CN115371794A - 基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，包括如下具体步骤：步骤1）：沿地下管廊的长度方向布设传感光纤；步骤2）：Φ‑OTDR传感***向传感光纤发出传感激励光，通过传感光纤返回传感检测光，处理后得到Φ‑OTDR信号；步骤3）：根据Φ‑OTDR信号判断是否发生地表施工事件；步骤4）：确定传感光纤上距地表施工事件最近的第一传感点Z0，并获取第一传感点Z0附近的若干个相邻传感点在时域上的振动信号，计算求得各个相邻传感点与第一传感点Z0间信号的时间差；步骤5）：确定地表施工事件的位置。本发明可通过传感光纤对地下管廊的受到的振动进行监测，并对地表施工事件的位置进行准确定位，保护地下管廊的安全。
Description
技术领域
本发明涉及地下管廊监测技术领域，特别涉及一种基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法。
背景技术
地下管廊是建设在城市地下，用于集中敷设电力、通信、广播电视、给水等市政管线的公共隧道， 是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。
地下管廊建设在地表之下，距地表有一定的深度。在地下管廊上方的地表进行施工时，施工产生的振动会通过土层传递至地下管廊，容易对地下管廊造成一定的影响，甚至对地下管廊的结构造成损伤。
因此，亟需提供一种能够对地下管廊的振动进行监测并定位地表施工点的位置，从而对风险做出预警，这对保护地下管廊的安全十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，能够监测地下管廊受到的振动并对施工点进行定位，从而对风险做出预警，保护地下管廊的安全。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，包括如下具体步骤：
步骤1）：沿地下管廊的长度方向布设传感光纤，传感光纤紧贴于地下管廊的内壁上；
步骤2）：将传感光纤等效为长度方向上若干个等距排列的传感点；Φ-OTDR传感***向传感光纤发出传感激励光，通过传感光纤返回传感检测光，传感检测光经处理后得到Φ-OTDR信号，Φ-OTDR信号表征某一时刻传感光纤上所有传感点返回的光功率值；
步骤3）：根据Φ-OTDR信号判断是否发生地表施工事件；若发生地表施工时间，则执行步骤4）；
步骤4）：根据Φ-OTDR信号上的功率峰值确定传感光纤上距地表施工事件点最近的第一传感点Z0，并获取传第一感点Z0附近的若干个相邻传感点在时域上的振动信号，对相邻传感点的振动信号进行广义互相关计算求得各个相邻传感点与第一传感点Z0间信号的时间差；
步骤5）：根据传感光纤距地表的已知深度、第一传感点Z0的位置以及个各个相邻传感点与第一传感点Z0间信号的时间差确定地表施工事件的具***置。
作为优选，步骤1）中，传感光纤呈“S”型布置，传感光纤上相邻传感点在轴向上的间距为传感光纤的空间分辨率。
作为优选，步骤3）中，设定一个光功率阈值，若Φ-OTDR信号上存在大于光功率阈值的情况时，则表明发生地表施工事件。
作为优选，步骤4）的具体方法如下：
定义第一传感点Z0与地表施工事件点的距离为l 0；在第一传感点Z0的附近选取n个相邻传感点，定义相邻传感点的编号为Z i ，i∈(1,2,...,n)；
定义第一传感点Z0的振动信号为S 0 ，定义相邻传感点Z i 的振动信号为S i ,其中振动信号S 0 和S i 分别为传感点Z0和相邻传感点Z i 在振动段时长内所采集的光功率值；
将相邻传感点Z i 的振动信号S i 分别与第一传感点Z0处振动信号S 0 进行广义互相关运算，得到相邻传感点Z i 与第一传感点Z0检测到振动信号的时间差ΔT 0i 。
作为优选，广义互相关运算的计算公式如下：
通过上述计算公式得到广义互相关运算结果R 0i (τ)，其中，τ为振动信号从地表施工事件点传递到对应的传感点所需时间；f为频数变量；e作为数学常数，是自然对数函数的底数；
计算传感点Zi与Z0检测到振动信号的时间差，其公式为：
