一种基于量子辅助散射融合的露天矿边坡预警系统和方法

本发明属于地质灾害预警，尤其涉及一种基于量子辅助散射融合的露天矿边坡预警系统和方法。

背景技术：

1、露天矿边坡具有尺度大、地质条件非均质、采动扰动强、降雨入渗明显和监测周期长等特点。边坡失稳通常不是单一测点位移突然超过阈值，而是经历微裂隙活动、局部应力重分布、潜在滑带渐进贯通、变形速率上升以及危险区域空间扩展等过程。因此，边坡监测系统既需要获得长距离、准静态的累积变形，也需要识别局部微裂隙、滑移和振动等动态信息。

2、现有botdr或botda系统能够沿光纤获取布里渊频移并反演分布式应变，适合长距离、长期和单端或双端监测，但其结果容易受到温度、偏振衰落、光源噪声、信号衰减及光缆应变传递状态的影响。现有das或相位敏感otdr系统对动态扰动较为敏感，但其输出主要反映相对相位或动态应变，难以单独表征长期累积变形。若两个系统仅并列布设而缺乏统一的时间、空间和物理约束，容易产生信息重复、报警冲突或误报。同时，布里渊散射信号和瑞利散射信号在长距离传输中受光源强度波动、散粒噪声、偏振衰落及环境公共噪声影响显著，微弱变形信号常被噪声淹没，而现有系统多采用单通道直接检测，缺乏利用参考通道与传感通道相关性进行噪声抑制的机制。

3、量子增强光纤传感可利用压缩态光、量子关联光、量子干涉或纠缠光等方式降低部分噪声影响并提高微弱信号识别能力。相关综述指出，量子增强光纤传感具有用于地下基础设施、地质活动和恶劣环境监测的潜力，同时强调量子传感器在现场部署中仍面临小型化、坚固化、成本和复杂度等问题。因此，将量子测量单元直接作为现有边坡监测系统的必要组成，会增加系统初期实现难度；若完全不考虑量子升级接口，又难以保护未来量子增强在边坡监测中的应用空间。此外，现有系统在经典测量与量子增强测量之间缺乏统一的光路切换和在线校准机制，光源更换或模式切换后需重新布设光缆、重新标定参数并重建风险模型，难以实现平滑升级。

4、在光缆布设方面，现有边坡监测光缆多采用统一结构沿全线铺设，无法针对坡面、钻孔、潜在滑带和坡脚等不同位置的感知需求差异化设计应变传递、振动拾取、温度参考和剪切响应特性，也缺乏稳定区参考光缆为系统噪声提供基准。在数据处理方面，现有边坡光纤监测经常将光纤应变异常直接等同于岩土体变形，未充分区分温度漂移、光缆脱粘、护套滑移、局部弯曲、施工扰动、车辆及爆破振动等因素；单一固定阈值也难以适应不同监测距离、不同季节和不同仪器工作状态，缺乏稳定区噪声归一化、光缆耦合状态诊断和多通道物理一致性判别机制。在风险预警方面，现有系统多依赖单一特征量和固定阈值报警，缺乏融合应变、振动、环境等多源信息的加权风险指标，也缺乏依据异常持续性、空间连续性和多通道一致性对边坡演化阶段进行分级识别的预警策略，误报和漏报问题突出。

5、因而，需要一种兼顾当前可实施性与未来量子升级能力的系统架构，通过可插拔光源、在线自校准、参考通道关联差分、多散射协同感知、分段差异化光缆、稳定区基准、光缆耦合诊断、多源信息融合和多条件约束分级预警，建立从光学测量到风险预警的完整技术链。

技术实现思路

1、基于现有技术存在的技术问题，本发明提供一种基于量子辅助散射融合的露天矿边坡预警系统和方法。

2、依据本发明的技术方案，一种基于量子辅助散射融合的露天矿边坡预警系统，包括光源模块、调制模块、光路切换与校准模块、边坡感知模块、关联差分解调模块、多参数融合模块及风险识别与预警模块；

