，且小于或者等于第二阈值，判定该框架梁的应变参数对应的位置未断裂；若框架梁的应变参数大于第二阈值，判定该框架梁的应变参数对应的位置发生断裂；剔除判定为噪声的应变参数，以得到有效应变参数。

具体地，所述第一阈值设置为应变参数对应的解调仪解调精度的两倍。

具体地，若传感光缆铺设在混凝土结构上，所述第二阈值为1000微应变。

在一个实施例中，所述根据有效应变参数、以及边坡状态与应变参数之间的关系得到边坡各个位置的状态包括：

将各个有效应变参数与各个有效应变参数分别对应的位置坐标结合为数据组，通过双线性插值将数据组转换为二维强度图，并做出应变等值线，以展示边坡的凹陷或凸起、断裂及滑坡；如果应变等值线出现闭环，则判定闭环位置出现了边坡的凹陷或凸起；如果应变等值线在所监测范围的边界出现开环且附近等值线密集，则判定相应位置发生了滑坡。

上述基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，可以根据传感光缆的铺设情况，获取传感光缆测量到的应变参数，根据框架梁的应变参数和预设的阈值条件提取有效应变参数，根据有效应变参数、以及边坡状态与应变参数之间的关系得到边坡各个位置的状态，将边坡各个位置的状态整合为边坡表面状态，以实现边坡状态反演，其可以根据应变数据的空间分布，将其映射到框架梁对应位置处，并做出可视化展示，利用边坡的应变监测信息，可以对边坡的凹陷或凸起、断裂、滑坡进行准确反演。

附图说明

图1是一个实施例的基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法流程图；

图2是一个实施例的***整体示意图；

图3是一个实施例的2×2的框架梁的示意图；

图4是一个实施例的4×4的框架梁的示意图；

图5为一个实施例的模拟数据的效果图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法流程图，包括如下步骤：

S10，根据传感光缆的铺设情况，获取传感光缆测量到的应变参数；在实际应用中，传感光缆和框架梁浇筑在一起，利用传感光缆和分布式光纤应变解调仪从边坡上的框架梁获取应变。

S20，根据框架梁的应变参数和预设的阈值条件提取有效应变参数，根据有效应变参数、以及边坡状态与应变参数之间的关系得到边坡各个位置的状态；其中，所述边坡状态包括凹陷、凸起、断裂和/或滑坡。

S30，将边坡各个位置的状态整合为边坡表面状态，以实现边坡状态反演。

本实施例根据传感光缆的铺设情况，将传感光缆测量到的应变映射为框架梁的应变，然后根据阈值条件判断出各个位置发生应变的程度，再根据边坡凹陷或凸起、断裂、滑坡等与框架梁变形的关系得到边坡不同位置凹陷或凸起、断裂、滑坡的状态，最后将其整合为整体的边坡表面状态。

具体地，获取传感光缆测量到的应变参数的过程可以包括将传感光缆测量到的应变参数映射为框架梁的应变，具体方法是：根据传感光纤在框架梁中铺设的实际结构，确定每个框架梁格子的四条边对应在传感光缆上的位置，选取对应位置的应变数据作为框架梁每个格子的应变数据。

上述基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，可以根据传感光缆的铺设情况，获取传感光缆测量到的应变参数，根据框架梁的应变参数和预设的阈值条件提取有效应变参数，根据有效应变参数、以及边坡状态与应变参数之间的关系得到边坡各个位置的状态，将边坡各个位置的状态整合为边坡表面状态，以实现边坡状态反演，其可以根据应变数据的空间分布，将其映射到框架梁对应位置处，并做出可视化展示，利用边坡的应变监测信息，可以对边坡的凹陷或凸起、断裂、滑坡进行准确反演。

在一个实施例中，所述根据框架梁的应变参数和预设的阈值条件提取有效应变参数包括：

若框架梁的应变参数小于第一阈值，判定该框架梁的应变参数为噪声；若框架梁的应变参数大于或者等于第一阈值，且小于或者等于第二阈值，判定该框架梁的应变参数对应的位置未断裂；若框架梁的应变参数大于第二阈值，判定该框架梁的应变参数对应的位置发生断裂；剔除判定为噪声的应变参数，以得到有效应变参数。

具体地，所述第一阈值设置为应变参数对应的解调仪解调精度的两倍，以避免偶然出现的较大的解调误差。

具体地，若传感光缆铺设在混凝土结构上，所述第二阈值为1000微应变。

在一个示例中，相应阈值条件包括：用以区分所测得应变产生原因是噪声、边坡凹陷或框架梁断裂，因此阈值有两个：(1)第一阈值用以区分测量应变信息是不是噪声，小于此阈值的均可以认为是噪声，此阈值具体的值由所使用的分布式光纤应变解调仪的精度决定。优选地，阈值设置为解调仪解调精度的两倍，以避免偶然出现的较大的解调误差。(2)第二阈值用以区分框架梁有没有发生断裂，大于此阈值的均可以认为发生了断裂，此阈值由框架梁自身的特性决定(如混凝土的抗拉强度)。优选地，对于混凝土结构设置阈值为1000微应变，通常此时混凝土会发生裂纹。(3)介于两者之间的认为是边坡发生了凹陷或凸起、滑坡，但框架梁尚未断裂。

