CN114608524A - 基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***及其监测方法 - Google Patents

Abstract

基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，所述监测***包括铺设于路基底基层的上表面的第一弱光栅阵列传感光缆和相对应的铺设于底基层的下表面的第二弱光栅阵列传感光缆，第一弱光栅阵列传感光缆、第二弱光栅阵列传感光缆内部的光纤上均等间距的刻写有多个弱光栅，两根弱光栅阵列传感光缆上的弱光栅一一对应设置且的反射率相同。一种基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测方法，通过上下对应的弱光栅阵列的实时中心波长计算各检测点处的理论应变值，并通过理论应变值计算该检测点处的理论沉降量。本设计能满足路基沉降变形的动静态测量、真实反映路基沉降变形状态，而且测试灵敏度高、精度高，能实现大范围路基的准分布式测量。

Description

基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***及其监测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感监测技术领域，尤其涉及基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***及监测方法，具体适用于监测路基沉降。

背景技术

随着国民经济的快速发展，现代化交通道路是促进经济发展必不可少的条件，各种道路成长状况体现一个国家和区域的交通发展水平，同时也呈现着一个国家经济的整体状态。而在现代化交通建设中对路基沉降要求尤其严格，不仅要求路堤稳定，对工后沉降以及路面平整度均有不同的要求，否则工程达不到应有的舒适性，甚至在施工期间出现事故，影响施工进度。

目前，路基沉降的测量技术主要有传统土木检测技术、GPS测量技术、雷达差分干涉技术、光学测量技术。传统的土木检测技术主要有监测桩法、水管式沉降仪法、沉降板法以及单点沉降计法。其中监测桩法只能监测暴露在外部的地面下降程度，无法测量路基内部的沉降情况，而且在人工读数时会产生误差，进一步使测量精度变低，对施工产生较大影响，并且不能进行远程长时间监测。水管式沉降仪法同样采取人工的测量方法读取高度差，可能会降低测量精度，产生严重误差，并且这种方法不能在寒冷的天气中使用，可能会使水管炸裂，无法测量。沉降板法是一种测量相对准确的方法，一般适用于测量铁路路基和软土路基，但是监测过程中同样存在干扰，并且其露出地面的金属杆会发生氧化，难以修复。单点沉降计法应用原理为电磁感应原理，利用电感线圈的变化来进行非电量测量。这种方法可以实现长期自动化测量，但其只能监测到某一点或某一位置的沉降变形。GPS技术可以全覆盖实时的对地面进行监测，并且其测量精度高不受天气气候的影响，但是在观测周期过长，基准点的稳定性，算法等方面存在难以解决的问题。雷达差分干涉技术是一种新型微波遥感技术，主要原理是根据天线测量出的图像，提取出同一地区两个微波信号的相位差，将该数据与轨道数据结合来获得高精度、高分辨率的地面信息。其存在的主要缺点是需要大量的雷达影像，产生很高的成本，且技术不够成熟，不能使图像匹配，在测量时会产生误差。光学测量技术主要有光纤光栅传感法以及分布式光纤传感法。其中光纤光栅传感法通过检测光纤光栅波长的漂移量大小来判断沉降量，这种方法抗电磁干扰、抗腐蚀、不受环境气候影响，具有广泛的应用前景。但其本质上与单点测量相同，只能测量光纤光栅布放点的沉降变形，此外由于光纤光栅反射率高，复用光栅数受限，无法进行大范围分布式测量。分布式光纤传感法解决了光纤光栅传感法无法实现大范围分布式测量的问题，其主要利用了布里渊散射效应。该技术可以准确测出光纤沿线任意点的应力、温度等信息，可构成一定规模的监测网，实现分布式测量。但其反射回的信号很弱，对解调仪的要求很高，要实现数据全自动采集与无线传输的成本很高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的路基沉降测量精度低且难以实现测量长期的大范围测量的问题，提供了一种能在路基施工期及路基施工后准确的测量光纤布置路径上各监测点处的路基沉降变形量的基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***及监测方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：

