一种高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法

本发明属于隧道裂缝测梁领域，具体是一种高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法。

背景技术：

1、由于昼夜温差大，季节更替，结构设计等因素，高速公路的隧道在投入使用后可能会产生裂缝，如果在产生微小裂缝时不能及时修复，则可能会造成隧道坍塌等严重后果，对人民群众的生命财产安全产生严重危害。

2、传统检测隧道微小裂缝的方法有人工现场踏勘检测和基于图像处理技术的衬砌表观检测。然而，人工现场踏勘检测不能实时地感知隧道中的裂缝信息；衬砌表观检测的传感数据来自于图像而非裂缝本身，容易造成漏判误判，且在精度、空间分辨率以及灵敏度上有着局限性。因此需要一种方法可以实时地、精确地感知隧道内部的裂缝信息。

3、光频域反射(ofdr)系统可实现分布式应变测量，具有高空间分辨率、高精度等优点，可广泛应用于建筑物精密结构健康监测。ofdr的基本原理是通过向待测光纤（fut）中注入线性扫频激光，通过对初始状态和应变状态下后向瑞利散射谱（rbs）的互相关分析，进而解调出待测对象发生应变的位置和大小。

4、在ofdr解调流程中，为实现高空间分辨率精密测量，需对全段fut的每一个rbs进行分析，数据量庞大。特别是，对于大长隧道微小裂缝检测场景下，整条fut仅有若干微小位置会发生形变。上述传统方法需对全部rbs进行互相关分析才能确定形变位置和裂缝大小，需要极高的运算资源和较长的运算时间，大大降低了系统的响应速度。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提供一种高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法。

2、本发明采取以下技术方案：一种高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，包括：

3、s1：采集一组敷设在隧道内光纤的时域拍频信号，作为参考信号 i res( t)；

4、s2：将参考信号 i res( t)从时域转换为距离域，得到距离域的参考信号 f( f) res；

5、s3：利用滑动窗截取对距离域的参考信号 f( f) res，并将参考信号 f( f) res转换为一组波长域的参考信号 ift res(s,m) ，其中 s为波长域参考信号的长度， m为每个波长域参考信号的编号；

6、s4：在待测光纤上产生应变后，再次采集一组时域拍频信号作为测量信号 i mes( t)进行与s2、s3相同的操作，得到一组波长域的测量信号 ift mes( s,m)；

7、s5：计算得出发生应变后每个滑动窗对应的波长域差分信号(wdds)；

8、s6：根据s5得到的每个窗的波长域差分信号，计算得出每个滑动窗对应的波长特征函数(wcf)值，得到整条光纤应变后的wcf谱；

9、s7：根据s6得到的wcf谱，得出可以区分出应变区与非应变区的波长特征函数阈值；

10、s8：将大于波长特征函数阈值的窗筛选出来，对筛选出来的窗进行特征区域互相关，从而解调出wcf值大于阈值的对应光纤段的应变；

11、s9：根据解调出的整条光纤的应变结果判断隧道内壁是否产生裂缝，如果产生裂缝，将位置上报；如果没有产生裂缝，将此次的测试信号作为下次测量的参考信号，重复执行步骤s4到s9。

12、在一些实施例中，步骤s1中，隧道内壁没有裂缝。

13、在一些实施例中，步骤s2包括：

14、将步骤s1采集到的时域参考信号利用如下公式进行傅里叶变换，得到距离域参考信号；

15、。

16、在一些实施例中，步骤s3包括：

17、对步骤s2得到的距离域参考信号序列加窗提取，得到m个距离域参考信号片段；对得到的m个距离域参考信号片段利用下列公式分别进行反傅里叶变换，得到m组波长域参考信号；

18、。

19、在一些实施例中，步骤s5中，

20、，其中为波长域差分信号。

21、在一些实施例中，步骤s6中，

22、

23、其中，为波长特征函数值。

24、在一些实施例中，步骤s7中，

25、

26、其中，为波长特征函数阈值。

27、在一些实施例中，步骤s8中，对于波长域特征函数值大于阈值的第a个窗，对其对应的波长域的参考信号 ift res(s,a)与波长域测量信号 ift mes(s,a)进行互相关，得到这个窗对应的互相关序列cor(x,a):对得到的互相关序列cor(x,a)进行寻峰，找出其最大值偏离互相关序列中心的距离，这个距离与这个窗对应位置光纤所受应变大小成正比。

28、在一些实施例中，步骤s9中，通过分析步骤s8解调后得到的应变值，对于应变值大于阈值的片段，则判断此处产生了裂缝。

29、与现有技术相比，本发明避免了传统互相关方法对整段光纤的互相关分析，在保证解调精度的同时有效降低计算量和计算时间。将待测光纤沿径向敷设于隧道内壁，基于波长特征函数(wavelength characteristic function，wcf)分析融合特征区域互相关对光频域反射(ofdr)系统采集到的时域拍频信号进行分析，进而实现高速公路大长隧道微小裂缝快速测量。

30、本发明通过使用wcf分析法，无需对全部待测光纤进行应变解调即可实现应变异常定位。算法复杂度较传统方法有所降低，大大提升了对大长隧道微小裂缝的定位速度。

31、此外，由于只对有应变的区域进行互相关，较传统方法也提升了微小裂缝形变量解调速度，同时还保持了与传统解调方法一样的测量精度。

技术特征：

1.一种高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，其特征在于，所述步骤s1中，隧道内壁没有裂缝。

3.根据权利要求1所述的高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，其特征在于，所述步骤s2包括：

4.根据权利要求1所述的高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，其特征在于，所述步骤s3包括：

5.根据权利要求1所述的高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，其特征在于，所述步骤s5中，

6.根据权利要求1所述的高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，其特征在于，所述步骤s6中，

7.根据权利要求1所述的高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，其特征在于，所述步骤s7中，

8.根据权利要求1所述的高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，其特征在于，所述步骤s8中，对于波长域特征函数值大于阈值的第a个窗，对其对应的波长域的参考信号iftres(s,a)与波长域测量信号iftmes(s,a)进行互相关，得到这个窗对应的互相关序列cor(x,a):对得到的互相关序列cor(x,a)进行寻峰，找出其最大值偏离互相关序列中心的距离，这个距离与这个窗对应位置光纤所受应变大小成正比。

9.根据权利要求1所述的高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法，其特征在于，所述步骤s9中，通过分析步骤s8解调后得到的应变值，对于应变值大于阈值的片段，则判断此处产生了裂缝。

技术总结本发明属于隧道裂缝测梁领域，具体是一种高速公路大长隧道微小裂缝快速测量方法。包括S1采集一组敷设在隧道内光纤的时域拍频信号，作为参考信号；S2将参考信号从时域转换为距离域，得到距离域的参考信号；S3：利用滑动窗截取对距离域的参考信号，并将参考信号转换为一组波长域的参考信号；S4在待测光纤上产生应变后，再次采集一组时域拍频信号作为测量信号进行与S2、S3相同的操作；S5计算得出发生应变后每个滑动窗对应的波长域差分信号；S6得到整条光纤应变后的WCF谱；S7得出可以区分出应变区与非应变区的波长特征函数阈值；S8解调出WCF值大于阈值的对应光纤段的应变；S9根据解调出的整条光纤的应变结果判断隧道内壁是否产生裂缝。技术研发人员：白清,齐青云,周晓旭,周丽军,梁昌硕,王宇,刘昕,靳宝全,高妍,张红娟受保护的技术使用者：太原理工大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5