分布式光纖傳感邊坡工程檢測(cè)設(shè)計(jì)

陳同琦　嚴(yán)煥儀　王開發(fā)　劉釗良

【摘 要】光纖傳感的邊坡工程檢測(cè)系統(tǒng)是光纖振動(dòng)傳感器的一種新型應(yīng)用設(shè)計(jì)，可對(duì)邊坡工程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)掌握邊坡的變形動(dòng)態(tài)，對(duì)滑坡進(jìn)行預(yù)警。高精度的傳感器對(duì)邊坡振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別、經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，提取不同環(huán)境狀態(tài)下的快速傅里葉變換頻譜系數(shù)，再結(jié)合小波包分解技術(shù)，建立信號(hào)特征向量，對(duì)信號(hào)進(jìn)行模式識(shí)別，從而達(dá)到快速準(zhǔn)確地分析處理數(shù)據(jù)。該方案有效的區(qū)分風(fēng)、雨其他外界因素干擾，較準(zhǔn)確的反映邊坡的檢測(cè)情況滿足工程安全監(jiān)測(cè)和滑坡早期預(yù)警要求。

【關(guān)鍵詞】光纖傳感；振動(dòng)信號(hào)；小波包；模式識(shí)別

0 引言

隨著我國(guó)近年來(lái)對(duì)鐵路公路等基礎(chǔ)設(shè)施的大力投資，邊坡工程的穩(wěn)定狀況給人民的生命安全帶來(lái)很大威脅，因此，對(duì)邊坡工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)必不可少的工作。而傳統(tǒng)的集TDR、滲壓計(jì)、測(cè)斜儀等采集器于一體的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于受到自身因素的影響，普遍存在抗干擾性、耐久性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差的缺點(diǎn)，難以適應(yīng)現(xiàn)代巖土工程監(jiān)測(cè)的要求。分布式光纖震動(dòng)傳感器與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，具有探測(cè)距離長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、靈敏度高、自身不輻射、不受電磁干擾等性能，能夠?qū)吰抡駝?dòng)信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，有效的提高邊坡檢測(cè)的準(zhǔn)確率，因此分布式光纖振動(dòng)傳感器在邊坡安全、邊界預(yù)警等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

設(shè)計(jì)采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解技術(shù)對(duì)邊坡格構(gòu)梁、擋土墻等工程進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)的分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，介紹分布式傳感光纖的布設(shè)、參量提取以及模式識(shí)別。在某段土邊坡上進(jìn)行分布式光纖監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)此技術(shù)應(yīng)用于邊坡監(jiān)測(cè)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 分布式光纖傳感器介紹

分布式傳感系統(tǒng)是利用一根或多根特種光纖作為延伸的傳感元件，即任意區(qū)間的光纖既是傳感單元，又是其它傳感單元的信息傳輸通道，可連續(xù)獲取被測(cè)對(duì)象沿該光纖在空間和時(shí)間上變化的特征參量及分布信息。它的主要優(yōu)勢(shì)在于對(duì)大型或超大型工程的整體應(yīng)變、溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如油氣管線泄漏、大壩和堤防滲漏及邊坡等分布式監(jiān)測(cè)等。

在光纖傳感器的方案選擇與設(shè)計(jì)上，馬赫曾德爾（Mach-Zehnder）型干涉結(jié)構(gòu)的技術(shù)比較成熟，具有獨(dú)特的抑制光源噪聲和模式噪聲的優(yōu)點(diǎn)，本文采用了基于馬赫曾德爾型干涉儀結(jié)構(gòu)的方案。3dB光耦合器1（即等強(qiáng)度分光器）將激光器發(fā)出的光分成光強(qiáng)度相等的兩束光，這兩束光輸入到兩個(gè)長(zhǎng)度基本相等的單模光纖去，在光纖的另一端，兩束光經(jīng)過(guò)另一只耦合器匯合后接到兩個(gè)光探測(cè)器上。當(dāng)外界的物理振動(dòng)干擾信號(hào)作用于信號(hào)臂上面時(shí)，兩臂之間的光相位就會(huì)出現(xiàn)差異，兩束光在匯合端就會(huì)發(fā)生干涉，這一干涉信號(hào)通過(guò)耦合器分成兩路送到光探測(cè)器上，探測(cè)器就可以將干涉引起的光強(qiáng)度變化檢測(cè)出來(lái)，當(dāng)檢測(cè)到光強(qiáng)變化后，就可以通過(guò)上式求出因受外力而產(chǎn)生的相位差。

2 信號(hào)的小波分解與重構(gòu)

傳統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)分析和處理方法一般都是采用傅立葉分析，是一種窗口函數(shù)固定不變的分析方法，無(wú)法反映信號(hào)的非平穩(wěn)、持時(shí)短、時(shí)域和頻域局部化等特性。而小波分析是一種窗口面積固定但其時(shí)間和頻率窗可改變的時(shí)頻局部化分析方法，由于它在分解的過(guò)程中只對(duì)低頻信號(hào)再分解，對(duì)高頻信號(hào)不再實(shí)施分解，使得它在高頻頻段的頻率分辨率較差。在這種情況下，小波包分解應(yīng)運(yùn)而生，根據(jù)分析信號(hào)的特征，自適應(yīng)的選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號(hào)頻譜相匹配，從而提高了時(shí)頻分辨率。將采集的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行小波包分解，再利用小波包分解自動(dòng)選擇提取最佳小波包能量構(gòu)造特征向量。