基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，所述路基沉降监测***包括第一弱光栅阵列传感光缆和第二弱光栅阵列传感光缆，所述第一弱光栅阵列传感光缆铺设于路基的上层，所述第二弱光栅阵列传感光缆相对应的铺设于路基的下层；

所述第一弱光栅阵列传感光缆内部设置有第一传感光纤，所述第一传感光纤上等间距的刻写有多个第一弱光栅；所述第二弱光栅阵列传感光缆内部设置有第二传感光纤，所述第二传感光纤上等间距的刻写有多个第二弱光栅，所述第一弱光栅与第二弱光栅的反射率相同，第一弱光栅与第二弱光栅一一对应。

所述第一弱光栅阵列传感光缆铺设于路基的底基层的上表面，所述第二弱光栅阵列传感光缆铺设于路基的底基层的下表面。

所述第一弱光栅阵列传感光缆沿S形路径铺设于路基的底基层的上表面，所述第二弱光栅阵列传感光缆沿与第一弱光栅阵列传感光缆相同的S形路径铺设于路基的底基层的下表面。

所述第一弱光栅阵列传感光缆上套设有第一拱形线卡，所述第一拱形线卡的侧部固定设置有第一安装块，所述第一安装块通过钢钉固定于底基层的顶部；

所述第二弱光栅阵列传感光缆上套设有第二拱形线卡，所述第二拱形线卡的侧部固定设置有第二安装块，所述第二安装块通过钢钉固定于底基层下方垫层的顶部。

所述第一弱光栅阵列传感光缆上每隔5米设置一个第一拱形线卡，所述第二弱光栅阵列传感光缆上每隔5米设置一个第二拱形线卡。

相邻的两个所述第一弱光栅之间的间距为1米，相邻的两个所述第二弱光栅之间的间距为1米；

所述第一弱光栅、第二弱光栅的反射率均在0.001％-1％的范围内。

所述路基沉降监测***还包括光发生单元、数据传输单元和数据监测单元，所述光发生单元包括：脉冲光源、半导体光放大器、光分路器，所述脉冲光源的输出端与半导体光放大器的输入端相连接，所述半导体光放大器的输出端与光分路器的输入端相连接，所述光分路器的两个输出端分别与第一环形器的第一端口、第二环形器的第一端口相连接；

所述第一环形器的第二端口、第二环形器的第二端口分别与第一弱光栅阵列传感光缆、第二弱光栅阵列传感光缆的端部相连接，第一环形器的第三端口与第二环形器的第三端口分别与数据传输单元的两个输入端口相连接，所述数据传输单元的输出端与数据监测单元相连接。

所述数据传输单元包括：光纤光栅解调仪，TCP通讯模块、交换机，所述第一环形器的第三端口、第二环形器的第三端口分别与光纤光栅解调仪的两个输入端口相连接，所述光纤光栅解调仪的输出端与TCP通讯模块的输入端相连接，所述TCP通讯模块的输出端通过通讯光缆与交换机的输入端相连接，所述交换机的输出端与数据监测单元相连接。

所述光纤光栅解调仪的外部覆盖有保温海绵。

所述数据监测单元为安装有配套监测软件的计算机。

弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***的监测方法，其特征在于：

所述监测方法包括如下步骤：

步骤一、获取每个第一弱光栅、第二弱光栅的实时中心波长；

步骤二、根据公式(1)计算路基上各检测点处理论应变值：

ε＝a*[(λ_1n-λ_10n)-(λ_2n-λ_20n)] (1)

公式(1)中，ε为检理论应变值，λ_1n为第n个第一弱光栅的实时中心波长，λ_10n为第n个第一弱光栅处的初始中心波长；λ_2n为第n个第二弱光栅的实时中心波长，λ_20n为第n个第二弱光栅处的初始中心波长，a为第一、第二弱光栅阵列传感光缆的应变系数；

步骤三、根据公式(2)计算路基上各检测点处的理论沉降量：

δ＝ε*d₀ (2)

