Optics Express：光纤地震检波器用于地铁隧道入侵监测
01 导读
02 研究背景
地铁是城市中最昂贵的基础设施和最重要的生命线项目之一。近年来，我国发生了数起由地铁隧道上方非法机械施工作业引起的地铁入侵事故，严重威胁了地铁的运营安全。当前，地铁隧道外界入侵监测主要靠人工巡查、视频监测、热成像等手段，难以满足长距离地铁隧道的实时在线监测需求。光纤传感技术由于具有抗电磁干扰、远距离传输和分布式测量等优点，在地铁隧道应用中具有明显的优势。
如今，基于光纤布拉格光栅（FBG）和相敏光时域反射仪（φ-OTDR）的光纤传感技术已广泛用于城市地下结构的入侵监测。对地铁隧道结构而言，因钻探导致的破坏事故时有发生。由于地表的钻机在钻探时产生的振动信号传播到隧道结构时已经变得非常微弱，安装在隧道结构内部的监测系统必须具备极低的自噪声水平才能探测到钻探事件。与φ-OTDR和FBG相比，干涉式光纤地震检波系统的噪声水平至少低两到三个数量级，这使其在记录微弱地质钻入侵事件方面具有明显的优势。此外，为了在不同地质条件下实现地质钻机信号的准确定位，还要求光纤传感阵列具有良好的一致性和长期稳定性。因此，突破低噪声、高一致性和高稳定性的光纤振动传感技术，有望为地铁隧道入侵监测提供先进的技术方案。
03 创新研究
3.1 提出载波调制深度和相位延时的时分锁定技术，提高多通道光纤干涉式相位传感系统的一致性和稳定性
基于相位生成载波（PGC）的相位提取方案广泛用于干涉式光纤传感器的信号解调，其系统的一致性和稳定性是实际应用中面临的关键问题。载波调制深度和载波相位延迟是影响PGC相位解调系统稳定性和一致性的两个关键因素。为了使干涉式传感系统具有低噪声水平和低谐波失真，需要将载波调制深度控制到一个特定的值，然而载波调制深度受到各个干涉式光纤传感器的臂长差异、调制光源的频移、环境温度波动和调制电压稳定性的影响。对于多通道干涉式光纤传感系统，每个传感器的调制深度不但不同而且时刻发生不同的变化，这将大大影响系统的一致性和长期稳定性；另一方面，由于数模转换延迟、激光调制压电响应延迟、光学传输时间和光电转换延迟，干涉条纹和调制载波之间存在一定的相位延迟，从而影响系统的噪声和谐波失真，进而也会影响系统的一致性和稳定性。因此，为了实现高一致性和长期稳定性的多通道干涉式光纤传感系统，需要同时精准地控制各通道的载波调制深度和载波相位延迟。
本工作提出了一种基于载波调制深度与相位延时时分锁定技术的多通道光纤干涉式相位解调算法（图1），按时间逐个测量每个通道的相位及其载波调制深度（C）和载波相位延迟（CPD），并实时实现C和CPD的反馈锁定，使其成为一个闭环系统。通过实时反馈DDS的幅度和初始相位，可以将每个通道光纤地震检波器的载波调制深度和载波相位延迟同时控制为2.63和0 rad。在此过程中，每个通道的载波调制深度和载波相位延迟可以通过实时反馈得到有效控制，不受外界环境的影响，有利于提高系统通道间的一致性和稳定性。
图1 载波调制深度与相位延时时分锁定算法原理图
实现的多通道光纤干涉式相位解调系统的噪声水平如图2所示。三个通道的噪声水平具有较高的一致性，在5 Hz处约为118 dB（1.26×10-6 rad /√ Hz）。所设计的光纤地震检波器灵敏度为40 dB（re：0 dB = 1 rad / g），因此系统噪声水平约为12.6 ng /√Hz @ 5 Hz。
图2 光纤干涉式相位解调系统本底噪声水平图
24小时内从1 Hz到500 Hz的多通道光纤干涉式相位解调系统中3个通道的平均噪声水平如图3所示，每两个通道之间的噪声水平差异小于2.6 dB，24小时内所有通道的噪声水平波动均小于1.4 dB。
图3 24小时内多通道光纤干涉式相位解调系统不同通道平均噪声水平的波动曲线
3.2 光纤地震检波系统成功应用于地铁入侵监测
研究团队在深圳市地铁1号线鲤鱼门至前海湾隧道段安装了32通道的光纤地震检波器阵列，用于记录隧道上方机械施工引起的振动信号。实验中，以地质钻（当前地铁隧道被打穿事故的主要机型）为识别对象。位于地铁机房的光纤地震检波系统信号解调设备集成了自动警报软件，实现地质钻入侵信号的自动识别与警报（图4）。
图4 基于多通道光纤地震检波器阵列的地铁入侵监测方案
实验结果表明，该系统能够清晰地记录地质钻施工信号。图5为地质钻打钻前后的时域波形和频谱图。我们可以根据光纤地震检波器阵列的振幅衰减趋势大致确定地质钻机的位置，定位精度由两个相邻传感器之间的距离决定。若在双向隧道中安装两组光纤地震检波器阵列，有助于进一步提高定位精度。地质钻产生的振动信号的主频约为41 Hz。在测试过程中，我们发现该主频率会随地质钻探条件和操作状态的不同而略有不同。
图5 (a) 地质钻信号的时域波形，(b)地质钻打钻前和(c)打钻后信号的频谱
04 应用与展望
本文提出了一种基于载波调制深度和载波相位延迟时分锁定算法的低噪声多通道光纤干涉式相位解调技术，有效提高了系统的一致性和稳定性，并成功将其应用于地铁入侵监测。实验表明，所提出的光纤地震检波系统能够清晰记录和识别地质钻入侵事件，在地铁隧道入侵监测预警中具有良好的应用前景。
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05 作者简介（通讯作者）