CN115144130B - 一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法、装置 - Google Patents

一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法、装置，应用于大坝检测技术领域，包括：基于拉曼散射原理，计算分布式传感光纤的长度‑温度图谱，并分别计算上游内组和外组图谱稳定所需时间之差以及下游外组和内组图谱稳定所需时间之差，结合内外组水平间距，计算入水和出水流速；根据加热至不同温度等级的图谱的拟合函数与未加热的图谱的拟合函数确定渗漏点，并根据布里渊散射定理得到渗漏点的光纤点位；对渗漏点的光纤点位在大坝直角坐标系上坐标的拟合函数求积分，得到渗漏面积；对入水流速、出水流速、渗漏面积的拟合函数做定积分，得到渗透量。本发明不仅有效减少了光纤在不同位置的温度变化差异带来的噪声和误差，还能精准计算渗透量。

Description

一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法、装置
技术领域
本发明涉及大坝检测技术领域，特别涉及一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法、装置。
背景技术
大坝作为一种拦水的水工建筑，在水库中被广泛使用。大坝建成后，在水流侵蚀、溶蚀和人为等因素的影响下，会出现渗漏。大坝渗漏是国内外很常见的一种现象，以往的检测方法包括同位素和人工巡查等，但是这些方法耗时耗力，受到温度、降水、天气等影响因素较多，同时，需要消耗大量的资金，并且安全保障较低。现有的光纤监测技术主要应用于渗漏位置的查找，查找的原理是基于光纤对不同的位置之间温度和压力变化的探测对比，但是光纤在不同的位置(如土壤、水工建筑内、空气中和水中)的温度变化有所差异，这就会给数据带来噪声。并且，现有的方法主要聚焦于对渗漏点位的确定，而用于渗透量确定的实验不多见。
为此，如何提供一种有效减少光纤在不同的位置(如土壤、水工建筑内、空气中和水中)的温度变化有所差异带来的噪声和误差，且能计算渗透量的基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法、装置是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法、装置。本发明通过将分布式传感光纤加热至A个不同温度等级，基于拉曼散射原理，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱，在分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数和二阶导数以及加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与加热至上一不同温度等级的的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数来确认渗漏点，即通过分布式传感光纤的同一位置的不同加热温度下与未加热温度下的长度-温度图谱的对比以及同一位置的不同加热温度下与上一加热温度下的长度-温度图谱的对比确认渗漏点，有效减少了光纤在不同的位置(如土壤、水工建筑内、空气中和水中)的温度变化有所差异带来的噪声和误差；通过布里渊散射定理得到上述所确认的渗漏点的光纤点位，建立大坝的直角坐标系，对渗漏点的光纤点位在大坝的直角坐标系上坐标的拟合函数求积分，得到渗漏面积；通过分别计算完成加热至A个不同温度等级后上游的内组分布式传感光纤和外组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差以及下游的外组分布式传感光纤和内组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差，结合内组与外组的水平间距，计算入水流速和出水流速，最后取加热至A个不同温度等级后入水流速和出水流速的均值为最终的入水流速和出水流速；再通过对测量时间内预设实验时间间隔的多次实验得到的入水流速、出水流速以及渗漏面积的拟合函数做定积分，得到测量时间内的渗透量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法，包括：
