基于光纤传感器的水下隧道监测系统及可视化监测方法

技术领域

本发明涉及一种水下隧道检测，具体为基于光纤传感器的水下隧道监测系统及可视化监测方法，属于隧道监测技术领域。

背景技术

随着我国社会经济的发展，和人民生活水平的提高，人们对于电能的使用需求量越来越大，作为清洁能源的核能发电也越来越受到重视，在核能发电站中，使用流动的冷却水确保核电站温度可控，因此确保核电站的取水隧洞的正常运行十分重要，但由于隧洞周边环境影响和结构材料老化等原因，隧洞结构随着时间的推移会产生不同形式的变形，当超过某一阈值时将对隧洞的安全运营构成威胁，为保护取水隧洞的结构安全，需对运营期间的取水隧洞进行自动化变形监测，实时监测取水隧洞的具体情况，且在进行监测时，现在会采用光纤进行监测。

公开号CN114184137A公开了一种基于长标距光纤传感技术的隧道变形监测系统及方法，包括，光纤传感器系统，数据处理系统，变形计算系统和预警系统；所述光纤传感器系统用于布置传感器并采集传感器数据；所述数据处理系统用于根据所述传感器数据获取单向应变数据；所述变形计算系统用于根据所述单向应变数据获取变形数据；所述预警系统用于基于所述变形数据发出变形预警。然而，在进行使用时，当监测到达阈值时，虽然也会发生警报，但不便于进行直观的显示检测点位的位置，不便于进行交互式监测，不方便快速定位到变形位置。

有鉴于此特提出本发明能够对目标隧道进行每一个位置的温度和应变进行监测，当存在由于外界因素超出预设值得情况发生，则会进行报警，且便于进行三维显示报警点位，从而能够及时的发现问题，并有效的消除隧道安全隐患。

发明内容

为了解决上述存在的技术问题，本发明的目的在于提供了一种基于光纤传感器的水下隧道监测系统及可视化监测方法，在隧道内部通过整体使用光纤传感，在经过大数据云计算后，可精确计算出每个位置的实际情况，当超出预设值时发出报警，并快速直观的提示报警点位。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种基于光纤传感器的水下隧道监测系统及可视化监测方法，通过脉冲信号发生单元产生一定频率的脉冲信号，通过激光器转化为相对应频率的光波，射入光纤传感器，所述光纤传感器设置于隧道内，通过光纤数据分析仪将接收到的反射光波转化为相对应频率的电脉冲，并将电脉冲信号传给脉冲信号接收单元，所述脉冲信号接收单元对脉冲进行计数，通过数据处理单元根据脉冲的计数数量计算每一段光纤反射的脉冲频率，通过脉冲频率计算应变值，应变值P通过应变计算公式：

其中，K为应变系数，V为应变感测实测频率值，V

得到，脉冲频率的应变值，通过SQL Server数据库进行保存，调节系统参数，计算得出应变值和温度，通过图标UI显示，并绘制波形图，显示参数，当超过阀值时，产生报警信号，进行报警。

进一步的，所述脉冲信号发生单元包括SPI输入模块、乘法器模块、时序发生模块、RAM读写模块和编码输出模块，数据通过SPI协议传输到SPI输入模块中，处理提取得到该数据的编码周期N