取
为最大值时对应的传感点所需时间
即为相邻传感点Zi与第一传感点
Z0检测到振动信号的时间差ΔT 0i 。
作为优选，步骤5）的具体方法如下：
选取四个相邻传感点Z i 与第一传感点Z0组成传感点组，得到一个传感点组，通过步骤4）中计算得到的相邻传感点与第一传感点Z0间信号的时间差、传感点组中的各个传感点的空间几何位置关系联立关于固定未知量l 0 、T L 、v、L的解算方程组，并计算出各个传感点组的所对应的未知量l 0 、L，通过l 0 、L、传感光纤距地表的已知深度确定地表施工事件点的位置；
其中，L B 为振动信号从廊壁传递到各传感点的距离，v为振动在土层中的传播速度，L为地表施工事件点与第一传感点Z0在传感光纤轴线方向上的距离，l 0 为第一传感点Z0与地表施工事件点的距离。
作为优选，选取多个传感点组，其中每个传感点组内的相邻传感点不完全相同，并分别计算出各个传感点组的未知量l 0 和L，以每个传感点组内各个相邻传感点与第一传感点Z0之间的距离总和作为该传感点组的准确度，并以准确度为依据分别对各个传感点组求得的l 0 和L进行加权求和，得到误差修正后的l 0 和L，并根据传感光纤距地表的已知深度以及误差修正后的l 0 和L确定施工点的位置。
作为优选，取未知量l 0 作为第一传感点Z0和地表施工事件点的欧式距离，取L作为第一传感点Z0和地表施工事件点沿着传感光纤轴线上的轴向距离，通过空间几何计算得到地表施工事件点的具***置。
本发明的有益效果是：本发明可通过传感光纤对地下管廊的受到的振动进行监测、判断是否发生地表施工事件，并对地表施工事件的位置进行准确定位，而对风险做出相应的预警，保护地下管廊的安全。
附图说明
图1为传感光纤呈“S”型方式布置的示意图。
图2为本Φ-OTDR传感***检测示意图。
图3为定点施工事件定位示意图。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1至图3所示，一种基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，包括如下具体步骤：
步骤1）：沿地下管廊的长度方向布设传感光纤，传感光纤紧贴于地下管廊的内壁上。
本申请中，传感光纤采用外径为5mm的微应变高敏贴敷光缆，其内芯为G657A1光纤，以2mm厚的树酯作为紧套层。在布设传感光纤时，传感光纤呈“S”型布置，传感光纤以地下管廊顶部中位线为基准进行布设，通过环氧树脂胶将传感光纤粘贴于地下管廊的内壁上，使传感光纤紧贴于地下管廊的内壁上。
为保证传感光纤的弯折处的光损耗不会过大，本实施例中的传感光纤的弯折半径为0.1m，“S”型腰部垂直于地下管廊顶部中位线的光纤长度为0.29m；每一段长度约为1.2m的光纤通过“S”型布置在管廊轴向长0.4m的空间内，为保证光纤布置形状的稳定性，在每一段“S”型传感光纤的初始位置与结束位置处均使用固线扣进一步固定传感光纤。
在布设传感光纤时，使传感光纤各部分皆处于张紧状态。
步骤2）：将传感光纤等效为长度方向上若干个等距排列的传感点，相邻传感点的间距等于传感光纤的空间分辨率；Φ-OTDR传感***向传感光纤发出传感激励光，通过传感光纤返回传感检测光，传感检测光经处理后得到Φ-OTDR信号，Φ-OTDR信号表征某一时刻传感光纤上所有传感点返回的光功率值。
本实施例中，Φ-OTDR传感***采用分布反馈式半导体激光器(DFB-LD)作为光源，如附图2所示激光器产生固定频率的激光；激光通过其中一个光耦合器进行光功率分配，将激光器产生的激光分成本振光和激励光；激励光由声光调制器调制形成脉宽30ns、重复频率为10KHz、相对光源频移为100MHz的激励光脉冲；经调制后的激励光光脉冲传入掺铒光纤放大器进行光功率的放大后，形成传感激励光；传感激励光由环行器传递至传感光纤中，传感激励光在传感光纤各处发生瑞利散射后向Φ-OTDR传感***返回传感检测光；传感光纤上某处受到的振动越大，其瑞利后向散射光的强度也越大，因此传感检测光包含传感光纤上的振动信息；返回的传感检测光经过环形器后输入至另一个光耦合器中，本振光和传感检测光在另一个光耦合器中进行光耦合，本振光和传感检测光经过光耦合器后达到平衡探测器，本振光和传感检测光在平衡探测器上发生光的相干作用，产生中频的Φ-OTDR光电信号；Φ-OTDR光电信号与一个80 MHz的信号混频，用带通滤波器对混频信号进行滤波后得到电信号，通过A /D转换器对此电信号进行高速A /D转换，采用数字采样累加平均器进行叠加处理来提高信噪比，获得最终的Φ-OTDR信号；最后把最终的Φ-OTDR信号送到计算机进行存储、显示。