(1)基于拉曼散射原理，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱，并分别计算完成加热至A个不同温度等级后上游的内组分布式传感光纤和外组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差以及下游的外组分布式传感光纤和内组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差，结合内组与外组的水平间距d，计算入水流速和出水流速；
(2)根据加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数确定渗漏点，并根据布里渊散射定理得到渗漏点的光纤点位；
(3)建立大坝的直角坐标系，对渗漏点的光纤点位在大坝的直角坐标系上坐标的拟合函数求积分，得到渗漏面积；
(4)对测量时间内预设实验时间间隔的多次实验得到的入水流速、出水流速以及渗漏面积的拟合函数做定积分，得到测量时间内的渗透量。
可选的，步骤(1)中，拉曼散射原理如下式：
1/T＝f(T0，k，h，Δv，Ns，Na，L)；
其中，h、k为普朗克和玻尔兹曼常数，Ns和Na为斯托克斯光子和反斯托克斯光子，T为当前温度，T0为初始温度，Δv为频率增量，L为分布式传感光纤某一温度变化点距离分布式传感光纤首端距离，L的计算方法为：
L＝1/2[L0-c/n(t末-t首-L0n/c)]；
其中，L0为分布式传感光纤总长度，t末为温压探测和数据处理器收到分布式传感光纤末端的信号的时间，t首为温压探测和数据处理器收到分布式传感光纤首端的信号的时间，c为光在真空中的速度，n为折射率。
可选的，步骤(1)中，通过下式计算入水流速：
V入＝d/(t上内-t上外)；
其中，d为外组和内组的水平间距，V入为入水流速，t上内和t上外分别为上游内组和上游外组的长度-温度图谱稳定所需时间；
计算A个不同温度等级下的入水流速，取均值作为最终的入水流速；
通过下式计算出水流速：
V出＝d/(t下外-t下内)；
其中，d为外组和内组的水平间距，V出为出水流速，t下内和t下外分别为下游内组和下游外组的长度-温度图谱稳定所需时间；
计算A个不同温度等级下的出水流速，取均值作为最终的出水流速。
可选的，步骤(2)中，确定渗漏点的过程具体为：
1)分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数和二阶导数，当某个点在A个不同温度等级下的A个差函数的一阶导数和二阶导数均为0时，则该点潜在渗漏点；
2)分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与加热至上一不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数，当某点在A-1个差函数的一阶导数均为0时，则该点潜在渗漏点；
3)将同时符合1)和2)的点确定为渗漏点。
可选的，步骤(3)中，布里渊散射定理如下：
L0＝m*a+n*b+1/2∏q*(m-1)+1/2∏r*(n-1)；
其中，L0为每一个分布式光纤的首尾距离，m为纵向光纤的数量，n为横向光纤的数量，a为纵向光纤的长度，b为横向光纤的长度，q为纵向光纤的间距，r为横向光纤的间距；
分布式传感光纤首端为纵向光纤端点，尾端为横向光纤端点，当渗漏点和分布式传感光纤首端点距离L计算出来后，判断渗漏点在分布式光纤上的位置如下：
对于纵向光纤，若L<a，则渗漏点位于第一个纵向光纤上；
若a<L<a+1/2∏q，则渗漏点位于第一个纵向半圆光纤上；
……
若(m-1)*a+1/2∏q*(m-1)<L<m*a+1/2∏q*(m-1)，则渗漏点位于第m个纵向光纤上；
对于横向光纤，若m*a+1/2∏q*(m-1)<L<m*a+1/2∏q*(m+1)+b，则渗漏点位于第一个横向光纤上；
若m*a+1/2∏q*(m-1)+b<L<m*a+1/2∏q*(m-1)+b+1/2∏r，则渗漏点位于第一个横向圆弧光纤上；
……
若m*a+1/2∏q*(m-1)+(n-1)b+1/2∏r*(n-1)<L<m*a+1/2∏q*(m-1)+nb+1/2∏r*(n-1)，则渗漏点位于第n个横向光纤上。
可选的，步骤(5)中，将测量时间内预设实验时间间隔的多次实验得到的入水流速、出水流速以及渗漏面积的拟合函数做定积分，得到测量时间内的渗透量具体为：
Q入＝∫d/(t上内-t上外)*S上dt[0<t<t测量]；
Q出＝∫d/(t下内-t下外)*S下dt[0<t<t测量]；
Q渗＝Q入-Q出
