一种边坡测斜管变形监测系统

1.本发明涉及岩土工程监测领域，具体为一种边坡测斜管变形监测系统。


背景技术：

2.在我国西部地区，由于地势高低分布复杂，旱涝灾害、风化导致的水土流失作用强烈，地质环境条件脆弱，加之经济建设的快速发展，各种工程活动对地形变化的影响加剧，如切坡建房、山区公路建设等区域则更有可能发生滑坡灾害。
3.滑坡等突发性灾害具有极强的破坏性，因此社会各方面也加强了对滑坡灾害的监测，地质灾害的监测也越来越成熟。出现了gps法、近景摄影法及大地测量法等监测地表变形的方法，而这类方法无法及时反映土体深部的变形情况；地下监测方式包括分立式测量系统和分布式测量系统。
4.分立式测量系统主要是利用倾角传感器测量边坡测斜管等距离位置的斜度变化，再换算出各点的位移量。该方法常用的倾角传感器包括电式倾角传感器和多点式光纤倾角传感器。电式倾角传感器价格便宜、精度高，但其因为易受电磁干扰、长期供电困难等问题导致操作复杂，可靠性差；多点式光纤倾角传感器采用光纤或光纤光栅测量测斜仪的倾斜角度，并将所测角度转换成测斜仪所在位置的位移值。但该方法在应用时只能测到几个点的倾斜量，通过局部位移值判断测斜管的状态，空间分辨率低，存在较大的误差。分布式测量系统能够实现高空间分辨率，更加精确的反映测斜管的变形情况，因而得到更为广泛的应用。
5.分布式测量系统主要测量粘附在测斜管上的光纤的应力变化，通过测斜管的变形状态实时反映土体深部的位移情况。目前使用较多的分布式测量系统为光纤布里渊传感技术，该方法可以实现分布式测量，但由于测量机理的限制仍然导致其空间分辨率较低，无法实现高精度高空间分辨率的分布式测量。
6.光频域反射(ofdr)技术以其高精度高空间分辨率的优势成为分布式测量系统研究的焦点。在测斜管外部铺设传感光纤通过ofdr系统测量得到测斜管高精度、高空间分辨率的实时变形状态，以此对应土体深部位移的情况。同时，为解决气候带来的温度变化对测量系统的影响，需要额外的温度补偿数据对测量数据进行补偿，传统的补偿方法是通过空套一根自由光纤并列布设进行温度补偿，这种方法不仅使得布设更加复杂，而且在测斜管形变量较大时温度补偿光纤的位置会发生较大的偏移导致补偿不准确。


技术实现要素：

7.本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种边坡测斜管变形监测系统，基于光纤及光栅混合式传感、光频域反射分布式应变传感技术、双干涉相位噪声补偿和偏振分集接收技术，通过弱反射光栅阵列及光频域反射传感系统的融合，简化布设方案，提高系统监测精度，可以用于解决边坡测斜管变形的长期远程实时高空间分辨率监测及布设复杂的问题。
8.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种边坡测斜管变形监测系统，包括：扫频激光器、分光单元、光环形器、传感光纤、第一合光器、第一偏振分束器、第一平衡光探测器、延迟光纤、第二合光器、第二偏振分束器、第二平衡光探测器、计算机和测斜管；
9.其中，扫频激光器的输出端连接分光单元的输入端，分光单元包括四个输出端，用于将扫频激光器的输出光分为四束，分光单元的输出端b连接光环形器的第一端口，光环形器的第二端口连接传感光纤，光环形器的第三端口连接第一合光器的f端口，分光单元的输出端g连接第一合光器的h端口，第一合光器的输出端连接第一偏振分束器的输入端，第一偏振分束器的两个输出端分别连接第一平衡光探测器的两个输入端；
10.分光单元的输出端m连接第二合光器的n输入端，分光单元的输出端o经延迟光纤连接第二合光器的输入端p，第二合光器的输出端连接第二偏振分束器的输入端，第二偏振分束器的两个输出端分别连接第二平衡光探测器的两个输入端；
