一种基于光纤微动的地下空区综合定位勘察方法与流程

本发明属于地下空区定位勘察，尤其涉及一种基于光纤微动的地下空区综合定位勘察方法。

背景技术：

1、为保障高速铁路工程安全建设和运维，亟需开展地下空洞综合定位与快速治理新材料研究，地质钻探和地球物理探测是传统的探查技术，鉴于地质钻探本身线性探查的缺陷问题，难以避免“一孔之见”的弊端，误判率高。采用物探手段，设备轻便、效率高，但所有结果为物理推演的模糊分析，尤其任何一种探查手段的适用性是有限制的，单一方法不能实现定位探测，存在较大多解性。为了提升岩溶区及采空区工程施工的速度和质量，需要对地下空区地质构造进行定位、定量探查，研发综合勘察技术，并以勘察结果为指导，有针对性地设计地下空区灾害源的处治方案。

2、施工前期灾害源综合勘察技术可有效探明不良地质构造发育规模及类型，避免因地质不清导致的施工难题与工期延误。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于光纤微动的地下空区综合定位勘察方法。

2、为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

3、一种基于光纤微动的地下空区综合定位勘察方法，包括以下步骤：

4、步骤1：研发光纤激光振动传感器：(1)传感器设计：采用基于铰链连接的dfb-fl光纤激光检波器模型，采用质量块作为惯性敏感元件，通过金属铰链与传感器外壳连接，质量块带有一个延长梁结构，光纤一端固定在延长梁上，另一端固定在检波器外壳上，当外壳随外界微震动信号震动时，质量块在惯性力的作用下绕铰链相对外壳转动，从而通过延长梁拉动与之连接的dfb-fl，使其轴向应变发生变化，导致dfb-fl中心波长变化，当沿传感器敏感方向的微震动信号的加速度为a时，系统在惯性力作用下，达到力矩平衡，mad-kδlh-kθ＝0(2.2)，式中，m为质量块的质量，d为质量块重心到铰链旋转重心的距离，k为光纤的弹性系数，δl为光纤的伸长量，k为铰链的转动刚度，θ为质量块转动的角度，h为光纤的高度，根据几何关系，有δl＝hθ(2.3)，根据杨式模量的定义，有铰链的转动刚度可以由下式给出式中w为铰链宽度，s＝r/t，r为切割半径，t为最小厚度，dfb-fl振动传感器的加速度灵敏度定义为中心波长改变量δλ与加速度a之比，即光纤的应变为由上述推导，得到传感器加速度灵敏度的表达式为传感器系统的运动方程可通过拉格朗日方程导出，设质量块绕铰链转动的转动惯量为j，取θ为广义坐标，光纤应变势能为铰链势能为质量块动能为拉格朗日量l＝tm-vf-vm(2.12)，代入保守力系拉格朗日方程得到系统动力学方程由动力学方程可得系统的谐振频率为为了便于求取质量块绕铰链转动的转动惯量，忽略延长梁的质量，将质量块简化为立方体结构，则由转动惯量的定义可以得质量块绕铰链转动的转动惯量为采用有限元模拟软件comsol对检波器的响应特性进行模拟，通过对模型在加速度载荷下进行频率响应分析，得到光纤的轴向应变，然后通过式(2.1)可以得到传感器的灵敏度；

5、(2)封装测试：传感器的测试采用比较法，即当校准传感器灵敏度时，在给定频率的情况下有两个独立量需要测量，一个是被校传感器承受的振动加速度，另一个是它受到振动时的光纤激光传解调仪输出的波长变化量，测量振动加速度采用用标准加速度计法，被校传感器所承受的振动加速度可以用振动台上的标准加速度计给出，被校检波器的加速度灵敏度：或式中：δλ为被校传感器的输出波长变化量，pm；u0为标准加速度计的输出电压，v；m0为标准加速度计的电压灵敏度，v·s2/m，在本标准中，取值为10v/g；mar为基准灵敏度，pm·s2/m，在本标准中，取值为1pm/g；把被校传感器和标准加速度计同时刚性地固定在振动台的台面上，使它们受到相同加速度的作用，利用光纤激光解调系统，在配套的电脑上运行解调程序，并通过硬件对标准加速度计的输出电信号进行采集，同时读取标准加速度计的输出电压和被校检波器的输出波长变化量，最后代入式(2.18)或(2.19)计算测量结果，振动台是产生稳定正弦振动的振动源，校准时，标准加速度计与被校传感器同时刚性的安装在它的台面上，要求振动台的频率范围为1～2000hz，加速度值的范围为1～200m/s2；振动台台面要有足够的刚度和厚度；振动台台面平整光洁；振动台应该保持垂直方向振动，横向振动分量小于3％；标准加速度计的要求：横向灵敏度与纵向灵敏度之比不得大于3％；加速度计在要求的频率范围内动态范围的非线性失真小于1％，本底噪声测试将光纤检波器放在隔声隔振平台上，测得无振动信号下对应的本底噪声功率谱密度，采用灵敏度为30db进行换算，传感器的本底噪声优于50ng/√hz，具有较高的微弱信号探测能力；

