一種基于光纖傳感的地鐵隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于分布式光纖傳感技術(shù)的地鐵隧道安全監(jiān)控技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]中國的地鐵建設(shè)經(jīng)過了十多年的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)非常關(guān)鍵的承前啟后階段。一方面，經(jīng)過十多年的高速建設(shè)，中國各城市地鐵已經(jīng)形成了擁有數(shù)百條線路，運(yùn)營里程超過上萬公里的龐大復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。另一方面，地鐵建設(shè)運(yùn)營實(shí)踐中，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也有一些教訓(xùn)和問題。在今后十年中，中國各省市地鐵還將陸續(xù)進(jìn)行建設(shè)，其運(yùn)營中的安全管理的難度和復(fù)雜程度進(jìn)一步提高。
[0003]而地鐵網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營所面臨的挑戰(zhàn)與城市總體建設(shè)和地下空間開發(fā)密切相關(guān)。一方面，地鐵線路必將越來越密集、環(huán)境越來越復(fù)雜;另一方面，城市基礎(chǔ)設(shè)施、地面建筑及地下空間的開發(fā)業(yè)越來越密集，從而不可避免地形成沖突。如在地鐵隧道附近，甚至在正上方，有各類粧基施工、各類鉆孔以及開挖作業(yè)，其形成的振動(dòng)、侵入等嚴(yán)重威脅地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營安全。如中國上海地鐵11號(hào)線某區(qū)間隧道被高鐵粧基施工所貫穿，一旦形成破壞，帶來的后果往往很嚴(yán)重。因此必須提前預(yù)知，即時(shí)防護(hù)，迅速對(duì)策。
[0004]但世界各國外對(duì)地鐵范圍內(nèi)可能危及到地鐵隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全的預(yù)知技術(shù)和手段研究較少。日本往往是采用管理的手段進(jìn)行對(duì)策，即施工前對(duì)有可能牽涉到隧道本身安全的工程活動(dòng)，交由地鐵建設(shè)運(yùn)營單位進(jìn)行審核，嚴(yán)格核算其對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的可能危害，從而進(jìn)行相應(yīng)的控制。而歐美國家曾經(jīng)嘗試采用GPS、衛(wèi)星照相以及大面積航拍等手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，由于成本高、操作可行性差、效果等問題，尚未有得到正式使用及普及。
[0005]光纖分布式振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，是近年來的傳感技術(shù)的研究熱點(diǎn)。由此如何有效利用光纖分布式振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)來對(duì)威脅地鐵隧道安全行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是本領(lǐng)域亟需解決的問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]針對(duì)現(xiàn)有地鐵隧道結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全監(jiān)測(cè)技術(shù)所存在的問題的，本實(shí)用新型的目的在于提供一種精確可靠的地鐵隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)。本實(shí)用新型將光纖分布式振動(dòng)測(cè)試技術(shù)用于對(duì)威脅地鐵隧道安全行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用連續(xù)布設(shè)的光纖感知長距離線狀結(jié)構(gòu)的異常振動(dòng)，為地鐵的安全運(yùn)營提供切實(shí)可行且可靠地技術(shù)支撐。
[0007]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案:
[0008]—種基于光纖傳感的地鐵隧道安全監(jiān)控系統(tǒng)，該監(jiān)控系統(tǒng)以光纖作為傳感元來監(jiān)控地鐵隧道安全。
[0009]進(jìn)一步的，所述光纖為單芯光纖，作為傳感、傳輸?shù)碾p重介質(zhì)。
[0010]進(jìn)一步的，所述監(jiān)控系統(tǒng)具體包括:前端光處理模塊、監(jiān)控光纖、尾端模塊以及分析處理模塊，所述前端光處理模塊通過監(jiān)控光纖與尾端模塊相連接，構(gòu)成光纖干涉結(jié)構(gòu)，所述分析處理模塊與前端光處理模塊連接，對(duì)光纖干涉結(jié)構(gòu)反饋的光信號(hào)進(jìn)行分析判斷，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控。
[0011]再進(jìn)一步的，所述前端光處理模塊包括光源模塊和干涉模塊，所述尾端模塊為反射模塊;所述光源模塊與干涉模塊連接，所述干涉模塊通過監(jiān)控光纖與反射模塊相連，并與分析處理模塊連接。
[0012]再進(jìn)一步的，所述光源模塊為激光光源。
[0013]再進(jìn)一步的，所述光纖干涉模塊由光纖延遲器和XXY耦合器、LXM耦合器構(gòu)成，X、Y為整數(shù)，L、M為整數(shù)。
[0014]再進(jìn)一步的，所述干涉模塊中XXY耦合器采用3X3均分耦合器，LXM耦合器采用2X 2親合器。
[0015]再進(jìn)一步的，所述監(jiān)控光纖布設(shè)在待監(jiān)控隧道管壁，作為獲取信息的感應(yīng)體以及傳送信息的通道。