由于传感激励光为脉冲光，当传感光纤上的某一位置Z发生振动引起瑞利后向散射光信号的幅值显著变化，通过检测发出传感激励光到接收位置Z产生的瑞利后向散射光的时间间隔t，结合光在光纤中的传播速度c，可求得此次光传递过程走过的距离L z，进而确定传感光纤上的振动位置Z，其公式为：
L z=ct
由于光纤中存在损耗，光波在光纤中传输时功率会不断衰减，对于接收到的瑞利后向散射光，其光功率P R 为：
式中：P 0为传感激励光的峰值功率，e为自然常数，a为光纤的衰减系数，
为后向散射光功率捕获因子，w为高斯型有效场模面积，α s 为瑞利散射系数，W为传感激励光线宽；
传感光纤沿线的瑞利后向散射光的光功率曲线为一条指数衰减的洛伦兹形状曲线，该曲线表示出了光纤沿线的损耗情况；通过计算机分析该曲线即可求得传感光纤振动的位置和功率信息。
理论上传感光纤上的各个位置都可视为一个传感点，实际中受传感光纤空间分辨率的限制，传感光纤等效为长度方向上若干个等距排列的传感点，相邻传感点的间距等于传感光纤的空间分辨率。本实施例中，传感光纤呈“S”型布置，传感光纤空间分辨率精确至1m，因此可以视为传感光纤的长度方向上每隔1m存在一个传感点。
步骤3）：根据Φ-OTDR信号判断是否发生地表施工事件，具体方法如下：设定一个光功率阈值，若Φ-OTDR信号上存在大于光功率阈值的情况时，则表明发生地表施工事件；否则，则表明不发生地表施工事件。值得一提的是，本方案适用于地表施工场景的定位识别，故本方案识别的振动信号可认定为地表施工事件。
步骤4）：当发生地表施工事件时，根据Φ-OTDR信号上的功率峰值确定传感光纤上距地表施工事件点最近的第一传感点Z0，并获取传第一感点Z0附近的若干个相邻传感点在时域上的振动信号，对相邻传感点的振动信号进行广义互相关计算求得各个相邻传感点与第一传感点Z0间信号的时间差；具体方法如下：假定地表M点发生地表施工事件，定义地表施工事件点M点向传感光纤所在的水平面的投影点为M`点，定义第一传感点Z0与地表施工事件点M点的距离为l 0；在传感点Z0的附近选取n个相邻传感点，定义相邻传感点的编号为Z i ，i∈(1,2,...,n)；
定义第一传感点Z0的振动信号为S 0 ，定义相邻传感点Z i 的振动信号为S i ,其中振动信号S 0 和S i 分别为第一传感点Z0和相邻传感点Z i 在振动段时长内所采集的光功率值；
将相邻传感点振动信号S i 分别与Z0处振动信号S 0 进行广义互相关运算，并得到相邻传感点Z i 与第一传感点Z0检测到振动信号的时间差ΔT 0i 。
其中，广义互相关运算的计算公式如下：
通过上述计算公式得到广义互相关运算结果R 0i (τ)，其中，τ为振动信号从地表施工事件点传递到对应的传感点所需时间；f为频数变量；e作为数学常数，是自然对数函数的底数；
计算相邻传感点Zi与第一传感点Z0检测到振动信号的时间差，其公式为：
取
为最大值时对应的传感点所需时间
即为相邻传感点Zi与第一传感点
Z0检测到振动信号的时间差ΔT 0i 。
步骤5）：根据传感光纤距地表的已知深度、传感点Z0的位置以及个各个相邻传感点与传感点Z0间信号的时间差求得地表施工事件的具***置；具体方法如下：选取四个相邻传感点Z i 与第一传感点Z0组成传感点组，得到一个传感点组，通过步骤4）中计算得到的相邻传感点与第一传感点Z0间信号的时间差、传感点组中的各个传感点的空间几何位置关系联立关于固定未知量l 0 、L B 、v、L的解算方程组，并计算出各个传感点组的所对应的未知量l 0 、L，通过l 0 、L、传感光纤距地表的已知深度确定地表施工事件点M点的具***置；