公式(2)中，δ为理论沉降量，d₀为应变段的长度，即相对应的第一弱光栅与第二弱光栅之间的直线距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***中在第一弱光栅阵列传感光缆上设置第一弱光栅，在第二弱光栅阵列传感光缆上设置第二弱光栅，利用路基沉降的变形引起光纤所受应力变化的原理，可测得各监测点间干涉信号的幅值、相位变化数据，结合各监测点初始位置计算路基沉降量，满足路基沉降变形的动静态测量，并真实反映路基沉降变形状态；本设计中的路基沉降监测***的测试灵敏度高、精度高、易于操作，并且可以通过计算机实现监测数据的实时在线监测及远程传输，实现塌陷预警、长期缓慢沉降变形的监测；同时本设计中的路基沉降监测***在光纤敷设完毕后即可进行观测，相对于传统的监测手段只能在路基施工后进行监测，可实现施工周期内的实时监测，确保路基施工时符合正常沉降标准。因此，本设计通过将弱光纤光栅阵列传感器监测路基沉降，可满足路基沉降变形的动静态测量，并真实反映路基沉降变形状态；路基沉降监测***的测试灵敏度高、精度高、易于操作，并能实现塌陷预警、长期缓慢沉降变形的监测；路基沉降监测***能实现施工周期内的实时监测，确保路基施工时符合正常沉降标准。

2、本发明基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***中在第一弱光栅阵列传感光缆上等间距的刻写有第一弱光栅，在第二弱光栅阵列传感光缆上等间距的刻写有第二弱光栅，由于光纤光栅的反射率极弱，多个弱光纤光栅形成弱光纤光栅阵列传感器，极大的提高了光栅复用数量，进而提高空间分辨率，实现了大范围路基的准分布式测量。因此，本设计中在弱光栅阵列传感光缆上等间距的刻写弱光纤光栅，极大的提高了光栅复用数量，进而提高空间分辨率，实现了大范围路基的准分布式测量。

3、本发明基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***中的第一弱光栅阵列传感光缆和第二弱光栅阵列传感光缆分别设置于路基的底基层的上表面、路基的底基层的下表面，且第一弱光栅阵列传感光缆上的第一弱光栅和第二弱光栅阵列传感光缆上的第二弱光栅一一对应设置，由于底基层的上、下表面之间的距离一般小于0.5米，且都埋于地下，因此可以认为相对应的第一弱光栅与第二弱光栅所处环境温度相同，通过两根传感光缆波长漂移量的差分可约掉温度对弱光栅波长漂移量的影响，测量精度更高。因此，本设计中通过在路基的底基层的上、下表面各布设一条弱光栅阵列传感光缆，且正在两条弱光栅阵列传感光缆上设置有相对应的弱光栅，可减少温度对弱光栅波长漂移的影响，提高了测量精度。

4、本发明基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测方法中通过对两根传感光缆波长漂移量的差分进行计算，约掉了温度对弱光栅波长漂移量的影响，再通过已知的第一、第二弱光栅之间的直线距离计算出各监测点处路基的理论沉降量，可避免检测结果受环境温度影响；整个检测***中每一对第一弱光栅和第二弱光栅形成一个监测点，通过分别计算各监测点的理论沉降量可精确测得整个路段路基沉降变形情况。因此，本设计中通过对两根传感光缆波长漂移量的差分进行计算，避免温度影响弱光栅波长漂移量，可精确测得整个路段上每一监测点的理论沉降量，得到整个路段路基沉降变形情况。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是传感光纤设置于路基中的示意图。

