李曉赫,梁生,鐘翔

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基于虛擬儀器的光纖分布式高速公路邊坡落石監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

李曉赫1,梁生2,鐘翔3*

1. 北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院, 北京 100044 2. 北京交通大學(xué) 理學(xué)院, 北京 100044 3. 合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院, 合肥 230009

針對高速公路邊坡落石嚴(yán)重災(zāi)害，提出了一種光纖分布式公路邊坡落石監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，具有連續(xù)分布式多點(diǎn)落石探測，高定位精度以及高實(shí)時(shí)性等技術(shù)優(yōu)勢?；谙辔幻舾泄鈺r(shí)域反射計(jì)的光路方案，建立了系統(tǒng)的硬件總體架構(gòu)，搭建了系統(tǒng)主機(jī)，在此基礎(chǔ)上依托LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理軟件，通過實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的光纖分布式公路邊坡落石監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)能夠同時(shí)監(jiān)控多個(gè)落石，最大定位誤差20 m，響應(yīng)時(shí)間均值79.65 mm，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

高速公路; 落石; 監(jiān)測

幾年來，我國山區(qū)、丘陵區(qū)高速公路建設(shè)快速發(fā)展，邊坡變形破壞所造成的落石災(zāi)害已經(jīng)成為當(dāng)前高速公路最突出的嚴(yán)重災(zāi)害。沿用普通公路設(shè)計(jì)方案，高速公路的邊坡防護(hù)采用漿砌片石護(hù)坡（護(hù)面墻）、拱型截水骨架等勞動(dòng)密集型的防護(hù)方式，無法滿足高速公路安全要求[1-3]。高速公路邊坡落石防護(hù)應(yīng)當(dāng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能化方法結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)展能夠?qū)吰侣涫M(jìn)行實(shí)在在線監(jiān)測以及預(yù)警的技術(shù)方法，在落石落下時(shí)能夠及時(shí)探測同時(shí)給出定位的探測預(yù)警系統(tǒng)是高速公路邊坡落石防護(hù)的發(fā)展趨勢和迫切需求。

光纖傳感器由于具有體積小，重量輕，靈敏度高，抗電磁干擾，以及可以實(shí)現(xiàn)分布式測量等優(yōu)良特性，在工業(yè)、民用和軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其中，光纖分布式振動(dòng)能夠?qū)鞲泄饫w上任意一點(diǎn)處的振動(dòng)事件進(jìn)行探測及定位，在周界安防、油氣管線預(yù)警監(jiān)測、通信線路監(jiān)測和大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。將光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)應(yīng)用于對高速公路邊坡落石進(jìn)行探測和預(yù)警，可以有效及時(shí)地發(fā)現(xiàn)落石及其位置，能夠?qū)β涫癁?zāi)害進(jìn)行預(yù)警。

為了滿足高速公路邊坡落石探測和預(yù)警的實(shí)際需求，光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)需要具備高定位精度，優(yōu)良的響應(yīng)實(shí)時(shí)性，以及能夠同時(shí)探測和定位多個(gè)落石目標(biāo)。為此，本文提出了一種基于相位敏感光時(shí)域反射計(jì)（Optical time domain reflectometry, OTDR）光路結(jié)構(gòu)[4-17]的光纖分布式高速公路邊坡落石監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在LabVIEW環(huán)境下對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、分析和存儲(chǔ)[18-20]，實(shí)現(xiàn)對落實(shí)災(zāi)害的全天24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測和預(yù)警。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的光纖分布式高速公路邊坡落石監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用示意圖如圖1所示。在高速公路兩側(cè)邊坡沿折線鋪設(shè)傳感光纜，光纜一端延伸至距離較遠(yuǎn)的監(jiān)控中心，通過系統(tǒng)主機(jī)與光纜鏈接。山體發(fā)生破壞產(chǎn)生的落石滑落在邊坡時(shí)，對光纜產(chǎn)生振動(dòng)，系統(tǒng)主機(jī)可以實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)落石以及位置，對落石災(zāi)害做出預(yù)警。

