水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统与方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水工结构物及其基础渗流监测系统及方法，具体涉及一种恶劣环境下水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统与方法。
【背景技术】
[0002]渗流是关系水工结构物安全长效服役的重要因素，尤其对于土石坝、堤防等土石散粒结构物，渗流问题及其影响更加突出。研发先进、实用、可靠的涉水结构物测渗仪器设备，加强其合理布设和监测数据的高效传输与科学处理分析，以准确辨识结构物的渗流状况，对保障工程安全具有极其重要的意义。随着光纤传感技术的快速发展和应用领域的不断拓展，借助其探测涉水结构物内部温度变化，利用温度与渗流的关联机制，间接实现结构物渗流状况的监测和辨识，已成为光纤传感技术中的一个重要研宄课题和应用方向。
[0003]A.G.S.Smekal最早从理论上预言了光入射到介质后，除了产生反射和折射外，还会出现频率发生改变的散射光；且研宄证明，光子与声子相互作用时，是以吸收或发射声子的形式进行的，当光子吸收或者发射声子时产生了散射现象，发射或者吸收光学声子的散射称为拉曼散射，发射或者吸收声学声子的散射称为布里渊散射，且背向散射光中以拉曼散射光最弱，这两种散射都发生了频移现象，布里渊散射的频移是由声波或声学支声子波造成的，拉曼散射的频移则是因为分子内部的振动或光学支声子波引起，由于声子描述了晶格振动，声学支描述了原子质心的运动，因此，拉曼散射光的频移量与入射光波长无关，只取决于介质特性。进一步，量子理论认为，拉曼散射是由于光量子和介质分子的非弹性碰撞造成的，非弹性碰撞进而导致能量发生转移，即表现为分子能级的跃迀，或吸收声子，转换为频率较高的散射光，或发射声子，转化为频率较低的散射光，当处于基态的介质分子通过吸收的入射光子所处于的高能量级跃迀回激发态时会产生一个低频的斯托克斯光子，处于激发态的介质分子在吸收入射光子之后所处于的高能量级跃迀回基态时会产生一个频率更高的反斯托克斯光子，当其大量作用时，其反斯托克斯光和斯托克斯光的强度会不断增加，对于拉曼散射光而言研宄发现，只有反斯托克斯光的光强对温度敏感，斯托克斯光以及拉曼散射光的波长均不受温度影响。
[0004]依据上述基本理论，目前研制出了很多基于拉曼散射光的测温测渗系统，但拉曼散射光的强度较弱，经过光电转换后的信号会被各种噪声所覆盖，信噪比非常差，信噪比的大小却往往又是决定系统测温精度或测量距离的最重要因素之一。增强信噪比的传统方法有:提高泵浦脉冲光峰值功率，该方法的缺点是当脉冲光峰值功率超过了光纤的非线性阈值时，拉曼散射会发生非线性效应，而非线性效应会严重干扰温度的解调；第二种方法是对采集的数据多次进行平均化处理，但过长的监测距离会花费巨大的时间及耗费巨大的内存处理，极大降低了测温的实时反应能力。因此，空间分辨率、传感光纤长度、测温不确定度和测量时间等成为了决定分布式光纤拉曼温度传感器系统性能的重要因素。
[0005]目前，最常用的分布式光纤温度传感系统(Distributed Optical FiberTemperature System, DTS)是基于拉曼背向散射光受温度调制的特性来测温的，由于拉曼散射光强度非常微弱，因此DTS系统本质上而言，是一个对弱信号进行处理和检测的技术，其用反斯托克斯拉曼散射光作为测量温度信号，使用激光单脉冲作为泵浦信号，斯托克斯拉曼散射光作为测量温度参考通道，其缺点是脉冲宽度不容易调节，空间分辨率低，信噪比差。随着发展，出现了一些新技术，其中代表性的有集成光纤拉曼放大器的分布式光纤温度传感器、采用脉冲编码技术的分布式光纤拉曼温度传感器、采用拉曼相关双波长自校正技术的分布式光纤温度传感器、嵌入光开关的分布式光纤温度传感器等。
[0006]集成光纤拉曼放大器的分布式光纤温度传感器，仅是放大提高了模拟电信号，其并未从根本上解决脉宽及信噪比的问题；采用脉冲编码技术的分布式光纤拉曼温度传感器，主要针对单模光纤，且为了提高系统的信噪比及信号的提取、辨别能力，需采用复杂的编码、解码技术，大大增加了操作难度及设备的设计复杂程度，从其最终的空间分辨率及系统的信噪比上看，尚存在较大不足；采用拉曼相关双波长自校正技术的分布式光纤温度传感器，使用双光源仍不能很好保证两个通道在相同波段的测温光纤的相同损耗，其温度解调曲线仍会出现倾斜、畸变等问题；嵌入光开关的分布式光纤温度传感器，虽然可以通过增加光开关将测温光纤从原来的一路扩展为多路，但其精度及测量时效性却很难得到保证。