在一个实施例中，所述根据有效应变参数、以及边坡状态与应变参数之间的关系得到边坡各个位置的状态包括：

将各个有效应变参数与各个有效应变参数分别对应的位置坐标结合为数据组，通过双线性插值将数据组转换为二维强度图，并做出应变等值线，以展示边坡的凹陷或凸起、断裂及滑坡；如果应变等值线出现闭环，则判定闭环位置出现了边坡的凹陷或凸起；如果应变等值线在所监测范围的边界出现开环且附近等值线密集，则判定相应位置发生了滑坡。

具体地，本实施例根据上述“阈值条件”将测量得到的光缆原始应变数据处理后，将应变值(有效应变参数)与其所在位置坐标结合为数据组，通过双线性插值将其转换为二维强度图，并做出应变等值线，以展示边坡的凹陷或凸起、断裂及滑坡。如果应变等值线出现闭环，则表示闭环位置出现了边坡的凹陷或凸起；如果应变等值线在所监测范围的边界出现开环且附近等值线密集，则表示此处发生了滑坡。在一个示例中，双线性插值可用如下公式表示：

其中f(x,y)是待求的点(x,y)处的函数值，(x₁,y₁)、(x₁,y₂)、(x₂,y₁)和(x₂,y₂)是已知函数值的点。

在一个实施例中，如图2所示，将传感光缆和框架梁浇筑在一起，利用传感光缆和分布式光纤应变解调仪从边坡上的框架梁获取应变。图3是一个简单的四个格子框架梁的示意图，其中虚线是铺设的光缆的路径，四个格子分别用A、B、C和D表示，假设每个格子都是边长3米的正方形，起点处对应光缆的位置为0。

接下来以图3为例，说明将应变数据转换为边坡状态的流程。以格子A为例，A的上方边对应15米到18米和39米到42米处的光缆的应变，左方边对应18米到21米和42米到45米处的应变，下方边对应21米到24米处的应变，右方边对应36米到39米处的应变。

在获取了A的四条边的应变之后，将四条边的应变数据分别与阈值条件比较，判断A的每条边上是否发生了应变增大或者是否出现断裂。如果发生应变增大，将应变与其位置坐标组成数据组，否则将位置坐标和0应变组成数据组。如果发生断裂，将发生断裂的边的坐标和所在格子组成数据组并记录。然后对剩余的格子B、C、D进行相同的操作，获取整个框架梁的状态。最后将所有格子的应变信息的记录做双线性插值，然后做出二维强度图。其中双线性插值是有两个变量的插值函数的线性插值扩展，核心的思想是在两个方向上分别线性插值一次。假设已知函数f(x,y)在四个点(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)和(x₄,y₄)处的值，则根据双线性插值，在(x,y)处的值可表示为：

最后根据插值得到的应变分布数据每200微应变画一条应变等值线。图4是一个4×4的边坡框架梁示意图，在实线圈部分模拟边坡发生凹陷，在虚线圈部分模拟边坡发生滑坡。通过模拟的边坡发生凹陷、部分框位置发生滑坡的光缆应变数据，使用上述方法对应变的处理结果如图5所示。图5左图是插值出的应变分布强度图，右图是应变等值线，可以明显看出在凹陷处出现了闭环，滑坡处出现了开环。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

(1)本发明根据应变数据的空间分布，将其映射到框架梁对应位置处，并做出可视化展示。

(2)本发明利用边坡的应变监测信息，可以对边坡的凹陷或凸起、断裂、滑坡进行反演。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，根据传感光缆的铺设情况，获取传感光缆测量到的应变参数；

S20，根据框架梁的应变参数和预设的阈值条件提取有效应变参数，根据有效应变参数、以及边坡状态与应变参数之间的关系得到边坡各个位置的状态；其中，所述边坡状态包括凹陷、凸起、断裂和/或滑坡；

S30，将边坡各个位置的状态整合为边坡表面状态，以实现边坡状态反演。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，其特征在于，所述根据框架梁的应变参数和预设的阈值条件提取有效应变参数包括：

若框架梁的应变参数小于第一阈值，判定该框架梁的应变参数为噪声；若框架梁的应变参数大于或者等于第一阈值，且小于或者等于第二阈值，判定该框架梁的应变参数对应的位置未断裂；若框架梁的应变参数大于第二阈值，判定该框架梁的应变参数对应的位置发生断裂；剔除判定为噪声的应变参数，以得到有效应变参数。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，其特征在于，所述第一阈值设置为应变参数对应的解调仪解调精度的两倍。

4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，其特征在于，若传感光缆铺设在混凝土结构上，所述第二阈值为1000微应变。

5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤应变传感的边坡状态反演方法，其特征在于，所述根据有效应变参数、以及边坡状态与应变参数之间的关系得到边坡各个位置的状态包括：

将各个有效应变参数与各个有效应变参数分别对应的位置坐标结合为数据组，通过双线性插值将数据组转换为二维强度图，并做出应变等值线，以展示边坡的凹陷或凸起、断裂及滑坡；如果应变等值线出现闭环，则判定闭环位置出现了边坡的凹陷或凸起；如果应变等值线在所监测范围的边界出现开环且附近等值线密集，则判定相应位置发生了滑坡。

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