水工結(jié)構(gòu)物及其基礎(chǔ)滲流狀況分布式光纖辨識系統(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水工結(jié)構(gòu)物及其基礎(chǔ)滲流監(jiān)測系統(tǒng)及方法，具體涉及一種惡劣環(huán)境下水工結(jié)構(gòu)物及其基礎(chǔ)滲流狀況分布式光纖辨識系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]滲流是關(guān)系水工結(jié)構(gòu)物安全長效服役的重要因素，尤其對于土石壩、堤防等土石散粒結(jié)構(gòu)物，滲流問題及其影響更加突出。研發(fā)先進(jìn)、實用、可靠的涉水結(jié)構(gòu)物測滲儀器設(shè)備，加強(qiáng)其合理布設(shè)和監(jiān)測數(shù)據(jù)的高效傳輸與科學(xué)處理分析，以準(zhǔn)確辨識結(jié)構(gòu)物的滲流狀況，對保障工程安全具有極其重要的意義。隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，借助其探測涉水結(jié)構(gòu)物內(nèi)部溫度變化，利用溫度與滲流的關(guān)聯(lián)機(jī)制，間接實現(xiàn)結(jié)構(gòu)物滲流狀況的監(jiān)測和辨識，已成為光纖傳感技術(shù)中的一個重要研宄課題和應(yīng)用方向。
[0003]A.G.S.Smekal最早從理論上預(yù)言了光入射到介質(zhì)后，除了產(chǎn)生反射和折射外，還會出現(xiàn)頻率發(fā)生改變的散射光；且研宄證明，光子與聲子相互作用時，是以吸收或發(fā)射聲子的形式進(jìn)行的，當(dāng)光子吸收或者發(fā)射聲子時產(chǎn)生了散射現(xiàn)象，發(fā)射或者吸收光學(xué)聲子的散射稱為拉曼散射，發(fā)射或者吸收聲學(xué)聲子的散射稱為布里淵散射，且背向散射光中以拉曼散射光最弱，這兩種散射都發(fā)生了頻移現(xiàn)象，布里淵散射的頻移是由聲波或聲學(xué)支聲子波造成的，拉曼散射的頻移則是因為分子內(nèi)部的振動或光學(xué)支聲子波引起，由于聲子描述了晶格振動，聲學(xué)支描述了原子質(zhì)心的運(yùn)動，因此，拉曼散射光的頻移量與入射光波長無關(guān)，只取決于介質(zhì)特性。進(jìn)一步，量子理論認(rèn)為，拉曼散射是由于光量子和介質(zhì)分子的非彈性碰撞造成的，非彈性碰撞進(jìn)而導(dǎo)致能量發(fā)生轉(zhuǎn)移，即表現(xiàn)為分子能級的躍迀，或吸收聲子，轉(zhuǎn)換為頻率較高的散射光，或發(fā)射聲子，轉(zhuǎn)化為頻率較低的散射光，當(dāng)處于基態(tài)的介質(zhì)分子通過吸收的入射光子所處于的高能量級躍迀回激發(fā)態(tài)時會產(chǎn)生一個低頻的斯托克斯光子，處于激發(fā)態(tài)的介質(zhì)分子在吸收入射光子之后所處于的高能量級躍迀回基態(tài)時會產(chǎn)生一個頻率更高的反斯托克斯光子，當(dāng)其大量作用時，其反斯托克斯光和斯托克斯光的強(qiáng)度會不斷增加，對于拉曼散射光而言研宄發(fā)現(xiàn)，只有反斯托克斯光的光強(qiáng)對溫度敏感，斯托克斯光以及拉曼散射光的波長均不受溫度影響。
[0004]依據(jù)上述基本理論，目前研制出了很多基于拉曼散射光的測溫測滲系統(tǒng)，但拉曼散射光的強(qiáng)度較弱，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后的信號會被各種噪聲所覆蓋，信噪比非常差，信噪比的大小卻往往又是決定系統(tǒng)測溫精度或測量距離的最重要因素之一。增強(qiáng)信噪比的傳統(tǒng)方法有:提高泵浦脈沖光峰值功率，該方法的缺點(diǎn)是當(dāng)脈沖光峰值功率超過了光纖的非線性閾值時，拉曼散射會發(fā)生非線性效應(yīng)，而非線性效應(yīng)會嚴(yán)重干擾溫度的解調(diào)；第二種方法是對采集的數(shù)據(jù)多次進(jìn)行平均化處理，但過長的監(jiān)測距離會花費(fèi)巨大的時間及耗費(fèi)巨大的內(nèi)存處理，極大降低了測溫的實時反應(yīng)能力。因此，空間分辨率、傳感光纖長度、測溫不確定度和測量時間等成為了決定分布式光纖拉曼溫度傳感器系統(tǒng)性能的重要因素。
