一种采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统

本发明属于露天煤矿滑坡监测，具体为一种采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统。

背景技术：

1、在岩土工程施工及运营过程中，土体变形监测是评价边坡、路基、基坑等结构稳定性的重要手段，目前常用的变形监测方法主要包括传统位移计、水准测量、gps定位以及分布式光纤传感技术，其中，分布式光纤传感技术因具有抗电磁干扰、耐腐蚀、可沿线路连续测量等优点，逐渐被应用于土体内部应变监测。

2、然而，现有分布式光纤传感系统在土体变形监测应用中仍存在不足，光纤与土体之间的力学耦合效果直接影响应变测量的准确性，在回填施工过程中，土体中尖锐颗粒容易对光缆护套造成损伤，且土体与光缆之间的相对滑移会导致应变传递效率下降，此外，环境温度变化对应变测量的干扰难以消除，常规的温度补偿方法需要在光缆沿线设置多个温度传感器，增加了系统复杂度和成本，在布设方式上，现有方案多采用光纤直接埋入土体，光缆在相邻锚固点之间处于自由状态，土体局部挤压会在光纤中产生非预期的应变信号，导致监测数据失真。

3、在位移监测方面，传统视觉监测系统虽然能够提供高精度的节点位移数据，但易受雨雾、遮挡等环境因素影响，当监测目标被遮挡时视觉系统无法正常工作，与此同时，光纤传感数据与视觉位移数据之间缺乏有效的融合机制，两类数据各自独立处理，难以综合判断土体变形状态，现有系统在锚固结构设计上，多采用被动锚固方式，锚固力不可调节，在土体侧向位移较大时锚固点容易松动，影响传感光缆的位置固定和变形传递。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统，解决了现有土体变形监测系统中光纤传感数据与视觉位移数据缺乏有效融合，且传感光缆在土体中易受局部挤压干扰导致监测精度和可靠性不足的问题。

2、依据本发明的技术方案，提供一种采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统，包括光纤传感监测模块、稳固锚固执行模块、高程校准微调模块、光学视觉监控模块以及数据解调与融合模块；

3、光纤传感监测模块沿待监测土体表面布设，用于利用内部传感光缆与土体变形产生机械耦合，获取全线范围内的应变光信号；

4、稳固锚固执行模块设置于所述光纤传感监测模块的各个离散监测节点处，埋入待监测土体内部，用于将传感光缆相对于待监测土体进行空间位置固定，并在土体发生侧向变形时抵抗侧向土压力；

5、高程校准微调模块连接所述稳固锚固执行模块与所述光纤传感监测模块，用于调节相邻节点之间传感光缆的初始水平高度；

6、光学视觉监控模块安装于待监测土体外围的稳定基准面上，对准各个监测节点处的锚固结构，用于获取节点的三维物理位移影像数据；

7、数据解调与融合模块分别与所述光纤传感监测模块和所述光学视觉监控模块通信连接，用于同步接收光信号与影像数据，计算并输出土体变形量参数。

8、优选地，所述采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统中，所述光纤传感监测模块包括传感光缆、节点锚固件、隔离护套和冗余松套光纤；

9、传感光缆采用带状或扁平状结构，其外围包覆聚氨酯护套；

10、节点锚固件设置于各个离散监测节点位置，内部具有贯穿通道，所述传感光缆沿所述贯穿通道依次穿过各节点锚固件，并通过注胶工艺填充的胶粘剂与节点锚固件形成刚性固定连接；

11、隔离护套套设于相邻节点锚固件之间的传感光缆外侧，采用硬质管状结构，其内径大于传感光缆的外径，使传感光缆在隔离护套内部处于自由松弛状态；

12、冗余松套光纤预留于传感光缆的两端，处于松套封装状态，其外围封装套管与传感光缆的聚氨酯护套分离，用于提供温度补偿基准信号。

13、进一步地，节点锚固件的贯穿通道内壁与传感光缆之间的空隙处通过注胶工艺填充胶粘剂，使传感光缆与节点锚固件形成刚性固定连接，该刚性固定连接保证土体变形通过节点锚固件直接传递至传感光缆，不发生相对滑移。

14、进一步地，隔离护套的外壁与回填土体直接接触，用于将回填土体的直接挤压作用力与传感光缆隔离，避免点间区域土体对传感光缆产生非预期的局部应变干扰。

15、优选地，所述采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统中，所述稳固锚固执行模块包括固定架、安装壳、螺杆、压板、压块、两块坡面块、活动板、滑杆、滑套、导向条和导向槽：固定架上端与所述高程校准微调模块连接；安装壳为中空壳体结构，与所述固定架的下端固定连接，侧壁开设有供稳定插杆穿过的通孔；螺杆竖直安装于所述固定架的中心位置，上端伸出固定架并连接有旋钮，下端伸入所述安装壳内部，螺杆与固定架之间设置有轴承；压板位于安装壳内部，其中心螺纹孔与螺杆的螺纹段配合；压块固定连接于压板的底面，横截面为楔形，两侧具有对称设置的斜面；两块坡面块对称布置于压块的两侧，靠近压块的一侧设置有与压块的斜面平行的配合斜面，远离压块的一侧与活动板固定连接，坡面块的底部与安装壳的底面之间设置有拉簧，拉簧的两端分别连接两块坡面块；活动板竖直设置，其外侧表面与多根稳定插杆的内端固定连接，稳定插杆的外端指向安装壳侧壁的通孔；滑杆水平固定于安装壳内部，轴线方向与稳定插杆的伸出方向平行；滑套套设于滑杆外部，与活动板固定连接，沿滑杆的轴线方向滑动；导向条固定于安装壳的内壁，延伸方向与稳定插杆的伸出方向平行；导向槽开设于活动板的外侧表面，与导向条配合，沿导向条滑动。