本发明还公开了一种基于光纤传感器的水下隧道可视化监测方法，包括以下步骤：

步骤S01：构建虚拟场景和隧道模型，所述隧道模型的长度及检测的位置通过坐标尺可视化显示；

步骤S02：获取所述的基于光纤传感器的水下隧道监测系统得到的数据，通过SQLServer数据库进行保存，调节系统参数，计算得出应变值和温度，通过图标UI显示；

步骤S03：通过波形图显示各参数的实时变化情况，如果参数超过了对应的阈值则将进行报警。

进一步的，所述步骤S03中还包括通过设置巡检目标的类型进行巡检，进行巡检操作时，视角跟随巡检的光标沿着取水隧道前进，读取数据库中对应的数据进行显示，所述步骤S03中在隧道对应监测点的上方显示UI指示牌来表示巡检的参数是否符合要求，如果监测的参数超出了预设的范围，UI指示牌将显示红色，并在整个界面的下方进行红色的报警框闪烁，如果在符合要求的范围内，则显示灰色，巡检结束后自动弹出巡检结束窗口，并显示该次巡检过程中正常点及报警点个数，所述步骤S03中通过点位筛选进入数据图标分析界面，根据快速定位条定位至相应的隧道位置，选择数据采集点位，显示该次巡检过程中的该次数据采集点的参数变化情况，并获取该点位的所有历史数据，所述步骤S01中构建等比的三维模型，包含地形、海水、厂房、隧道、光缆，制作地形时在增加砂石贴图和草地贴图的基础上加入草地和树木模型，并为隧道的长度以及检测的位置通过一个可以选择的显示隐藏的坐标尺可视化显示，当需要查看的时候通过左边的控制台点击标度尺开关进行打开，若不需要时，通过再次点击进行关闭巡检得到的参数在巡检结束时通过折线图进行可视化展示，且在三维模型中还包括视景模块和缩放模块，且漫游模块，是在仿真视景内以第一人称视角进行移动，并且能够让用户以鼠标控制来让用户通过不同的视角对隧道进行不同角度的查看，缩放模块是在仿真视景内进行视景放大、缩小操作，通过不同的缩放比例，了解场景内的宏观布局或局部细节。

本发明的技术效果和优点：

通过以布里渊时域反射技术为基础，使用FPGA来产生和计数频率脉冲，并通过转换器产出光电脉冲，通过计算两次光电脉冲的频率，根据对应公式来测量隧洞的应力和温度的变化情况，从而能够实现对于长距离隧洞的监测，在此基础上，通过把数据传输到主机后，使用unity3D虚拟现实技术，构建1：1的虚拟场景，并且能够调节系统参数，计算得出应变值和温度，通过图标UI显示。并设置多种UI界面，系统人机交互良好，能够让操作员工按照自己的风格使用该系统。在发生报警时，可以通过三维模型进行快速定位，方便及时观察到报警点位，方便进行及时的反应，消除隐患，大大降低在进行人工巡检时的强度，且提高反应效率，并通过交互界面，便于进行全方位和多角度的查看隧道的情况。

可以进行即时巡检与定时巡检，系统会将近期巡检数据自动保存在历史记录中，当巡检结果数值达到预设黄线和红线时，系统会做出不同的反应，便于更准确的掌握隧道内部实时情况。

附图说明

图1为本实施例中系统总体设计框架图；

图2为本实施例中系统硬件连接运行图；

图3为本实施例中FPGA架构图；

图4为本实施例中基于光纤传感器的水下隧道可视化监测方法流程图；

图5为本实施例中视景模块示意图；

图6为本实施例中快速巡检的界面图；

图7为本实施例中总用例图；

图8为本实施例快速巡检例图；

图9为本实施例系统主要功能序列图；

图10为本实施例快速巡检中的界面图；

图11为本实施例中数据可视化显示图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1、2所示，一种基于光纤传感器的水下隧道监测系统，通过脉冲信号发生单元产生一定频率的脉冲信号，通过激光器转化为相对应频率的光波，射入光纤传感器，光纤传感器设置于隧道内，通过光纤数据分析仪将接收到的反射光波转化为相对应频率的电脉冲，并将电脉冲信号传给脉冲信号接收单元，脉冲信号接收单元对脉冲进行计数，通过数据处理单元根据脉冲的计数数量计算每一段光纤反射的脉冲频率，通过脉冲频率计算应变值，应变值P通过应变计算公式：

其中，K为应变系数，V为应变感测实测频率值，V

脉冲频率的应变值，通过SQL Server数据库进行保存，调节系统参数，计算得出应变值和温度，通过图标UI显示，并绘制波形图，显示参数，当超过阀值时，产生报警信号，进行报警。