[0005]目前，最常用的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)(Distributed Optical FiberTemperature System, DTS)是基于拉曼背向散射光受溫度調(diào)制的特性來測溫的，由于拉曼散射光強(qiáng)度非常微弱，因此DTS系統(tǒng)本質(zhì)上而言，是一個對弱信號進(jìn)行處理和檢測的技術(shù)，其用反斯托克斯拉曼散射光作為測量溫度信號，使用激光單脈沖作為泵浦信號，斯托克斯拉曼散射光作為測量溫度參考通道，其缺點(diǎn)是脈沖寬度不容易調(diào)節(jié)，空間分辨率低，信噪比差。隨著發(fā)展，出現(xiàn)了一些新技術(shù)，其中代表性的有集成光纖拉曼放大器的分布式光纖溫度傳感器、采用脈沖編碼技術(shù)的分布式光纖拉曼溫度傳感器、采用拉曼相關(guān)雙波長自校正技術(shù)的分布式光纖溫度傳感器、嵌入光開關(guān)的分布式光纖溫度傳感器等。
[0006]集成光纖拉曼放大器的分布式光纖溫度傳感器，僅是放大提高了模擬電信號，其并未從根本上解決脈寬及信噪比的問題；采用脈沖編碼技術(shù)的分布式光纖拉曼溫度傳感器，主要針對單模光纖，且為了提高系統(tǒng)的信噪比及信號的提取、辨別能力，需采用復(fù)雜的編碼、解碼技術(shù)，大大增加了操作難度及設(shè)備的設(shè)計復(fù)雜程度，從其最終的空間分辨率及系統(tǒng)的信噪比上看，尚存在較大不足；采用拉曼相關(guān)雙波長自校正技術(shù)的分布式光纖溫度傳感器，使用雙光源仍不能很好保證兩個通道在相同波段的測溫光纖的相同損耗，其溫度解調(diào)曲線仍會出現(xiàn)傾斜、畸變等問題；嵌入光開關(guān)的分布式光纖溫度傳感器，雖然可以通過增加光開關(guān)將測溫光纖從原來的一路擴(kuò)展為多路，但其精度及測量時效性卻很難得到保證。
[0007]另一方面，目前基于傳感光纖的滲流監(jiān)測技術(shù)，大多需要借助外接電路實現(xiàn)對光纖加熱，因而不但要求所使用光纖應(yīng)有加熱功能，而且必須構(gòu)建一套完整的加熱電路，這大大增加了生產(chǎn)光纖的成本，且由于室內(nèi)外監(jiān)測時較難于協(xié)調(diào)外接電路的電壓與加熱光纖之間的關(guān)系，所生產(chǎn)的加熱光纖往往會在該種情況下出現(xiàn)電壓不穩(wěn)或者過大現(xiàn)象，短時間內(nèi)即會因為難于控制的電壓導(dǎo)致光纖護(hù)套松軟甚至燒焦，對操作人員及儀器等產(chǎn)生極為嚴(yán)重的危害；另外，應(yīng)用于實際工程的現(xiàn)場監(jiān)測，常缺少必要的安全措施，加熱電路鋪設(shè)較為困難，特別是對于大壩等水利水電工程，由于大多坐落于偏遠(yuǎn)地區(qū)，服役環(huán)境異常惡劣，光纖鋪設(shè)和加熱功能的實現(xiàn)更加不易甚至無法完成。
[0008]基于上述背景和現(xiàn)狀，迫切需要從水工滲流監(jiān)測特點(diǎn)和特殊工作環(huán)境出發(fā)，對光纖測滲技術(shù)進(jìn)行重大變革研宄，為從根本上解決空間分辨率、信噪比、加熱等問題，真正實現(xiàn)超高空間分辨率、超遠(yuǎn)傳感距離、超高測溫測滲精度和超高測量效率的水工滲流光纖監(jiān)測提供技術(shù)支持。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種水工結(jié)構(gòu)物及其基礎(chǔ)滲流狀況分布式光纖辨識系統(tǒng)與方法，利用先進(jìn)的飛秒脈沖技術(shù)，創(chuàng)造性地研發(fā)了一種專門的溫度解調(diào)系統(tǒng)及用于水工滲流監(jiān)測的新型傳感光纖，特別是滲漏量和浸潤線監(jiān)測，其具有監(jiān)測精度高、空間分辨率高、傳感速度快、監(jiān)測距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，通過采集裝置與壩群安全監(jiān)測信息管理與分析評估系統(tǒng)集成，形成大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，以及時高效動態(tài)監(jiān)測水工結(jié)構(gòu)體滲流狀況。