16、优选地，所述采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统中，所述高程校准微调模块包括限位轨、定位板、螺栓、定位杆和定位套；限位轨为竖直设置的条形结构，后侧表面设置有高度标尺，前侧表面为滑动面；定位板后侧表面贴合于限位轨的前侧表面，可沿竖直方向上下滑动，后侧边缘固定连接有指针，指针的尖端指向高度标尺的刻度线；螺栓穿过限位轨的条形孔与定位板的螺纹孔配合，螺栓头部与限位轨的前侧表面之间设置有金属垫圈；定位杆竖直固定连接于定位板的前侧表面；定位套固定连接于所述固定架的上端，其内孔与定位杆的外径配合，定位杆插入定位套的内孔中形成滑动副。

17、优选地，所述采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统中，所述光学视觉监控模块包括底板、可调支架和高清摄像头；

18、底板为平板状结构，底面设置有安装耳片，安装耳片上开设有安装孔，安装孔用于穿设锚固螺栓将底板固定于稳定基准面；

19、可调支架下端固定连接于底板的上表面，为万向节结构；

20、高清摄像头与可调支架的上端连接，其镜头视场中心对准监测节点处的锚固件特征区域，锚固件特征区域为固定于锚固件表面的彩色靶标或反光标志点。

21、优选地，所述采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统中，所述数据解调与融合模块包括数据接收单元、温度补偿单元、位移转换单元、应变反演单元和数据融合单元；

22、数据接收单元用于分别接收光纤传感监测模块输出的布里渊频移数据以及光学视觉监控模块输出的图像数据，并对接收的数据执行时间戳标记；

23、温度补偿单元与数据接收单元连接，用于从布里渊频移数据中提取光纤传感监测模块两端冗余松套光纤位置处的频移数据作为环境温度变化引起的频移分量，并从各监测节点位置的布里渊频移数据中扣除该频移分量，得到纯机械应变频移量；

24、位移转换单元与数据接收单元连接，用于对图像数据执行机器视觉处理获取像素位移，并通过标定参数将像素位移转换为物理空间中的相对位移量，再结合高程校准微调模块记录的初始高程标定数据将相对位移量转换为绝对位移量；

25、应变反演单元与温度补偿单元连接，用于将纯机械应变频移量转换为传感光缆的物理应变，并基于物理应变分布反演锚固件位置的土体位移量，得到光纤反演位移量；

26、数据融合单元分别与位移转换单元和应变反演单元连接，用于接收绝对位移量和光纤反演位移量，并根据光学视觉监控模块的影像状态选择加权融合或光纤反演模式输出土体变形综合监测值。

27、进一步地，所述温度补偿单元从总布里渊频移量中扣除从冗余松套光纤位置提取的仅由环境温度变化引起的频移量，得到剥离温度影响后的纯机械应变频移量。

28、优选地，所述采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统中，所述数据融合单元检测光学视觉监控模块的影像状态，当影像状态为无遮挡时，对绝对位移量和光纤反演位移量执行加权融合；当影像状态为遮挡时，利用光纤反演位移量与盲区补偿系数计算土体变形综合监测值。

29、与现有技术相比较，本发明提供了一种采用传感光缆的土体变形量实时感知和监测系统。具备以下有益效果：

30、1、本发明通过数据解调与融合模块对光纤传感监测模块输出的布里渊频移数据与光学视觉监控模块输出的图像数据进行时间戳对齐和融合处理，实现了分布式应变监测与节点位移监测的互补，光学视觉监控模块在影像无遮挡时提供高精度绝对位移量，在遮挡时切换至光纤反演模式并利用盲区补偿系数计算变形值，避免了单一传感器在复杂土体环境中因遮挡或信号丢失导致的数据缺失问题，提高了监测系统的鲁棒性。

31、2、本发明通过旋钮驱动螺杆使压块向下移动，压块的斜面挤压坡面块的配合斜面，推动活动板沿滑杆水平移动，使稳定插杆从安装壳伸出并嵌入周围土层，该结构将纵向旋转运动转换为横向直线运动，在土体内部形成侧向抗压锚固点，当土体发生侧向位移时，稳定插杆将侧向压力直接传递至光纤传感监测模块，降低了传感光缆与土体之间的相对滑移，提高了应变传递的可靠性，高程校准微调模块通过定位板沿限位轨的滑动和指针在高度标尺上的指示，实现了相邻节点间传感光缆初始水平高度的精确调节，并为位移转换单元提供了初始高程标定数据，使光学视觉监控模块采集的相对位移量能够转换为绝对位移量。

32、3、本发明通过注胶形成刚性固定连接，在相邻节点锚固件之间通过隔离护套与回填土体隔离，使传感光缆仅在锚固节点处承受土体变形力，避免了点间区域土体非预期挤压对光缆产生的局部应变干扰，传感光缆两端的冗余松套光纤与聚氨酯护套分离，仅与周围环境温度发生热交换，为温度补偿单元提供了纯净的温度频移分量，降低了温度变化对布里渊应变测量的干扰，提升了应变反演结果的准确性。