图3是第一弱光栅阵列传感光缆的安装示意图。

图4是第二弱光栅阵列传感光缆的安装示意图。

图中：第一弱光栅阵列传感光缆1、第一传感光纤11、第一弱光栅12、第二弱光栅阵列传感光缆2、第二传感光纤21、第二弱光栅22、光发生单元3、脉冲光源31、半导体光放大器32、光分路器33、第一环形器34、第二环形器35、数据传输单元4、光纤光栅解调仪41，TCP通讯模块42、交换机43、数据监测单元5、底基层6。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图4，基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，所述路基沉降监测***包括第一弱光栅阵列传感光缆1和第二弱光栅阵列传感光缆2，所述第一弱光栅阵列传感光缆1铺设于路基的上层，所述第二弱光栅阵列传感光缆2相对应的铺设于路基的下层，第一弱光栅阵列传感光缆1和第二弱光栅阵列传感光缆2沿相同的S形路径铺设；

所述第一弱光栅阵列传感光缆1铺设于路基的底基层6的上表面，第一弱光栅阵列传感光缆1呈S形弯曲布置，所述第二弱光栅阵列传感光缆2铺设于路基的底基层6的下表面，第二弱光栅阵列传感光缆2同样的呈S形弯曲布置，两条弱光栅阵列传感光缆的布置路径相同且两条弱光栅阵列传感光缆的布置路径均覆盖整个路基，光缆的布置路径中弯曲处的弯曲半径大于200mm，施工过程中光缆的弯曲半径不应小于250mm。

由于新建道路随着施工的过程由下往上逐层施工的，在铺设光缆时，第二弱光栅阵列传感光缆2从路基垫层或土层之上开始铺设，待第二弱光栅阵列传感光缆2上方的底基层路基施工完成后，再铺设第一弱光栅阵列传感光缆1，每层路基的上层和下层均要铺设传感光缆。

如图3、图4所示，所述第一弱光栅阵列传感光缆1上套设有每隔5米套设有一个第一拱形线卡71，第一拱形线卡71的侧部固定设置有第一安装块72，所述第一安装块72通过钢钉固定于底基层6的顶部；所述第二弱光栅阵列传感光缆2上每隔5米套设有第二拱形线卡81，所述第二拱形线卡81的侧部固定设置有第二安装块82，所述第二安装块82通过钢钉固定于底基层6下方垫层的顶部，第一弱光栅阵列传感光缆1、第二弱光栅阵列传感光缆2分别通过线卡固定设置于底基层6的上、下表面，线卡固定可以避免光缆产生不必要的弯曲，同时能防止因地基施工而导致的光缆偏离，同时铺设后第一弱光栅阵列传感光缆1、第二弱光栅阵列传感光缆2均具有一定的张力。

在布放光缆时，光缆须由绕盘上方放出，并保持松弛弧型；光缆在布放过程中不应牵拉过紧，其布放拉力不应超过500N；光缆布放过程中应无扭转，严禁打小圈、浪涌、背扣等现象发生，一旦出现扭转、打圈等现象，应立刻停止布放。

第一弱光栅阵列传感光缆1或第二弱光栅阵列传感光缆2在进行铺设时，若第一弱光栅阵列传感光缆1或第二弱光栅阵列传感光缆2周围路基的填充介质是松散的土体，则直接将第一弱光栅阵列传感光缆1或第二弱光栅阵列传感光缆2设置于土体中；若第一弱光栅阵列传感光缆1或第二弱光栅阵列传感光缆2周围路基的填充介质中含有碎石等硬质材料，则在第一弱光栅阵列传感光缆1或第二弱光栅阵列传感光缆2的铺设位置处铺设细沙层，第一弱光栅阵列传感光缆1或第二弱光栅阵列传感光缆2设置于细纱层中，以对光缆进行保护。

第一弱光栅阵列传感光缆1或第二弱光栅阵列传感光缆2铺设完毕后，在其上进行路基填料施工时，不可使光缆位置改变。

如图1、图2所示，所述第一弱光栅阵列传感光缆1内部设置有与其同轴的第一传感光纤11，所述第一传感光纤11上等间距的刻写有多个第一弱光栅12；所述第二弱光栅阵列传感光缆2内部设置有与其同轴的第二传感光纤21，所述第二传感光纤21上等间距的刻写有多个第二弱光栅22，所述第一弱光栅12与第二弱光栅22的反射率相同，所述第一弱光栅12与第二弱光栅22一一对应，每一个第一弱光栅12均位于对应的第二弱光栅22的正上方，每一组相对应的第一弱光栅12和第二弱光栅22处形成一个检测点。第一弱光栅12均匀的设置于整个第一弱光栅阵列传感光缆1上，第二弱光栅22均匀的分布于整个第二弱光栅阵列传感光缆2上，因此在铺设有光缆的路段上形成了覆盖全路段的多个检测点位，实现了大范围路基的准分布式测量。