＝∫d/(t上内-t上外)*S上dt[0<t<t测量]-∫d/(t下内-t下外)*S下dt[0<t<t测量]；
其中，Q入为测量时间内的入水流量，Q出为测量时间内的出水流量，Q渗为测量时间内的渗透量，t测量为测量时间，S上为上游的渗漏面积，S下为下游的渗漏面积。
本发明还提供一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测装置，包括：温压探测和数据处理器、光纤加热控制器、线路扩展器、分布式传感光纤。
分布式传感光纤布置于大坝两面，用于将加热后的温度变化信号以及首尾两端接收到的光信号通过线路扩展器传输给温压探测和数据处理器。
光纤加热控制器通过线路扩展器与分布式传感光纤的首尾两端有线连接，用于将分布式传感光纤加热至A个不同的温度等级。
温压探测和数据处理器通过线路扩展器与分布式传感光纤的首尾两端有线连接，用于接收温度变化信号以及分布式传感光纤首尾两端的光信号，基于拉曼散射原理，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱，计算渗漏位置以及渗透量。
可选的，分布式传感光纤布置于大坝两面，一面面向上游，另一面面向下游，每一面有两组分布式传感光纤，靠近大坝外表面的为外组，靠近大坝内部的为内组，外组和内组相互平行，水平间距为d。
可选的，分布式传感光纤由若干个横向光纤、若干个纵向光纤、若干个纵向半圆光纤以及若干个横向半圆光纤组成，且横向光纤、纵向光纤、纵向半圆光纤以及横向半圆光纤分别有固定长度。
可选的，分布式传感光纤采用G651单模光纤，且用GFRP包裹。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，提出了一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法、装置。本发明通过将分布式传感光纤加热至A个不同温度等级，基于拉曼散射原理，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱，在分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数和二阶导数以及加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与加热至上一不同温度等级的的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数来确认渗漏点，即通过分布式传感光纤的同一位置的不同加热温度下与未加热温度下的长度-温度图谱的对比以及同一位置的不同加热温度下与上一加热温度下的长度-温度图谱的对比确认渗漏点，有效减少了光纤在不同的位置(如土壤、水工建筑内、空气中和水中)的温度变化有所差异带来的噪声和误差；通过布里渊散射定理得到上述所确认的渗漏点的光纤点位，建立大坝的直角坐标系，对渗漏点的光纤点位在大坝的直角坐标系上坐标的拟合函数求积分，得到渗漏面积；通过分别计算完成加热至A个不同温度等级后上游的内组分布式传感光纤和外组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差以及下游的外组分布式传感光纤和内组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差，结合内组与外组的水平间距，计算入水流速和出水流速，最后取加热至A个不同温度等级后入水流速和出水流速的均值为最终的入水流速和出水流速；再通过对测量时间内预设实验时间间隔的多次实验得到的入水流速、出水流速以及渗漏面积的拟合函数做定积分，得到测量时间内的渗透量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明的装置示意图。
图3为本发明的分布式传感光纤示意图。
图4为本发明的大坝剖面示意图。
图中：1-温压探测和数据处理器、2-光纤加热控制器、3-线路扩展器、4-分布式传感光纤、5-大坝、6-纵向半圆光纤、7-纵向光纤、8-横向光纤、9-横向半圆光纤。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例1公开了一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法，如图1所示，包括：
(1)基于拉曼散射原理，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱，拉曼散射原理如下式：
