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分布式光纤传感边坡工程检测设计

分布式光纤传感边坡工程检测设计

【摘 要】光纤传感的边坡工程检测系统是光纤振动 传感器的一种新型应用设计,可对边坡工程进行实时监测, 同时掌握边坡的变形动态,对滑坡进行预警。高精度的传感 器对边坡振动信号进行识别、经验模态分解,提取不同环境 状态下的快速傅里叶变换频谱系数,再结合小波包分解技术, 建立信号特征向量,对信号进行模式识别,从而达到快速准 确地分析处理数据。该方案有效的区分风、雨其他外界因素 干扰,较准确的反映边坡的检测情况满足工程安全监测和滑 坡早期预警要求。

【关键词】光纤传感;振动信号;小波包;模式识别 0 引言 随着我国近年来对铁路公路等基础设施的大力投资,边 坡工程的稳定状况给人民的生命安全带来很大威胁,因此, 对边坡工程进行监测是一项必不可少的工作。而传统的集 TDR、渗压计、测斜仪等采集器于一体的监测系统,由于受 到自身因素的影响,普遍存在抗干扰性、耐久性和长期稳定 性较差的缺点,难以适应现代岩土工程监测的要求。分布式 光纤震动传感器与传统监测系统相比,具有探测距离长、响 应速度快、灵敏度高、自身不辐射、不受电磁干扰等性能,

能够对边坡振动信号进行识别,有效的提高边坡检测的准确 率,因此分布式光纤振动传感器在边坡安全、边界预警等领 域具有广阔的应用前景。 设计采用经验模态分解技术对边坡格构梁、挡土墙等工 程进行变形监测的分布式光纤监测系统,介绍分布式传感光 纤的布设、参量提取以及模式识别。在某段土边坡上进行分 布式光纤监测实验,对此技术应用于边坡监测的可行性进行 验证。 1 分布式光纤传感器介绍 分布式传感系统是利用一根或多根特种光纤作为延伸 的传感元件,即任意区间的光纤既是传感单元,又是其它传 感单元的信息传输通道,可连续获取被测对象沿该光纤在空 间和时间上变化的特征参量及分布信息。它的主要优势在于 对大型或超大型工程的整体应变、温度等进行监测,如油气 管线泄漏、大坝和堤防渗漏及边坡等分布式监测等。 在光纤传感器的方案选择与设计上,马赫曾德尔 (Mach-Zehnder)型干涉结构的技术比较成熟,具有独特的 抑制光源噪声和模式噪声的优点,本文采用了基于马赫曾德 尔型干涉仪结构的方案。 3dB 光耦合器 1 (即等强度分光器) 将激光器发出的光分成光强度相等的两束光,这两束光输入 到两个长度基本相等的单模光纤去,在光纤的另一端,两束 光经过另一只耦合器汇合后接到两个光探测器上。当外界的

物理振动干扰信号作用于信号臂上面时,两臂之间的光相位 就会出现差异,两束光在汇合端就会发生干涉,这一干涉信 号通过耦合器分成两路送到光探测器上,探测器就可以将干 涉引起的光强度变化检测出来,当检测到光强变化后,就可 以通过上式求出因受外力而产生的相位差。 2 信号的小波分解与重构 传统的振动信号分析和处理方法一般都是采用傅立叶 分析,是一种窗口函数固定不变的分析方法,无法反映信号 的非平稳、持时短、时域和频域局部化等特性。而小波分析 是一种窗口面积固定但其时间和频率窗可改变的时频局部 化分析方法,由于它在分解的过程中只对低频信号再分解, 对高频信号不再实施分解,使得它在高频频段的频率分辨率 较差。在这种情况下,小波包分解应运而生,根据分析信号 的特征,自适应的选择相应频带,使之与信号频谱相匹配, 从而提高了时频分辨率。将采集的振动信号进行小波包分解, 再利用小波包分解自动选择提取最佳小波包能量构造特征 向量。 3 模式识别的应用 Visual studio 2012 其界面美观且功能强大,但在数值计 算与矩阵运算等方面远不如 MATLAB, 直接用 Visual studio 实 现模式识别算法非常困难,因此需要在 C#程序中调用 MATLAB 作为一个计算引擎服务器,在运行时,引擎作为一

个进程单独运行,C#程序也作为一个进程单独运行,二者可 以通过进程间的通信机制进行交互。MATLAB 提供了一系列 操作 MATLAB 引擎的 API 函数,借助这些 API 函数可以轻松 地实现矩阵运算、图形显示等计算复杂度高的操作,因而可 以将应用程序的计算功能交给 MATLAB 引擎来完成, 用 C#实 现界面部分。 模式识别的基本思想是将提取阶段得到的特征向量定 义在一个特征空间中,不同的特征向量都对应于空间中的一 点。在分类阶段利用统计决策的原理对特征空间进行划分, 实现区分不同特征对象的目的。结构模式识别方法用符号来 描述对象特征,其模仿语言学中句法的层次结构,利用模式 与子模式分层结构的树状信息来完成模式识别工作,主要突 出了识别对象的结构信息。在模式识别的组成框架中,利用 小波包分解技术提取振动信号完成一组稳定的、具有代表性 的特征值。 4 实验结果 实验需要将光纤振动传感器获得的振动参数经过放大 和 A/D 转换,通过串口传送到 PC 端 C#、MATLAB 联合编程 的上位机进行处理,基于小波包分析的的特征向量通过 MATLAB 仿真来提取。通过 MATLAB 仿真得到的基于小波包 分解特征参量提取的边坡模拟振动信号和下雨振动信号的 能量柱形图,从图中可以两类信号可以凭借小波包分解获得

的特征向量得到很好的区分。 提取特征参量后, 通过 MATLAB 的模式识别算法,有效的识别边坡振动信号。为了验证以上 分析, 分别测试了 20 组边坡模拟振动信号和下雨振动信号, 误报为 1 组,说明基于小波包分解的振动识别技术能很好地 运用于光纤边坡检测系统。 5 结论 本文对传感光纤在边坡加固工程上的布设、信号的小波 包分解和模式识别进行了介绍, 实现了 MATLAB 与 C#混合编 程对不同振动信号的模式识别,构建了分布式光纤传感边坡 监测系统。结果证明分布式光纤监测技术用于边坡工程的应 变、变形等监测是可行的,也是十分有效的。采用分布式监 测系统,可以对边坡进行全天候实时监测,省时、省力和安 全,是当前和今后边坡监测发展的一个重要方向。 【参考文献】 [1]周正仙,肖石林,全芳轩.基于 M-Z 干涉原理的点位 式光纤振动传感器[J].光通信研究,2009,155(5) :67-70. [2]汤明高,许强,黄润秋,等.滑坡体基质吸力的观测实 验及变化特征分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(2) : 355-362. [3]戚风云, 赵乐军, 周又铃.分布式光纤测温系统及高速 数据采集与处理[J].传感器技术,2005,24(11) :62-64,67. [4]邓沌华, 李源.物联网领域中光纤周界传感系统的应用

[J].信息通信,2011(5) :162-164. [5]施斌,徐洪钟,张丹,等.BOTDR 应变监测技术应用在 大型基础工程健康诊断中的可行性研究[J].岩石力学与工程 学报,2004:493-499. [责任编辑:杨玉洁]


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