一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统及监控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于分布式光纤传感技术的地铁隧道安全监控技术。
【背景技术】
[0002]中国的地铁建设经过了十多年的发展已经进入了一个非常关键的承前启后阶段。一方面，经过十多年的高速建设，中国各城市地铁已经形成了拥有数百条线路，运营里程超过上万公里的庞大复杂网络。另一方面，地铁建设运营实践中，积累了丰富的经验，同时也有一些教训和问题。在今后十年中，中国各省市地铁还将陆续进行建设，其运营中的安全管理的难度和复杂程度进一步提高。
[0003]而地铁网络安全运营所面临的挑战与城市总体建设和地下空间开发密切相关。一方面，地铁线路必将越来越密集、环境越来越复杂；另一方面，城市基础设施、地面建筑及地下空间的开发业越来越密集，从而不可避免地形成冲突。如在地铁隧道附近，甚至在正上方，有各类粧基施工、各类钻孔以及开挖作业，其形成的振动、侵入等严重威胁地铁隧道的结构安全和运营安全。如中国上海地铁11号线某区间隧道被高铁粧基施工所贯穿，一旦形成破坏，带来的后果往往很严重。因此必须提前预知，即时防护，迅速对策。
[0004]但世界各国外对地铁范围内可能危及到地铁隧道结构及运营安全的预知技术和手段研究较少。日本往往是采用管理的手段进行对策，即施工前对有可能牵涉到隧道本身安全的工程活动，交由地铁建设运营单位进行审核，严格核算其对地铁结构的可能危害，从而进行相应的控制。而欧美国家曾经尝试采用GPS、卫星照相以及大面积航拍等手段进行监测。然而，由于成本高、操作可行性差、效果等问题，尚未有得到正式使用及普及。
[0005]光纤分布式振动实时监测技术，是近年来的传感技术的研究热点。由此如何有效利用光纤分布式振动实时监测技术来对威胁地铁隧道安全行为的实时监测是本领域亟需解决的问题。
【发明内容】
[0006]针对现有地铁隧道结构及运营安全监测技术所存在的问题的，本发明的目的在于以下两点:
[0007]目的I，提供一种精确可靠的地铁隧道安全监控系统。
[0008]目的2，提供一种基于上述监控系统实施的地铁隧道安全监控方法。
[0009]本发明将光纤分布式振动测试技术用于对威胁地铁隧道安全行为的实时监测，利用连续布设的光纤感知长距离线状结构的异常振动，为地铁的安全运营提供切实可行且可靠地技术支撑。
[0010]为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0011]针对目的1:一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统，该监控系统以光纤作为传感元来监控地铁隧道安全。
[0012]进一步的，所述光纤为单芯光纤，作为传感、传输的双重介质。
[0013]进一步的，所述监控系统具体包括:前端光处理模块、监控光纤、尾端模块以及分析处理模块，所述前端光处理模块通过监控光纤与尾端模块相连接，构成光纤干涉结构，所述分析处理模块与前端光处理模块连接，对光纤干涉结构反馈的光信号进行分析判断，实现安全监控。
[0014]再进一步的，所述前端光处理模块包括光源模块和干涉模块，所述尾端模块为反射模块；所述光源模块与干涉模块连接，所述干涉模块通过监控光纤与反射模块相连，并与分析处理模块连接。
[0015]再进一步的，所述光源模块为激光光源。
[0016]再进一步的，所述光纤干涉模块由光纤延迟器和X X Y耦合器、L X M耦合器构成，X、Y为整数，L、M为整数。
[0017]再进一步的，所述监控光纤布设在待监控隧道管壁，作为获取信息的感应体以及传送信息的通道。
[0018]再进一步的，所述分析处理模块主要包括检测与放大模块，数据采集与信号分析模块，所述检测与放大模块的输入端与前端光处理模块中的干涉模块相接，输出端与数据采集与信号分析模块数据相接。
[0019]针对目的2:基于上述的地铁隧道安全监控系统进行的地铁隧道安全监控方法，该监控方法在沿地铁隧道壁布设的光缆，作为安全监测的感应元以及传送信息的通道，对威胁地铁隧道结构安全的行为实时监控。
[0020]进一步的，所述安全监控方法中基于光缆构建光纤干涉光路，用于信号的探测和分析。
[0021]再进一步的，当光缆上的任一位置感应到通过隧道壁传递的振动信号时，由于光弹效应，光纤会产生微变，振动点传输的光的相位会发生改变，即实现信号的调制；
