采动区公路变形的全分布式光纤应变监测方法研究

发布时间：2020-10-30 03:50

　　 公路是一个国家经济建设发展的血脉,在国民经济发展中占有重要的作用。在地下煤炭资源的采动过程中,会对位于采动区上方公路造成不良影响,对公路进行结构健康监测十分重要。本文围绕BOTDA(Brillouin optical time-domain analysis)传感系统在公路变形监测中存在的误差,基于室内实验和理论计算,分析了仪器本身和监测方法对数据质量的影响,以降低数据噪声和增强仪器性能为目标,提出了基于空间域和频域的BOTDA传感图像滤波方法,并开展了采动区公路的全分布式光纤应变监测实验。论文的主要研究内容和结论如下:(1)设计了的一种定长拉伸装置,对由BOTDA传感器本身的参数设置引起的对布里渊频移解调精度、定位精度、事件范围识别精度和事件量化精度的影响进行研究。实验结果表明:a).脉冲宽度的提高,即降低空间分辨率,可以提高数据质量,但当空间分辨率大于事件范围时,会放大测量事件的范围,降低定位精度且减小应变值;b).平均次数的增加可以同时提高布里渊频移精度、事件定位和范围精度、事件量化精度,其中频移精度与平均次数之间符合ExpAssoc模型关系,当平均次数提高到一定数量,继续增加平均次数,解调精度的增幅逐渐减小;c).扫频范围应尽量保证频谱对称且扫频范围以1.0倍线宽向两侧取值,这样可以降低布里渊频移误差;d).频率步长的增加,会降低解调精度。(2)理论分析了布设方法、光缆类型和施工工艺对测量精度的影响。阐述了埋设式和外贴式两种布设方式由于应变传递带来的误差,同时测试得到了高精度应变测试专用光缆和低模态应变感测光缆的传感特性。此外,通过理论计算,表明在光缆铺设过程中,局部的弯曲半径应大于临界弯曲半径43mm,有助于避免由弯曲引起的信号损耗,并且需要注意减少光纤连接带来的损耗。(3)以降低数据噪声和提高仪器性能为目标,提出了基于空间域的Kuwahara滤波和基于频域的自适应约束最小二乘方滤波。实验结果表明:Kuwahara滤波可以将信噪比提高6.7dB,布里渊频移误差平均减小0.58MHz;自适应约束最小二乘方滤波可以将信噪比提高12.2dB,温度精度提高1.3℃,并且无需复杂耗时的参数选取过程。(4)以南屯煤矿33_上04工作面上方的西故下村中路为监测对象,利用室内实验得到的结论,设计了公路应变监测的实验方案,通过实验得到了公路在工作面推进过程中变形和应变变化特征。实验结果表明:拉伸区域监测公路的变形值最大,拉伸应变峰值出现在裂缝周围处;压缩区域监测路段的变形值较小,既有拉伸变形也有压缩变形,公路各点处拉伸应变与压缩应变交替进行。在压缩区域公路表现出不同的应变变化方式:位于工作面外侧的监测段在裂缝处,表现为压缩应变,裂缝两端为拉伸应变;位于工作面内侧的监测段,地表的压缩使得路面隆起,引起相邻切割缝间路段的拉伸应变。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U418;TD325.4
【文章目录】：
致谢
摘要
abstract
变量注释表
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 存在的问题
    1.4 研究的内容与技术路线
    1.5 论文组织结构与安排
2 布里渊光时域分析技术的基本原理及性能分析
    2.1 光纤传感基本原理
    2.2 布里渊光时域分析技术
    2.3 BOTDA的主要性能参数
    2.4 全分布式光纤传感监测的误差来源
    2.5 本章小结
3 BOTDA系统主要性能参数的误差分析
    3.1 实验装置和方法
    3.2 脉冲宽度
    3.3 起始/终止频率
    3.4 频率步长
    3.5 平均次数
    3.6 本章小结
4 BOTDA传感器监测方法的数据质量影响因素分析
    4.1 布设方法
    4.2 光缆类型
    4.3 施工工艺
    4.4 本章小结
5 BOTDA性能增强的图像复原方法
    5.1 概况
    5.2 BOTDA传感图像去噪的Kuwahara滤波
    5.3 BOTDA图像去噪的自适应约束最小二乘方滤波
    5.4 本章小结
6 采动区公路应变监测实验
    6.1 实验区公路概况
    6.2 公路监测方案
    6.3 监测结果与分析
    6.4 本章小结
7 结论与展望
    7.1 主要结论
    7.2 展望
参考文献
作者简历
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本文编号：2861945