1/T＝f(T0，k，h，Δv，Ns，Na，L)；
其中，h、k为普朗克和玻尔兹曼常数，Ns和Na为斯托克斯光子和反斯托克斯光子，T为当前温度，T0为初始温度，Δv为频率增量，L为分布式传感光纤某一温度变化点距离分布式传感光纤首端距离，L的计算方法为：
L＝1/2[L0-c/n(t末-t首-L0n/c)]；
其中，L0为分布式传感光纤总长度，t末为温压探测和数据处理器收到分布式传感光纤末端的信号的时间，t首为温压探测和数据处理器收到分布式传感光纤首端的信号的时间，c为光在真空中的速度，n为折射率。
处于升温中的图谱会连续变化，升温完成后由于水流流经光纤而产生冷却作用，因此光纤图谱会继续改变，又由于相同温度的渗漏水对于大坝上游面来说，先经过外组后经过内组，对于大坝下游来说，先经过内组在经过外组。因此，分别计算完成加热至A个不同温度等级后上游的内组分布式传感光纤和外组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差以及下游的外组分布式传感光纤和内组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差，结合内组与外组的水平间距d，计算入水流速和出水流速，如下式：
入水流速：
V入＝d/(t上内-t上外)；
其中，d为外组和内组的水平间距，V入为入水流速，t上内和t上外分别为上游内组和上游外组的长度-温度图谱稳定所需时间；
计算A个不同温度等级下的入水流速，取均值作为最终的入水流速；
出水流速：
V出＝d/(t下外-t下内)；
其中，d为外组和内组的水平间距，V出为出水流速，t下内和t下外分别为下游内组和下游外组的长度-温度图谱稳定所需时间；
计算A个不同温度等级下的出水流速，取均值作为最终的出水流速。
(2)根据加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数确定渗漏点，具体为：
1)一般情况下，当光纤温度升高时，如果某处出现泄露，则其相比于周围，温度增量较小。因此，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数和二阶导数，当某个点在A个不同温度等级下的A个差函数的一阶导数和二阶导数均为0时，则该点潜在渗漏点；
2)温度设定越高，渗漏点相对于周围的温度增量低得越明显。因此，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与加热至上一不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数，当某点在A-1个差函数的一阶导数均为0时，则该点潜在渗漏点；
3)将同时符合1)和2)的点确定为渗漏点。
并根据布里渊散射定理得到渗漏点的光纤点位，布里渊散射定理如下：
L0＝m*a+n*b+1/2∏q*(m-1)+1/2∏r*(n-1)；
其中，L0为每一个分布式光纤的首尾距离，m为纵向光纤的数量，n为横向光纤的数量，a为纵向光纤的长度，b为横向光纤的长度，q为纵向光纤的间距，r为横向光纤的间距；
分布式传感光纤首端为纵向光纤端点，尾端为横向光纤端点，当渗漏点和分布式传感光纤首端点距离L计算出来后，判断渗漏点在分布式光纤上的位置如下：
对于纵向光纤，若L<a，则渗漏点位于第一个纵向光纤上；
若a<L<a+1/2∏q，则渗漏点位于第一个纵向半圆光纤上；
以此类推，
……
若(m-1)*a+1/2∏q*(m-1)<L<m*a+1/2∏q*(m-1)，则渗漏点位于第m个纵向光纤上；
对于横向光纤，若m*a+1/2∏q*(m-1)<L<m*a+1/2∏q*(m+1)+b，则渗漏点位于第一个横向光纤上；
若m*a+1/2∏q*(m-1)+b<L<m*a+1/2∏q*(m-1)+b+1/2∏r，则渗漏点位于第一个横向圆弧光纤上；
以此类推，
……
若m*a+1/2∏q*(m-1)+(n-1)b+1/2∏r*(n-1)<L<m*a+1/2∏q*(m-1)+nb+1/2∏r*(n-1)，则渗漏点位于第n个横向光纤上。
(3)以大坝的左竖边为y轴，底边为x轴，建立大坝的直角坐标系，对渗漏点的光纤点位在大坝的直角坐标系上坐标的拟合函数求积分，得到渗漏面积。
(4)对测量时间内预设实验时间间隔的多次实验得到的入水流速、出水流速以及渗漏面积的拟合函数做定积分，得到测量时间内的渗透量，具体为：
Q入＝∫d/(t上内-t上外)*S上dt[0<t<t测量]；
