基于OFDR技術的基坑自動化變形監測系統設計

易才琦

（廣東省地質建設工程勘察院，廣東 廣州 510080）

0 引言

基坑在外界因素長時間作用下會發生自動化變形，進而影響基坑的穩定性。為確保基坑安全，必須監測基坑變形，因此，基坑自動化變形監測系統應勢而生。傳統的基坑自動化變形監測系統主要通過主動自報的方式監測基坑自動化變形，在實際應用中存在監測精度低的問題。OFDR 技術又被稱為光頻域反射技術，具有高精度、高分辨率等優勢，在眾多光纖傳感技術中脫穎而出，已廣泛應用于損耗和斷點等檢測、偏振串擾、光譜測量以及溫度與應變傳感等領域[1]。OFDR 技術類屬于瑞利散射，能夠通過光在不同介質中的散射，感知散射光中所包含的信息。因此，將OFDR技術應用于基坑自動化變形監測系統設計中，通過OFDR 技術提高基坑自動化變形監測精度，為更好地開展基坑自動化變形監測工作提供支持。

1 基坑自動化變形監測系統硬件設計

1.1 分布式光纖測斜管

本文在傳感器設計中，引進OFDR 技術設計型號為AQA569788 分布式光纖測斜管，采用PE 光纖[2]。分布式光纖測斜管能夠感知應變以及溫度的波動情況，通過“U”形設計結構，能夠在基坑自動化變形監測過程中補償光纖，降低外界環境因素對基坑自動化變形監測精度的影響。本文設計的AQA569788 分布式光纖測斜管，具體參數指標如表1 所示。

結合表1，將AQA569788 分布式光纖測斜管設置在基坑周邊區域，距離不超過10 m。AQA569788 分布式光纖測斜管能夠通過光在基坑中的散射，監測基坑自動化變形，滿足基坑自動化變形監測的要求。

表1 AQA569788分布式光纖測斜管參數指標

1.2 監測主機

在分布式光纖測斜管基礎上，設計監測主機，型號為OMN-A6 X8597545，帶獨立監視程序，大容量存儲器，能夠顯示分布式光纖測斜管測得的基坑自動化變形數據，無需依賴網絡即可得到基坑溫度、濕度、圖像采集等設備的運行參數，并集中監控管理。在基坑自動化變形情況下，完成關鍵數據監測、現場圖像采集、遠程控制等操作。以此，完成系統硬件部分設計。

2 基坑自動化變形監測系統軟件設計

2.1 接收基坑自動化變形光纖監測數據

針對系統軟件部分，設計數據接收模塊，接收上文硬件設備采集到的基坑自動化變形光纖監測數據，并傳輸到監測終端站點。獲取基坑自動化變形光纖監測中的各項數據，包括光纖的軸向應變、布里淵散射光頻移以及溫度等。整合基坑自動化變形光纖監測信息，獲取轉換后的信號格式，并將信號發送到頂層應用端進行信號解碼。此外，基于TCP/IP 網絡傳輸協議，解封傳遞的數據集合，確保多數據集合在傳輸路徑的平均分配，并在終端接收發射信號。

2.2 基于OFDR 技術光纖處理監測數據

在接收基坑自動化變形光纖監測數據的基礎上，基于OFDR 技術離散化處理監測數據，感知散射光中所包含的基坑自動化變形信息[3-4]。設此過程可通過計算方程式的方式加以表示，設此目標函數的表達式為v，可得公式（1）。

公式（1）中，y 表示基坑自動化變形光纖監測數據的大小；n 表示待定常數，通過分布式光纖測斜管邊界條件決定；i 表示監測點位個數，為實數；δ 表示基于OFDR 技術光纖應變值；C 表示基坑自動化變形監測數據可信任度；D 表示基坑自動化變形監測數據空間映射值。通過公式（1），感知散射光中所包含的基坑自動化變形信息，完成監測數據光纖處理。在此基礎上，設置基坑自動化變形監測數據的服務器傳輸地址，將光纖處理后的監測數據發送至該地址，用于后續使用或存儲。

2.3 顯示基坑自動化變形監測結果

在完成基坑自動化變形光纖監測數據處理后，顯示基坑自動化變形監測結果，顯示數據包括基坑自動化變形程度、軸向應變以及水平位移等[5]。通常情況下，數據在終端的顯示映射取值為0 ～1.0，通過計算每個數據的映射值，獲得基坑自動化變形監測結果。設基坑自動化變形監測結果的表達式為Q，可得公式（2）。

公式（2）中：A 表示基坑自動化變形監測信號權值；φ 表示顯示基坑自動化變形識別精度；E 表示基坑自動化變形程度權值。通過公式（2），結合監測數據實時傳遞情況，傳輸終端數據并顯示數據信息，實現基于OFDR 技術的基坑自動化變形監測，完成系統設計。

3 實例分析

3.1 實驗準備

為構建實例分析，實驗對象選取某基坑，該基坑的復勘項目表如表2 所示。

表2 復勘項目表

根據表2 所示，分別使用傳統監測系統以及本文設計的監測系統進行實驗，設置傳統監測系統為實驗對照組。當基坑自動化變形達到一定程度時，執行報警操作。實驗主要內容為測試兩種監測系統的監測誤報警率，監測誤報警率越低證明監測精度越高。

3.2 實驗結果分析與結論

整理實驗結果，如圖1 所示。

圖1 監測誤報警率對比

通過圖1 可得出結論：本文設計的系統監測誤報警率明顯低于對照組，具有實際應用價值。

4 結束語

基于OFDR 技術的基坑自動化變形監測系統設計研究，取得一定的研究成果，可解決傳統基坑自動化變形監測中存在的問題。本文設計的監測系統具有現實意義，能夠指導基坑自動化變形監測優化。在后期發展中，應加大OFDR 技術在基坑自動化變形監測中的應用力度。目前，國內外針對基于OFDR 技術的基坑自動化變形監測系統研究仍存在一些問題，未來還需要進一步深入研究基坑的優化設計，為延緩基坑自動化變形時間提供參考。