李晓赫,梁生,钟翔



基于虚拟仪器的光纤分布式高速公路边坡落石监测预警系统

李晓赫1,梁生2,钟翔3*

1. 北京交通大学 交通运输学院, 北京 100044 2. 北京交通大学 理学院, 北京 100044 3. 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 合肥 230009

针对高速公路边坡落石严重灾害，提出了一种光纤分布式公路边坡落石监测预警系统，具有连续分布式多点落石探测，高定位精度以及高实时性等技术优势。基于相位敏感光时域反射计的光路方案，建立了系统的硬件总体架构，搭建了系统主机，在此基础上依托LabVIEW平台设计开发了系统的实时处理软件，通过实验对系统性能进行了测试。结果表明：设计的光纤分布式公路边坡落石监测预警系统能够同时监控多个落石，最大定位误差20 m，响应时间均值79.65 mm，能够满足实际应用要求。

高速公路; 落石; 监测

几年来，我国山区、丘陵区高速公路建设快速发展，边坡变形破坏所造成的落石灾害已经成为当前高速公路最突出的严重灾害。沿用普通公路设计方案，高速公路的边坡防护采用浆砌片石护坡（护面墙）、拱型截水骨架等劳动密集型的防护方式，无法满足高速公路安全要求[1-3]。高速公路边坡落石防护应当与物联网技术与智能化方法结合，进一步发展能够对边坡落石进行实在在线监测以及预警的技术方法，在落石落下时能够及时探测同时给出定位的探测预警系统是高速公路边坡落石防护的发展趋势和迫切需求。

光纤传感器由于具有体积小，重量轻，灵敏度高，抗电磁干扰，以及可以实现分布式测量等优良特性，在工业、民用和军事等领域得到了广泛的应用。其中，光纤分布式振动能够对传感光纤上任意一点处的振动事件进行探测及定位，在周界安防、油气管线预警监测、通信线路监测和大型结构健康监测等领域具有广阔的应用前景。将光纤分布式振动传感系统应用于对高速公路边坡落石进行探测和预警，可以有效及时地发现落石及其位置，能够对落石灾害进行预警。

为了满足高速公路边坡落石探测和预警的实际需求，光纤分布式振动传感系统需要具备高定位精度，优良的响应实时性，以及能够同时探测和定位多个落石目标。为此，本文提出了一种基于相位敏感光时域反射计（Optical time domain reflectometry, OTDR）光路结构[4-17]的光纤分布式高速公路边坡落石监测预警系统，在LabVIEW环境下对数据进行采集、处理、分析和存储[18-20]，实现对落实灾害的全天24 h实时监测和预警。

1 系统结构

本文提出的光纤分布式高速公路边坡落石监测预警系统应用示意图如图1所示。在高速公路两侧边坡沿折线铺设传感光缆，光缆一端延伸至距离较远的监控中心，通过系统主机与光缆链接。山体发生破坏产生的落石滑落在边坡时，对光缆产生振动，系统主机可以实时发现出现落石以及位置，对落石灾害做出预警。

图1光纤分布式高速公路边坡落石监测预警系统应用示意图

在光纤分布式振动传感系统的多种技术方案中，相位敏感OTDR由于具有较高的定位精度，以及能够对多个同时发生的振动事件进行探测和定位的独特技术优势，近年来日益受到重视。其光路原理如图2所示。光源发出的激光在调制成脉冲光后通过环行器注入传感光纤。脉冲光在传感光纤中传播时，光纤中的各个位置都将产生背向瑞利散射光，这些背向散射光沿着与探测脉冲光相反的方向传播，再次经过环行器后由光电探测器接收。探测器检测到的是一个横坐标为时间，纵坐标为光强的背向瑞利散射曲线，曲线中各点表示的是传感光纤中对应位置的背向瑞利散射光强。