3、所述光源模块用于发射量子光或经典光，所述量子光包括量子探测光和量子参考光，所述经典光包括经典探测光和经典参考光；

4、所述调制模块用于将所述经典探测光调制为经典探测信号或将所述量子探测光调制为量子探测信号；

5、所述光路切换与校准模块用于在经典低噪声测量模式、量子辅助测量模式和设备自校准模式之间进行切换；

6、当所述光源模块未发出量子光时，采用经典低噪声测量模式，将所述经典探测信号注入所述边坡感知模块；

7、当所述光源模块发出量子光时，采用量子辅助测量模式，将所述量子探测信号注入所述边坡感知模块；

8、当系统首次部署或模式切换时，采用设备自校准模式，将所述经典探测信号或量子探测信号导入预设的内部校准光路以获得校准信号；

9、所述边坡感知模块用于将所述经典探测信号或量子探测信号通过光缆导入目标边坡，得到目标边坡的散射信号；

10、所述关联差分解调模块用于对所述经典参考光与所述散射信号或量子参考光与所述散射信号，进行差分解调，得到监测量；

11、所述多参数融合模块用于对所述监测量进行特征提取和时空融合处理，得到多参数融合特征；

12、所述风险识别与预警模块用于根据所述多参数融合特征对所述目标边坡进行风险等级判定，得到边坡风险等级，并根据所述边坡风险等级发出预警信号。

13、本发明的进一步改进在于：所述光缆包括轴向应变段、动态振动敏感段、松套温度参考段、剪切增强段和噪声参考段中的任意两种或两种以上组合。

14、本发明的进一步改进在于：所述内部校准光路中设置有标准延迟光纤和反射参考点；在所述设备自校准模式下，所述光路切换与校准模块将所述经典探测信号或量子探测信号导入所述内部校准光路，使所述探测信号经所述标准延迟光纤产生已知延迟的返回信号，并经所述反射参考点产生已知距离的反射信号，所述返回信号和反射信号作为校准信号输出至所述关联差分解调模块。

15、本发明的进一步改进在于：所述散射信号包括所述布里渊散射信号和瑞利散射信号。

16、本发明的进一步改进在于：所述关联差分解调模块用于执行以下步骤：

17、对所述散射信号进行光电转换得到传感通道信号，对所述经典参考光或量子参考光进行光电转换，得参考通道信号；

18、根据所述校准信号进行时间补偿，使参考通道信号与传感通道信号在时间上对齐；

19、根据所述时间对齐的传感通道信号与参考通道信号之间的幅度差异，对所述参考通道信号进行衰减调整，使参考通道信号与传感通道信号的幅度相匹配；

20、对所述参考通道信号进行偏振状态调整，使参考通道信号与传感通道信号的偏振方向相匹配；

21、对时间对齐、幅度匹配和偏振匹配后的参考通道信号与传感通道信号之间的协方差进行计算，得到相关系数并进行噪声抑制，得到监测量。

22、本发明的进一步改进在于：所述多参数融合模块用于执行以下步骤：

23、对所述监测量执行距离同步和时间同步，将光纤距离坐标映射至目标边坡工程坐标；

24、从所述监测量中提取布里渊频移，获取目标边坡的温度数据，根据所述布里渊频移与温度数据计算温度补偿应变；

25、选取目标边坡的稳定区域，计算所述稳定区域内应变梯度、相位噪声或散射强度的统计量，根据所述统计量构建归一化基准，并利用所述归一化基准对不同时间、不同距离和不同测量模式下的监测量进行校正；

26、从经温度补偿和归一化校正后的监测量中提取布里渊准静态应变特征和瑞利动态扰动特征；

27、根据所述光缆耦合可信度、异常持续时间和目标频段，自适应分配布里渊通道、瑞利通道和辅助信息通道的融合权重；

28、根据所述布里渊准静态应变特征和瑞利动态扰动特征，以及布里渊频移、布里渊谱宽、瑞利相位、散射强度、空间连续性和动态能量之间的一致性，区分目标边坡真实变形、瞬态扰动、温度漂移以及光缆脱粘、滑移或松弛；

29、根据所述预设的融合权重对所述布里渊准静态应变特征和瑞利动态扰动特征进行时空融合处理，得到多参数融合特征。

30、本发明的进一步改进在于：进行时空融合处理时，还包括辅助特征，所述辅助特征通过获取目标边坡的环境数据后进行特征提取得到，所述辅助特征中包括降雨特征、孔压特征和位移特征。

31、本发明的进一步改进在于：所述多参数融合特征包括温度补偿应变、应变梯度、动态能量、空间连续性、异常持续时间、光缆耦合可信度以及辅助特征，加权计算得到各光纤位置处的风险指标。

32、本发明的进一步改进在于：所述风险识别与预警模块用于执行以下步骤：

33、根据所述多参数融合特征中的温度补偿应变、应变梯度、动态能量、空间连续性、异常持续时间、光缆耦合可信度以及辅助特征，加权计算得到各光纤位置处的风险指标；

34、当光缆同一位置的瑞利动态扰动特征升高但布里渊准静态应变特征未随时间增长时，将目标边坡标记为局部扰动状态；

35、当瑞利动态扰动特征持续出现且应变梯度在光缆相同位置形成时，将目标边坡标记为渐进变形状态；

36、当温度补偿应变持续增大、动态能量持续升高且布里渊准静态应变特征与瑞利动态扰动特征保持一致时，将目标边坡标记为加速变形状态；

37、当异常持续时间不属于预设时间窗口、空间连续性达到预设范围、布里渊准静态应变特征与瑞利动态扰动特征具有一致性且光缆耦合可信度大于等于预设值时，根据所述风险指标和边坡演化状态提高预警等级；