[0007]另一方面，目前基于传感光纤的渗流监测技术，大多需要借助外接电路实现对光纤加热，因而不但要求所使用光纤应有加热功能，而且必须构建一套完整的加热电路，这大大增加了生产光纤的成本，且由于室内外监测时较难于协调外接电路的电压与加热光纤之间的关系，所生产的加热光纤往往会在该种情况下出现电压不稳或者过大现象，短时间内即会因为难于控制的电压导致光纤护套松软甚至烧焦，对操作人员及仪器等产生极为严重的危害；另外，应用于实际工程的现场监测，常缺少必要的安全措施，加热电路铺设较为困难，特别是对于大坝等水利水电工程，由于大多坐落于偏远地区，服役环境异常恶劣，光纤铺设和加热功能的实现更加不易甚至无法完成。
[0008]基于上述背景和现状，迫切需要从水工渗流监测特点和特殊工作环境出发，对光纤测渗技术进行重大变革研宄，为从根本上解决空间分辨率、信噪比、加热等问题，真正实现超高空间分辨率、超远传感距离、超高测温测渗精度和超高测量效率的水工渗流光纤监测提供技术支持。
【发明内容】
[0009]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统与方法，利用先进的飞秒脉冲技术，创造性地研发了一种专门的温度解调系统及用于水工渗流监测的新型传感光纤，特别是渗漏量和浸润线监测，其具有监测精度高、空间分辨率高、传感速度快、监测距离远等优势，通过采集装置与坝群安全监测信息管理与分析评估系统集成，形成大数据分析系统，以及时高效动态监测水工结构体渗流状况。
[0010]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的一种水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统与方法，包括垂直交错铺设于水工结构物及其基础渗流监测区中的自控热源测渗用特制单模光纤、与自控热源测渗用特制单模光纤连接的光路耦合器和同步控制器，在自控热源测渗用特制单模光纤与光路耦合器之间设有监测恒温室，所述同步控制器依次与锁模激光器、第一波分复用器、偏振分束器、隔离器、非线性放大器、光栅对、液晶空间光调制器、衍射光栅、反射镜、分束器、非线性晶体、光谱仪和迈克尔逊干涉仪连接，迈克尔逊干涉仪输出端与光路耦合器连接，光路耦合器的输出端分别与探测器和第二光分器连接，探测器与数字信号处理器连接，第二光分器通过放大电路与数字信号处理器连接，数字信号处理器输出端分别与同步控制器和采集器连接，采集器的输出端分别与同步控制器和计算机连接，计算机与配置有远程云数据库的模块连接，配置有远程云数据库的模块将汇集信息输送到坝群安全监测信息管理与分析评估系统中。
[0011]作为优选，所述放大电路包含并联连接的第一放大电路、第二放大电路和第三放大电路，第一放大电路包含依次连接的第一光电二极管、第三放大器和斯托克斯接收器，第二放大电路包含依次连接的第二光电二极管、第四放大器和反斯托克斯接收器，第三放大电路包含依次连接的第三光电二极管、第五放大器和瑞利光接收器，第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管分别与第二光分器的输出端连接。
[0012]作为优选，所述迈克尔逊干涉仪输出端同时与光电开关连接，光电开关布置有L和R双侧开关，L侧开关与主飞秒脉冲输入端相连，R侧开关与副飞秒脉冲相连，主飞秒脉冲的主飞秒脉冲光会进入第一放大器的光信号输入端，副飞秒脉冲的副飞秒脉冲光会经过第二放大器的光信号输入端，第一放大器的光信号输出端口与第一光分器的输入端口相连，第一光分器的输出端口分别与第二光滤波器的信号输入端口和第三光滤波器的信号输入端口相连，第二放大器的光信号输出端口与第一光滤波器的光信号输入端口相接，第一光滤波器、第二光滤波器和第三光滤波器的输出端与第二波分复用器输入端连接，第二波分复用器的输出端与第二光分器输入端连接。
[0013]作为优选，所述自控热源测渗用特制单模光纤从内到外依次设有单芯光纤、内护弹性层、绝热钢环、内层填护环、弹性硬环、防渗隔热硬套环，单芯光纤分别与若干根外圆套护管连接，外圆套护管依次穿过内护弹性层、绝热钢环、内层填护环、弹性硬环与防渗隔热硬套环连接，外圆套护管内装填有引流储水棉套，引流储水棉套与第二滤网相连，第二滤网上布设有第二滤网纱网通孔，第二滤网外与第一滤网相连，第一滤网上布设有第一滤网纱网通孔。
[0014]作为优选，所述弹性硬环和防渗隔热硬套环为不规则的