具体的，脉冲信号发生单元和脉冲信号接收单元可以使用FPGA实现，数据处理单元可以采用ARM。

较佳的，结合图3所示，脉冲信号发生单元包括SPI输入模块、乘法器模块、时序发生模块、RAM读写模块和编码输出模块，数据通过SPI协议传输到SPI输入模块中，处理提取得到该数据的编码周期N

脉冲信号接收单元包括输入数据处理模块、加法器模块、DDR3读、写数据处理模块和DDR3模块，电脉冲信号进入输入数据处理模块处理模数转换系统传出的数据，在每一个脉冲大周期中进行相同位置间数据的加法处理，此加法的两个加数分别为输入数据处理模块中的数据和DDR3读数据处理模块中的数据，将相加后的数据通过DDR3写数据处理模块存入DRR3模块中，实现一个循环，当循环次数等于设定的循环次数后，将数据输出到脉冲信号接收单元的PS端，在PS端经过计算得到相应的频率fb后上传到上位机数据库。

在进行计算P值时，利用布里渊时域反射原理，布里渊光时域反射技术是利用探测自发布里渊散射的技术来实现传感的布里渊分布传感技术，通过在光纤一端注入频率为f的脉冲光，可以获得中心频率为f-fB的背向spBS信号,其中fB为布里渊频移，对这一微弱的信号进行探测和信号处理后，即可通过spBS的频移或强度等参量实现对温度或应变的分布式传感。

具体的，在对硬件单元进行架设时，将检测点位按照每10米一个点位进行检测，并对每个点位进行显示和设置检测动画，并在进行使用时，FPGA将频率为f的脉冲信号发送至激光器，且激光机发射激光脉冲f给光纤光缆，光纤光缆反射激光脉冲fb给光纤数据分析仪，且光纤数据分析仪将频率为fb的脉冲信号反馈至FPGE，且FPGE与ARM之间进行数据传输，ARM将f和fb传输至主机显示器进行显示，且主机显示器将进行巡检信号传输至ARM，并经过ARM数据传输至FPGA，完成监测循环，且便于客户端进行操作，且在FPGA中，脉冲信号的产生构架为外部数据通过SPI协议传输到FPGA芯片中，将编码脉冲信号输出，此信号的各项特性同输入数据相吻合，并且可以根据输入数据的变化而改变，此系统产生的脉冲信号为电信号，加载到激光电源上进行电光转换，即可产生BOTDR光纤传感器的正向泵浦光电脉冲，但是由于该系统隧道长达4000多米，因此为了使功率足够大，通过使用EDFA光纤放大器，增大光信号功率，再射入光纤光缆中。

另一实施例中，如图4所示，一种基于光纤传感器的水下隧道可视化监测方法，包括以下步骤：

S01：构建虚拟场景和隧道模型，隧道模型的长度及检测的位置通过坐标尺可视化显示；

S02：获取的基于光纤传感器的水下隧道监测系统得到的数据，通过SQL Server数据库进行保存，调节系统参数，计算得出应变值和温度，通过图标UI显示；

S03：通过波形图显示各参数的实时变化情况，如果参数超过了对应的阈值则将进行报警。

具体的，三维视景部分使用Unity3D 2019进行开发，使用动态UI和可视化数据展示，所有可视化部分通过Unity3D进行制作。三维模型使用Maya、3dsMax软件进行建模，三维模型1:1还原隧道外观；在不改变模型精度的前提下，进行优化减面，保证系统的运行流畅性。

在软件中设置岛、厂、道路、生活区简模(岛屿为示意、厂用一般厂房模型及卫星图代替、道路根据图纸摆放、生活区摆放房子简模)、取水道根据总图形状进行制作(半透、混凝土外形)、取水隧洞上方覆盖的地形简模(80％透)、放入海水、程序整体展示内容按总图大小设计，按照写实风格进行调整，在一般写实风格下增加对比度及色彩饱和度，提升画面色彩亮度及美感度。