相位敏感OTDR与传统的OTDR的主要区别在于：使用高相干光源取代了传统OTDR中使用的宽谱光源，从而加强了背向瑞利散射光之间的干涉效应，增强了对相位变化的敏感性。因此，相位敏感OTDR的背向瑞利散射曲线将呈现出明显的干涉图样。传感光纤上没有振动事件发生时，背向瑞利散射曲线将保持不变；但当传感光纤某点受到外界振动影响时，由于应变效应和弹光效应，该处的光纤长度和折射率都将发生变化，使得该位置传输的光的相位发生变化，并最终由于干涉效应导致背向瑞利散射曲线在对应位置的光强发生变化。将振动事件发生前后的背向瑞利散射曲线相减，得到的差分曲线上将出现明显的尖峰，尖峰位置与振动事件发生的位置之间有如下关系：

式中，c是真空中的光速，n是光纤的折射率。从式（1）中可以看出，只需求出差分曲线中尖峰的位置，就能实现对振动事件的探测与定位。

2 系统设计

2.1 硬件架构

根据相位敏感OTDR的光路结构原理，设计的光纤分布式高速公路边坡落石探测与预警系统硬件总体架构如图3所示：系统包括主机和传感光纤两部分，主控机箱向传感光纤注入脉冲光，并对传感光纤中返回的瑞利散射光信号进行采集、处理、分析和存储。

主控机箱主要由以下5个部分组成：

● 光源模块：为系统提供高稳定窄脉宽激光。

● 信号调理系统：将接收到的光信号转换成电信号，并进行滤波和放大。

● 高速数据采集卡：将采集到的信号进行AD转换后通过PCI总线传输至工控计算机进一步处理。选用的数据采集卡是凌华的PCI-9846高速采集卡，该采集卡高达40 MHz的采样率满足了系统定位精度的要求；板载512 M内存为系统提供了良好的数据存储深度，满足了系统的实时性要求。

● 工控计算机：在工控机上依托LabVIEW平台开发系统的实时处理软件，对采集到的数据进行处理、分析和存储，能极大的缩短软件开发周期。

● 供电模块：为主控机箱的其它模块供电，其工作稳定性是整个系统正常工作的前提。

图3 光纤分布式高速公路边坡落石探测与预警系统硬件总体架构

2.2 软件设计

基于LabVIEW平台开发的实时处理软件的程序流程如图4所示，程序主要包含系统自检、数据采集、数据预处理、报警判断、振动事件识别与定位、告警信息显示与保存等六大功能模块。

（1）系统自检。该功能模块对系统的各个部分是否处于正常工作状态进行检查。首先通过PCI-9846数据采集卡提供的命令检查该采集卡是否处于正常工作状态；随后，采集光源模块输出的光脉冲曲线，以及后向瑞利散射曲线，用来综合判定光源模块、传感光纤以及信号调理系统是否处于正常工作状态。若各部分均正常工作，程序往下运行；否则中止程序，对系统进行检查。

（2）数据采集。根据系统需求，采集一定长度的后向瑞利散射曲线。

（3）数据预处理。对采集到的后向瑞利散射曲线进行预处理，以降低噪声。预处理的主要过程包括盲区屏蔽、光衰减补偿和防区划分等。盲区屏蔽是指将传感光纤前端的一定长度的光纤进行去敏处理，因为这一段光纤的后向瑞利散射光强不稳定，无法用来检测落石。光纤中的后向散射光强由于光纤衰减的原因呈指数衰减，即传感光纤后端的散射光强显著低于前端，导致传感光纤后端的灵敏度低于前端，故需要对光功率的衰减进行补偿。防区划分针对外场使用环境的实际需求。由于光纤分布式高速公路边坡落石探测和预警系统的监测距离往往长达几十公里，敏感光纤可能会跨越不同的区域（如光缆埋地深度的差异等），导致传感光纤各部分的灵敏度不一致。为此，在数据预处理时根据光缆的实际布设情况将其划分为多个防区，对各个防区进行分别处理，以避免系统发生误判。