11.所述计算机的输入端与第一平衡光探测器和第二平衡光探测器的输出端连接，所述计算机的输入端还与扫频激光器的同步信号输出端连接；所述计算机用于根据所述第一平衡光探测器探测信号计算得到光频域反射信号，以及第二平衡光探测器的探测信号计算得到相位噪声信息，并根据相位噪声信号对光频域反射信号进行相位补偿后计算得到传感光纤沿线的变形监测信息；
12.所述传感光纤固定设置在测斜管上。
13.所述的一种边坡测斜管变形监测系统，还包括连接管，所述测斜管有多根，其外周设置有四道安装槽，间隔90
°
分布，其中一道安装槽用于布设传感光纤，所述连接管内侧设置有一对相对位置为180
°
的突起的定位块，所述定位块与测斜管上的两道安装槽配合，将两根相邻测斜管连接。
14.所述的一种边坡测斜管变形监测系统，还包括第一偏振控制器和第二偏振控制器，所述第一偏振控制器设置在所述分光单元的输出端g与所述第一合光器的h端口之间，所述第二偏振控制器设置在所述分光单元的输出端m与所述第二合光器的n端口之间。
15.所述的一种边坡测斜管变形监测系统，还包括第一连续光放大器和第二连续光放大器，所述第一连续光放大器设置在分光单元的输出端b与光环形器的第一端口c之间，所述第二连续光放大器设置在光环形器的第三端口e与第一合光器的输入端f之间。
16.所述传感光纤上等间隔地设置有多个反射光栅形成光栅阵列。
17.扫频激光器的中心波长为1550nm，扫频范围为1540nm到1560nm，所述反射光栅的中心波长为1553.9nm，反射率小于2％，相邻两个反射光栅的距离为40～100cm。
18.所述计算机用于根据第一平衡光探测器的探测信号分别得到各个反射光栅的反射信号和传感光纤中的光频域反射信号，并根据各个反射光栅的数据对该反射光栅周围传感光纤的光频域反射信号进行温度补偿，得到传感光纤沿线的变形监测信息。
19.所述分光单元包括第一光纤耦合器、第二光纤耦合器和第三光纤耦合器，所述第一光纤耦合器的输入端与扫频激光器激光输出端连接，所述第一光纤耦合器的输出端a和输出端l分别连接第二光纤耦合器和第三光纤耦合器的输入端，所述第二光纤耦合器的两个输出端分别为分光单元的输出端b和输出端g，第三光纤耦合器的两个输出端分别为分光单元的输出端m和输出端o。
20.所述第一光纤耦合器的输出端a和输出端l的分光比为90:10，第二光纤耦合器的输出端b与输出端g的分光比为90:10，第三光纤耦合器的输出端m与输出端o的分光比为50:50。
21.本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
22.1、区别于现有的测斜管形变监测技术，本发明提供了一种边坡测斜管变形监测系统，在利用ofdr技术保证了高精度及高空间分辨率的基础上，使用单根刻有温度补偿光栅的传感光纤对测斜管进行应变监测，简化了布设方案，可实现长期远程实时监测，不需要人工频繁的现场监测，监测结果更精确，并且能够实时反馈边坡的变形情况，且有更高的可靠度，解决了供电及电磁干扰的问题，能够及时可靠地预警灾害的发生，减少损失。
23.2、本发明基于光纤及光栅混合式传感、光频域反射分布式应变传感技术、双干涉相位噪声补偿和偏振分集接收技术，融合后的系统兼具多者优势并弥补主要缺点，利用光纤及光栅混合式传感方法对测斜管的形变进行测量并进行温度补偿，能对系统的相位噪声进行补偿，减小偏振衰落，提高信噪比和空间分辨率，进一步提升系统的实时准确监测能力，能更好的反映测斜管的形变。
24.3、另外，本发明在设计高空间分辨率实时监测系统的基础上，简化了布设方案，增强了系统的适用性和可操作性。
附图说明
25.图1为本发明实施例一提供的一种边坡测斜管变形监测系统的结构示意图；
26.图2为本发明实施例一中测斜管布设的示意图；
27.图3为本发明实施例一中测斜管与连接管的剖视结构示意图；
28.图4为本发明实施例二提供的一种边坡测斜管变形监测系统的结构示意图；
