【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及体积测量，尤其涉及一种高原冻土体积测量设备及方法。
技术介绍
1、青藏高原又称地球“第三极”，是世界上平均海拔最高、面积最大的高原. 在中、低纬度多年冻土区中，青藏高原多年冻土面积居世界首位。高寒地区的建筑设施须考虑冻土的影响，尤其是活动层的季节变化导致的地表运动，表现出因冻融循环过程中冻土的构造变化而引起永久的压缩沉降趋势，多年冻土的退化通过降低基底强度影响基础设施的稳定性，因此，在青藏高原上进行基础设施建设极其困难，除了需要考虑恶劣的气候和脆弱的环境，最难解决的技术难题就是高原多年冻土。冻土可分为极稳定型、稳定型、亚稳定型、过渡型、不稳定型和极不稳定型。
2、在不稳定型的冻土区，易受自然环境的影响表现出冻胀热融现象。冻土区的冻胀融沉过程不仅毁坏铁路、公路和破坏建筑工程结构，而且易引发较大的地质灾害。特别是冻土冻胀和融化过程会导致土壤孔隙中冻结的水分融化时不能恢复至冻结前的细小状态，使得土层疏松、导热系数增大。加上环境变暖冻土热融效应增加后，促使大团聚体破碎成小团聚体，释放大量有机碳、硝态氮等物质，进而改变土壤生物和微生物环境，引起高寒生态环境的恶化，也给地质勘探带来了困难。因此，在青藏高原上实时检测冻土体积，保障生态安全至关重要。
3、目前，监测冻土的手段主要是钻孔检测法，钻孔检测法是通过在冻土表面处钻孔并将冻土监测的传感器安装进所钻孔中检测所处断面的情况，钻孔深度因传感器局限于10米之内，同时放置在安装孔中的传感器由于受到冻土层的影响存在寿命短、传送数据不全等问题。因此，基于上述情况，
技术实现思路
1、鉴于上述问题，本专利技术提出一种高原冻土体积测量设备及方法，本专利技术基于布里渊光时域反射技术，并结合布里渊散射发生的布里渊频移与温度存在线性关系，可通过测量布里渊频移实现对冻土温度精确感测，可知冻土具体的长度、宽度、深度信息，进而算出体积信息，基于布里渊光纤传感技术，通过对高原冻土体积测量内部布设光纤进行实时监测，并实现数据的高效采集和自动化处理。
2、本专利技术提供的高原冻土体积测量设备，包括：激光器、第一光纤耦合器、第一光处理装置、环形器、传感光纤、第二光处理装置、第二光纤耦合器、光扰偏器、第三光处理装置以及数据采集处理系统；其中，激光器的出射端通过单模光纤跳线与第一光纤耦合器的入射端连接；第一光纤耦合器的第一出射端通过单模光纤跳线与第一光处理装置的入射端连接，第一光处理装置的出射端通过单模光纤跳线与环形器的入射端连接，环行器的反射端与传感光纤连接，环行器的出射端通过单模光纤跳线与第二光处理装置的入射端连接，第二光处理装置的出射端通过单模光纤跳线与第二光纤耦合器的第一入射端连接；第一光纤耦合器的第二出射端通过单模光纤跳线与光扰偏器的入射端连接；光扰偏器的出射端通过单模光纤跳线与所述第二光纤耦合器的第二入射端连接；第二光纤耦合器的出射端通过单模光纤跳线与第三光处理装置的入射端连接，第三光处理装置的出射端通过单模光纤跳线与数据采集处理系统的入射端连接。
3、优选地，第一光处理装置包括脉冲调制器、脉冲放大器以及第一光滤波器，脉冲调制器的入射端通过单模光纤跳线与第一光纤耦合器的出射端连接，脉冲调制器的出射端通过单模光纤跳线与脉冲放大器的入射端连接，脉冲放大器的出射端通过单模光纤跳线与第一光滤波器的入射端连接，第一滤波器的出射端通过单模光纤跳线与环形器的入射端连接，环形器反射端通过单模光纤跳线与所述传感光纤连接。
4、优选地，第一出射端输出的光为探测光，第二出射端输出的光为参考光。
5、优选地，第二光处理装置包括掺铒光纤放大器和第二光滤波器，掺铒光纤放大器的入射端通过单模光纤跳线与环形器的出射端连接，掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与第二光滤波器的入射端链接，第二光滤波器的出射端通过单模光纤跳线与第二光纤耦合器的第一入射端连接。
6、优选地，第三光处理装置包括光电探测器、混频器、带通滤波器以及微波信号源，光电探测器的入射端通过单模光纤跳线与第二光纤耦合器的出射端连接，光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与混频器的第一入射端连接，混频器的第二入射端通过单模光纤跳线与微波信号源的输出端连接，混频器的出射端通过单模光纤跳线与带通滤波器的入射端连接，带通滤波器的出射端通过单模光纤跳线与数据采集处理系统的入射端连接。
