一种地下空间建筑内积水区域的差分检测方法及系统与流程

本发明涉及管廊、隧道等地下空间环境灾害监测技术领域，特别是涉及一种基于分布式光纤的地下空间建筑内积水区域的差分检测方法及系统。

背景技术：

城市管廊建设于城市地下，用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物附属设施，即在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通讯、燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。地下管廊装有各种信号线、热力管、燃气管、电信管道、给水管道、电力管道等，是一个多种信号与传输对象交汇的场合，为了充分保障管廊内环境安全，需要对其内部环境进行检测，以达到实时、自动监测地下管廊内的环境，其重要性不言而喻。地下管廊短则几公里，长则数十公里，巡检人员不可能实时完全掌握地下管廊的内部环境状况。

大雨过后，管廊内可能存在严重的积水，使管廊内的湿度增大。从而引起其内部的管道及支架锈蚀。在引起管道表面外观质量缺陷的同时也造成设施强度下降，以至于损坏，危及地下空间的安全。同时，同一城市某些区域管廊内会有积水，给检修维护带来不利影响，因此，需要对城市管廊等地下空间内积水进行实时监测。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种地下空间建筑内积水区域的差分检测方法及系统。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种地下空间建筑内积水区域的差分检测方法，地下空间建筑的地面上贴合固定着第一温度传感光纤、侧壁上贴合固定着第二温度传感光纤，所述地下空间建筑内积水区域的差分检测方法具体包括以下步骤：

步骤1.1：激光器分别同时向第一温度传感光纤、第二温度传感光纤发出频率相同的光脉冲；

步骤1.2：第一温度传感光纤、第二温度传感光纤分别将其各个监测点测得的波长信号传输给监控主机；

步骤1.3：监控主机分别对接收到的第一温度传感光纤的波长信号、第二温度传感光纤的波长信号进行处理并将所有的波长信号转换为温度信号，分别绘制出第一温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l1、第二温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l2；

步骤1.4：分析监测点位置-温度曲线l1、l2，获取曲线l1或l2上所有的温度突变对，每一对温度突变点之间的距离对应其积水区域的长度，所有的温度突变对所对应的距离之和即为地下空间建筑内积水区域的总长度；

步骤1.5：根据温度突变点的位置及其所处位置对应的地下空间建筑的设计标高得到积水区域的积水深度，通过积水区域的长度以及积水深度、地下空间建筑的宽度计算出地下空间建筑内的积水量。

进一步地，步骤1.4中获取曲线l1或l2上的所有的温度突变对的具体步骤为：

步骤2.1：判断传感监测区域内曲线l1、l2上对应监测点的温度差是否不大于0.3℃，若是，则传感监测区域内不存在积水；否则，执行步骤2.2；

步骤2.2：判断曲线l1与l2上是否存在温度突变对，若不存在，则传感监测区域内均存在积水；否则，执行步骤2.3；

步骤2.3：令δt1=t2-t1，其中，t1、t2分别为温度突变区间内同一监测点的第一温度传感光纤检测的温度、第二温度传感光纤检测的温度，δt1为第二温度传感光纤与第一温度传感光纤检测的温度差；

若δt1≥0.5℃且温度突变点的温度梯度|r|≥rc，rc=0.5℃/（sm-sm-1），其中，sm-sm-1为第m个监测点与第m-1个监测点之间的距离差，则第一温度传感光纤部分淹没在积水内，监控主机控制报警器发出报警信号，并通过曲线l1确定每个温度突变对的两个温度突变点之间的距离，所有的温度突变对所对应的距离之和即为地下空间建筑内积水区域的总长度；

若0℃≤δt1＜0.5℃且温度突变点的温度梯度|r|≥rc，则第二温度传感光纤部分淹没在积水内，监控主机控制报警器发出报警信号，并通过曲线l2确定每个温度突变对的两个温度突变点之间的距离，所有的温度突变对所对应的距离之和即为地下空间建筑内积水区域的长度。

一种地下空间建筑内积水区域的差分检测系统，所述地下空间建筑的地面上贴合固定着第一温度传感光纤、侧壁上贴合固定着第二温度传感光纤、顶部上贴合固定着第三温度传感光纤，所述地下空间建筑内积水区域的差分检测方法具体包括以下步骤：