[0022]光纤干涉光路将相位的变化转换为光强的变化，形成光干涉，并返回两路相干涉的光信号；
[0023]接着对相干涉的光信号进行分析比对，将环境干扰因数带来的振动信号滤除，将可能存在威胁的行为信号进行警报，并通过两路信号的光程比对，定位威胁行为的发生位置。
[0024]本方案利用单芯光纤作为传感、传输的双重介质，将沿地铁隧道壁布设的光缆作为感应体，感应通过地铁隧道壁传递的机械施工、挖掘等行为，通过解调设备还原信号，获取地层结构传递的振动信息，发现因为隧道周边一些施工行为，可能对隧道造成的威胁行为。
[0025]据此，本方案可实现对地铁隧道周边建筑施工可能对威胁地铁隧道结构安全的实时监控行为。
[0026]再者本方案在沿隧道布设的全部为无源，无需供电，可靠性高，抗干扰性好，易于实现，与正常地铁运营完全无影响。
【附图说明】
[0027]以下结合附图和【具体实施方式】来进一步说明本发明。
[0028]图1为本发明实例中监测系统的布设示意图；
[0029]图2是本发明实例中监测系统的系统原理图。
【具体实施方式】
[0030]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0031]本实例针对对地铁隧道具有破坏性，危害地铁运营安全的工程施工行为，提供一种光纤分布式地铁隧道安全监控技术。该技术以沿隧道布设的一芯连续光纤为传感元来探测隧道传导的振动，是一种分布式传感技术，在连续的光纤上每一点都具有感应能力；通过光纤干涉光路的构建，以及信号探测及分析技术，实时监测危害地铁安全行为的发生，并定位危害行为发生的位置。
[0032]针对上述原理，本实例方案的实现技术点如下:
[0033]1、光弹效应。
[0034]当有外界有扰动作用在光纤上时，将引起光纤的长度和折射率等光学传输特性发生变化，从而引起感应光纤中传输光相位的变化。这就是普遍存在的“光弹效应”，也叫“弹光效应”。由于作用在光缆护套上的变力作用，光缆介质的传输，以间接压力、声压等作用在光缆内的光纤上，即对光纤产生压力作用，由于光弹效应，光纤将感受到的压力转变为在光纤内部传输的光的相位的变化。由于光纤中，传输信号的载体是光，光波的频率很高，波长很短，通常是微米量级，因此，虽然光缆的保护套具有一定的硬度和韧性，使得经光缆介质的传输，作用到内部光纤上的压力从宏观上来看是微小的，但对于波长仅为微米量级的光波来说已是非常显著。本实例通过相应的技术手段，将这种变化“显著”的变化还原出来，从而获得一种直接用光纤作为感应器件的、基于光弹效应的光缆寻踪技术。
[0035]2、构建干涉光路的。
[0036]为将变化的微压力信号引起的光相位信息变化提取出来，本实例通过构造光纤干涉光路。干涉结构由光纤干涉模块与待寻光缆(光纤)共同构成，并借助待寻光缆内光纤自身的后向散射、反射特性或是在光缆另一端人为连接的反射器件实现完整的干涉光路。
[0037]其中，干涉模块由光纤延迟器和XXY耦合器、LXM耦合器构成，X、Y为整数，L、M为整数，光纤延迟器的延迟为τ。
[0038]具体的，干涉模块中XXY耦合器采用3X3均分耦合器，LXM耦合器采用2X2耦合器。al、a2、…、aX、bl、b2为3X3均分耦合器的端口，al、a2、…、aX是同向端口，共X个，bl、b2是3X3均分耦合器的另一组同向端口共Y个中的两个端口 ；cl、c2、c3是LXM
親合器。
[0039]据此，基于该涉模块可形成两路干涉光路，其具体的光路径如下(其中以箭头所指方向表示光经过的路径):
[0040]1:端口 bl —光纤延迟模块一端口 cl —端口 c3 —传感/传输光缆一反射模块一传感/传输光缆一端口 c3 —端口 c2 —端口 b2 ；
[0041]II ??端口 b2 —端口 c2 —端口 c3 —传感/传输光缆一反射模块一传感/传输光缆—端口 cl —端口 cl —光纤延迟模块一端口 bl ；
[0042]3、稳定光源的设计。
[0043]光源控制模块对光源的发光进行控制，是获得稳定的工作波长和功率的保障，是获得小的系统噪声的关键部件。其中光源的驱动电流和温度的稳定性。光源是整个系统工作的能量源，其功率大小以及波长、功率的稳定程度直接影响了拾音系统的噪声及稳定性。同时，由于语音拾取装置会需要长时间不间断工作，对光源的稳定性也提出了高的要求。光源光谱特性也是是否能优良系统的关键。本技术采用普适性强的白光光源，通过APC(自动功率控制)，ATC(自动温度控制)获取稳定的光源。