Q出＝∫d/(t下内-t下外)*S下dt[0<t<t测量]；
Q渗＝Q入-Q出
＝∫d/(t上内-t上外)*S上dt[0<t<t测量]-∫d/(t下内-t下外)*S下dt[0<t<t测量]；
其中，Q入为测量时间内的入水流量，Q出为测量时间内的出水流量，Q渗为测量时间内的渗透量，t测量为测量时间，S上为上游的渗漏面积，S下为下游的渗漏面积。
本发明实施例2公开了一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法，如图1所示，包括：
(1)基于拉曼散射原理，分别计算加热至35℃、45℃以及55℃的温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱，拉曼散射原理如下式：
1/T＝fT0，k，h，Δv，Ns，Na，L)；
其中，h、k为普朗克和玻尔兹曼常数，Ns和Na为斯托克斯光子和反斯托克斯光子，T为当前温度，T0为初始温度，Δv为频率增量，L为分布式传感光纤某一温度变化点距离分布式传感光纤首端距离，L的计算方法为：
L＝1/2[L0-c/n(t末-t首-L0n/c)]；
其中，L0为分布式传感光纤总长度，t末为温压探测和数据处理器收到分布式传感光纤末端的信号的时间，t首为温压探测和数据处理器收到分布式传感光纤首端的信号的时间，c为光在真空中的速度，n为折射率。
处于升温中的图谱会连续变化，升温完成后由于水流流经光纤而产生冷却作用，因此光纤图谱会继续改变，又由于相同温度的渗漏水对于大坝上游面来说，先经过外组后经过内组，对于大坝下游来说，先经过内组在经过外组。因此，分别计算完成加热至35℃、45℃以及55℃的温度等级后上游的内组分布式传感光纤和外组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差以及下游的外组分布式传感光纤和内组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差，结合内组与外组的水平间距，计算入水流速和出水流速，如下式：
入水流速：
V入＝d/(t上内-t上外)；
其中，d为外组和内组的水平间距，V入为入水流速，t上内和t上外分别为上游内组和上游外组的长度-温度图谱稳定所需时间；
分别计算加热至35℃、45℃以及55℃的温度等级下的入水流速，取均值作为最终的入水流速；
出水流速：
V出＝d/(t下外-t下内)；
其中，d为外组和内组的水平间距，V出为出水流速，t下内和t下外分别为下游内组和下游外组的长度-温度图谱稳定所需时间；
分别计算加热至35℃、45℃以及55℃的温度等级下的出水流速，取均值作为最终的出水流速。
(2)根据加热至35℃、45℃以及55℃的温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数确定渗漏点，具体为：
1)一般情况下，当光纤温度升高时，如果某处出现泄露，则其相比于周围，温度增量较小。因此，分别计算加热至35℃、45℃以及55℃的温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数和二阶导数，当某个点在3个不同温度等级下的3个差函数的一阶导数和二阶导数均为0时，则该点潜在渗漏点，具体为：
拟合函数：
T未加热＝f未加热(L)；
T35°＝f35°(L)；
T45°＝f45°(L)；
T55°＝f55°(L)；
一阶导数和二阶导数：
T35°-未加热＝T35°
-T未加热，求一阶导数(T35°-未加热)’与二阶导数(T35°-未加热)‘’；
T45°-未加热＝T45°
-T未加热，求一阶导数(T45°-未加热)’与二阶导数(T45°-未加热)‘’；
T55°-未加热＝T55°
-T未加热，求一阶导数(T55°-未加热)’与二阶导数(T55°-未加热)‘’。
2)温度设定越高，渗漏点相对于周围的温度增量低得越明显。因此，分别计算加热至35℃、45℃以及55℃的不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与加热至35℃、45℃以及55℃的上一不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数，当某点在2个差函数的一阶导数均为0时，则该点潜在渗漏点，具体为：
T55°-45°＝T55°-T45°，求一阶导数(T55°-45°)’；
T45°-35°＝T45°-T35°，求一阶导数(T45°-35°)’。