步骤3.1：激光器分别同时向第一温度传感光纤、第二温度传感光纤以及第三温度传感光纤发出频率相同的光脉冲；

步骤3.2：第一温度传感光纤、第二温度传感光纤、第三温度传感光纤分别将其各个监测点测得的波长信号传输给监控主机；

步骤3.3：监控主机分别对接收到的第一温度传感光纤的波长信号、第二温度传感光纤的波长信号以及第三温度传感光纤的波长信号进行处理并将所有的波长信号转换为温度信号，分别绘制出第一温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l1、第二温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l2、第三温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l3；

步骤3.4：分析监测点位置-温度曲线l1、l2、l3，获取曲线l1或l2上所有的温度突变对，所有的温度突变对所对应的距离之和即为地下空间建筑内积水区域的长度；

步骤3.5：根据温度突变点的位置及其所处位置对应的地下空间建筑的设计标高得到积水区域的积水深度，通过积水区域的长度以及积水深度、地下空间建筑的宽度计算出地下空间建筑内的积水量。

进一步地，步骤3.4中获取曲线l1或l2上的所有的温度突变对的具体步骤为：

步骤4.1：判断传感监测区域内曲线l1、l2、l3上对应监测点的温度误差是否不大于0.3℃，若是，则传感监测区域内不存在积水；否则，执行步骤2.2；

步骤4.2：判断曲线l1与l2上是否存在温度突变对，若不存在，则传感监测区域内均存在积水；否则，执行步骤2.3；

步骤4.3：令δt1=t2-t3，δt2=t1-t3，h=|δt1-δt2|=|t2-t1|，其中，t1、t2、t3分别为温度突变区间内同一监测点的第一温度传感光纤检测的温度、第二温度传感光纤检测的温度、第三温度传感光纤检测的温度，δt1为第二温度传感光纤与第三温度传感光纤检测的温度差，δt2为第一温度传感光纤与第三温度传感光纤检测的温度差；

若h≥0.5℃且温度突变点的温度梯度|r|≥rc，rc=0.5℃/（sm-sm-1），其中，sm-sm-1为第m个监测点与第m-1个监测点之间的距离差，则第一温度传感光纤部分淹没在积水内，监控主机控制报警器发出报警信号，并通过曲线l1确定每个温度突变对的两个温度突变点之间的距离，所有的温度突变对所对应的距离之和即为地下空间建筑内积水区域的长度；

若0℃≤h＜0.5℃且温度突变点的温度梯度|r|≥rc，则第二温度传感光纤部分淹没在积水内，监控主机控制报警器发出报警信号，并通过曲线l2确定每个温度突变对的两个温度突变点之间的距离，所有的温度突变对所对应的距离之和即为地下空间建筑内积水区域的长度。

进一步地，所述传感监测区域内均存在积水指第一温度传感光纤全部被淹没在积水中或第二温度传感光纤全部被淹没在积水中。

一种地下空间建筑内积水区域的差分检测系统，该系统包括第一温度传感光纤、第二温度传感光纤以及第三温度传感光纤、报警器；激光脉冲发射器，用于同时向第一温度传感光纤、第二温度传感光纤以及第三温度传感光纤发射频率相同的光脉冲；监控主机，用于分别处理第一温度传感光纤、第二温度传感光纤以及第三温度传感光纤的温度信号，并绘制出监测点距离与温度曲线l1、l2、l3，根据曲线l1、l2、l3判断地下空间建筑内是否存在积水并控制报警器动作。

本发明的积极有益效果：

1、本发明的地下空间建筑内积水区域的差分检测方法实现了对地下空间建筑内积水区域的检测，能够确定地下空间建筑内的积水区域，从而实现了对整个城市地下空间建筑的实时监控以及及时维修。