相邻的两个所述第一弱光栅12之间的间距即这两个第一弱光栅12在第一传感光纤11上的间距，相邻的两个第一弱光栅12在第一传感光纤11上的间距为1米，同样的相邻的两个第二弱光栅22在第二传感光纤21上的间距为1米；

所述第一弱光栅12、第二弱光栅22的反射率均为0.001％-1％。

第一弱光栅阵列传感光缆1、第二弱光栅阵列传感光缆2也可以通过环氧结构胶或其它方式进行固定。

所述路基沉降监测***还包括光发生单元3、数据传输单元4和数据监测单元5，所述光发生单元3包括：脉冲光源31、半导体光放大器32、光分路器33，所述脉冲光源31的输出端与半导体光放大器32的输入端相连接，所述半导体光放大器32的输出端与光分路器33的输入端相连接，所述光分路器33的两个输出端分别与第一环形器34的第一端口、第二环形器35的第一端口相连接；

所述第一环形器34的第二端口、第二环形器35的第二端口分别与第一弱光栅阵列传感光缆1、第二弱光栅阵列传感光缆2的端部相连接，第一环形器34的第三端口与第二环形器35的第三端口分别与数据传输单元4的两个输入端口相连接，所述数据传输单元4的输出端与数据监测单元5相连接。

在检测的过程中，脉冲光源31发出的脉冲光依次经过半导体光放大器32和光分路器33后，分为两个相同的光信号，每个光信号通过一个光环形器的第一端口进入，并自光环形器的第二端口输出至弱光栅阵列传感光缆，弱光栅阵列传感光缆上的弱光栅将反射固定中心波长的反射光信号，固定中心波长的反射光信号自光环形器的第二端口进入，并自光环形器的第三端口输出至数据传输单元4。

所述数据传输单元4包括：光纤光栅解调仪41，TCP通讯模块42、交换机43，所述第一环形器34的第三端口与第二环形器35的第三端口分别与光纤光栅解调仪41的两个输入端口相连接，所述光纤光栅解调仪41的输出端与TCP通讯模块42的输入端相连接，所述TCP通讯模块42的输出端通过通讯光缆与交换机43的输入端相连接，所述交换机43的输出端与数据监测单元5相连接。

数据传输单元4中的光纤光栅解调仪41自光环形器的第三端口接收反射光信号，通过调解反射光信号得到其中心波长数据后将中心波长数据依次通过TCP通讯模块42、交换机43传送至作为数据监测单元5的计算机，计算机根据中心波长数据计算得到路基内部各个监测点的理论沉降量。

所述光纤光栅解调仪41的外部覆盖有保温海绵，保温海绵起夏季防潮，冬季保温的作用。

基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***的监测方法，所述监测方法包括如下步骤：

步骤一、获取每个第一弱光栅12、第二弱光栅22的实时中心波长；

步骤二、根据公式(1)计算路基上各检测点处理论应变值：

ε＝a*[(λ_1n-λ_10n)-(λ_2n-λ_20n)] (1)

公式(1)中，ε为检理论应变值，λ_1n为第n个第一弱光栅12的实时中心波长，λ_10n为第n个第一弱光栅12处的初始中心波长；λ_2n为第n个第二弱光栅22的实时中心波长，λ_20n为第n个第二弱光栅22的初始中心波长，a为第一、第二弱光栅阵列传感光缆的应变系数；其中每个第一弱光栅12、第二弱光栅22的初始中心波长、第一、第二弱光栅阵列传感光缆的应变系数a均为取决于光缆本身的已知量，第n个第一弱光栅12与第n个第二弱光栅22为一组相对应的弱光栅，这两个弱光栅处形成一个检测点。

