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基于BOTDR的光纤网格隧道形变监测系统研究
摘要：
光纤传感技术作为一种新兴的检测技术，受到越来越多的关注。其中，基于BOTDR的光纤网格隧道形变监测系统成为研究的热点之一。本文提出了一种基于BOTDR的光纤网格隧道形变监测系统设计方案，详细介绍了该系统的工作原理、具体构成、数据处理方法及系统应用示例。实验结果表明，该系统可以快速准确地监测隧道形变情况，为隧道施工和维护提供了有效的技术支持。
关键词：光纤传感技术；BOTDR；网格隧道；形变监测；系统设计
一、引言
隧道是城市化建设中不可缺少的重要部分，其作为道路、铁路交通运输的基础设施，对城市经济社会发展具有重要意义。然而，在隧道的建设和使用过程中，长期处于地下环境，加之自然环境的影响，隧道变形、沉降等问题难以避免。这些问题不仅会影响隧道的安全使用，而且可能会对周围环境产生负面影响。
因此，实时、准确地监测隧道的变形情况，及时发现问题，及时采取措施，是隧道建设和运营过程中至关重要的环节。目前，隧道变形监测技术主要采用变形测量仪、全站仪等传统监测手段，这些手段存在成本高、监测效果差等问题。而光纤传感技术在隧道变形监测方面具备优异的性能，因为它可以实现连续、高灵敏度的监测，并且可以有效地分析预测隧道的变形情况。BOTDR（BrillouinOpticalTimeDomainReflectometry）技术是光纤传感技术中的一种，具有可靠、快速、高灵敏度等特点，被广泛应用于隧道变形监测领域。
本文基于BOTDR技术，设计了一种基于光纤网格的隧道形变监测系统，旨在实现对隧道形变情况全面、准确的监测。文章内容从以下几方面进行阐述：
（1）系统工作原理及数据处理方法
（2）系统构成方案
（3）系统实验中出现的问题及解决方法
（4）基于该系统的隧道形变监测实验结果
（5）对该系统未来发展进行展望
二、系统工作原理及数据处理方法
（1）BOTDR工作原理
BOTDR光纤传感技术通过光纤中的布里渊散射（BrillouinScattering）实现对光纤中位移与温度等物理参数的监测。当连续的光脉冲从传感光纤中传递时，会在光纤中发生布里渊散射，这种散射光波会与光纤中的驻留光波发生相互作用，从而导致散射光波的频率发生改变。利用这种频率的变化可以对光纤中的物理参数进行检测和测量。BOTDR技术通过该原理实现对光纤中的位移变化的监测。
（2）BOTDR数据处理方法
BOTDR采取的是时域反射法，它能够记录光的传播时间和散射光的带宽，这些数据就可以通过一定的算法求出受测光纤的温度和应变信息。BOTDR系统中，光纤被分成若干小段，每一小段可以看作是一个传感单元，BOTDR系统通过扫描每个传感单元，记录每段光纤激发的散射光波，进而获得整个光纤的温度、应变信息。
对于形变监测而言，BOTDR可以通过对光纤的长度变化进行监测，本文采用的是光纤网格法实现对隧道形变的监测，其原理是在光纤中添加一定数量的空气孔洞，通过监测光纤中空气孔洞的分布，就可以得到隧道的形变状态。
三、系统构成方案
（1）光纤传感器
本文采用BOTDR传感器作为硬件设备，用于将数据转化为成电信号输出。BOTDR传感器实现对光纤中任意位置的测量，具有每个位置都有标准的原始数据输出，传感器的量程、灵敏度、时间分辨力度和精度都非常高，适用于长期、连续的隧道形变监测。
（2）光纤网格
光纤网格是BOTDR测量隧道形变的关键部分，光纤网格是由光纤和空气孔洞组成的有规律交错的结构，在光纤中布置光纤网格，就可以实现对隧道形变的监测。本文采用通过拉伸预处理的麻花光纤网格，通过光纤网格的拉伸调整空气孔洞的数量，从而实现隧道形变的监测。
（3）数据处理系统
针对BOTDR采集的海量数据，本文使用了数据预处理、动态图形分析和算法优化等技术，对数据进行处理和分析。本文构建了基于MATLAB的数据处理系统，通过算法处理和分析BOTDR采集的数据，实现对隧道形变状态的实时监测，并输出监测数据。
四、系统实验中出现的问题及解决方法
（1）光纤网格质量不稳定
在实验过程中，光纤网格的质量问题会影响到实验的精度和准确性。本文通过改进麻花光纤网格的拉伸方式，以及选用优质的光纤材料，解决了光纤网格质量不稳定的问题。
（2）数据处理算法不够优化
BOTDR数据量极大，数据处理时速度较慢，需要优化数据处理算法。本文采用C++编程对算法进行优化，实现对BOTDR数据的实时处理和监测。
五、基于该系统的隧道形变监测实验结果
本文的实验结果表明，所设计的基于BOTDR的光纤网格隧道形变监测系统可以实现对隧道形变情况的精确监测，监测结果准确可信。系统具有实时性强、准确性高等优点，可以指导隧道建设和维护过程中的安全施工和安全管理。
六、未来展望
本文的研究为隧道形变监测提供了一种新的、高效的非接