2、通过采用差分法对地下空间建筑内的积水区域进行检测，提高了检测精度，避免了单根光纤的检测误差所引起的错误判断，减少了不必要的人员开支。

附图说明

图1为两根光纤的检测流程图；

图2为三根光纤的检测流程图；

图3为两根光纤的第一温度传感光纤部分浸入水中时的监测点位置-温度曲线示意图；

图4为两根光纤的第一温度传感光纤部分浸入水中时的差分示意图；

图5为两根光纤的第一温度传感光纤部分浸入水中时的温度梯度示意图；

图6为两根光纤的第一、第二温度传感光纤均部分浸入水中时的监测点位置-温度曲线示意图；

图7为两根光纤的第一、第二温度传感光纤均部分浸入水中时的差分示意图；

图8为两根光纤的第一、第二温度传感光纤均部分浸入水中时的温度梯度示意图；

图9为三根光纤的第一温度传感光纤部分浸入水中时的监测点位置-温度曲线示意图；

图10为三根光纤的第一温度传感光纤部分浸入水中时的差分示意图；

图11为三根光纤的第一温度传感光纤部分浸入水中时的温度梯度示意图；

图12为三根光纤的第一、第二温度传感光纤均部分浸入水中时的监测点位置-温度曲线示意图；

图13为三根光纤的第一、第二温度传感光纤均部分浸入水中时的差分示意图；

图14为三根光纤的第一、第二温度传感光纤均部分浸入水中时的温度梯度示意图；

图15为光纤部分浸入水中的各监测点温度的仿真示意图；

图16为光纤部分浸入水中的温度梯度的仿真示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例一，结合图1说明本实施方式，本发明的一种地下空间建筑内积水区域的差分检测方法是利用分布式光纤测温系统来检测地下空间建筑内是否存在积水。所述地下空间建筑可以为地下管廊或地下隧道等。在本实施例中，我们以地下管廊为例来具体说明本发明的差分检测方法及系统。

分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统，它利用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质，利用光纤后向拉曼(raman)散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息。激光脉冲由光纤始端处注入,脉冲光大部分能传到传感光纤末端而消失，当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，脉冲光子与光纤材料分子热振动会相互作用，产生不同于入射光的拉曼散射光，光纤测温的机理是依据后向拉曼散射光谱的温度效应。长波长的光为斯托克斯光，短波长的为反斯托克斯光。而反斯托克斯光对温度响应更为敏感，因此光纤所处空间各点温度场调制了光纤中背向拉曼散射中的反托克斯光的强度，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光电信号，再经监控主机进行信号处理、解调后，将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示。并通过利用光纤的光时域反射(otdr)技术能够对测量点进行定位。

本发明涉及的地下空间建筑内积水区域的差分检测系统主要包括激光脉冲发射器、二根温度传感光纤、控制主机、报警器。

当采用两根光纤对地下空间建筑内的积水进行检测时，需要在地下空间建筑的地面和侧壁分别固定温度传感光纤，具体地，在管廊的地面上贴合固定第一温度传感光纤、侧壁上贴合固定着第二温度传感光纤，所述第一温度传感光纤固定在地面的中央、第二温度传感光纤固定在管廊的侧壁。激光脉冲发射器分别同时向第一温度传感光纤、第二温度传感光纤发出频率相同的光脉冲，这两个温度传感光纤的波长均为1.5μm。第一温度传感光纤和第二温度传感光纤分别将其各个监测点测得的波长信号传输给监控主机，监控主机对接收到的第一温度传感光纤的波长信号、第二温度传感光纤的波长信号进行处理并将所有的波长信号转换为温度信号，控制器根据转换的温度信号分别绘制出监测点距离与温度曲线l1、l2，对两个温度曲线进行对比分析，从而判断监测的管廊内是否存在积水。

当采用两根光纤对管廊内的积水进行检测时，管廊内积水区域的差分检测方法具体包括以下步骤：

步骤1.1：激光器分别同时向第一温度传感光纤、第二温度传感光纤发出频率相同的光脉冲；

步骤1.2：第一温度传感光纤、第二温度传感光纤分别将其各个监测点测得的波长信号传输给监控主机；

步骤1.3：监控主机分别对接收到的第一温度传感光纤的波长信号、第二温度传感光纤的波长信号进行处理并将所有的波长信号转换为温度信号，分别绘制出第一温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l1、第二温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l2；

