基于分布式光纤的海底隧道衬砌裂缝实时监测方法技术

本发明专利技术涉及海底隧道裂缝监测技术领域，公开了一种基于分布式光纤的海底隧道衬砌裂缝实时监测方法，沿海底隧道长度方向取若干个横截面为布置单元，在每个布置单元的衬砌上布置若干个光纤传感器，光纤传感器沿海底隧道的长度方向形成若干个光纤路径，光纤路径的末端通过光纤终端盒与光纤光栅解调仪连接，获取光纤传感器采集到的数据样本，将海底隧道沿长度方向划分为若干个子区域，通过计算每个子区域的霍特林统计量分量是否超出分量阈值来定位异常出现在哪个子区域内

【技术实现步骤摘要】
基于分布式光纤的海底隧道衬砌裂缝实时监测方法


[0001]本专利技术涉及海底隧道裂缝监测
，具体涉及一种基于分布式光纤的海底隧道衬砌裂缝实时监测方法
。

技术介绍

[0002]海底隧道不占地，不受战争和净空的约束，也不受海上天气的影响，是一种非常便捷的通航方式
。
相比于建设期，海底隧道的运营期是一个重要的过程
。
因为海底隧道周围有海水腐蚀
、
以及隧道内特殊的潮湿环境，一旦衬砌结构出现开裂或者应变过大，容易造成衬砌结构的内部腐蚀，因此海底隧道运营期监测至关重要
。
[0003]目前常用的监测方式有电阻式应变片
、
振弦式应变计
。
电阻式应变计一般与材料的性质有关，电阻式应变片发生的零点漂移会使其长期测试结果产生严重的失真
。
振弦式应变计是通过弦的拉力与振弦拉力变化来测量应变，振弦计的灵敏度较好，但因振弦丝长期处于张紧状态蠕变对其影响较大
。
这两种传感器各自都有优点，但是对于连续长断面的测量，传感器需要布置大量线，且测点复杂时无法进行测量，适用性受到很大限制，在结构受电磁影响时，传感器的数据无法精确的获得，并且此种设备运行成本较高
。
[0004]总之，传统对海底隧道应变损伤的监测方法效率低下
、
精度不高
、
不能随时和长期对衬砌损伤进行监测，无法确定衬砌的应变核心点和损伤分布情况，离散应变测量由于测点密度较低，所以带来结构覆盖范围有限
、
损伤敏感性低等缺点，不能有针对性的对衬砌进行有效的监测
。
[0005]由此可见常规的传感器已经逐渐无法满足海底隧道渐变环境的监测要求
。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是针对上述技术的不足，提供一种基于分布式光纤的海底隧道衬砌裂缝实时监测方法，实现了对海底隧道长期荷载条件下的实时裂缝监测，从而可以对海底隧道的衬砌进行针对性的加固，保证海底隧道的稳定
。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所涉及的基于分布式光纤的海底隧道衬砌裂缝实时监测方法，沿海底隧道长度方向取若干个横截面为布置单元，在每个布置单元的衬砌上布置若干个光纤传感器，所述光纤传感器沿海底隧道的长度方向形成若干个光纤路径，所述光纤路径的末端通过光纤终端盒与光纤光栅解调仪连接，获取所述光纤传感器采集到的数据样本，将所述海底隧道沿长度方向划分为若干个子区域，通过计算每个子区域的霍特林统计量分量是否超出分量阈值来定位异常出现在哪个子区域内
。
[0008]优选地，令监测样本矩阵
X∈R
a
表示所述光纤传感器采集到数据样本的向量，
a
为子区域的个数，其中包含重复采集
n
次获得数据样本的向量，即
X
＝
[x1,x2,x3,x4...,x
n
]∈R
a
×
n
，对于监测样本矩阵
X
＝
[x1,x2,x3,x4...,x
n
]∈R
a
×
n
，仅保留从第
j
行到
j+s
‑1行的变量值
X
j
(j
＝
1,2,
···
,a)
，
a
＜
n
，
s
表示每个子区域内含有的布置单元的个数，令其余变量
X
k
(k
＝
1,2,
···
,i
‑
1,i+1,
···
a)
全部为0，即：
[0009][0010]其中
[0011]将监测样本矩阵
X
扩充
a
次所获得的
a
个全新的监测样本矩阵
X
j
∈R
a
×
n
(j
＝
1,2,
···
,a)
进行归一化处理，然后进行特征值分解和
PCA
分析：
[0012]R
＝
E(XX
T
)
＝
P
Λ
P
T
[0013]R