其中，L B 为振动信号从廊壁传递到各传感点的距离，v为振动在土层中的传播速度，L为地表施工事件点与第一传感点Z0在传感光纤轴线方向上的距离，l 0 为第一传感点Z0与地表施工事件点的距离。
以下对步骤5）的具体计算方法进行进一步说明：
参见附图3，以传感光纤距地表的深度为10米、传感光纤空间分辨率为1m为例，在第一传感点Z0的两侧分别取3个相邻传感点，总共取6个相邻传感点，传感光纤上以Z0为起始点沿
方向的三个传感点依次命名为Z1、Z2、Z3，其与M点距离分别设为l 1、l 2、l 3；将以Z0为中心，将传感光纤上以Z0为起始点沿
方向的三个传感点依次命名为Z4、Z5、Z6，其与M点距离分别设为l 4、l 5、l 6；
由于地下管廊的廊壁的厚度远小于10m，故认为振动信号从廊壁传递到各传感点的距离L B 为定值；设振动信号在土壤间的传播速度为v，故可知：
根据各个传感点的几何位置关系可知：
将传感器编号i代入上述两个方程式中，联立二式可得以下解算方程式：
在上述方程式中，l 0 、L B 、v、L为固定未知量，在计算过程中，从6个相邻传感器中选取任意选取四个相邻传感点Z i 与第一传感点Z0组成一个传感点组，将四个相邻传感点Z i 的编号i和相对应的振动信号的时间差ΔT 0i 代入上述解算方程式中，即可解算出施工事件点M点与第一传感点Z0在传感光纤轴线方向上的距离L以及第一传感点Z0与地表施工事件点M点之间的距离l 0 ；由于传感光纤距地表的深度为已知量，在计算出l 0 和L的数值后，取l 0 作为第一传感点Z0和地表施工事件点的欧式距离，取L作为第一传感点Z0和地表施工事件点沿着传感光纤轴线上的轴向距离，通过空间几何计算得到地表施工事件点M点的具***置。
在实际过程中，由于ΔT 0i 为光功率曲线通过信号处理和数学分析后得到的值，其与真实情况存在一定误差，因此在上述计算过程中，计算误差的来源为ΔT 0i 。相邻传感点Z i 与第一传感点Z0的距离越大，定点施工事件振动信号传递到相邻传感点Z i 的时间就越长，其广义互相关得到的ΔT 0i 也相对更加准确；在一定范围内，可认为相邻传感点Z i 与第一传感点Z0的距离与ΔT 0i 的准确度正相关。
故为了提高计算结果的准确性，选取多个传感点组，其中每个传感点组内的相邻传感点不完全相同，并分别计算出各个传感点组的未知量l 0 和L，以传感点组内各个相邻传感点与第一传感点Z0之间的距离总和作为该传感点组的准确度，并以准确度为依据分别对各个传感点组求得的l 0 和L进行加权求和，得到误差修正后的l 0 和L，并根据误差修正后的l 0 和L确定施工点的位置。
具体方法如下：以6个相邻传感点为例，从总数为6的相邻传感点中任意选取4个一组，可组成
组不同的传感点组，从而可以计算出15组固定未知量l 0 和L；定义15组传感点组合的编号为j，j∈(1,2,3,...,15)，并定义编号为j的传感点组合内所有传感点与传感点Z0的距离之和作为该传感点组的准确度K j ，K j 为已知量，则有：
定义传感点组j求得的未知量l 0 为l 0j ，定义求得的未知量L为L j ；将各传感点组j求得的未知量l 0j 与L j 进行以准确度为依据的加权求和：
式中，l 0f 为经过误差修正后最终求得第一传感点Z0与定点施工事件点M点的欧式距离，L f 为经过误差修正后最终求得第一传感点Z0与定点施工事件点M点在传感光纤轴线方向的距离。
本发明可通过传感光纤对地下管廊的受到的振动进行监测、判断是否发生地表施工事件，并对地表施工事件的位置进行准确定位，而对风险做出相应的预警，保护地下管廊的安全。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
步骤1）：沿地下管廊的长度方向布设传感光纤，传感光纤紧贴于地下管廊的内壁上；
步骤2）：将传感光纤等效为长度方向上若干个等距排列的传感点；Φ-OTDR传感***向传感光纤发出传感激励光，通过传感光纤返回传感检测光，传感检测光经处理后得到Φ-OTDR信号，Φ-OTDR信号表征某一时刻传感光纤上所有传感点返回的光功率值；
步骤3）：根据Φ-OTDR信号判断是否发生地表施工事件；若发生地表施工时间，则执行步骤4）；