由于弱光栅的中心波长也受环境温度的影响，但是第一弱光栅阵列传感光缆1、第二弱光栅阵列传感光缆2分别铺设于底基层6的上下表面，其直线距离一般小于0.5m，因此可以认为第一弱光栅阵列传感光缆1、第二弱光栅阵列传感光缆2所处环境的温度相同，而公式(1)中通过两根传感光缆波长漂移量的差分约掉了温度对弱光栅波长漂移量的影响，进而使测量更精确；

步骤三、根据公式(2)计算路基上各检测点处的理论沉降量：

δ＝ε*d₀ (2)

公式(2)中，δ为理论沉降量，d₀为应变段的长度，即相对应的第一弱光栅12与第二弱光栅22之间的直线距离，由于第一弱光栅阵列传感光缆1和第二弱光栅阵列传感光缆2沿相同的S形路径铺设，且第一弱光栅12与第二弱光栅22一一对应的设置于底基层6的上下表面，每组相对应的第一弱光栅12与第二弱光栅22之间的直线距离可近似认为是底基层6的高度。

本发明的原理说明如下：

所述第一弱光栅阵列传感光缆1内部设置有第一传感光纤11，所述第一传感光纤11上等间隔的刻写有多个第一弱光栅12，所述第二弱光栅阵列传感光缆2内部设置有与第二传感光纤21，所述第二传感光纤21上等间隔的刻写有多个第二弱光栅22，第一弱光栅12、第二弱光栅22可以是超弱布拉格光栅，每个弱光栅作为一个传感单元，整个传感光纤中形成弱光纤光栅阵列，当外界应力作用发生在两个弱光栅之间的光纤上时，将导致光纤折射率的改变，进而使反射光谱中心波长发生漂移。

所述光纤光栅解调仪41通过解调反射光信号的光谱得到中心波长数据，基于时分复用技术，每个弱光栅反射光信号到达光纤光栅解调仪41的时间不同，可以定位到应力改变的位置；同时光纤光栅解调仪41读取每个弱光栅反射光信号，并根据标定的波长-应变系数即可计算出弱光栅阵列传感光缆上各感应段的应变分布情况，从而实现对整个传感光缆覆盖区域的准分布式应力检测。

在实际检测中，也可根据路基的实际厚度和分层情况在道路的不同填充层处相应的设置多条弱光栅阵列传感光缆，通过光分路器33将脉冲光分为多路光信号并分别输入多条弱光栅阵列传感光缆中，并通过光纤光栅解调仪41接收多路光缆中的反射光信号，通过置更多的弱光栅阵列传感光缆及监测层数，以实现对路基各层中不同沉降情况的精确检测。

实施例1：

基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，所述路基沉降监测***包括第一弱光栅阵列传感光缆1和第二弱光栅阵列传感光缆2，所述第一弱光栅阵列传感光缆1呈S形铺设于路基的底基层6的上表面，所述第二弱光栅阵列传感光缆2相对应的呈S形铺设于路基的底基层6的下表面；所述第一弱光栅阵列传感光缆1上套设有每隔5米套设有一个第一拱形线卡71，第一拱形线卡71的侧部固定设置有第一安装块72，所述第一安装块72通过钢钉固定于底基层6的顶部；所述第二弱光栅阵列传感光缆2上每隔5米套设有第二拱形线卡81，所述第二拱形线卡81的侧部固定设置有第二安装块82，所述第二安装块82通过钢钉固定于底基层6下方垫层的顶部；所述第一弱光栅阵列传感光缆1内部设置有第一传感光纤11，所述第一传感光纤11上等间距的刻写有多个第一弱光栅12；所述第二弱光栅阵列传感光缆2内部设置有第二传感光纤21，所述第二传感光纤21上等间距的刻写有多个第二弱光栅22；所述第一弱光栅12与第二弱光栅22的反射率相同，第一弱光栅12、第二弱光栅22的反射率均为0.001％-1％，所述第一弱光栅12与第二弱光栅22一一对应，所述相邻的两个第一弱光栅12之间的间距为1米，所述相邻的两个第二弱光栅22之间的间距为1米。

弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***的监测方法，所述监测方法包括如下步骤：

步骤一、获取每个第一弱光栅(12)、第二弱光栅(22)的实时中心波长；

步骤二、根据公式(1)计算路基上各检测点处理论应变值：

ε＝a*[(λ_1n-λ_10n)-(λ_2n-λ_20n)] (1)

公式(1)中，ε为理论应变值，λ_1n为第n个第一弱光栅(12)的实时中心波长，λ_10n为第n个第一弱光栅(12)的初始中心波长；λ_2n为第n个第二弱光栅(22)的实时中心波长，λ_20n为第n个第二弱光栅(22)的初始中心波长，a为第一、第二弱光栅阵列传感光缆的应变系数；

步骤三、根据公式(2)计算路基上各检测点处的理论沉降量：

δ＝ε*d₀ (2)

公式(2)中，δ为理论沉降量，d₀为应变段的长度，即相对应的第一弱光栅12与第二弱光栅22之间的直线距离。

实施例2：

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

所述路基沉降监测***还包括光发生单元3、数据传输单元4和数据监测单元5，所述光发生单元3包括：脉冲光源31、半导体光放大器32、光分路器33，所述脉冲光源31的输出端与半导体光放大器32的输入端相连接，所述半导体光放大器32的输出端与光分路器33的输入端相连接，所述光分路器33的两个输出端分别与第一环形器34的第一端口、第二环形器35的第一端口相连接；所述第一环形器34的第二端口、第二环形器35的第二端口分别与第一弱光栅阵列传感光缆1、第二弱光栅阵列传感光缆2的端部相连接，第一环形器34的第三端口与第二环形器35的第三端口分别与数据传输单元4的两个输入端口相连接，所述数据传输单元4的输出端与数据监测单元5相连接；所述数据传输单元4包括：光纤光栅解调仪41，TCP通讯模块42、交换机43，所述第一环形器34的第三端口与第二环形器35的第三端口分别与光纤光栅解调仪41的两个输入端口相连接，所述光纤光栅解调仪41的输出端与TCP通讯模块42的输入端相连接，所述TCP通讯模块42的输出端通过通讯光缆与交换机43的输入端相连接，所述交换机43的输出端与数据监测单元5相连接；所述光纤光栅解调仪41的外部覆盖有保温海绵；所述数据监测单元5为安装有配套监测软件的计算机。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，其特征在于：

所述路基沉降监测***包括第一弱光栅阵列传感光缆(1)和第二弱光栅阵列传感光缆(2)，所述第一弱光栅阵列传感光缆(1)铺设于路基的上层，所述第二弱光栅阵列传感光缆(2)相对应的铺设于路基的下层；

所述第一弱光栅阵列传感光缆(1)内部设置有第一传感光纤(11)，所述第一传感光纤(11)上等间距的刻写有多个第一弱光栅(12)；所述第二弱光栅阵列传感光缆(2)内部设置有第二传感光纤(21)，所述第二传感光纤(21)上等间距的刻写有多个第二弱光栅(22)，所述第一弱光栅(12)与第二弱光栅(22)的反射率相同，第一弱光栅(12)与第二弱光栅(22)一一对应。

2.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，其特征在于：

所述第一弱光栅阵列传感光缆(1)铺设于路基的底基层(6)的上表面，所述第二弱光栅阵列传感光缆(2)铺设于路基的底基层(6)的下表面。

3.根据权利要求1或2所述的基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，其特征在于：

所述第一弱光栅阵列传感光缆(1)沿S形路径铺设于路基的底基层(6)的上表面，所述第二弱光栅阵列传感光缆(2)沿与第一弱光栅阵列传感光缆(1)相同的S形路径铺设于路基的底基层(6)的下表面。