29.其中，附图标记为：1-扫频激光器，2-第一光纤耦合器，3-第二光纤耦合器，4-第一连续光放大器，5-光环形器，6-传感光纤，7-第二连续光放大器，8-第一偏振控制器，9-第一合光器，10-第一偏振分束器，11-第一平衡光探测器，12-第三光纤耦合器，13-第二偏振控制器，14-延迟光纤，15-第二合光器，16-第二偏振分束器，17-第二平衡光探测器，18-计算机，19-测斜管，20-连接管，21-反射光栅。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例一
32.如图1～2所示，本发明实施例一提供了一种边坡测斜管变形监测系统，包括：扫频激光器1、分光单元、光环形器5、传感光纤6、第一合光器9、第一偏振分束器10、第一平衡光探测器11、延迟光纤14、第二合光器15、第二偏振分束器16、第二平衡光探测器17、计算机18和测斜管19。
33.其中，扫频激光器1的输出端连接分光单元的输入端，分光单元包括四个输出端，
用于将扫频激光器1的输出光分为四束，分光单元的输出端b连接光环形器5的第一端口c，光环形器5的第二端口d连接传感光纤6，光环形器5的第三端口e连接第一合光器9的f端口，分光单元的输出端g连接第一合光器9的h端口，第一合光器9的输出端连接第一偏振分束器10的输入端，第一偏振分束器10的两个输出端分别连接第一平衡光探测器11的两个输入端；分光单元的输出端m连接第二合光器15的n输入端，分光单元的输出端o经延迟光纤14连接第二合光器15的输入端p，第二合光器15的输出端连接第二偏振分束器16的输入端，第二偏振分束器16的两个输出端分别连接第二平衡光探测器17的两个输入端；所述计算机18的输入端与第一平衡光探测器11和第二平衡光探测器17的输出端连接，所述计算机18的输入端还与扫频激光器1的同步信号输出端连接；所述计算机18用于根据所述第一平衡光探测器11探测信号计算得到光频域反射信号，以及第二平衡光探测器17的探测信号计算得到相位噪声信息，并根据相位噪声信号对光频域反射信号进行相位补偿后计算得到传感光纤6沿线的变形监测信息。
34.具体地，如图2所示，所述传感光纤6固定设置在测斜管19上。
35.进一步地，如图3所示，所述测斜管19为空心的pvc圆柱形杆件，单节长度为两米，外部设有四道安装槽，间隔90
°
分布。可用于布设光纤。进一步地，如需使用多根测斜管19，则本实施例的一种边坡测斜管变形监测系统，还包括连接管20，测斜管19与测斜管19之间利用连接管20连接。连接管20单节长度为200-400mm，内部有一对相对位置为180
°
的突起的定位块，所述定位块与测斜管19上的两道安装槽配合，将两根相邻测斜管19连接。
36.在地面上依次排列测斜管19和连接管20，将传感光纤6从一侧安装槽穿过到最后一根测斜管19的底部，并在尾端打环以减弱菲涅尔反射。之后预拉伸应变传感光纤6使其与测斜管19紧贴并用环氧树脂将应变传感光纤6固定于安装槽内。之后用螺钉将连接管20和两根测斜管19紧密连接，螺钉不应伤害到光纤。最后用橡胶盖封套在最后一根测斜管19的末端，防止安装过程中有异物进入。
37.将测斜管19放置在已打好的安装孔内，有橡胶盖的底部先放入安装孔，并确保测斜管19竖直伸入到安装孔的底部。
38.转动测斜管19使应变传感光纤6所在的一对安装槽与所测坡度倾斜方向一致。
39.在测斜管19与安装孔之间填入回填材料，以固定测斜管19。
40.系统布设完成后，测斜管19随着土体的位移产生的变形会使得传感光纤6同步变形。以测斜管19的圆心为原点，与坡度平行方向为x轴，与坡度垂直方向为y轴建立直角坐标系，由于土体通常以x轴方向移动，会导致测斜管19随土体移动而发生形变，同时导致传感光纤6局部发生拉伸应变。由此，即可通过基于光频域反射技术的应变传感，获得因土体位移引起的测斜管19形变所带来的应变传感光纤6上的应变。
