[发明专利]一种基于光纤传感的地铁隧道安全监控系统及监控方法

说明书

技术领域

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

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。

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，有各类桩基施工、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桩基施工所贯穿，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。

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。

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

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：

目的1，提供一种精确可靠的地铁隧道安全监控系统。

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。

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。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

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。

进一步的，所述光纤为单芯光纤，作为传感、传输的双重介质。

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。

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。

再进一步的，所述光源模块为激光光源。

再进一步的，所述光纤干涉模块由光纤延迟器和X×Y耦合器、L×M耦合器构成，X、Y为整数，L、M为整数。

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。

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。

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。

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。

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；

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；

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。