（4）报警判断。该功能模块用于判断是否需要发出告警信息，若需要发出告警信息，则程序继续运行；否则重新转向数据采集模块，开始下一轮的计算。该功能模块主要有平均与差分运算和阈值报警判断两个过程。对后向瑞利散射曲线进行平均运算以降低随机噪声的干扰；对后向瑞利散射曲线进行差分运算将获得差分曲线，该曲线将用于阈值报警判断。根据系统需要设定一个或多个阈值（阈值数量由步骤3中的防区划分数量决定），将差分曲线各点的值与该阈值进行比对，若均小于对应的阈值，则不发出告警；否则发出告警。

（5）落石识别与定位。该功能模块主要包括3个部分：多目标识别，多目标定位以及振动性质识别。多目标识别用于判定振动目标的数量；多目标定位即给出各振动目标的位置信息；振动性质识别是指对振动事件进行判别，识别出告警信息是由大风、降雨、冰雹等环境噪声导致的，还是由真实的落石导致。

（6）告警信息显示与保存。将告警信息显示在界面上，并将其保存以便对历史告警信息进行管理。

图4 LabVIEW实时处理软件流程图

3 实验研究

实验测试了光纤分布式高速公路边坡落石探测与预警的性能，系统实物如图5所示。图5（a）为集成了光源模块、信号调理系统、高速采集卡、工控计算机和供电模块等五大部件的主控机箱，机箱尺寸为440 mm×440 mm×177 mm。图5（b）为传感光纤，它由缠绕着裸光纤的光纤环以及连接它们的黄色跳线组成。跳线固定在铁丝网上，通过敲击铁丝网模拟振动事件；光纤环密闭在塞满泡沫的箱体中以降低对振动事件的敏感性。

图5 光纤振动探测系统实物图

图6 光纤分布式高速公路边坡落石探测与预警实验测试示意图及差分结果

图7 光纤分布式高速公路边坡落石探测与预警的定位误差分布

实验中传感光纤总长约9 km，由3捆长度分别为3 km，2 km及4 km的光纤构成，敲击铁丝网时将在3 km及5 km两个位置处同时模拟落石导致的振动事。如图6所示，光纤振动探测系统测得的差分曲线在对应位置处出现了两个明显的尖峰，说明系统具备对多个振动事件同时探测和定位的能力。

实验中重复模拟了120次振动事件，对系统的定位精度和实时性能进行了测试。其中，系统在3 km位置的定位误差分布如图7所示，系统的最大定位误差为20 m。此外，120次告警中，系统数据处理时间的均值为79.65 ms，远远低于一次落石导致的振动的持续时间（约几百ms至s）。

4 结论

本文基于相位敏感OTDR的光纤分布式振动传感系统，设计开发了光纤分布式高速公路边坡落石探测与预警，在搭建系统主机的基础上，依托LabVIEW平台设计了系统的实时处理软件，并通过实验对系统性能进行了测试。结果表明：设计的光纤分布式高速公路边坡落石探测与预警能够同时监控多个落石导致的振动事件，同时具有定位精度高和实时性好的优点。本文的研究工作对于高速公路边坡落石探测与预警具有重要的技术意义和应用价值。

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The Detection and Pre-warning System for Rockfalls from a Slope of Expressway Covered Optic Fiber Based on Virtual Instrument

LI Xiao-he1, LIANG Sheng2, ZHONG Xiang3*

1.100044,2.100044,3.230009,

In order to solve the serious problem of slope rock-falls of the expressway, a fiber-optic distributed expressway slope rock-falls detection and pre-warning system is proposed, with the technical advantages including the multiple rock-fall targets detection ability, high localization accuracy and real-time response in this paper.The hardware architecture based on phase-sensitivity optical time domain reflectometer is established, the main-server of the system is built and the real-time processing software is designed based on the LabVIEW platform. A laboratory test is carried on to evaluate the effectivity and performances of the system. It is found that our proposed system is able to detect multiple rock-fall targets, the maximum location error is 20 m, and the average response time is 79.65 ms, which means that this system can satisfy the requirement of the practical applications.

Expressway; rockfalls; detection

TP 212.14

A

1000-2324(2018)03-0444-05

2017-02-12

2017-03-20

李晓赫(1998-),男,本科生,专业方向为智能运输工程. E-mail:1371223173@qq.com

Author for correspondence. E-mail:zhx0325@hfut.edu.cn