如图5所示，设置视景模块包含隧道外观形象展示，隧道模型，虚拟场景，以及系统UI。整体虚拟场景包含山地地形，以及模拟海洋场景。该场景通过Unity3D内置的场地制作模块制作地形，并且在增加砂石贴图，草地贴图的基础上加入草地，树木模型，调节光亮和方向，使得场景更加的真实，如图6所示。

隧道模型通过使用3DMax设计制作之后加载到Unity中，并通过C#编写隧道外观形象化展现的程序，让用户能够根据自己的喜好来选择隧道的显示样式。

系统UI，即功能性UI，包含界面显示，指示图标，控制栏，巡检动画等等。

三维隧道可视化实时监测系统总用例图如图7所示。在仿真视景内以第一人称视角进行移动，并且能够让用户以鼠标控制来让用户通过不同的视角对隧道进行不同角度的查看。在仿真视景内进行视景放大、缩小操作，通过不同的缩放比例，了解场景内的宏观布局或局部细节。

巡检分为定时巡检和及时巡检。

报警：系统根据巡检反馈的数据及预设报警值进行判断，当预设值超过黄色警戒线时，报黄色警报。此时该报警点位将呈黄色，且始终显示在仿真隧道及系统左侧菜单栏中，点击此报警点可以查看该报警点的历史数据；当预设值超过红色警戒线时，报红色警报。红色警报同黄色警报显示内容，但颜色以红色显示，且系统会自动发送短信至系统留存的手机上。(可以加入声音报警、报警闪烁等)。

隧道的长度以及检测的位置通过一个可以选择的显示隐藏的坐标尺可视化显示，当需要查看的时候通过左边的控制台点击标度尺开关进行打开，若不需要时，通过再次点击进行关闭巡检得到的参数在巡检结束时通过折线图进行可视化展示。

进入系统后按住左键拖动鼠标可进行视角旋转，滚动鼠标滚轮进行缩放，鼠标移至屏幕靠左打开控制栏，点击对应功能按钮触发对应事件，如图6所示。

快速定位

由于取水隧洞较长，为了能够方便查看取水隧洞的每一个位置，我们增加了快速定位功能，点击左侧控制栏中的快速定位功能后，上方会出现一个能够拖动的进度条，用来移动到具体想要观测的位置，下方也提供了按钮的方式进行快速定位的方法，操作人员可以根据喜好进行选择使用，在选择定位位置后，视角也将跟随移动到指定位置，从而进行定点检测。

快速巡检

如图8所示，巡检前：选择左侧控制台的快速巡检后，界面上方会出现一个参数选择框，可以选择巡检目标的类型为温度A，温度B，应变力A，应变力B，再点击右侧的快速巡检目标即可进行巡检。

巡检时：如图9所示，视角会跟随巡检的光标沿着取水隧洞前进，模拟人工巡检的过程。在巡检的过程中，巡检过程中，可以在隧洞对应监测点的上方显示UI指示牌来表示巡检的参数是否符合要求，如果监测的参数超出了预期的范围即表示，可能存在风险，UI显示牌将显示红色，并在整个界面的下方有红色的报警框闪烁。如果在符合要求的范围内，则显示灰色，如图10所示。

巡检结束后会自动弹出巡检结束窗口，并总结该次巡检过程中正常的个数以及黄色报警，红色报警的个数分别有多少。

在了解整体巡检状况后，通过点击左侧控制栏的点位筛选栏，会进入数据图标分析界面，通过上方的拖动快速定位条至相应的隧道大概位置地点。

在找到问题点的对应段之后，通过左侧控制栏中，选择数据采集点位，击点选择的点位后，会显示该次巡检过程中的该次数据采集点的参数变化情况(如11所示)。且能够拖动图像上方的历史定位条查看对应的历史时间该点位的所有历史数据，从而能够更加清晰明了的知晓发生该报警的原因。

通过历史定位条可从所有数据中查询历史，切换数据组可以切换A组B组数据，点击具体点位可以显示点位值。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。