分布式光纖傳感邊坡工程檢測設計

陳同琦　嚴煥儀　王開發　劉釗良

【摘 要】光纖傳感的邊坡工程檢測系統是光纖振動傳感器的一種新型應用設計，可對邊坡工程進行實時監測，同時掌握邊坡的變形動態，對滑坡進行預警。高精度的傳感器對邊坡振動信號進行識別、經驗模態分解，提取不同環境狀態下的快速傅里葉變換頻譜系數，再結合小波包分解技術，建立信號特征向量，對信號進行模式識別，從而達到快速準確地分析處理數據。該方案有效的區分風、雨其他外界因素干擾，較準確的反映邊坡的檢測情況滿足工程安全監測和滑坡早期預警要求。

【關鍵詞】光纖傳感；振動信號；小波包；模式識別

0 引言

隨著我國近年來對鐵路公路等基礎設施的大力投資，邊坡工程的穩定狀況給人民的生命安全帶來很大威脅，因此，對邊坡工程進行監測是一項必不可少的工作。而傳統的集TDR、滲壓計、測斜儀等采集器于一體的監測系統，由于受到自身因素的影響，普遍存在抗干擾性、耐久性和長期穩定性較差的缺點，難以適應現代巖土工程監測的要求。分布式光纖震動傳感器與傳統監測系統相比，具有探測距離長、響應速度快、靈敏度高、自身不輻射、不受電磁干擾等性能，能夠對邊坡振動信號進行識別，有效的提高邊坡檢測的準確率，因此分布式光纖振動傳感器在邊坡安全、邊界預警等領域具有廣闊的應用前景。

設計采用經驗模態分解技術對邊坡格構梁、擋土墻等工程進行變形監測的分布式光纖監測系統，介紹分布式傳感光纖的布設、參量提取以及模式識別。在某段土邊坡上進行分布式光纖監測實驗，對此技術應用于邊坡監測的可行性進行驗證。

1 分布式光纖傳感器介紹

分布式傳感系統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，可連續獲取被測對象沿該光纖在空間和時間上變化的特征參量及分布信息。它的主要優勢在于對大型或超大型工程的整體應變、溫度等進行監測，如油氣管線泄漏、大壩和堤防滲漏及邊坡等分布式監測等。

在光纖傳感器的方案選擇與設計上，馬赫曾德爾（Mach-Zehnder）型干涉結構的技術比較成熟，具有獨特的抑制光源噪聲和模式噪聲的優點，本文采用了基于馬赫曾德爾型干涉儀結構的方案。3dB光耦合器1（即等強度分光器）將激光器發出的光分成光強度相等的兩束光，這兩束光輸入到兩個長度基本相等的單模光纖去，在光纖的另一端，兩束光經過另一只耦合器匯合后接到兩個光探測器上。當外界的物理振動干擾信號作用于信號臂上面時，兩臂之間的光相位就會出現差異，兩束光在匯合端就會發生干涉，這一干涉信號通過耦合器分成兩路送到光探測器上，探測器就可以將干涉引起的光強度變化檢測出來，當檢測到光強變化后，就可以通過上式求出因受外力而產生的相位差。

2 信號的小波分解與重構

傳統的振動信號分析和處理方法一般都是采用傅立葉分析，是一種窗口函數固定不變的分析方法，無法反映信號的非平穩、持時短、時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間和頻率窗可改變的時頻局部化分析方法，由于它在分解的過程中只對低頻信號再分解，對高頻信號不再實施分解，使得它在高頻頻段的頻率分辨率較差。在這種情況下，小波包分解應運而生，根據分析信號的特征，自適應的選擇相應頻帶，使之與信號頻譜相匹配，從而提高了時頻分辨率。將采集的振動信號進行小波包分解，再利用小波包分解自動選擇提取最佳小波包能量構造特征向量。

3 模式識別的應用

Visual studio 2012其界面美觀且功能強大，但在數值計算與矩陣運算等方面遠不如MATLAB，直接用Visual studio實現模式識別算法非常困難，因此需要在C#程序中調用MATLAB作為一個計算引擎服務器，在運行時，引擎作為一個進程單獨運行，C#程序也作為一個進程單獨運行，二者可以通過進程間的通信機制進行交互。MATLAB提供了一系列操作MATLAB引擎的API函數，借助這些API函數可以輕松地實現矩陣運算、圖形顯示等計算復雜度高的操作，因而可以將應用程序的計算功能交給MATLAB引擎來完成，用C#實現界面部分。

模式識別的基本思想是將提取階段得到的特征向量定義在一個特征空間中，不同的特征向量都對應于空間中的一點。在分類階段利用統計決策的原理對特征空間進行劃分，實現區分不同特征對象的目的。結構模式識別方法用符號來描述對象特征，其模仿語言學中句法的層次結構，利用模式與子模式分層結構的樹狀信息來完成模式識別工作，主要突出了識別對象的結構信息。在模式識別的組成框架中，利用小波包分解技術提取振動信號完成一組穩定的、具有代表性的特征值。

4 實驗結果

實驗需要將光纖振動傳感器獲得的振動參數經過放大和A/D轉換，通過串口傳送到PC端C#、MATLAB聯合編程的上位機進行處理，基于小波包分析的的特征向量通過MATLAB仿真來提取。通過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信號和下雨振動信號的能量柱形圖，從圖中可以兩類信號可以憑借小波包分解獲得的特征向量得到很好的區分。提取特征參量后，通過MATLAB的模式識別算法，有效的識別邊坡振動信號。為了驗證以上分析，分別測試了20組邊坡模擬振動信號和下雨振動信號，誤報為1組，說明基于小波包分解的振動識別技術能很好地運用于光纖邊坡檢測系統。

5 結論

本文對傳感光纖在邊坡加固工程上的布設、信號的小波包分解和模式識別進行了介紹，實現了MATLAB與C#混合編程對不同振動信號的模式識別，構建了分布式光纖傳感邊坡監測系統。結果證明分布式光纖監測技術用于邊坡工程的應變、變形等監測是可行的，也是十分有效的。采用分布式監測系統，可以對邊坡進行全天候實時監測，省時、省力和安全，是當前和今后邊坡監測發展的一個重要方向。

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[責任編輯：楊玉潔]