7、优选地，传感光纤为单模光纤。
8、本专利技术提供的高原冻土体积测量方法，利用上述的高原冻土体积测量设备实现，包括如下步骤：
9、s1.将传感光纤铺设在冻土的表面四周以及冻土的深度方向上；
10、s2.激光器发出连续激光；激光信号经过第一光纤耦合器分为探测光和参考光；
11、s3.探测光经过第一光处理装置通过调制、放大并滤除自发辐射噪声后经过环形器单向注入传感光纤中，并产生带有温度信息的后向布里渊散射光信号，实时检测高原冻土状态，再经过环形器传输到第二光处理装置，第二光处理装置对布里渊散射光信号进行放大，并消除自发辐射噪声以提高系统信噪比，处理后的布里渊散射光信号进入第二光纤耦合器；参考光先经光扰偏器消除偏振衰落噪声，再进入到所述第二光纤耦合器；
12、s4.第二光处理装置处理后的布里渊散射光信号和消除偏振后的参考光经由第二光纤耦合器进入第三光处理装置进行相干拍频探测，并进行混频、降频、滤波后选频输出，最后送入数据采集处理系统进行数据采集与后续处理，得到布里渊频移随光纤距离的分布曲线，进而得到传感光纤在不同方向的距离；
13、s5.根据传感光纤在不同方向的距离计算出冻土的体积。
14、优选地，步骤s3中所述第一光处理装置包括脉冲调制器、脉冲放大器以及第一光滤波器，脉冲调制器将探测光调制成探测脉冲光，调制后的脉冲光通过脉冲放大器放大，放大后的探测脉冲光通过第一光滤波器滤除自发辐射噪声后经过环形器单向注入传感光纤中；第二光处理装置包括掺铒光纤放大器和第二滤波器，掺铒光纤放大器对布里渊散射光信号进行放大，放大后的布里渊散射光信号经过第二滤波器消除自发辐射噪声以提高系统信噪比，处理后的布里渊散射光信号进入第二光纤耦合器。
15、优选地，步骤s4中所述第三光处理装置包括光电探测器、混频器、带通滤波器以及微波信号源，第二光处理装置处理后的布里渊散射光信号和消除偏振后的参考光经第二光纤耦合器进入光电探测器相干拍频并产生拍频信号，微波信号源发出的信号与拍频信号共同在混频器的作用下进行降频，降频后的信号由带通滤波器选频输出，最后送入数据采集处理系统进行数据采集与后续处理，得到布里渊频移随光纤距离的分布曲线，进而得到传感光纤在不同方向的距离。
16、优选地，调节微波信号源的输出频率进行频谱扫描，配合带通滤波器实现待测布里渊增益谱的每一个频率点的功率随光纤距离的分布；提取每一个距离采样点处的频率-功分布曲线，并进行洛伦兹拟本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高原冻土体积测量设备，其特征在于，包括：激光器、第一光纤耦合器、第一光处理装置、环形器、传感光纤、第二光处理装置、第二光纤耦合器、光扰偏器、第三光处理装置以及数据采集处理系统；其中，
2.根据权利要求1所述的高原冻土体积测量设备，其特征在于，所述第一光处理装置包括脉冲调制器、脉冲放大器以及第一光滤波器，所述脉冲调制器的入射端通过单模光纤跳线与所述第一光纤耦合器的出射端连接，所述脉冲调制器的出射端通过单模光纤跳线与所述脉冲放大器的入射端连接，所述脉冲放大器的出射端通过单模光纤跳线与所述第一光滤波器的入射端连接，所述第一滤波器的出射端通过单模光纤跳线与所述环形器的入射端连接，所述环形器反射端通过单模光纤跳线与所述传感光纤连接。
3.根据权利要求2所述的高原冻土体积测量设备，其特征在于，所述第一出射端输出的光为探测光，所述第二出射端输出的光为参考光。
4.根据权利要求1或2所述的高原冻土体积测量设备，其特征在于，所述第二光处理装置包括掺铒光纤放大器和第二光滤波器，所述掺铒光纤放大器的入射端通过单模光纤跳线与所述环形器的出射端连接，所述掺铒光纤
5.根据权利要求1所述的高原冻土体积测量设备，其特征在于，所述第三光处理装置包括光电探测器、混频器、带通滤波器以及微波信号源，所述光电探测器的入射端通过单模光纤跳线与所述第二光纤耦合器的出射端连接，所述光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与所述混频器的第一入射端连接，所述混频器的第二入射端通过单模光纤跳线与所述微波信号源的输出端连接，所述混频器的出射端通过单模光纤跳线与所述带通滤波器的入射端连接，所述带通滤波器的出射端通过单模光纤跳线与所述数据采集处理系统的入射端连接。