圖1光纖分布式高速公路邊坡落石監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用示意圖

在光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)的多種技術(shù)方案中，相位敏感OTDR由于具有較高的定位精度，以及能夠?qū)Χ鄠€(gè)同時(shí)發(fā)生的振動(dòng)事件進(jìn)行探測和定位的獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢，近年來日益受到重視。其光路原理如圖2所示。光源發(fā)出的激光在調(diào)制成脈沖光后通過環(huán)行器注入傳感光纖。脈沖光在傳感光纖中傳播時(shí)，光纖中的各個(gè)位置都將產(chǎn)生背向瑞利散射光，這些背向散射光沿著與探測脈沖光相反的方向傳播，再次經(jīng)過環(huán)行器后由光電探測器接收。探測器檢測到的是一個(gè)橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為光強(qiáng)的背向瑞利散射曲線，曲線中各點(diǎn)表示的是傳感光纖中對應(yīng)位置的背向瑞利散射光強(qiáng)。

相位敏感OTDR與傳統(tǒng)的OTDR的主要區(qū)別在于：使用高相干光源取代了傳統(tǒng)OTDR中使用的寬譜光源，從而加強(qiáng)了背向瑞利散射光之間的干涉效應(yīng)，增強(qiáng)了對相位變化的敏感性。因此，相位敏感OTDR的背向瑞利散射曲線將呈現(xiàn)出明顯的干涉圖樣。傳感光纖上沒有振動(dòng)事件發(fā)生時(shí)，背向瑞利散射曲線將保持不變；但當(dāng)傳感光纖某點(diǎn)受到外界振動(dòng)影響時(shí)，由于應(yīng)變效應(yīng)和彈光效應(yīng)，該處的光纖長度和折射率都將發(fā)生變化，使得該位置傳輸?shù)墓獾南辔话l(fā)生變化，并最終由于干涉效應(yīng)導(dǎo)致背向瑞利散射曲線在對應(yīng)位置的光強(qiáng)發(fā)生變化。將振動(dòng)事件發(fā)生前后的背向瑞利散射曲線相減，得到的差分曲線上將出現(xiàn)明顯的尖峰，尖峰位置與振動(dòng)事件發(fā)生的位置之間有如下關(guān)系：

式中，c是真空中的光速，n是光纖的折射率。從式（1）中可以看出，只需求出差分曲線中尖峰的位置，就能實(shí)現(xiàn)對振動(dòng)事件的探測與定位。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件架構(gòu)

根據(jù)相位敏感OTDR的光路結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)的光纖分布式高速公路邊坡落石探測與預(yù)警系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)如圖3所示：系統(tǒng)包括主機(jī)和傳感光纖兩部分，主控機(jī)箱向傳感光纖注入脈沖光，并對傳感光纖中返回的瑞利散射光信號進(jìn)行采集、處理、分析和存儲(chǔ)。

主控機(jī)箱主要由以下5個(gè)部分組成：

● 光源模塊：為系統(tǒng)提供高穩(wěn)定窄脈寬激光。

● 信號調(diào)理系統(tǒng)：將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并進(jìn)行濾波和放大。

● 高速數(shù)據(jù)采集卡：將采集到的信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后通過PCI總線傳輸至工控計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理。選用的數(shù)據(jù)采集卡是凌華的PCI-9846高速采集卡，該采集卡高達(dá)40 MHz的采樣率滿足了系統(tǒng)定位精度的要求；板載512 M內(nèi)存為系統(tǒng)提供了良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度，滿足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

● 工控計(jì)算機(jī)：在工控機(jī)上依托LabVIEW平臺(tái)開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理軟件，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析和存儲(chǔ)，能極大的縮短軟件開發(fā)周期。

● 供電模塊：為主控機(jī)箱的其它模塊供電，其工作穩(wěn)定性是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的前提。

圖3 光纖分布式高速公路邊坡落石探測與預(yù)警系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)的實(shí)時(shí)處理軟件的程序流程如圖4所示，程序主要包含系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、報(bào)警判斷、振動(dòng)事件識別與定位、告警信息顯示與保存等六大功能模塊。