步骤1.4：分析监测点位置-温度曲线l1、l2，获取曲线l1或l2上所有的温度突变对，所有的温度突变对所对应的距离之和即为管廊内积水区域的长度；

当一根光纤全部淹没在积水内或未淹没在积水内时，光纤上的各个监测点测得的温度是稳定的，不会随着监测位置的变化产生大幅度的变化，由于存在检测误差，不同监测点测得的温度可能会发生微小的变化，但变化幅度不会超过温度阈值。然而，当一根光纤的一部分被淹没在水中，另一部分暴露在空气中时，位于空气与水的交界处的监测点的温度梯度会远远大于其他监测点的温度梯度，温度梯度是判断光纤是否浸入积水中的一个重要参数。此处的温度梯度指的是温度随位置的变化率，在本实施例中，定义温度梯度为rc，rc=0.5℃/（sm-sm-1），rc的单位为℃/m，sm-sm-1为第m个监测点与第m-1个监测点之间的距离差，温度梯度的大小取决于本实施例中采用的光纤的空间分辨率的大小。光纤从空气进入水中的监测点的温度梯度为负梯度，光纤从水中进入空气中的监测点的温度梯度为正梯度。

具体地，首先，判断传感监测区域内曲线l1、l2上对应监测点的温度误差是否不大于0.3℃，若温度误差不大于0.3℃，则传感监测区域内的任一监测位置上的两个温度传感光纤的温度相同，则说明第一和第二温度传感光纤的所有监测点检测到的均为管廊内的空气温度，这两个温度传感光纤均未浸入水中，传感监测区域内不存在积水；否则，这两根温度传感光纤中可能有一根或两根浸入水中；

然后，判断曲线l1与l2上是否存在温度突变对，若不存在，则说明整个传感监测区域内均存在积水，第一、第二温度传感光纤的所有监测点检测到的均为管廊内的积水温度，或第一温度传感光纤的所有监测点检测到的为管廊内的积水温度、第二温度传感光纤的所有监测点检测到的为管廊内的空气温度；

然后，结合图3、图4、图5，令δt1=t2-t1，其中，t1、t2分别为温度突变区间内同一监测点的第一温度传感光纤检测的温度、第二温度传感光纤检测的温度，δt1为第二温度传感光纤与第一温度传感光纤检测的温度差；若δt1≥0.5℃且温度突变点的温度梯度|r|≥rc，其中，sm-sm-1为第m个监测点与第m-1个监测点之间的距离差，则第一温度传感光纤部分淹没在积水内，监控主机控制报警器发出报警信号，确定曲线l1上的温度突变对，并确定每个温度突变对的两个温度突变点之间的距离，所有的温度突变对所对应的距离之和即为管廊内积水区域的长度。结合图6、图7、图8，若0℃≤δt1＜0.5℃且温度突变点的温度梯度|r|≥rc，则第二温度传感光纤部分淹没在积水内，监控主机控制报警器发出报警信号，并通过曲线l2确定每个温度突变对的两个温度突变点之间的距离，所有的温度突变对所对应的距离之和即为管廊内积水区域的长度。

步骤1.5：根据温度突变点的位置及其所处位置对应的管廊的设计标高得到积水区域的积水深度，通过积水区域的长度以及积水深度、管廊的宽度计算出管廊内的积水量。

结合图15、图16所示，假设地下空间建筑内的室温为26.8℃到27℃，20m到30m的距离范围内存在积水，则第一温度传感光纤的20m到30m之间的部分浸入水中，测量第一温度传感光纤的稳态温度分布，从图6可以看出，在0-20m的距离内，第一温度传感光纤检测到的温度保持在26.7℃左右，在20m处温度陡然下降到25.2℃，在20m-30m之间的距离，检测到的温度保持在25.5℃左右，在30m处温度迅速回升到26.8℃，在30m之后的监测位置检测到的温度始终保持在26.9℃左右。从图7可以看出，20m处的温度梯度负峰值，30m处的温度梯度正峰值，而其他位置的温度梯度稳定在0℃/m。

