[发明专利]面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统，包括混沌激光发射装置，2×2光纤耦合器，第一隔离器，第一3×3光纤耦合器，第三光纤偏振控制器，电光调制器，正弦信号发生器，第一可调光延时发生器，第二掺铒光纤放大器，扰偏器，第二隔离器，第三掺铒光纤放大器，第四光纤偏振控制器，声光调制器，脉冲发生器，第二3×3光纤耦合器，第二可调光延时发生器，第三1×2光纤耦合器，第二环形器，第四1×2光纤耦合器，多芯传感光纤，布拉格光栅，波分复用器，带通滤波器，雪崩光电放大器，第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器，高速采集卡，电脑控制器，光谱仪，法拉第旋转镜。本发明系统同时实现光纤沿线温度、应变、振动和位移的同时实时测量。

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感领域，具体是一种面向采空区交通基础设施的光纤多参量检测系统及方法。

背景技术

高速交通基础设施是用于保证国家或地区社会经济活动高效正常进行的公共服务系统。实现高速交通基础设施安全监测、保障交通的安全运行已成为国家和地方的重大战略需求。

以山西省为例，山西省作为全国重要的能源原材料基地，地下煤炭的大规模开采造成了山西省大面积的采空区，全省15.7万平方公里的土地，采空区近3万平方公里。山西省高速公路网“三纵十二横十二环”中多条高速公路压覆采空区，由于采空造成的地质灾害，致使路基大面积沉陷，路面裂缝交错，路旁山体时有滑坡，给众多交通基础设施造成严重损伤。大面积的采空区让高速公路、铁路成了没有根基的“悬空路”、“漏斗路”，给社会经济活动、人民生命财产带来严重的制约和安全隐患。

煤田采空区下高速交通基础设施的损坏通常表现为由于采空区下高速交通基础设施的损坏通常表现为由于采空区地表塌陷使其所受应变、应力改变，或者采空区下浮煤在具备供氧条件下发生自燃导致温度升高等多参量的改变引起的。因此仅仅对交通基础设施单一物理量的监测并不能确保对事故进行有效的预警和定位，因而多参数的分布式测量也显得越来越重要。近年来，随着光纤传感技术的不断发展，其凭借准确度高、抗干扰能力强、空间适用性强、自动化程度高、施工方便、成本较低等优点而逐步得到交通基础设施领域的应用。但目前分布式光纤传感领域均以单一系统实现上述参量的单一监测，要实现多参量的监测需要多个系统，成本很高，因此需要研究多功能/多参量传感技术。

另外，分布式光纤传感技术可以分为三类：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术、基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于拉曼散射的分布式传感技术。基于瑞利散射的分布式光纤传感技术一般用于光通信网络中的故障点检测；基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术可以分为两种类型：一种是利用脉冲信号来感知光纤沿线温度/应变信息的光时域系统，布里渊光时域反射（BOTDR，Brillouin Optical Time DomainReflectometry) 的分布式光纤传感系统和布里渊光时域分析（BOTDA，Brillouin OpticalTime Domain Analysis）的分布式光纤传感系统；另一种是利用正弦信号频率调制的连续光作为传感信号的光相干域系统，布里渊光相干域分析（BOCDA，Brillouin OpticalCorrelation Domain Analysis）的分布式光纤传感系统和布里渊光相干域反射（BOCDR，Brillouin Optical Correlation Domain Reflectometry）的分布式光纤传感系统。光时域系统的优势在于传感距离长，但是由于传感光纤本身声子寿命的固有限制，其最优的空间分辨率一般难以突破1m。而光相干域系统可以使温度和应变的分布式测量实现厘米甚至毫米量级的空间分辨率，然而由于瑞利散射的限制其测量范围仅能达到数米；基于拉曼的温度传感技术由于光源脉宽的限制，使其空间分辨率也难以达到厘米量级（增大脉宽可以增强传感距离，但是会极大的限制系统的空间分辨率）。

综上所述，现有分布式光纤传感技术存在两方面的问题，一是无法同时实现多参量的同时测量。二是存在传感距离与空间分辨率无法兼顾的矛盾。使面向交通基础设施的分布式光纤传感技术遇到了一定的难题。