3 模式識(shí)別的應(yīng)用

Visual studio 2012其界面美觀且功能強(qiáng)大，但在數(shù)值計(jì)算與矩陣運(yùn)算等方面遠(yuǎn)不如MATLAB，直接用Visual studio實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別算法非常困難，因此需要在C#程序中調(diào)用MATLAB作為一個(gè)計(jì)算引擎服務(wù)器，在運(yùn)行時(shí)，引擎作為一個(gè)進(jìn)程單獨(dú)運(yùn)行，C#程序也作為一個(gè)進(jìn)程單獨(dú)運(yùn)行，二者可以通過(guò)進(jìn)程間的通信機(jī)制進(jìn)行交互。MATLAB提供了一系列操作MATLAB引擎的API函數(shù)，借助這些API函數(shù)可以輕松地實(shí)現(xiàn)矩陣運(yùn)算、圖形顯示等計(jì)算復(fù)雜度高的操作，因而可以將應(yīng)用程序的計(jì)算功能交給MATLAB引擎來(lái)完成，用C#實(shí)現(xiàn)界面部分。

模式識(shí)別的基本思想是將提取階段得到的特征向量定義在一個(gè)特征空間中，不同的特征向量都對(duì)應(yīng)于空間中的一點(diǎn)。在分類階段利用統(tǒng)計(jì)決策的原理對(duì)特征空間進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)區(qū)分不同特征對(duì)象的目的。結(jié)構(gòu)模式識(shí)別方法用符號(hào)來(lái)描述對(duì)象特征，其模仿語(yǔ)言學(xué)中句法的層次結(jié)構(gòu)，利用模式與子模式分層結(jié)構(gòu)的樹狀信息來(lái)完成模式識(shí)別工作，主要突出了識(shí)別對(duì)象的結(jié)構(gòu)信息。在模式識(shí)別的組成框架中，利用小波包分解技術(shù)提取振動(dòng)信號(hào)完成一組穩(wěn)定的、具有代表性的特征值。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)需要將光纖振動(dòng)傳感器獲得的振動(dòng)參數(shù)經(jīng)過(guò)放大和A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)串口傳送到PC端C#、MATLAB聯(lián)合編程的上位機(jī)進(jìn)行處理，基于小波包分析的的特征向量通過(guò)MATLAB仿真來(lái)提取。通過(guò)MATLAB仿真得到的基于小波包分解特征參量提取的邊坡模擬振動(dòng)信號(hào)和下雨振動(dòng)信號(hào)的能量柱形圖，從圖中可以兩類信號(hào)可以憑借小波包分解獲得的特征向量得到很好的區(qū)分。提取特征參量后，通過(guò)MATLAB的模式識(shí)別算法，有效的識(shí)別邊坡振動(dòng)信號(hào)。為了驗(yàn)證以上分析，分別測(cè)試了20組邊坡模擬振動(dòng)信號(hào)和下雨振動(dòng)信號(hào)，誤報(bào)為1組，說(shuō)明基于小波包分解的振動(dòng)識(shí)別技術(shù)能很好地運(yùn)用于光纖邊坡檢測(cè)系統(tǒng)。

5 結(jié)論

本文對(duì)傳感光纖在邊坡加固工程上的布設(shè)、信號(hào)的小波包分解和模式識(shí)別進(jìn)行了介紹，實(shí)現(xiàn)了MATLAB與C#混合編程對(duì)不同振動(dòng)信號(hào)的模式識(shí)別，構(gòu)建了分布式光纖傳感邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。結(jié)果證明分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)用于邊坡工程的應(yīng)變、變形等監(jiān)測(cè)是可行的，也是十分有效的。采用分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)邊坡進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，省時(shí)、省力和安全，是當(dāng)前和今后邊坡監(jiān)測(cè)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周正仙，肖石林，全芳軒.基于M-Z干涉原理的點(diǎn)位式光纖振動(dòng)傳感器[J].光通信研究，2009，155（5）：67-70.

[2]湯明高，許強(qiáng)，黃潤(rùn)秋，等.滑坡體基質(zhì)吸力的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)及變化特征分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（2）：355-362.

[3]戚風(fēng)云，趙樂(lè)軍，周又鈴.分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)及高速數(shù)據(jù)采集與處理[J].傳感器技術(shù)，2005，24（11）：62-64，67.

[4]鄧沌華，李源.物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中光纖周界傳感系統(tǒng)的應(yīng)用[J].信息通信，2011（5）：162-164.

[5]施斌，徐洪鐘，張丹，等.BOTDR應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用在大型基礎(chǔ)工程健康診斷中的可行性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004：493-499.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]