6.根据权利要求1所述的高原冻土体积测量设备，其特征在于，所述传感光纤为单模光纤。
7.一种高原冻土体积测量方法，利用如权利要求1~6中任一项所述的高原冻土体积测量设备实现，其特征在于：包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的高原冻土体积测量方法，其特征在于，步骤S3中所述第一光处理装置包括脉冲调制器、脉冲放大器以及第一光滤波器，所述脉冲调制器将探测光调制成探测脉冲光，调制后的脉冲光通过所述脉冲放大器放大，放大后的探测脉冲光通过所述第一光滤波器滤除自发辐射噪声后经过所述环形器单向注入所述传感光纤中；所述第二光处理装置包括掺铒光纤放大器和第二滤波器，所述掺铒光纤放大器对所述布里渊散射光信号进行放大，放大后的布里渊散射光信号经过所述第二滤波器消除自发辐射噪声以提高系统信噪比，处理后的布里渊散射光信号进入所述第二光纤耦合器。
9.根据权利要求8所述的高原冻土体积测量方法，其特征在于，步骤S4中所述第三光处理装置包括光电探测器、混频器、带通滤波器以及微波信号源，所述第二光处理装置处理后的布里渊散射光信号和消除偏振后的参考光经第二光纤耦合器进入所述光电探测器相干拍频并产生拍频信号，所述微波信号源发出的信号与拍频信号共同在所述混频器的作用下进行降频，降频后的信号由所述带通滤波器选频输出，最后送入所述数据采集处理系统进行数据采集与后续处理，得到布里渊频移随光纤距离的分布曲线，进而得到所述传感光纤在不同方向的距离。
10.根据权利要求9所述的高原冻土体积测量方法，其特征在于，调节所述微波信号源的输出频率进行频谱扫描，配合带通滤波器实现待测布里渊增益谱的每一个频率点的功率随光纤距离的分布；提取每一个距离采样点处的频率-功分布曲线，并进行洛伦兹拟合，获取该点的布里渊增益谱和布里渊频移；最终，通过计算所有采样点处的布里渊频移，得到布里渊频移随光纤距离的分布曲线，进而得到所述传感光纤在不同方向的距离并计算出冻土的体积。
...【技术特征摘要】
1.一种高原冻土体积测量设备，其特征在于，包括：激光器、第一光纤耦合器、第一光处理装置、环形器、传感光纤、第二光处理装置、第二光纤耦合器、光扰偏器、第三光处理装置以及数据采集处理系统；其中，
2.根据权利要求1所述的高原冻土体积测量设备，其特征在于，所述第一光处理装置包括脉冲调制器、脉冲放大器以及第一光滤波器，所述脉冲调制器的入射端通过单模光纤跳线与所述第一光纤耦合器的出射端连接，所述脉冲调制器的出射端通过单模光纤跳线与所述脉冲放大器的入射端连接，所述脉冲放大器的出射端通过单模光纤跳线与所述第一光滤波器的入射端连接，所述第一滤波器的出射端通过单模光纤跳线与所述环形器的入射端连接，所述环形器反射端通过单模光纤跳线与所述传感光纤连接。
3.根据权利要求2所述的高原冻土体积测量设备，其特征在于，所述第一出射端输出的光为探测光，所述第二出射端输出的光为参考光。
4.根据权利要求1或2所述的高原冻土体积测量设备，其特征在于，所述第二光处理装置包括掺铒光纤放大器和第二光滤波器，所述掺铒光纤放大器的入射端通过单模光纤跳线与所述环形器的出射端连接，所述掺铒光纤放大器的出射端通过单模光纤跳线与所述第二光滤波器的入射端链接，所述第二光滤波器的出射端通过单模光纤跳线与所述第二光纤耦合器的第一入射端连接。
5.根据权利要求1所述的高原冻土体积测量设备，其特征在于，所述第三光处理装置包括光电探测器、混频器、带通滤波器以及微波信号源，所述光电探测器的入射端通过单模光纤跳线与所述第二光纤耦合器的出射端连接，所述光电探测器的出射端通过单模光纤跳线与所述混频器的第一入射端连接，所述混频器的第二入射端通过单模光纤跳线与所述微波信号源的输出端连接，所述混频器的出射端通过单模光纤跳线与所述带通滤波器的入射端连接，所述带通滤波器的出射端通过单模光纤跳线与所述数据采集处理系统的入射端连接。
6.根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋盈盈，李双成，张强，柳忠明，金志明，
申请(专利权)人：长春奥普光电技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。