38、根据所述预警等级发出预警信号。

39、依据本发明的技术方案的第二方面，提供一种基于量子辅助散射融合的露天矿边坡预警方法，其包括以下步骤：

40、发射量子光或经典光，所述量子光包括量子探测光和量子参考光，所述经典光包括经典探测光和经典参考光；

41、将所述经典探测光调制为经典探测信号或将所述量子探测光调制为量子探测信号；

42、在经典低噪声测量模式、量子辅助测量模式和设备自校准模式之间进行切换；

43、当未发出量子光时，采用经典低噪声测量模式，将所述经典探测信号注入光缆；

44、当发出量子光时，采用量子辅助测量模式，将所述量子探测信号注入光缆；

45、当首次部署或模式切换时，采用设备自校准模式，将所述经典探测信号或量子探测信号导入预设的内部校准光路以获得校准信号；

46、将所述经典探测信号或量子探测信号通过光缆导入目标边坡，得到目标边坡的散射信号；

47、对所述经典参考光与所述散射信号或量子参考光与所述散射信号，进行差分解调，得到监测量；

48、对所述监测量进行特征提取和时空融合处理，得到多参数融合特征；

49、根据所述多参数融合特征对所述目标边坡进行风险等级判定，得到边坡风险等级，并根据所述边坡风险等级发出预警信号。

50、与现有技术相比较，本发明的上述技术方案具有如下有益技术效果：

51、1、本发明通过量子辅助光源模块发射具有相关性的量子探测光和量子参考光，经调制、光路切换、边坡感知、关联差分解调、多参数融合和风险预警形成完整技术链，解决了现有边坡监测系统中量子增强技术难以现场部署且经典系统噪声抑制能力不足的问题，通过可插拔光源架构兼顾了当前可实施性与未来量子升级能力。

52、2、本发明通过在同一光缆中组合轴向应变段、动态振动敏感段、松套温度参考段、剪切增强段和噪声参考段等不同结构区段，使各位置分别承担应变传递、振动拾取、温度参考、剪切感知和噪声基准等不同感知任务，解决了单一光缆结构难以同时满足准静态应变、动态扰动和温度补偿等多参数测量需求的问题，避免了多缆并行铺设的冗余建设。

53、3、本发明通过在内部校准光路中设置标准延迟光纤和反射参考点，在自校准模式下产生已知延迟的返回信号和已知距离的反射信号作为校准信号，解决了参考通道与传感通道之间时间延迟和距离映射参数难以在线标定的问题，实现了系统首次部署和模式切换时参数的自动校准，保证了经典模式与量子模式切换后监测数据的可比性。

54、4、本发明通过同时获取布里渊散射信号和瑞利散射信号，使布里渊通道负责准静态累积应变和温度耦合量的长距离监测，瑞利通道负责微裂隙活动和瞬态滑移的动态响应捕捉，解决了单一散射机制无法同时覆盖边坡长期变形趋势与短期动力扰动的问题，实现了对边坡从微裂隙发育到加速失稳完整演化过程的多维度感知。

55、5、本发明通过对传感通道信号与参考通道信号依次执行时间对齐、幅度匹配、偏振调整和协方差差分处理，利用两通道之间的相关性抑制光源波动、散粒噪声、偏振衰落及环境公共噪声，解决了长距离分布式光纤监测中微弱散射信号信噪比低、易受公共噪声淹没的问题，提高了边坡微小变形信号的可辨识度。

56、6、本发明通过对监测量依次执行时空同步、温度补偿、稳定区归一化、特征提取、自适应权重分配和多通道一致性判别，将布里渊准静态信息与瑞利动态信息按边坡演化阶段分工融合，并区分真实变形与光缆失耦及瞬态干扰，解决了单一阈值难以适应不同监测条件以及温度漂移和光缆脱粘导致误报的问题。

57、7、本发明通过在时空融合中引入由降雨、孔压和位移等环境数据提取的辅助特征，将光纤监测结果与边坡失稳诱发因素和外部验证信息相结合，解决了纯光学监测缺乏多源交叉验证、难以区分真实变形与外部干扰的问题，当多源数据对同一异常呈现一致趋势时提高异常可信度，不一致时提示光缆失耦，提高了风险判定的可靠性。

58、8、本发明通过将温度补偿应变、应变梯度、动态能量、空间连续性、异常持续时间、光缆耦合可信度及辅助特征加权计算为各光纤位置处的风险指标，并以光缆耦合可信度作为加权乘子，解决了单一特征量难以全面表征边坡风险状态以及光缆异常区段数据污染风险指标的问题，实现了风险的定量评估与异常区段的自动降权。

59、9、本发明通过依据布里渊准静态应变特征与瑞利动态扰动特征的演化趋势将边坡划分为局部扰动、渐进变形和加速变形等阶段，并仅在异常同时满足持续时间、空间连续性、多通道一致性和耦合可信度条件时提高预警等级，解决了单一阈值报警易误报漏报以及无法表征边坡渐进失稳过程的问题，实现了分级预警。