3)将同时符合1)和2)的点确定为渗漏点。
并根据布里渊散射定理得到渗漏点的光纤点位，布里渊散射定理如下：
L0＝m*a+n*b+1/2∏q*(m-1)+1/2∏r*(n-1)；
其中，L0为每一个分布式光纤的首尾距离，m为纵向光纤的数量，n为横向光纤的数量，a为纵向光纤的长度，b为横向光纤的长度，q为纵向光纤的间距，r为横向光纤的间距；
分布式传感光纤首端为纵向光纤端点，尾端为横向光纤端点，当渗漏点和分布式传感光纤首端点距离L计算出来后，判断渗漏点在分布式光纤上的位置如下：
对于纵向光纤，若L<a，则渗漏点位于第一个纵向光纤上；
若a<L<a+1/2∏q，则渗漏点位于第一个纵向半圆光纤上；
以此类推，
……
若(m-1)*a+1/2∏q*(m-1)<L<m*a+1/2∏q*(m-1)，则渗漏点位于第m个纵向光纤上；
对于横向光纤，若m*a+1/2∏q*(m-1)<L<m*a+1/2∏q*(m+1)+b，则渗漏点位于第一个横向光纤上；
若m*a+1/2∏q*(m-1)+b<L<m*a+1/2∏q*(m-1)+b+1/2∏r，则渗漏点位于第一个横向圆弧光纤上；
以此类推，
……
若m*a+1/2∏q*(m-1)+(n-1)b+1/2∏r*(n-1)<L<m*a+1/2∏q*(m-1)+nb+1/2∏r*(n-1)，则渗漏点位于第n个横向光纤上。
(3)以大坝的左竖边为y轴，底边为x轴，建立大坝的直角坐标系，对渗漏点的光纤点位在大坝的直角坐标系上坐标的拟合函数求积分，得到渗漏面积。
(4)对24h内2h实验时间间隔的12次实验得到的12个入水流速、出水流速以及渗漏面积的拟合函数做定积分，得到测量时间内的渗透量，具体为：
Q入＝∫d/(t上内-t上外)*S上dt0<t<24；
Q出＝∫d/(t下内-t下外)*S下dt0<t<24；
Q渗＝Q入-Q出
＝∫d/(t上内-t上外)*S上dt0<t<24]-∫d/(t下内-t下外)*S下dt0<t<24；
其中，Q入为24h内的入水流量，Q出为24h内的出水流量，Q渗为24h内的渗透量，S上为上游的渗漏面积，S下为下游的渗漏面积。
本发明实施例3公开了一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测装置，包括：温压探测和数据处理器1、光纤加热控制器2、线路扩展器3、分布式传感光纤4。
分布式传感光纤4采用G651单模光纤，可以传播热信号和光信号；且用GFRP包裹，质量轻，耐腐蚀。
分布式传感光纤4由若干个横向光纤8、若干个纵向光纤7、若干个纵向半圆光纤6以及若干个横向半圆光纤9组成，且横向光纤8、纵向光纤7、纵向半圆光纤6以及横向半圆光纤9分别有固定长度。
分布式传感光纤4布置于大坝5两面，一面面向上游，另一面面向下游，每一面有两组分布式传感光纤4，靠近大坝5外表面的为外组，靠近大坝5内部的为内组，外组和内组相互平行，水平间距为d，用于将加热后的温度变化信号以及首尾两端接收到的光信号通过线路扩展器3传输给温压探测和数据处理器1。
光纤加热控制器2通过线路扩展器3与分布式传感光纤4的首尾两端有线连接，用于将分布式传感光纤4加热至A个不同的温度等级。
温压探测和数据处理器1通过线路扩展器3与分布式传感光纤4的首尾两端有线连接，用于接收温度变化信号以及分布式传感光纤4首尾两端的光信号，基于拉曼散射原理，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤4的长度-温度图谱，计算渗漏位置以及渗透量。
本发明实施例公开了一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法、装置。本发明通过将分布式传感光纤加热至A个不同温度等级，基于拉曼散射原理，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱，在分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数和二阶导数以及加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与加热至上一不同温度等级的的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数来确认渗漏点，即通过分布式传感光纤的同一位置的不同加热温度下与未加热温度下的长度-温度图谱的对比以及同一位置的不同加热温度下与上一加热温度下的长度-温度图谱的对比确认渗漏点，有效