[0010]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種水工結(jié)構(gòu)物及其基礎(chǔ)滲流狀況分布式光纖辨識系統(tǒng)與方法，包括垂直交錯鋪設(shè)于水工結(jié)構(gòu)物及其基礎(chǔ)滲流監(jiān)測區(qū)中的自控?zé)嵩礈y滲用特制單模光纖、與自控?zé)嵩礈y滲用特制單模光纖連接的光路耦合器和同步控制器，在自控?zé)嵩礈y滲用特制單模光纖與光路耦合器之間設(shè)有監(jiān)測恒溫室，所述同步控制器依次與鎖模激光器、第一波分復(fù)用器、偏振分束器、隔離器、非線性放大器、光柵對、液晶空間光調(diào)制器、衍射光柵、反射鏡、分束器、非線性晶體、光譜儀和邁克爾遜干涉儀連接，邁克爾遜干涉儀輸出端與光路耦合器連接，光路耦合器的輸出端分別與探測器和第二光分器連接，探測器與數(shù)字信號處理器連接，第二光分器通過放大電路與數(shù)字信號處理器連接，數(shù)字信號處理器輸出端分別與同步控制器和采集器連接，采集器的輸出端分別與同步控制器和計算機(jī)連接，計算機(jī)與配置有遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)庫的模塊連接，配置有遠(yuǎn)程云數(shù)據(jù)庫的模塊將匯集信息輸送到壩群安全監(jiān)測信息管理與分析評估系統(tǒng)中。
[0011]作為優(yōu)選，所述放大電路包含并聯(lián)連接的第一放大電路、第二放大電路和第三放大電路，第一放大電路包含依次連接的第一光電二極管、第三放大器和斯托克斯接收器，第二放大電路包含依次連接的第二光電二極管、第四放大器和反斯托克斯接收器，第三放大電路包含依次連接的第三光電二極管、第五放大器和瑞利光接收器，第一光電二極管、第二光電二極管和第三光電二極管分別與第二光分器的輸出端連接。
[0012]作為優(yōu)選，所述邁克爾遜干涉儀輸出端同時與光電開關(guān)連接，光電開關(guān)布置有L和R雙側(cè)開關(guān)，L側(cè)開關(guān)與主飛秒脈沖輸入端相連，R側(cè)開關(guān)與副飛秒脈沖相連，主飛秒脈沖的主飛秒脈沖光會進(jìn)入第一放大器的光信號輸入端，副飛秒脈沖的副飛秒脈沖光會經(jīng)過第二放大器的光信號輸入端，第一放大器的光信號輸出端口與第一光分器的輸入端口相連，第一光分器的輸出端口分別與第二光濾波器的信號輸入端口和第三光濾波器的信號輸入端口相連，第二放大器的光信號輸出端口與第一光濾波器的光信號輸入端口相接，第一光濾波器、第二光濾波器和第三光濾波器的輸出端與第二波分復(fù)用器輸入端連接，第二波分復(fù)用器的輸出端與第二光分器輸入端連接。
[0013]作為優(yōu)選，所述自控?zé)嵩礈y滲用特制單模光纖從內(nèi)到外依次設(shè)有單芯光纖、內(nèi)護(hù)彈性層、絕熱鋼環(huán)、內(nèi)層填護(hù)環(huán)、彈性硬環(huán)、防滲隔熱硬套環(huán)，單芯光纖分別與若干根外圓套護(hù)管連接，外圓套護(hù)管依次穿過內(nèi)護(hù)彈性層、絕熱鋼環(huán)、內(nèi)層填護(hù)環(huán)、彈性硬環(huán)與防滲隔熱硬套環(huán)連接，外圓套護(hù)管內(nèi)裝填有引流儲水棉套，引流儲水棉套與第二濾網(wǎng)相連，第二濾網(wǎng)上布設(shè)有第二濾網(wǎng)紗網(wǎng)通孔，第二濾網(wǎng)外與第一濾網(wǎng)相連，第一濾網(wǎng)上布設(shè)有第一濾網(wǎng)紗網(wǎng)通孔。
[0014]作為優(yōu)選，所述彈性硬環(huán)和防滲隔熱硬套環(huán)為不規(guī)則的