[0016]再進(jìn)一步的，所述分析處理模塊主要包括檢測(cè)與放大模塊，數(shù)據(jù)采集與信號(hào)分析模塊，所述檢測(cè)與放大模塊的輸入端與前端光處理模塊中的干涉模塊相接，輸出端與數(shù)據(jù)采集與信號(hào)分析模塊數(shù)據(jù)相接。
[0017]本方案利用單芯光纖作為傳感、傳輸?shù)碾p重介質(zhì)，將沿地鐵隧道壁布設(shè)的光纜作為感應(yīng)體，感應(yīng)通過地鐵隧道壁傳遞的機(jī)械施工、挖掘等行為，通過解調(diào)設(shè)備還原信號(hào)，獲取地層結(jié)構(gòu)傳遞的振動(dòng)信息，發(fā)現(xiàn)因?yàn)樗淼乐苓呉恍┦┕ば袨?，可能?duì)隧道造成的威脅行為。
[0018]據(jù)此，本方案可實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵隧道周邊建筑施工可能對(duì)威脅地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的實(shí)時(shí)監(jiān)控行為。
[0019]再者本方案在沿隧道布設(shè)的全部為無源，無需供電，可靠性高，抗干擾性好，易于實(shí)現(xiàn)，與正常地鐵運(yùn)營完全無影響。
【附圖說明】
[0020]以下結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】來進(jìn)一步說明本實(shí)用新型。
[0021 ]圖1為本實(shí)用新型實(shí)例中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布設(shè)示意圖；
[0022]圖2是本實(shí)用新型實(shí)例中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示，進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。
[0024]本實(shí)例針對(duì)對(duì)地鐵隧道具有破壞性，危害地鐵運(yùn)營安全的工程施工行為，提供一種光纖分布式地鐵隧道安全監(jiān)控技術(shù)。該技術(shù)以沿隧道布設(shè)的一芯連續(xù)光纖為傳感元來探測(cè)隧道傳導(dǎo)的振動(dòng)，是一種分布式傳感技術(shù)，在連續(xù)的光纖上每一點(diǎn)都具有感應(yīng)能力;通過光纖干涉光路的構(gòu)建，以及信號(hào)探測(cè)及分析技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)危害地鐵安全行為的發(fā)生，并定位危害行為發(fā)生的位置。
[0025]針對(duì)上述原理，本實(shí)例方案的實(shí)現(xiàn)技術(shù)點(diǎn)如下:
[0026]1、光彈效應(yīng)。
[0027]當(dāng)有外界有擾動(dòng)作用在光纖上時(shí)，將引起光纖的長度和折射率等光學(xué)傳輸特性發(fā)生變化，從而引起感應(yīng)光纖中傳輸光相位的變化。這就是普遍存在的“光彈效應(yīng)”，也叫“彈光效應(yīng)”。由于作用在光纜護(hù)套上的變力作用，光纜介質(zhì)的傳輸，以間接壓力、聲壓等作用在光纜內(nèi)的光纖上，即對(duì)光纖產(chǎn)生壓力作用，由于光彈效應(yīng)，光纖將感受到的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)樵诠饫w內(nèi)部傳輸?shù)墓獾南辔坏淖兓?。由于光纖中，傳輸信號(hào)的載體是光，光波的頻率很高，波長很短，通常是微米量級(jí)，因此，雖然光纜的保護(hù)套具有一定的硬度和韌性，使得經(jīng)光纜介質(zhì)的傳輸，作用到內(nèi)部光纖上的壓力從宏觀上來看是微小的，但對(duì)于波長僅為微米量級(jí)的光波來說已是非常顯著。本實(shí)例通過相應(yīng)的技術(shù)手段，將這種變化“顯著”的變化還原出來，從而獲得一種直接用光纖作為感應(yīng)器件的、基于光彈效應(yīng)的光纜尋蹤技術(shù)。
[0028]2、構(gòu)建干涉光路的。
[0029]為將變化的微壓力信號(hào)引起的光相位信息變化提取出來，本實(shí)例通過構(gòu)造光纖干涉光路。干涉結(jié)構(gòu)由光纖干涉模塊與待尋光纜(光纖)共同構(gòu)成，并借助待尋光纜內(nèi)光纖自身的后向散射、反射特性或是在光纜另一端人為連接的反射器件實(shí)現(xiàn)完整的干涉光路。
[0030]其中，干涉模塊由光纖延遲器和X X Y耦合器、L X Μ耦合器構(gòu)成，X、Υ為整數(shù)，L、Μ為整數(shù)，光纖延遲器的延遲為τ。
[0031 ] 具體的，干涉模塊中X X Υ耦合器采用3 X 3均分耦合器，L XΜ耦合器采用2 X 2耦合器<^1、&2、-_、3父、131、匕2為3\3均分耦合器的端口，&1、&2、-_、3父是同向端口，共父個(gè)，131、匕2是3X3均分耦合器的另一組同向端口共Υ個(gè)中的兩個(gè)端口；cl、c2、c3是LXM親合器。
[0032]據(jù)此，基于該涉模塊可形成兩路干涉光路，其具體的光路徑如下(其中以箭頭所指方向表示光經(jīng)過的路徑):
[0033]I:端口 bl—光纖延遲模塊—端口 cl—端口 c3—傳感/傳輸光纜—反射模塊—傳感/傳輸光纜—端口 c3—端口 c2—端口 b2 ；
[0034]Π:端口 b2—端口 c2—端口 c3—傳感/傳輸光纜—反射模塊—傳感/傳輸光纜—端口 cl—端口 cl—光纖延遲1?塊—端口bl ；
[0035]3、穩(wěn)定光源的設(shè)計(jì)。
[0036]光源控制模塊對(duì)光源的發(fā)光進(jìn)行控制，是獲得穩(wěn)定的工作波長和功率的保障，是獲得小的系統(tǒng)噪聲的關(guān)鍵部件。其中光源的驅(qū)動(dòng)電流和溫度的穩(wěn)定性。光源是整個(gè)系統(tǒng)工作的能量源，其功率大小以及波長、功率的穩(wěn)定程度直接影響了拾音系統(tǒng)的噪聲及穩(wěn)定性。同時(shí)，由于語音拾取裝置會(huì)需要長時(shí)間不間斷工作，對(duì)光源的穩(wěn)定性也提出了高的要求。光源光譜特性也是是否能優(yōu)良系統(tǒng)的關(guān)鍵。本技術(shù)采用普