一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，通过在隧道顶部等间距的设置固定件，将探测光缆穿过固定件，使探测光缆自然伸展，探测光缆一端与监测主机相连；探测光缆中设置有传感光纤，监测主机包括强相干光源和光探测器；包括：S1、强相干光源作为入射脉冲从传感光纤的入射段注入，光探测器接收返回的后向散射信号；S2、监测主机实时读取全段数据，计算当前时刻的光纤末端位置；S3、光纤断裂判断；S4、光纤弯折判断。本发明专利技术可以准确地定位应变变化发生的位置，通过采用COTDR技术，对地铁隧道的施工安全状态进行临时监测，相对于传统的水准测量方法，具有反应灵敏、实时高效、布设灵活等明显优势。

A temporary monitoring method for subway tunnel construction safety based on COTDR

The invention discloses a subway tunnel construction temporary safety monitoring method based on COTDR, by setting a fixed on the top of tunnel spacing, the detection cable passes through the fixing piece, the detection cable extends naturally, detection cable is connected with the monitoring host; a sensing optical fiber cable set detection, including strong coherent light source and host monitoring light detector; including: S1, strong coherent light as the incident pulse injected from the incident section sensing optical fiber, light detector receives the returned backscatter signal; S2, the host monitor real-time access to all data, calculate the fiber end position of the current time; judging S3, fiber fracture; S4, fiber bending judgment. The invention can accurately locate the location of strain change, and adopt COTDR technology to monitor the safety state of subway tunnel temporarily. Compared with the traditional leveling method, it has obvious advantages, such as sensitive response, real-time and high efficiency, flexible layout and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法
本专利技术涉及地铁隧道施工安全监测领域，尤其涉及一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法。
技术介绍
地铁隧道不仅要进行工程运行期间的安全监测，也要进行工程施工期间的安全监测，不能忽略临时监测的重要性和必要性。在盾构推进施工过程中，由于盾构刀头的旋转和对周围土体的挤压等作用，周围土体的内应力发生变化而破坏了土体内部的应力平衡，致使周围土体发生沉降、位移形变，当形变达到一定程度则极有可能引发施工安全事故。所以在盾构推进施工过程中必须通过监测隧道形变来控制盾构推进的进度和盾构本身的状态，从而实现地铁隧道施工过程的信息化，确保施工的质量、进度和安全。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中隧道周围土体容易发生变形，且变形难以及时监测的缺陷，提供一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，在隧道顶部等间距的设置固定件，将探测光缆穿过固定件，使探测光缆自然伸展，探测光缆一端与监测主机相连；探测光缆中设置有传感光纤，监测主机包括强相干光源和光探测器；该方法包括以下步骤：S1、强相干光源作为入射脉冲从传感光纤的入射段注入，光探测器接收返回的后向散射信号，后向散射信号为传感光纤中各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信号；S2、监测主机实时读取运行s秒内的全段数据，全段数据包括探测光缆内各个探测单元的后向散射信号，计算全段数据的平均值，并设置光纤末端判断阈值Te，比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值Te，得到当前时刻的光纤末端位置Pb；S3、光纤断裂判断：监测主机实时监测每隔s秒内的全段数据，计算其平均值，比较平均值和光纤末端判断阈值Te，得到下一时刻的光纤末端位置Pn；若Pb和Pn的偏差在偏差阈值范围内，则更新光纤末端位置使Pb＝Pn；若Pb和Pn的偏差不在偏差阈值范围内，则发出断纤报警，停止更新光纤末端位置Pb；S4、光纤弯折判断：读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，对全段数据进行逐行差分处理得到差分数组，找到差分数组各列的绝对值中的最大值；读取最大值对应差分数组数据，即对应当前时刻的光纤末端位置Pb，在1-Pb位置之间寻找是否存在超过弯折阈值的位置，若存在，则发出弯折报警。进一步地，本专利技术的步骤S2中光纤末端判断阈值的设置方法为：全段数据包括探测信号部分和噪声部分，全段数据经过平均后，有光纤接入的探测信号部分，数值范围没有受到影响，而无光纤接入的噪声部分，数值范围会明显减小，探测信号部分的数值范围高于噪声部分；光纤末端判断阈值，高于噪声部分的数值范围，低于探测信号部分尾部的数值范围。进一步地，本专利技术的步骤S2中比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值，得到当前时刻的光纤末端位置的方法为：从全段数据的尾端开始查找，第一个高于光纤末端判断阈值的位置，即为当前时刻的光纤末端位置。进一步地，本专利技术的步骤S4中处理差分数组的方法具体为：读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，该全段数据为fs×N的数组，fs为采样率，N为最大探测点数；逐行做差分后得到(fs-1)×N的数组，找出这个差分数组各列中绝对值的最大值，得到一个1×N的数组。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，通过相干光时域反射(COTDR)技术将强相干光作为入射光脉冲从光纤的一端注入，光探测器探测到的后向散射信号是各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的结果。传感光纤某区域内的应变发生变化时，由于弹光效应，该区域内光纤的折射率及密度将发生变化，从而导致该区域后向瑞利散射光相位的变化，因此，最终干涉结果将会引起后向瑞利散射光强的变化。通过探测后向瑞利散射光强的变化和入射脉冲与探测到的信号之间的时间延迟，可以准确地定位应变变化发生的位置。本专利技术采用COTDR技术，对地铁隧道的施工安全状态进行临时监测。相对于传统的水准测量方法，具有反应灵敏、实时高效、布设灵活等明显优势。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的监测系统架构及探测光缆在隧道内的安装方式结构示意图；图2是本专利技术实施例的信号处理流程示意图；图3a是本专利技术实施例的一次采样的全段数据与经过1秒(400次采样)平均后的全段数据图a；图3b是本专利技术实施例的一次采样的全段数据与经过1秒(400次采样)平均后的全段数据图b；图4a是本专利技术实施例的常态全段差分数据和6km处光纤弯折的全段差分数据图a；图4b是本专利技术实施例的常态全段差分数据和6km处光纤弯折的全段差分数据图b。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术实施例的基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，在隧道顶部等间距的设置固定件，将探测光缆穿过固定件，使探测光缆自然伸展，探测光缆一端与监测主机相连；探测光缆中设置有传感光纤，监测主机包括强相干光源和光探测器；该方法包括以下步骤：S1、强相干光源作为入射脉冲从传感光纤的入射段注入，光探测器接收返回的后向散射信号，后向散射信号为传感光纤中各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信号；S2、监测主机实时读取运行s秒内的全段数据，全段数据包括探测光缆内各个探测单元的后向散射信号，计算全段数据的平均值，并设置光纤末端判断阈值Te，比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值Te，得到当前时刻的光纤末端位置Pb；COTDR是将强相干光作为入射光脉冲从光纤的一端注入，光探测器探测到的后向散射信号是各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的结果。传感光纤某区域内的应变发生变化时，由于弹光效应，该区域内光纤的折射率及密度将发生变化，从而导致该区域后向瑞利散射光相位的变化，因此，最终干涉结果将会引起后向瑞利散射光强的变化。通过探测后向瑞利散射光强的变化和入射脉冲与探测到的信号之间的时间延迟，可以准确地定位应变变化发生的位置。设置光纤末端判断阈值的方法为：如图3b所示，全段数据经过平均后，有光纤接入的探测信号部分，数值范围没有受到影响，而无光纤接入的噪声部分，数值范围会明显减小。探测信号部分的数值范围明显高于噪声部分。光纤末端判断阈值，应高于噪声部分的数值范围，低于探测信号部分尾部的数值范围。比较比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值，得到当前时刻的光纤末端位置的方法为：从全段数据的尾端开始查找，第一个高于光纤末端判断阈值的位置，即为当前时刻的光纤末端位置。S3、光纤断裂判断：监测主机实时监测每隔s秒内的全段数据，计算其平均值，比较平均值和光纤末端判断阈值Te，得到下一时刻的光纤末端位置Pn；若Pb和Pn的偏差在偏差阈值范围内，则更新光纤末端位置使Pb＝Pn；若Pb和Pn的偏差不在偏差阈值范围内，则发出断纤报警，停止更新光纤末端位置Pb；设置偏差阈值的方法为：偏差阈值指的是每次判断的光纤尾端位置偏差须在一定的范围内，建议值为5。S4、光纤弯折判断：读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，对全段数据进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，其特征在于，在隧道顶部等间距的设置固定件，将探测光缆穿过固定件，使探测光缆自然伸展，探测光缆一端与监测主机相连；探测光缆中设置有传感光纤，监测主机包括强相干光源和光探测器；该方法包括以下步骤：S1、强相干光源作为入射脉冲从传感光纤的入射段注入，光探测器接收返回的后向散射信号，后向散射信号为传感光纤中各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信号；S2、监测主机实时读取运行s秒内的全段数据，全段数据包括探测光缆内各个探测单元的后向散射信号，计算全段数据的平均值，并设置光纤末端判断阈值Te，比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值Te，得到当前时刻的光纤末端位置Pb；S3、光纤断裂判断：监测主机实时监测每隔s秒内的全段数据，计算其平均值，比较平均值和光纤末端判断阈值Te，得到下一时刻的光纤末端位置Pn；若Pb和Pn的偏差在偏差阈值范围内，则更新光纤末端位置使Pb＝Pn；若Pb和Pn的偏差不在偏差阈值范围内，则发出断纤报警，停止更新光纤末端位置Pb；S4、光纤弯折判断：读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，对全段数据进行逐行差分处理得到差分数组，找到差分数组各列的绝对值中的最大值；读取最大值对应差分数组数据，即对应当前时刻的光纤末端位置Pb，在1‑Pb位置之间寻找是否存在超过弯折阈值的位置，若存在，则发出弯折报警。...