（1）系統(tǒng)自檢。該功能模塊對系統(tǒng)的各個(gè)部分是否處于正常工作狀態(tài)進(jìn)行檢查。首先通過PCI-9846數(shù)據(jù)采集卡提供的命令檢查該采集卡是否處于正常工作狀態(tài)；隨后，采集光源模塊輸出的光脈沖曲線，以及后向瑞利散射曲線，用來綜合判定光源模塊、傳感光纖以及信號調(diào)理系統(tǒng)是否處于正常工作狀態(tài)。若各部分均正常工作，程序往下運(yùn)行；否則中止程序，對系統(tǒng)進(jìn)行檢查。

（2）數(shù)據(jù)采集。根據(jù)系統(tǒng)需求，采集一定長度的后向瑞利散射曲線。

（3）數(shù)據(jù)預(yù)處理。對采集到的后向瑞利散射曲線進(jìn)行預(yù)處理，以降低噪聲。預(yù)處理的主要過程包括盲區(qū)屏蔽、光衰減補(bǔ)償和防區(qū)劃分等。盲區(qū)屏蔽是指將傳感光纖前端的一定長度的光纖進(jìn)行去敏處理，因?yàn)檫@一段光纖的后向瑞利散射光強(qiáng)不穩(wěn)定，無法用來檢測落石。光纖中的后向散射光強(qiáng)由于光纖衰減的原因呈指數(shù)衰減，即傳感光纖后端的散射光強(qiáng)顯著低于前端，導(dǎo)致傳感光纖后端的靈敏度低于前端，故需要對光功率的衰減進(jìn)行補(bǔ)償。防區(qū)劃分針對外場使用環(huán)境的實(shí)際需求。由于光纖分布式高速公路邊坡落石探測和預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測距離往往長達(dá)幾十公里，敏感光纖可能會(huì)跨越不同的區(qū)域（如光纜埋地深度的差異等），導(dǎo)致傳感光纖各部分的靈敏度不一致。為此，在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)根據(jù)光纜的實(shí)際布設(shè)情況將其劃分為多個(gè)防區(qū)，對各個(gè)防區(qū)進(jìn)行分別處理，以避免系統(tǒng)發(fā)生誤判。

（4）報(bào)警判斷。該功能模塊用于判斷是否需要發(fā)出告警信息，若需要發(fā)出告警信息，則程序繼續(xù)運(yùn)行；否則重新轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)采集模塊，開始下一輪的計(jì)算。該功能模塊主要有平均與差分運(yùn)算和閾值報(bào)警判斷兩個(gè)過程。對后向瑞利散射曲線進(jìn)行平均運(yùn)算以降低隨機(jī)噪聲的干擾；對后向瑞利散射曲線進(jìn)行差分運(yùn)算將獲得差分曲線，該曲線將用于閾值報(bào)警判斷。根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)定一個(gè)或多個(gè)閾值（閾值數(shù)量由步驟3中的防區(qū)劃分?jǐn)?shù)量決定），將差分曲線各點(diǎn)的值與該閾值進(jìn)行比對，若均小于對應(yīng)的閾值，則不發(fā)出告警；否則發(fā)出告警。

（5）落石識別與定位。該功能模塊主要包括3個(gè)部分：多目標(biāo)識別，多目標(biāo)定位以及振動(dòng)性質(zhì)識別。多目標(biāo)識別用于判定振動(dòng)目標(biāo)的數(shù)量；多目標(biāo)定位即給出各振動(dòng)目標(biāo)的位置信息；振動(dòng)性質(zhì)識別是指對振動(dòng)事件進(jìn)行判別，識別出告警信息是由大風(fēng)、降雨、冰雹等環(huán)境噪聲導(dǎo)致的，還是由真實(shí)的落石導(dǎo)致。