41.本实施例中，扫频激光器1周期性发出幅度恒定、相位连续、中心波长为1550nm，扫频范围为1540nm到1560nm的线性扫频光信号。第一合光器9和第二合光器15可以为分光比为1：1的光纤耦合器。分光单元可以为1
×
4的光纤耦合器，也可以为其它多个二分光器件的组合，例如通过一个二分光器件将光束分为两束，再通过两个二分光器件将两束光分别分为两束一共得到4束光，二分光器件可以为45
°
分束镜，也可以为1
×
2的光纤耦合器。
42.具体地，如图1所示，本实施例中，所述传感光纤6上等间隔地设置有多个反射光栅21形成光栅阵列。所述反射光栅21的中心波长为1553.9nm，反射率小于2％，相邻两个反射
光栅21的距离为40～100cm。具体地，本实施例中，反射光栅21的反射率优选为1％，相邻两个反射光栅21的距离为50cm。由于反射光栅21和ofdr都对温度和应变较为敏感，通过分布的反射光栅21所测的信号对该反射光栅21周围部分光纤的ofdr应变信号进行温度补偿，根据所获得的应变和温度信息，可实时还原测斜管19各个位置的弯曲情况，进而实时监测土体深部位移情况，实现分布式形状传感。
43.本实施例中，扫频激光器1发出的线性扫频光信号经分光单元后分为四束，其中两束为探测光与参考光，另外两束为标准光和延迟光，探测光输出到光环形器5的第一端口c，并从光环形器5的第二端口d输出到传感光纤6。传感光纤6后向散射返回到光环形器5的第二端口d，并从第三端口e输出后进入到第一合光器9的输入端f；参考光进入到第一合光器9的输入端h。进入第一合光器9输入端f的传感光纤6的后向散射光与进入第一合光器9输入端h的参考光以1:1的比例结合为主干涉结合光，并输出到第一偏振分束器10中分为偏振态相互正交的快轴分量和慢轴分量。其中，主干涉结合光的快轴分量由传感光纤6后向散射光的快轴分量和参考光的快轴分量结合而成，输出到第一平衡光探测器11的输入端i；主干涉结合光的慢轴分量由传感光纤6后向散射光的慢轴分量和参考光的慢轴分量结合而成，输出到第一平衡光探测器11的输入端j；在第一平衡光电探测器11中，传感光纤6后向散射光的快轴分量与参考光的快轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到主干涉快轴拍频信号；传感光纤6后向散射光的慢轴分量与参考光的慢轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到主干涉慢轴拍频信号。第一平衡光电探测器将主干涉快轴拍频信号和主干涉慢轴拍频信号的差分信号输出至计算机18的k端口，实现对两个正交偏振光的偏振分集接收，减少因偏振衰落带来的信噪比恶化，提高了系统信噪比。计算机18从输入端口k接收到来自主干涉系统的信号，分别解调弱反射光栅信号和光频域反射信号，由于土层温度是渐变的，因此通过每个反射光栅21所测得数据对该反射光栅21周围传感光纤6的应变传感信号进行温度补偿，得到较为准确的变形监测信号。
44.其中，标准光输入到第二合光器15的输入端n，延迟光通过延迟光纤14输出到第二合光器15的输入端p，第二合光器15将来自输入端n的标准光和输入端p的延迟光经过1:1比例结合为辅助干涉结合光，并输出到第二偏振分束器16的输入端，并通过第二偏振分束器16分为偏振态相互正交的快轴分量和慢轴分量。其中，辅助干涉结合光的快轴分量由标准光的快轴分量和延迟光的快轴分量结合而成，输出到第二平衡光探测器17的输入端q；辅助干涉结合光的慢轴分量由标准光的慢轴分量和延迟光的慢轴分量结合而成，输出到第二平衡光探测器17的输入端r；在第二平衡光电探测器17中，标准光的快轴分量与延迟光的快轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到辅助干涉快轴拍频信号；标准光的慢轴分量与延迟光的慢轴分量发生相干拍频并转为电信号，得到辅助干涉慢轴拍频信号。第二平衡光电探测器将辅助干涉快轴拍频信号和辅助干涉慢轴拍频信号的差分信号输出至计算机18的s端口，实现对两个正交偏振光的偏振分集接收，减少因偏振衰落带来的信噪比恶化，提高了系统信噪比。计算机18从输入端口s接收到来自辅助干涉系统的信号并分析，获得系统相位噪声信息，以补偿来自主干涉系统信号的相位噪声，从而使传感光纤6的应变传感信号相位噪声减小。
