基于分布式传感光纤的隧道监控方案大纲

1、基于分布式传感光纤的隧道监控方案（大纲）1. 概述22. 光纤传感系统22.1长距离的连续性监测32.1.1植入式32.2.2附着式42.2随机点的参数监测42.3网式的全方位监测52.4具体方案53. 数据采集系统64. 传输与通讯系统75. 实时监控中心管理系统72.1长距离的连续性监测分布式光纤传感技术的优点在于一根光纤传感器替代上千个点式传感器。H前单根光纤可达1000米以上，在1000米范圉内大约有20000个测点；儿 根光纤还可以串联起来形成一条光路使用，PPP-BOTDA技术的最大量程可超过 25km。传统的传感技术如单点式，性价比不高，效率低下：准分布式系统测量精度 较高、可测

2、量参数多、信号处理较简单、但不连续。而分布式系统空间分辨率高、 能够实现空间上连续检测、系统利用率高。应用分布式传感光纤对隧道进行监测，其传感光纤可以植入结构物里面，也 可粘贴在结构物表面。2.1.1植入式在实际工程中可能有两种布设方式：采用紧套光缆直接布置于混凝土垫层 内：采用铝塑管等对光缆进行保护后布置于混凝土垫层内。但是山于光纤脆弱，可能因为山于施工受到损伤，其至折断，故实际工程中, 应合理地设讣光纤的保护方案与设计光纤的布设方案。这时也可以考虑使用光纤 复合智能筋。光纤复合智能筋是将光纤与FRP材料复合成筋（将传感光纤布置到FRP材料 当中），兼具受力与传感特性、集结构材料和功能材料于

3、一体，具有工程布设简 单、量程大、耐久性好、精度高、自动化等突出优点。分布式光纤智能筋布置（内置式）示意图如下：分布式光纤传感技术 （内置式）2.1.2附着式一般有三种粘贴方式：一是定点粘着，二是全面粘着，三是Q形定点粘着。 全面粘着是将光纤完全贴附在墙面上主要是针对隧道的整体变形；定点粘着是将光纤每隔一定距离确定一个固定点粘贴在墙面上以此来检测 隧道局部接缝处的变形；另外，为了监测到隧道裂缝处的细微变形在裂缝明显处按照Q形定点粘着方 式布置光纤。全面粘着与定点粘着的示意图如下：2.2随机点的参数监测监测隧道任一点的物理参数，若产用传统的点式传感器不仅浪费材料，操作 困难，而且实际上无法实现。

4、分布式光纤传感方式实现了大范围的分布式测量，可以在空间上连续检测每 一个点，空间分辨率可以达到10cm,要大于相应的准分布式传感如光栅光纤的 分辨率。一次测量即可准确获得光纤沿线各点的应力、应变、温度的等信息。另外,2.3网式的全方位监测自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤 等信息，无需构成回路，如果将光纤纵横交错铺设成网状，可以动态全方位的对 任意断面的应力、应变、温度、裂缝进行测量，即可构成具备一定规模的监 测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测漏检的弊端，提高监测 成功率。在隧道的拱圈、侧墙、仰拱组成的横向和隧道的纵向的重要部位相应布置传 感光纤

5、，获取整个隧道的整体情况，乂因为是分布式光纤传感，还可以获取具体 到隧道某一点的物理参数，这样从点到面形成了网式全方位测量。另外，分布式光纤传感器应铺设在结构易出现损伤或者结构的应变变化对外 部的环境因素较敬感的部位以获得良好的健康监测结果。2.4具体方案光纤的布置方案可以根据隧道的具体截面形状（圆形隧道、椭圆形隧道、矩 形隧道、双孔隧道等）、所处的地质条件（土质隧道、岩质隧道等）等方面来 做相应的分布式传感光纤设计。例如，可以使用智能锚杆测量隧道岩层和喷射混 凝土的应力、应变和裂缝等参数。另外，还可以根据隧道的具体情况釆用不同的分布式光纤传感技术。依据信 号的性质，分布式传感技术可分为4类：

6、利用后向瑞利散射的传感技术：利 用拉曼效应的传感技术；利用布里渊效应的传感技术；利用前向传输模耦合 的传感技术。其中用拉曼效应的传感技术可以分为利用自发拉曼散射的分布式温度传感 技术，利用受激拉曼效应的分布式应力传感技术；布里渊效应的传感技术也可以 分为利用自发布里渊散射的分布式光纤温度、应变传感技术，利用受激布里渊效 应的分布式温度、应变传感技术该技术。找出应变和温度的关系，通过一定的计 算，提出应变之中的温度效应实现温度补偿。不同原理的分布式传感技术的空间分辨率，配套设备的成本不一样，光纤的 内置式或者粘贴式都要根据隧道的具体来选择。下图为分布式光纤智能筋拟在某隧道的布置方式:3数据采集系

7、统分布式光纤传感技术的关键在于光纤内特定位置信息的提取方法及提取精 度。其中空间分辨率与釆样率有关，例如基于光时域反射技术的分布式光纤传感 器，当空间分辨率达到时，每个釆样点以i6bit ir算，每秒钟形成的数据流 多达190MB。数据采集系统包括信号调理、A/D转换、FPGA、PCI接口及触发信号整形等 儿个部分。信号流程如下：触发信号到来，在系统时钟的上升沿，FPGA接收A/D转换 芯片输出的数据并存人双口 RAM中对应的地址，空间上的点全部采集完成为一 个循环；下一触发信号到来时，A/D转换的数据与在时钟的下降沿取出的上个循 环采集到的空间同一点数据相加，并在下一个时钟上升沿存人原地址：

8、当完成个 循环（即数据平均N次）后，PCI接口芯片的本地总线发出中断信号请求传输数据, 同时把数据存储路径切换到另一个双口 RAM34. 传输与通讯系统数据的传输可以通过有线和无线两种形式。例如，山岭隧道实时监测自动采集系统大多分布在野外，比较分散，采用有 线通信方式有着很大的局限性。一方面，采用有线通信的方式成本高，维护难，不经济。另一方面，采用的 有线通信的方式，整个通信网的构结单一，不易扩展。因此，我们决定采用无线 通信方式。无线通信方式的优势在于可以节省大量的导线材料及人工费用，免除 网络的日常修改和维护工作，达到环保、节能、资源最大共享的忖的，最大限度 地节省投资。此外，采用一些先进的无线通信技术，不但可以很好的达到远程监 控的LI的，还可以实现移动监控。无线传输可以使用GPRS网络，还可采用GSM短消息通讯方式作为GPRS通 讯万一中断后的备用手段。在正常情况下，无线监控系统采用GPRS通讯方式， 当通讯万一中断后，立即切换成GSM短消息通讯方式。另外也可以使用或者WEB 网传输数据。5. 实时监控中心管理系统隧道实时监测中心管理系统硬件包括通讯计算机、