【技术特征摘要】
1.一种基于COTDR的地铁隧道施工安全临时监测方法，其特征在于，在隧道顶部等间距的设置固定件，将探测光缆穿过固定件，使探测光缆自然伸展，探测光缆一端与监测主机相连；探测光缆中设置有传感光纤，监测主机包括强相干光源和光探测器；该方法包括以下步骤：S1、强相干光源作为入射脉冲从传感光纤的入射段注入，光探测器接收返回的后向散射信号，后向散射信号为传感光纤中各点返回到入射端的瑞利散射光相互干涉后的信号；S2、监测主机实时读取运行s秒内的全段数据，全段数据包括探测光缆内各个探测单元的后向散射信号，计算全段数据的平均值，并设置光纤末端判断阈值Te，比较全段数据的平均值和光纤末端判断阈值Te，得到当前时刻的光纤末端位置Pb；S3、光纤断裂判断：监测主机实时监测每隔s秒内的全段数据，计算其平均值，比较平均值和光纤末端判断阈值Te，得到下一时刻的光纤末端位置Pn；若Pb和Pn的偏差在偏差阈值范围内，则更新光纤末端位置使Pb＝Pn；若Pb和Pn的偏差不在偏差阈值范围内，则发出断纤报警，停止更新光纤末端位置Pb；S4、光纤弯折判断：读取监测主机获取到的各个间隔s秒的全段数据，对全段数据进行逐行差分处理得到差分数组，找到差分数组各列的绝对值中的最大值；读取最大值对应差分数组数...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玥，董雷，田铭，
申请(专利权)人：武汉理工光科股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42