45.其中，扫频激光器1发出与扫频同步的脉冲发生信号，该同步脉冲发生信号输出到计算机18的输入端t，作为计算机18的信号采集起始触发信号，实现激光扫频与信号采集的
时间同步。
46.具体地，本实施例中，所述计算机18用于根据第一平衡光探测器11的探测信号分别得到各个反射光栅21的反射信号和传感光纤6中的光频域反射信号，并根据各个反射光栅21的数据对该反射光栅21周围传感光纤6的光频域反射信号进行温度补偿，得到传感光纤6沿线的变形监测信息。计算机18将测斜管19形变测量数据采集处理完成后，还用于根据设定的阈值标准判断是否存在地质灾害的危险，并发出地质灾害预警等级，将测量和预警数据汇总并上传至云端，实现实时反馈。
47.实施例二
48.如图4所示，本发明实施例二提供了一种边坡测斜管变形监测系统，与实施例一相同的是，其包括：扫频激光器1、分光单元、光环形器5、传感光纤6、第一合光器9、第一偏振分束器10、第一平衡光探测器11、延迟光纤14、第二合光器15、第二偏振分束器16、第二平衡光探测器17、计算机18和测斜管19。
49.与实施例一不同的是，本实施例中，还包括第一偏振控制器8和第二偏振控制器13，所述第一偏振控制器8设置在所述分光单元的输出端g与所述第一合光器9的h端口之间，所述第二偏振控制器13设置在所述分光单元的输出端m与所述第二合光器15的n端口之间。其中，第一偏振控制器8用于调节参考光的偏振，进而调节进入第一合光器9的参考光的功率，通过调整第一偏振控制器8，可以使主干涉快轴拍频信号与主干涉慢轴拍频信号的功率接近，便于第一平衡光电探测器11得到主干涉快轴拍频信号和主干涉慢轴拍频信号的差分信号。第二偏振控制器13用于调节标准光的偏振，进而调节进入第二合光器15的标准光的功率，通过调整第二偏振控制器13，可以使辅助干涉快轴拍频信号与辅助干涉慢轴拍频信号的功率接近，便于第二平衡光电探测器17得到辅助干涉快轴拍频信号和辅助干涉慢轴拍频信号的差分信号。此外，也可以通过设置光衰减器等其它方式进行功率的调节。
50.进一步地，与实施例一不同的是，本实施例的一种边坡测斜管变形监测系统，还包括第一连续光放大器4和第二连续光放大器7，所述第一连续光放大器4设置在分光单元的输出端b与光环形器5的第一端口c之间，所述第二连续光放大器7设置在光环形器5的第三端口e与第一合光器9的输入端f之间。通过第一连续光放大器4，可以放大进入传感光纤6的探测光的功率，增加系统的信号比，通过第二连续光放大器7，可以放大传感光纤6中产的后向散射光的功率，进一步增加系统的信号比。
51.进一步地，本实施例中，所述分光单元包括第一光纤耦合器2、第二光纤耦合器3和第三光纤耦合器12，所述第一光纤耦合器2的输入端与扫频激光器1激光输出端连接，所述第一光纤耦合器2的输出端a和输出端l分别连接第二光纤耦合器3和第三光纤耦合器12的输入端，所述第二光纤耦合器3的两个输出端分别为分光单元的输出端b和输出端g，第三光纤耦合器12的两个输出端分别为分光单元的输出端m和输出端o。
52.具体地，本实施例中，所述第一光纤耦合器2的输出端a和输出端l的分光比为90:10。第二光纤耦合器3的两个输出端口的分光比为90:10，即端口b与端口g的分光比为90:10，第三光纤耦合器12两个输出端口的分光比为50:50，即端口m与端口o的分光比为50:50。
53.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。