减少了光纤在不同的位置(如土壤、水工建筑内、空气中和水中)的温度变化有所差异带来的噪声和误差；通过布里渊散射定理得到上述所确认的渗漏点的光纤点位，建立大坝的直角坐标系，对渗漏点的光纤点位在大坝的直角坐标系上坐标的拟合函数求积分，得到渗漏面积；通过分别计算完成加热至A个不同温度等级后上游的内组分布式传感光纤和外组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差以及下游的外组分布式传感光纤和内组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差，结合内组与外组的水平间距，计算入水流速和出水流速，最后取加热至A个不同温度等级后入水流速和出水流速的均值为最终的入水流速和出水流速；再通过对测量时间内预设实验时间间隔的多次实验得到的入水流速、出水流速以及渗漏面积的拟合函数做定积分，得到测量时间内的渗透量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法，其特征在于，包括：
(1)基于拉曼散射原理，分别计算加热至A个不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱，并分别计算完成加热至A个不同温度等级后上游的内组分布式传感光纤和外组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差以及下游的外组分布式传感光纤和内组分布式传感光纤的长度-温度图谱稳定所需时间之差，结合内组与外组的水平间距d，计算入水流速和出水流速；
(2)根据加热至A个不同温度等级的所述分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数确定渗漏点，并根据布里渊散射定理得到所述渗漏点的光纤点位；
(3)建立大坝的直角坐标系，对所述渗漏点的光纤点位在所述大坝的直角坐标系上坐标的拟合函数求积分，得到渗漏面积；
(4)对测量时间内预设实验时间间隔的多次实验得到的入水流速、出水流速以及渗漏面积的拟合函数做定积分，得到所述测量时间内的渗透量。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法，其特征在于，步骤(1)中，拉曼散射原理如下式：
1/T＝f(T0，k，h，Δv，Ns，Na，L)；
其中，h、k为普朗克和玻尔兹曼常数，Ns和Na为斯托克斯光子和反斯托克斯光子，T为当前温度，T0为初始温度，Δv为频率增量，L为分布式传感光纤某一温度变化点距离分布式传感光纤首端距离，L的计算方法为：
L＝1/2[L0-c/n(t末-t首-L0n/c)]；
其中，L0为分布式传感光纤总长度，t末为温压探测和数据处理器收到分布式传感光纤末端的信号的时间，t首为温压探测和数据处理器收到分布式传感光纤首端的信号的时间，c为光在真空中的速度，n为折射率。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法，其特征在于，步骤(1)中，通过下式计算入水流速：
V入＝d/(t上内-t上外)；
其中，d为外组和内组的水平间距，V入为入水流速，t上内和t上外分别为上游内组和上游外组的长度-温度图谱稳定所需时间；
计算A个不同温度等级下的入水流速，取均值作为最终的入水流速；
通过下式计算出水流速：
V出＝d/(t下外-t下内)；
其中，d为外组和内组的水平间距，V出为出水流速，t下内和t下外分别为下游内组和下游外组的长度-温度图谱稳定所需时间；
计算A个不同温度等级下的出水流速，取均值作为最终的出水流速。
4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法，其特征在于，步骤(2)中，确定渗漏点的过程具体为：
1)分别计算加热至A个不同温度等级的所述分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与未加热的所述分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数和二阶导数，当某个点在A个不同温度等级下的A个差函数的所述一阶导数和所述二阶导数均为0时，则该点潜在渗漏点；
2)分别计算加热至A个所述不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数与加热至上一不同温度等级的分布式传感光纤的长度-温度图谱的拟合函数之差的一阶导数，当某点在A-1个差函数的所述一阶导数均为0时，则该点潜在渗漏点；
