光纤Bragg光栅监测系统研制优化及其边坡工程应用研究
  • 【摘要】

    由中国国土资源部的数据可得:自2010年至2014年五年以来,边坡地质灾害发生次数占我国地质灾害(边坡滑坡、泥石流、沉降等)总数的70%,而且常年居高不下。边坡地质灾害每年都会造成巨大的人员伤亡及经济损失,这严重影响着我国国民的安全生产生活,制约着经济建设和社会的快速发展。因此,针对边坡地质灾害所占比例系数大及其本身突发性强、分布范围广、具有一定的隐蔽性等特点,全面系统的开展边坡地质灾害,特别是人... 展开>>由中国国土资源部的数据可得:自2010年至2014年五年以来,边坡地质灾害发生次数占我国地质灾害(边坡滑坡、泥石流、沉降等)总数的70%,而且常年居高不下。边坡地质灾害每年都会造成巨大的人员伤亡及经济损失,这严重影响着我国国民的安全生产生活,制约着经济建设和社会的快速发展。因此,针对边坡地质灾害所占比例系数大及其本身突发性强、分布范围广、具有一定的隐蔽性等特点,全面系统的开展边坡地质灾害,特别是人为因素影响较大的边坡地质灾害研究,构建有效的工程预测监控技术,对于及早及时的发现并提出相应的灾害预防措施,对于避免人口死亡失踪、减少经济损失、提高国民安全生产生活质量具有十分重要的意义。经过几十年的发展,光纤Bragg光栅(fiber Bragg grating)因其本身特性,如体积小、复用能力强、检测精度高、本质安全、抗电磁干扰、易于实现远距离信号传输,为实现边坡地质灾害监测提供了较为有效的解决方式。然而,由于边坡地质灾害具有突发性强、分布范围广、具有一定的隐蔽性特点,现有光纤Bragg光栅监测技术在边坡监测中存在一定的不足:动态应力作用下光栅反射光谱影响与栅格区域应力重构研究相对较少;多维多参量共采的检测元件相对较少;后期数据处理方式较为单一;光纤Bragg光栅系统复用成本较大。这些在一定程度上限制了光纤Bragg光栅监测系统在大型地质工程中的实际应用。
      基于上述分析讨论,本文以边坡地质灾害作为光纤Bragg光栅监测系统的工程应用对象,选取下穿隧道边坡落石突发性模型试验及黄土高原边坡蠕变滑坡监测作为工程样本,基于光纤Bragg光栅传输矩阵理论研究了栅格区域非均匀静态/动态应变的影响及其重构检测(理论分析),研制了适用于地质模型试验及工程现场的微型化及工程化光纤Bragg光栅传感器(器件开发),应用信号处理技术提高了光栅传感器的检测精度(性能优化),采用改进盲源分离算法实现了同波长光纤的单通道复用(网络扩展),构建了光纤Bragg光栅监测系统并对其边坡工程应用性能进行了分析研究(系统集成应用)。本文的主要研究工作如下:
      1)基于光纤Bragg光栅传输矩阵理论研究了光栅栅格区域非均匀应力特别是动态非均匀应力场的光谱特性与应力重构检测,以期指导光纤光栅检测元件的研发并实现边坡灾害的突发性动态监测,具体为:①分析静态非均匀应力对于光纤Bragg光栅反射光谱特性的影响并在此结论的基础上,选取反射光谱波长覆盖范围宽、反射谱功率较为均匀的线性啁啾光栅作为研究对象研究了动态非均匀应力对于光栅反射光谱的影响;②为保证光栅反射数据采集速率、实现非均匀性应力重构提供数据支持,采用远低于Nyquist采样定理要求的压缩感知算法实现了光栅全光谱的低采样、高精度重构;③在分析非均匀应力场对于光栅反射光谱特性影响及全光谱低采样传输、高精度重构的基础上,提出了基于多参数约束的光栅栅格区域非均匀应力分布重构的自适应改进算法。
      2)以电类传感器设计原则作为脚本,给出了光纤Bragg光栅传感器设计原则,并基于此,研制了适用于模型试验的微型化光纤Bragg光栅传感器(基于椭圆环的共原点三维应变传感器、微型光纤Bragg光栅压力传感器、微型光纤Bragg光栅位移传感器等)及可实现工程现场测量的工程类光纤Bragg光栅传感单元(光纤Bragg光栅锚索测力计、大量程变精度的位移传感器、可辨周向的倾斜传感器等)。
      3)采用信号处理技术(小波变换、Duffing混沌振子模型、希尔伯特-黄变换)有效的提取光纤Bragg光栅检测数据中的静态及动态信息,进一步提高了光纤Bragg光栅检测单元的检测精度,并基于此研发了可实现多参量同时采集的流速/温度共采的光纤Bragg光栅流速传感器与可实现倾斜、加速度及温度同时测量的光栅腕式振动传感器。
      4)总结现有光纤Bragg光栅复用技术(波分复用、时分复用、空分复用)在分布范围广的边坡地质灾害监测应用中的限制,基于改进盲源分离算法提出了同波长光纤单通道复用技术并通过仿真及验证试验对其可行性进行了验证。这在一定程度上扩展了光纤Bragg光栅监测系统的网络规模。
      5)将光纤Bragg光栅监测系统应用于模型试验(海底隧道,下穿隧道边坡落石)及工程现场(兰州黑方台)中,实现了边坡变形状态的实时在线监测。系统运行期间成功的预报了工程现场的滑坡状态,及时有序的撤离了群众,避免了人员伤亡。中国地质调查局给出的应用效果证实了该系统具有重要的社会效益及生态效益。 收起<<

  • 【作者】

    蒋善超 

  • 【学科专业】

    检测技术与自动化装置

  • 【授予学位】

    博士

  • 【授予单位】

    山东大学

  • 【导师姓名】

    隋青美

  • 【学位年度】

    2016

  • 【语种】

    chi

  • 【关键词】

    边坡工程  地质灾害  监测系统  光纤Bragg光栅传感器