用于隧道的分布式光缆检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种用于隧道的分布式光缆检测装置及方法，属于光纤分布式检测技术领域，包括光缆本体，所述光缆本体铺设在隧道内，光缆本体的末端连接有实时监控终端，所述实时监控终端连接有监控云平台和报警模块，所述光缆本体内设有温度应变传感光芯和声波传感光芯，所述光缆本体的外部设有光纤信号处理模块和光纤声纹监测模块所述光纤信号处理模块包括激光器，本发明专利技术利用分布式光纤传感技术和一根特制光缆，结合神经网络和大数据分析算法，精确检测和计算地铁隧道、高速隧道、城市管廊等廊壁的应力变化、振速大小和隧道内温度的变化，解决了现有技术中出现的问题。解决了现有技术中出现的问题。解决了现有技术中出现的问题。

【技术实现步骤摘要】
用于隧道的分布式光缆检测装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种用于隧道的分布式光缆检测装置及方法，属于光纤分布式检测


技术介绍

[0002]地铁隧道、高速隧道、城市管廊等廊壁的应力变化、振速大小和隧道内温度的测量关系到地铁、高速车辆、城市管廊的设备等运行的安全和人民生命财产的安全。现有技术中检测装置在检测时只能进行单一的隧道外力破坏与监测或者单一的应变、温度检测，如果只进行单一的检测对于隧道环境的检测是不全面的，对廊壁应变、温度和振速的测量不够精确，同时也无法对廊壁危害性进行分类报警。
[0003]同时，隧道上方会出现多个不同的施工工况，现有技术中的检测装置对地面大型施工振动的模式识别不准确。也无法识别相应的模式，安全性能低，需要企业花费大量时间和精力巡视线路，蹲守、盯防重点部位的问题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种用于隧道的分布式光缆检测装置及方法，利用分布式光纤传感技术和一根特制光缆，结合神经网络和大数据分析算法，检测和计算隧道的应力变化、振速大小和隧道内温度的变化，解决了现有技术中出现的问题。
[0005]本专利技术所述的用于隧道的分布式光缆检测装置，包括光缆本体，所述光缆本体铺设在隧道内，光缆本体的末端连接有实时监控终端，所述实时监控终端连接有监控云平台和报警模块，所述光缆本体内设有温度应变传感光芯和声波传感光芯，所述光缆本体的外部设有光纤信号处理模块和光纤声纹监测模块所述光纤信号处理模块包括激光器，所述激光器连接有波分复用器，所述激光器连续发出激光脉冲，激光脉冲经波分复用器后沿光缆本体向前传输，激光脉冲与光纤分子相互作用产生背向散射，所述波分复用器后连接有信号处理装置和显示器，所述光纤声纹监测模块包括声纹原始信号处理模块和声纹频谱图像分析模块，所述声纹原始信号处理模块用于采集声纹信号对信号进行处理，所述声纹频谱图像分析模块用于将声纹原始信号转换为具有施工特征的频谱图像。
[0006]进一步的，实时监控终端内设有监控站，所述监控站内设有CPU和数据采集卡，所述监控站连接所述监控云平台。
[0007]进一步的，光缆本体还包括外护套和内护套，外护套还设有色条、阻水材料和涂塑铝带，其中温度应变传感光芯和声波传感光芯设置在内护套中，所述温度应变传感光芯和声波传感光芯内侧还设有中心加强芯。
[0008]进一步的，光缆本体安装于隧道两侧偏上方，且光缆本体紧贴隧道壁固定。
[0009]进一步的，隧道内设有管片，管片中间位置设有固定夹片，所述光缆本体通过固定夹片进行固定，所述光缆本体固定后使用云石胶固定于隧道壁上。
[0010]本专利技术所述的用于隧道的分布式光缆检测方法，包括温度应变检测流程和声波振
速检测流程，其中温度应变检测流程包括以下步骤：
[0011]S1：驱动激光器连续发出窄脉宽的激光脉冲，激光脉冲经波分复用器后沿温度应变传感光芯向前传输，激光脉冲与光纤分子相互作用，产生多种微弱的背向散射，包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射；
[0012]S2：拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生对温度不敏感的斯托克斯光和对温度敏感的反斯托克斯光，斯托克斯光反斯托克斯光的波长不同，这两类光经波分复用器分离后由信号处理装置接收处理并反映温度信息；不同位置的拉曼散射信号返回信号处理装置的时间不一样，通过测量该回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置；结合高速信号采集与数据处理技术获得整段温度应变传感光芯上任一点的温度分布信息；
[0013]S3：当沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，温度应变传感光芯中的反向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变的变化呈良好的线性关系，通过测量光纤中的方系统向自然布里渊散射光的频率漂移量得到光纤沿线温度和应变的分布信息。
[0014]进一步的，声波振速检测流程包括以下步骤：
[0015]S11：声纹原始信号处理模块先对声波音频文件进行提取，转化成梅尔频谱；
[0016]S12：对步骤S12中提取后的梅尔谱图特征通过卷积神经网络进行训练；
[0017]S13：生成声纹数据瀑布图，根据声纹数据瀑布图实现对隧道周边不同施工工况的报警、预警。
[0018]进一步的，步骤S11中从声波音频文件提取梅尔频谱具体包括以下步骤：
[0019]S111：对音频信号预加重、分帧和加窗；
[0020]S112：对每帧信号进行短时傅立叶变换，得到短时幅度谱。