4.根据权利要求2所述的基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，其特征在于：

所述第一弱光栅阵列传感光缆(1)上套设有第一拱形线卡(71)，所述第一拱形线卡(71)的侧部固定设置有第一安装块(72)，所述第一安装块(72)通过钢钉固定于底基层(6)的顶部；

所述第二弱光栅阵列传感光缆(2)上套设有第二拱形线卡(81)，所述第二拱形线卡(81)的侧部固定设置有第二安装块(82)，所述第二安装块(82)通过钢钉固定于底基层(6)下方垫层的顶部。

5.根据权利要求4所述的基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，其特征在于：

所述第一弱光栅阵列传感光缆(1)上每隔5米设置一个第一拱形线卡(71)，所述第二弱光栅阵列传感光缆(2)上每隔5米设置一个第二拱形线卡(81)。

6.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，其特征在于：

相邻的两个所述第一弱光栅(12)之间的间距为1米，相邻的两个所述第二弱光栅(22)之间的间距为1米；

所述第一弱光栅(12)、第二弱光栅(22)的反射率均在0.001％-1％的范围内。

7.根据权利要求1所述的基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，其特征在于：

所述路基沉降监测***还包括光发生单元(3)、数据传输单元(4)和数据监测单元(5)，所述光发生单元(3)包括：脉冲光源(31)、半导体光放大器(32)、光分路器(33)，所述脉冲光源(31)的输出端与半导体光放大器(32)的输入端相连接，所述半导体光放大器(32)的输出端与光分路器(33)的输入端相连接，所述光分路器(33)的两个输出端分别与第一环形器(34)的第一端口、第二环形器(35)的第一端口相连接；

所述第一环形器(34)的第二端口、第二环形器(35)的第二端口分别与第一弱光栅阵列传感光缆(1)、第二弱光栅阵列传感光缆(2)的端部相连接，第一环形器(34)的第三端口与第二环形器(35)的第三端口分别与数据传输单元(4)的两个输入端口相连接，所述数据传输单元(4)的输出端与数据监测单元(5)相连接。

8.根据权利要求7所述的基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，其特征在于：

所述数据传输单元(4)包括：光纤光栅解调仪(41)、TCP通讯模块(42)、交换机(43)，所述第一环形器(34)的第三端口、第二环形器(35)的第三端口分别与光纤光栅解调仪(41)的两个输入端口相连接，所述光纤光栅解调仪(41)的输出端与TCP通讯模块(42)的输入端相连接，所述TCP通讯模块(42)的输出端通过通讯光缆与交换机(43)的输入端相连接，所述交换机(43)的输出端与数据监测单元(5)相连接。

9.根据权利要求8所述的基于弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***，其特征在于：

所述光纤光栅解调仪(41)的外部覆盖有保温海绵；

所述数据监测单元(5)为安装有配套监测软件的计算机。

10.基于权利要求1-9中任意一项所述的弱光纤光栅阵列的路基沉降监测***的监测方法，其特征在于：

所述监测方法包括如下步骤：

步骤一、获取每个第一弱光栅(12)、第二弱光栅(22)的实时中心波长；

步骤二、根据公式(1)计算路基上各检测点处理论应变值：

ε＝a*[(λ_1n-λ_10n)-( λ_2n-λ_20n)] (1)

公式(1)中，ε为理论应变值，λ_1n为第n个第一弱光栅(12)的实时中心波长，λ_10n为第n个第一弱光栅(12)的初始中心波长；λ_2n为第n个第二弱光栅(22)的实时中心波长，λ_20n为第n个第二弱光栅(22)的初始中心波长，a为第一、第二弱光栅阵列传感光缆的应变系数；

步骤三、根据公式(2)计算路基上各检测点处的理论沉降量：

δ＝ε*d₀ (2)

公式(2)中，δ为理论沉降量，d₀为应变段的长度，即检测点处相对应的第一弱光栅(12)与第二弱光栅(22)之间的直线距离。

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