实施例二，结合图2，本发明涉及的基于分布式光纤的地下空间建筑内积水区域的差分检测系统主要包括激光脉冲发射器、三根温度传感光纤、控制主机、报警器。

当采用三根光纤对地下空间建筑内的积水进行检测时，需要在地下空间建筑的地面、侧壁和顶部分别固定温度传感光纤，具体地，在管廊的地面上贴合固定第一温度传感光纤、侧壁上贴合固定着第二温度传感光纤、顶部上贴合固定着第三温度传感光纤，所述第一温度传感光纤固定在地面的中央、第三温度传感光纤固定在管廊顶部的中央。激光脉冲发射器分别同时向第一温度传感光纤、第二温度传感光纤和第三温度传感光纤发出频率相同的光脉冲，这三个温度传感光纤的波长均为1.5μm。第一温度传感光纤、第二温度传感光纤和第三温度传感光纤分别将其各个监测点测得的波长信号传输给监控主机，监控主机对接收到的第一温度传感光纤的波长信号、第二温度传感光纤的波长信号和第三温度传感光纤的波长信号进行处理并将所有的波长信号转换为温度信号，控制器根据转换的温度信号分别绘制出监测点距离与温度曲线l1、l2、l3，对三个温度曲线进行对比分析，从而判断监测的管廊内是否存在积水。

步骤3.1：激光器分别同时向第一温度传感光纤、第二温度传感光纤以及第三温度传感光纤发出频率相同的光脉冲；

步骤3.2：第一温度传感光纤、第二温度传感光纤、第三温度传感光纤分别将其各个监测点测得的波长信号传输给监控主机；

步骤3.3：监控主机分别对接收到的第一温度传感光纤的波长信号、第二温度传感光纤的波长信号以及第三温度传感光纤的波长信号进行处理并将所有的波长信号转换为温度信号，分别绘制出第一温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l1、第二温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l2、第三温度传感光纤的监测点位置-温度曲线l3；

步骤3.4：分析监测点位置-温度曲线l1、l2、l3，获取曲线l1或l2上所有的温度突变对，所有的温度突变对所对应的距离之和即为管廊内积水区域的长度；

具体地，首先，判断传感监测区域内曲线l1、l2、l3上对应监测点的温度误差是否不大于0.3℃，若温度误差不大于0.3℃，则说明第一、第二、第三温度传感光纤的所有监测点检测到的均为地下空间建筑内的空气温度，这三个温度传感光纤均未浸入水中，整个管廊内不存在积水；否则，这三个温度传感光纤中可能有一根或两根浸入水中；

然后，判断曲线l1与l2上是否存在温度突变对，若不存在，则说明整个传感监测区域内均存在积水，第一、第二温度传感光纤的所有监测点检测到的均为管廊内的积水温度，或第一温度传感光纤的所有监测点检测到的为管廊内的积水温度、第二温度传感光纤的所有监测点检测到的为管廊内的空气温度。如图12所示，当第一、第二温度传感光纤的所有监测点检测到的均为管廊内的积水温度时，第一温度传感光纤和第二温度传感光纤均被淹没在积水中；如图9所示，当第一温度传感光纤的所有监测点检测到的为管廊内的积水温度、第二温度传感光纤的所有监测点检测到的为管廊内的空气温度时，仅第一温度传感光纤淹没在水中。

然后，令δt1=t2-t3，δt2=t1-t3，h=|δt1-δt2|=|t2-t1|，其中，t1、t2、t3分别为温度变化区间内同一监测点的第一温度传感光纤检测的温度、第二温度传感光纤检测的温度、第三温度传感光纤检测的温度，δt1为第二温度传感光纤与第三温度传感光纤检测的温度的温度差，δt2为第一温度传感光纤与第三温度传感光纤检测的温度的温度差，h为δt1与δt2的差值的绝对值；结合图9、图10、图11，若h≥0.5℃且温度突变点的温度梯度|r|≥rc，rc=0.5℃/（sm-sm-1），则第一温度传感光纤部分淹没在积水内，监控主机控制报警器发出报警信号，并通过曲线l1确定每个温度突变对的两个温度突变点之间的距离，所有的温度突变对所对应的距离之和即为管廊内积水区域的长度；

结合图12、图13、图14，若0℃≤h＜0.5℃且温度突变点的温度梯度|r|≥rc，则第二温度传感光纤部分淹没在积水内，监控主机控制报警器发出报警信号，并通过曲线l2确定每个温度突变对的两个温度突变点之间的距离，所有的温度突变对所对应的距离之和即为管廊内积水区域的长度；

步骤3.5：根据温度突变点的位置及其所处位置对应的管廊的设计标高得到积水区域的积水深度，通过积水区域的长度以及积水深度、管廊的宽度计算出管廊内的积水量。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。