表示协方差矩阵，为
a
个特征值组成的对角矩阵
[
λ1,
λ2,
···
,
λ
n
]，
P
＝
[P1,P2,
···
,P
n
]表示
a
个特征向量组成的标准正交矩阵，进行如下线性变换：
[0014]t
＝
P
T
X
，
[0015]其中
t
为原始数据进行坐标转换后的主成分，
PCA
方法使用贡献率进行排序，给出变换后的
a
个主成分进行排序，前
r
个主成分贡献率之和成为
a
个主成分的累计贡献率，
r<a
，基于累计方差准则，取前
r
个主成分，使累计贡献率不低于贡献率阈值，选择
PCA
模型前
r
个主方向张成主子空间剩余的
(a
‑
r)
个主方向张成误差子空间在统计控制过程中，对于监测样本矩阵
X
，分别基于主子空间和误差子空间进行计量：
[0016][0017]其中，
T2表示霍特林统计量，对
t
＝
P
T
X
进行
PCA
分析，将
X
j
∈R
a
×
n
(j
＝
1,2,
···
,a)
代入计算获得
a
个霍特林统计量
(Tj)2，即为监测样本矩阵
X
的霍特林统计分量，通过核密度估计确定安全阈值将
T2与安全阈值进行比较，当时，判定监测数据存在异常
。
[0018]优选地，将监测数据存在异常的子区域记为取该子区域前后相邻的子区域与进行计算，计算其是否存在异常，若子区域与也有异常，则异常区域为四个异常点围成的长方形之间，若子区域与则异常区域为
[0019]优选地，在进行异常子区域定位后，计算异常子区域内的裂缝宽度，当光纤在裂缝与衬砌结构处产生滑移时，若裂缝宽度
w
变大，光纤与衬砌结构的变形是一致的，设滑移段的长度为
L
，光纤在
L
范围内的平本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于分布式光纤的海底隧道衬砌裂缝实时监测方法，其特征在于：沿海底隧道长度方向取若干个横截面为布置单元，在每个布置单元的衬砌上布置若干个光纤传感器，所述光纤传感器沿海底隧道的长度方向形成若干个光纤路径，所述光纤路径的末端通过光纤终端盒与光纤光栅解调仪连接，获取所述光纤传感器采集到的数据样本，将所述海底隧道沿长度方向划分为若干个子区域，通过计算每个子区域的霍特林统计量分量是否超出分量阈值来定位异常出现在哪个子区域内
。2.
如权利要求1所述基于分布式光纤的海底隧道衬砌裂缝实时监测方法，其特征在于：令监测样本矩阵
X∈R
a
表示所述光纤传感器采集到数据样本的向量，
a
为子区域的个数，其中包含重复采集
n
次获得数据样本的向量，即
X
＝
[x1,x2,x3,x4...,x
n
]∈R
a
×
n
，对于监测样本矩阵
X
＝
[x1,x2,x3,x4...,x
n
]∈R
a
×
n
，仅保留从第
j
行到
j+s
‑1行的变量值
X
j
(j
＝
1,2,
···
,a)
，
a
＜
n
，
s
表示每个子区域内含有的布置单元的个数，令其余变量
X
k
(k
＝
1,2,
···
,i
‑
1,i+1,
···
a)
全部为0，即：，即：
i
＝
1,2,
···
,a
其中将监测样本矩阵
X
扩充
a
次所获得的
a
个全新的监测样本矩阵
X
j
∈R
a
×
n
(j
＝
1,2,
···
,a)
进行归一化处理，然后进行特征值分解和
PCA
分析：
R
＝
E(XX
T
)
＝
P
Λ
P
T
R
表示协方差矩阵，为
a
个特征值组成的对角矩阵
[
λ1,
λ2,
···
,
λ
n
]
，
P
＝
[P1,P2,
···
,P
n
]
表示
a
个特征向量组成的标准正交矩阵，进行如下线性变换：
t
＝
P
T
X
，其中
t
为原始数据进行坐标转换后的主成分，
PCA
方法使用贡献率进行排序，给出变换后的
a
个主成分进行排序，前
r
个主成分贡献率之和成为
a
个主成分的累计贡献率，
r<a...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗忆，张梦晨，李新平，龚航里，张贤齐，张金瑞，范然，杨春能，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：