[0021]S113：短时幅度谱通过梅尔滤波器组得到梅尔频谱。
[0022]进一步的，步骤S12中提取后的梅尔谱图特征通过卷积神经网络进行训练具体包括以下步骤：
[0023]S121：对输入的特征X1,X1∈R
T*F*C
先经过第一层卷积核的卷积层进行提取，采取Rule作为激活函数，Rule的公式如下：
[0024]f(x)＝max(0，x)
ꢀꢀ
(1)
[0025]S122：输出经过Batchnormalization层进行归一化处理，防止梯度爆炸加速收敛，BatchNorm对于神经网络中的每个神经元进行如下变换：
[0026][0027][0028]其中经过变换后得到y
(k)
，E[x
(k)
]为求得的均值，var[x
(k)
]为求得的方差，β为平移变量；BatchNorm将多数的激活值移入非线性函数的线性区内，其导数距导数饱和区更加远，以此来加速收敛速度；
[0029]S123：然后经过最大池化层进行下采样处理，减少对于识别音频没有帮助的冗余信息；
[0030]S124：然后经过2个相同的卷积模块得到最后的特征，把提取后的特征输入平均池
化层进行信息整合，最后把整合后的特征输入全连接层，全连接层将提取后的特征转换到样本标记空间，输入Softmax分类器进行分类。
[0031]进一步的，步骤S13中不同的施工工况包括：钻孔、打夯、顶管施工类型。
[0032]本专利技术与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0033]本专利技术所述的用于隧道的分布式光缆检测装置及方法，改变以往单一的隧道外力破坏与监测，单一的应变、温度检测，通过一根特制光缆，利用光纤传感技术、大数据分析技术、卷积神经网络技术等，做到提前预报、实时监控，防患于未然，有效降低地铁隧道、高速隧道、城市管廊等运营的风险，减少经济损失和人民生命财产损失，解决了长期以来企业花费大量时间和精力巡视线路，蹲守、盯防重点部位的问题。实现地铁隧道、高速隧道、城市管廊等风险事故的可控、在控，保证了地铁隧道、高速隧道、城市管廊等的安全运营，确保地铁、高速车辆、城市管廊设备等稳定安全可靠运行，减少停运时间。更好地实现地铁、高速、城市管廊等运营的精细化管理，促进“两精两优、国际一流”战略目标实现。
[0034]分布式光纤传感技术频率监测范围宽泛，理论可监测范围为1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于隧道的分布式光缆检测装置，其特征在于：包括光缆本体(3)，所述光缆本体(3)铺设在隧道(2)内，光缆本体(3)的末端连接有实时监控终端(9)，所述实时监控终端(9)连接有监控云平台(5)和报警模块(4)，所述光缆本体(3)内设有温度应变传感光芯(13)和声波传感光芯(16)，所述光缆本体(3)的外部设有光纤信号处理模块和光纤声纹监测模块，所述光纤信号处理模块包括激光器(20)，所述激光器(20)连接有波分复用器(21)，所述激光器(20)连续发出激光脉冲，激光脉冲经波分复用器(21)后沿光缆本体(3)向前传输，激光脉冲与光纤分子相互作用产生背向散射，所述波分复用器(21)后连接有信号处理装置(22)和显示器(23)，所述光纤声纹监测模块包括声纹原始信号处理模块和声纹频谱图像分析模块，所述声纹原始信号处理模块用于采集声纹信号对信号进行处理，所述声纹频谱图像分析模块用于将声纹原始信号转换为具有施工特征的频谱图像。2.根据权利要求1所述的用于隧道的分布式光缆检测装置，其特征在于：所述的实时监控终端(9)内设有监控站(8)，所述监控站(8)内设有CPU和数据采集卡，所述监控站(8)连接所述监控云平台(5)。3.根据权利要求1所述的用于隧道的分布式光缆检测装置，其特征在于：所述的光缆本体(3)还包括外护套(12)和内护套(11)，外护套(12)还设有色条(10)、阻水材料和涂塑铝带，其中温度应变传感光芯(13)和声波传感光芯(16)设置在内护套(11)中，所述温度应变传感光芯(13)和声波传感光芯(16)内侧还设有中心加强芯(17)。4.根据权利要求1所述的用于隧道的分布式光缆检测装置，其特征在于：所述的光缆本体(3)安装于隧道(2)两侧偏上方，且光缆本体(3)紧贴隧道壁(24)固定。5.根据权利要求1所述的用于隧道的分布式光缆检测装置，其特征在于：所述的隧道(2)内设有管片，管片中间位置设有固定夹片(25)，所述光缆本体(3)通过固定夹片(25)进行固定，所述光缆本体(3)固定后使用云石胶固定于隧道壁(24)上。6.一种用于隧道的分布式光缆检测方法，应用于权利要求1
‑
5任一所述的用于隧道的分布式光缆检测装置，其特征在于：所述的方法包括温度应变检测流程和声波振速检测流程，其中温度应变检测流程包括以下步骤：S1：驱动激光器(20)连续发出窄脉宽的激光脉冲，激光脉冲经波分复用器(21)后沿温度应变传感光芯(13)向前传输，激光脉冲与光纤分子相互作用，产生多种微弱的背向散射，包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射；S2：拉曼散射是由于光纤分子的热振动，产生对温度不敏感的斯托克斯光和对温度敏感的反斯托克斯光，斯托克斯光反斯托克斯光的波长不同，这两类光经波分复用器(21)分离后由信号处理装置(22)接收处理并反映温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙正义，代坤，孙其明，崔洪亮，孙道国，顾浩，刘观生，王乐乐，马钢，
申请(专利权)人：青岛派科森光电技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：