[实用新型]水工结构物及其基础渗流状况分布式光纤辨识系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种水工结构物及其基础渗流监测系统，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。

背景技术

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究课题和应用方向。

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；且研究证明，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迁，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迁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迁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究发现，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。

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。

目前，最常用的分布式光纤温度传感系统(DistributedOpticalFiberTemperatureSystem，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。

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。