步骤4）：根据Φ-OTDR信号上的功率峰值确定传感光纤上距地表施工事件点最近的第一传感点Z0，并获取传第一感点Z0附近的若干个相邻传感点在时域上的振动信号，对相邻传感点的振动信号进行广义互相关计算求得各个相邻传感点与第一传感点Z0间信号的时间差；
步骤5）：根据传感光纤距地表的已知深度、第一传感点Z0的位置以及个各个相邻传感点与第一传感点Z0间信号的时间差确定地表施工事件的具***置。
2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，其特征在于，步骤1）中，传感光纤呈“S”型布置，传感光纤上相邻传感点在轴向上的间距为传感光纤的空间分辨率。
3.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，其特征在于，步骤3）中，设定一个光功率阈值，若Φ-OTDR信号上存在大于光功率阈值的情况时，则表明发生地表施工事件。
4.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，其特征在于，步骤4）的具体方法如下：
定义第一传感点Z0与地表施工事件点的距离为l 0；在第一传感点Z0的附近选取n个相邻传感点，定义相邻传感点的编号为Z i ，i∈(1,2,...,n)；
定义第一传感点Z0的振动信号为S 0 ，定义相邻传感点Z i 的振动信号为S i ,其中振动信号S 0 和S i 分别为传感点Z0和相邻传感点Z i 在振动段时长内所采集的光功率值;
将相邻传感点Z i 的振动信号S i 分别与第一传感点Z0处振动信号S 0 进行广义互相关运算，
得到相邻传感点Z i 与第一传感点Z0检测到振动信号的时间差
。
5.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，其特征在于，广义互相关运算的计算公式如下：
通过上述计算公式得到广义互相关运算结果R 0i (τ)，其中，τ为振动信号从地表施工事件点传递到对应的传感点所需时间；f为频数变量；e作为数学常数，是自然对数函数的底数；
计算传感点Zi与Z0检测到振动信号的时间差，其公式为：
取
为最大值时对应的传感点所需时间
即为相邻传感点Zi与第一传感点Z0检
测到振动信号的时间差ΔT 0i 。
6.根据权利要求1所述的基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，其特征在于，步骤5）的具体方法如下：
选取四个相邻传感点Z i 与第一传感点Z0组成传感点组，得到一个传感点组，通过步骤4）中计算得到的相邻传感点与第一传感点Z0间信号的时间差、传感点组中的各个传感点的空间几何位置关系联立关于固定未知量l 0 、L B 、v、L的解算方程组，并计算出各个传感点组的所对应的未知量l 0 、L，通过l 0 、L、传感光纤距地表的已知深度确定地表施工事件点的位置；
其中，L B 为振动信号从廊壁传递到各传感点的距离，v为振动在土层中的传播速度，L为地表施工事件点与第一传感点Z0在传感光纤轴线方向上的距离，l 0 为第一传感点Z0与地表施工事件点的距离。
7.根据权利要求6所述的基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，其特征在于，选取多个传感点组，其中每个传感点组内的相邻传感点不完全相同，并分别计算出各个传感点组的未知量l 0 和L，以每个传感点组内各个相邻传感点与第一传感点Z0之间的距离总和作为该传感点组的准确度，并以准确度为依据分别对各个传感点组求得的l 0 和L进行加权求和，得到误差修正后的l 0 和L，并根据传感光纤距地表的已知深度以及误差修正后的l 0 和L确定施工点的位置。
8.根据权利要求6所述的基于分布式光纤传感器的地下管廊地表施工事件定位方法，其特征在于，取未知量l 0 作为第一传感点Z0和地表施工事件点的欧式距离，取L作为第一传感点Z0和地表施工事件点沿着传感光纤轴线上的轴向距离，通过空间几何计算得到地表施工事件点的具***置。
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