3)将同时符合1)和2)的点确定为所述渗漏点。
5.根据权利要求2所述的一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法，其特征在于，步骤(3)中，布里渊散射定理如下：
L0＝m*a+n*b+1/2∏q*(m-1)+1/2∏r*(n-1)；
其中，L0为每一个分布式光纤的首尾距离，m为纵向光纤的数量，n为横向光纤的数量，a为纵向光纤的长度，b为横向光纤的长度，q为纵向光纤的间距，r为横向光纤的间距；
分布式传感光纤首端为纵向光纤端点，尾端为横向光纤端点，当所述渗漏点和所述分布式传感光纤首端点距离L计算出来后，判断所述渗漏点在分布式光纤上的位置如下：
对于纵向光纤，若L<a，则渗漏点位于第一个纵向光纤上；
若a<L<a+1/2∏q，则渗漏点位于第一个纵向半圆光纤上；
……
若(m-1)*a+1/2∏q*(m-1)<L<m*a+1/2∏q*(m-1)，则渗漏点位于第m个纵向光纤上；
对于横向光纤，若m*a+1/2∏q*(m-1)<L<m*a+1/2∏q*(m+1)+b，则渗漏点位于第一个横向光纤上；
若m*a+1/2∏q*(m-1)+b<L<m*a+1/2∏q*(m-1)+b+1/2∏r，则渗漏点位于第一个横向圆弧光纤上；
……
若m*a+1/2∏q*(m-1)+(n-1)b+1/2∏r*(n-1)<L<m*a+1/2∏q*(m-1)+nb+1/2∏r*(n-1)，则渗漏点位于第n个横向光纤上。
6.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测方法，其特征在于，步骤(5)中，将所述测量时间内预设实验时间间隔的多次实验得到的入水流速、出水流速以及渗漏面积的拟合函数做定积分，得到所述测量时间内的渗透量具体为：
Q入＝∫d/(t上内-t上外)*S上dt[0<t<t测量]；
Q出＝∫d/(t下内-t下外)*S下dt[0<t<t测量]；
Q渗＝Q入-Q出
＝∫d/(t上内-t上外)*S上dt[0<t<t测量]-∫d/(t下内-t下外)*S下dt[0<t<t测量]；
其中，Q入为所述测量时间内的入水流量，Q出为所述测量时间内的出水流量，Q渗为所述测量时间内的渗透量，t测量为测量时间，S上为上游的渗漏面积，S下为下游的渗漏面积。
7.一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测装置，其特征在于，包括：温压探测和数据处理器(1)、光纤加热控制器(2)、线路扩展器(3)、分布式传感光纤(4)；
所述分布式传感光纤(4)布置于大坝(5)两面，用于将加热后的温度变化信号以及首尾两端接收到的光信号通过所述线路扩展器(3)传输给所述温压探测和数据处理器(1)；
所述光纤加热控制器(2)通过所述线路扩展器(3)与所述分布式传感光纤(4)的首尾两端有线连接，用于将所述分布式传感光纤(4)加热至A个不同的温度等级；
所述温压探测和数据处理器(1)通过所述线路扩展器(3)与所述分布式传感光纤(4)的首尾两端有线连接，用于接收所述温度变化信号以及所述分布式传感光纤(4)首尾两端的光信号，基于拉曼散射原理，分别计算加热至A个不同温度等级的所述分布式传感光纤(4)的长度-温度图谱，计算渗漏位置以及渗透量。
8.根据权利要求7所述的一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测装置，其特征在于，所述分布式传感光纤(4)布置于大坝两面，一面面向上游，另一面面向下游，每一面有两组所述分布式传感光纤(4)，靠近大坝(5)外表面的为外组，靠近大坝(5)内部的为内组，所述外组和所述内组相互平行，水平间距为d。
9.根据权利要求7所述的一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测装置，其特征在于，所述分布式传感光纤(4)由横向光纤(8)、纵向光纤(7)、纵向半圆光纤(6)以及横向半圆光纤(9)组成，且所述横向光纤(8)、纵向光纤(7)、纵向半圆光纤(6)以及横向半圆光纤(9)分别有固定长度。
10.根据权利要求7所述的一种基于分布式光纤的大坝渗漏检测装置，其特征在于，所述分布式传感光纤(4)采用G651单模光纤，且用GFRP包裹。
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