（6）告警信息顯示與保存。將告警信息顯示在界面上，并將其保存以便對歷史告警信息進(jìn)行管理。

圖4 LabVIEW實(shí)時(shí)處理軟件流程圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)測試了光纖分布式高速公路邊坡落石探測與預(yù)警的性能，系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。圖5（a）為集成了光源模塊、信號調(diào)理系統(tǒng)、高速采集卡、工控計(jì)算機(jī)和供電模塊等五大部件的主控機(jī)箱，機(jī)箱尺寸為440 mm×440 mm×177 mm。圖5（b）為傳感光纖，它由纏繞著裸光纖的光纖環(huán)以及連接它們的黃色跳線組成。跳線固定在鐵絲網(wǎng)上，通過敲擊鐵絲網(wǎng)模擬振動(dòng)事件；光纖環(huán)密閉在塞滿泡沫的箱體中以降低對振動(dòng)事件的敏感性。

圖5 光纖振動(dòng)探測系統(tǒng)實(shí)物圖

圖6 光纖分布式高速公路邊坡落石探測與預(yù)警實(shí)驗(yàn)測試示意圖及差分結(jié)果

圖7 光纖分布式高速公路邊坡落石探測與預(yù)警的定位誤差分布

實(shí)驗(yàn)中傳感光纖總長約9 km，由3捆長度分別為3 km，2 km及4 km的光纖構(gòu)成，敲擊鐵絲網(wǎng)時(shí)將在3 km及5 km兩個(gè)位置處同時(shí)模擬落石導(dǎo)致的振動(dòng)事。如圖6所示，光纖振動(dòng)探測系統(tǒng)測得的差分曲線在對應(yīng)位置處出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的尖峰，說明系統(tǒng)具備對多個(gè)振動(dòng)事件同時(shí)探測和定位的能力。

實(shí)驗(yàn)中重復(fù)模擬了120次振動(dòng)事件，對系統(tǒng)的定位精度和實(shí)時(shí)性能進(jìn)行了測試。其中，系統(tǒng)在3 km位置的定位誤差分布如圖7所示，系統(tǒng)的最大定位誤差為20 m。此外，120次告警中，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理時(shí)間的均值為79.65 ms，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一次落石導(dǎo)致的振動(dòng)的持續(xù)時(shí)間（約幾百ms至s）。

4 結(jié)論

本文基于相位敏感OTDR的光纖分布式振動(dòng)傳感系統(tǒng)，設(shè)計(jì)開發(fā)了光纖分布式高速公路邊坡落石探測與預(yù)警，在搭建系統(tǒng)主機(jī)的基礎(chǔ)上，依托LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理軟件，并通過實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的光纖分布式高速公路邊坡落石探測與預(yù)警能夠同時(shí)監(jiān)控多個(gè)落石導(dǎo)致的振動(dòng)事件，同時(shí)具有定位精度高和實(shí)時(shí)性好的優(yōu)點(diǎn)。本文的研究工作對于高速公路邊坡落石探測與預(yù)警具有重要的技術(shù)意義和應(yīng)用價(jià)值。

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The Detection and Pre-warning System for Rockfalls from a Slope of Expressway Covered Optic Fiber Based on Virtual Instrument

LI Xiao-he1, LIANG Sheng2, ZHONG Xiang3*

1.100044,2.100044,3.230009,

In order to solve the serious problem of slope rock-falls of the expressway, a fiber-optic distributed expressway slope rock-falls detection and pre-warning system is proposed, with the technical advantages including the multiple rock-fall targets detection ability, high localization accuracy and real-time response in this paper.The hardware architecture based on phase-sensitivity optical time domain reflectometer is established, the main-server of the system is built and the real-time processing software is designed based on the LabVIEW platform. A laboratory test is carried on to evaluate the effectivity and performances of the system. It is found that our proposed system is able to detect multiple rock-fall targets, the maximum location error is 20 m, and the average response time is 79.65 ms, which means that this system can satisfy the requirement of the practical applications.

Expressway; rockfalls; detection

TP 212.14

A

1000-2324(2018)03-0444-05

2017-02-12

2017-03-20

李曉赫(1998-),男,本科生,專業(yè)方向?yàn)橹悄苓\(yùn)輸工程. E-mail:1371223173@qq.com

Author for correspondence. E-mail:zhx0325@hfut.edu.cn