分布式光纤传感技术在地铁隧道监测中的研究

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1、学校代码：10406分类号：TP931.4学号：120081001004南昌航空大学硕士学位论文（学位研究生）分布式光纤传感技术在地铁隧道监测中的研究硕士研究生：李龙强导师：周力申请学位级别：硕士学科、专业：通信与信息系统所在单位：信息工程学院答辩日期：2015-6授予学位单位：南昌航空大学DistributedOpticalFiberSensingSystemfortheSubwayTunnelMonitoringADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOncomm

2、unicationandinformationsystembyLiLong-qiangUndertheSupervisionofProf.ZhouLiSchoolofInformationEngineeringNanchangHANGKONGUniversity,Nanchang,ChinaJune,2015摘要地铁隧道是大型基础设施中服役期限比较长的工程。鉴于地铁隧道渗漏、结构裂缝以及空间狭隘长、环境封闭的火灾威胁生命安全和造成经济损失，本课题进行分布式光纤传感技术在地铁隧道监测中的研究。本论文首先对分布式光

3、纤传感技术发展进行了分析、比较和论述，重点论述布里渊光时域反射（BOTDR）技术；接着研究布里渊散射传感机理，建立布里渊散射与应变和温度传感模型，为BOTDR传感系统的研发奠定基础；然后分析了FFT算法和Mallat小波算法提取布里渊频移信号，比较两种算法提取应变布里渊频移信号灵敏度，从而提高测量精度；最后利用LabVIEW开发平台编程实现虚拟BOTDR传感系统监测地铁隧道VI程序，同时通过仿真测试结果进行分析得出该系统能很好的满足本课题的要求。本文的主要工作和研究成果如下：（1）设计并实现了基于LabVIEW

4、的BOTDR传感系统监测地铁隧道VI程序。通过仿真虚拟应变和温度的监测与实际监测相比，误差分别大约为1.82%和8.33%。该结果表明搭建的虚拟监测系统比较理想，从而在没有硬件条件下，虚拟器件代替实体器件、虚拟处理，自定义模块和函数，通过修改参数设置来完成对布里渊散射分布式光纤传感技术的研究，从而大大降低了成本。（2）对本课题的BOTDR传感系统虚拟程序，采用了新的、稳定的“状态机和事件结构结合”的设计模式。该设计模式能够很好解决基本状态机的问题，从而提高了程序运行效率。该系统VI程序独特之处还有设计了数据采集

5、存储模块，通过LabVIEW和数据库Access的连接，建立地铁隧道参数数据库，有利于储存地铁隧道参数重要信息，根据这些重要的参数信息加强隧道科学管理和提高隧道技术水平。（3）建立了基于FFT算法对BOTDR传感系统中的布里渊频移信号的频谱分析技术以及基于Mallat小波算法对布里渊频移信号特征提取。通过对比两种算法对布里渊频移信号的分析，Mallat小波算法能够更快速准确提取布里渊散射信号特征，从而为实际沿光纤检测信号的特征提取提供了重要参考意义，而且该算法对于其它分布式光纤传感技术有很好的参考价值，通用性很

6、强。关键词：隧道监测，分布式光纤传感，布里渊频移，Mallat算法，LabVIEWIAbstractThesubwaytunnelisaninfrastructurewithlongserviceperiod.Thestructuralcracksandleakageofthetunnelwillbeathreattolifesafetyandcausetheeconomicloss.Thispaperfocusesonthedistributedopticalfibersensingtechnologyfor

7、metrotunnelmonitoringsystem.Thedevelopmentofdistributedopticalfibersensingtechnologieswereanalyzedandcomparedfirstlyinthispaper,whichmainlyfocusedontheBrillouinopticaltime-domainreflectometry(BOTDR)technology.Secondly,themechanismofBrillouinscatteringsensing

8、wasinvestigatedandtheFFTandMallatwaveletalgorithmstoextracttheBrillouinfrequencyshiftsignalwereused.Finally,simulationofthesystemwasrealizedbyLabVIEWplatformandasatisfactoryresulthasbeenobtained