6、步骤2：光纤微动信号采集处理系统：(1)高分辨率的光纤检波器动态信号解调仪器：基于fpga硬件平台，设计多通道光纤激光解调仪器，集信号采集、处理为一体，解调系统光路采用980nm泵浦光对光纤激光器进行泵浦，光纤激光器发出的信号光返回解调仪后经波分复用器分离，进入光纤干涉仪形成干涉，干涉信号输出后通过密集波分复用器解复用，每个波长通道对应的输出由光电探测器探测，并经过数据采集卡采集，转换成数字信号，通过fpga模块进行处理解调；

7、(2)高精度光纤微动信号解调算法：开发针对有源光纤激光型光纤传感系统的高精度光纤信号解调算法，并集成于系统之中，解调系统中用于采集光电转换后模块电压信号的i/o模块为ni-9215，包括4条同步采样的模拟输入通道和逐次比较型16位模数转换器，ni crio-9215包含nist校准，还具有通道-地面接地双重隔离屏障，实现了安全性、抗干扰性和高共模电压范围，其每通道可达到100ks/s/通道，解调系统采用5khz载波，基于上述理论分析，可得系统带宽上限为2.5khz，为减少后续模块的运算压力，对100ks/s采样率的信号进行下10采样，得到采样率为10ks/s的信号数据，然后完成后续算法步骤，包括微分、交叉相乘、积分和高通滤波，最后将解调的结果通过pci总线传输到实时控制器中的存储器中，最终输出的解调信号为10ks/s(0.1ms)采样，并可通过进一步降采样配置为5ks/s(0.2ms)、2ks/s(0.5ms)采样率，采用16位采集卡进行信号采集，算法中的初始数据为16位，进行混频后由于存在乘法及平方运算，数据扩展为32位，并采用32位数据完成后续算法，采用32位数据存储，并可以降为24位；光纤激光解调仪为光纤采集处理系统的主要仪器，采用了一体化便携机箱，包含主机和显示器，内部集成光纤激光采集模块，在数据接口接口上，采用标准的以太网与内部集成的主板数据传输；采集卡同步采样，每通道可达到100ks/s通道，对100ks/s采样率的信号进行下10采样，得到采样率为10ks/s的信号数据，然后完成后续算法，最终输出的解调信号为10ks/s(0.1ms)采样；在供电方案上，采用12v直流供电，可通过适配器将220v交流转换为直流供电，也可野外12v电瓶直接供电；主机配置上，采用i5cpu，13.3.3寸屏，工业键盘，500g硬盘，可以进行上层软件的二次开发，显示软件具有波形显示、频谱显示、滤波、数据存储及回放功能；

8、步骤3：光纤微动探测方案设计：微动探测传感器有多种观测台阵形式，有多重三角形、十字型、圆形、l形及直线型，一般情况下，应根据工作场地实际地形情况进行观测台阵设计，以兼顾质量及效率；

9、步骤4：光纤微动数据处理流程：采用空间自相关法对采集数据进行处理，具体处理流程为：从微动信号记录中得到整个微动数据的频散点，将其进行光滑处理后，即可得到频散曲线，根据曲线变化规律以及约束条件，给出定性解释，确定初始地质模型，通过正演计算获取理论频散曲线，然后计算拟合系数，根据拟合程度来获取反演结果，若拟合程度不高，则优化地质模型；

10、步骤5：确定测区地形地貌与地层岩性及构造；

11、步骤6：确定地球物理特征；

12、步骤7：布置仪器：采用重庆奔腾数控技术研究所wgmd-9超级高密度电阻率法系统；

13、步骤8：布置采集系统：本次高密度电阻率法采用(α排列)温纳四极(amnb)装置、斯伦贝谢尔(sb1)装置或偶极装置(dp)在已知区域进行试验对比，根据试验结果选出最佳测量装置；a、m、n、b等间距排列，其中a、b是供电电极，m、n是测量电极，am＝mn＝nb为一个电极距，电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增加，四个电极之间的间距也均匀拉开，该测量方式为剖面测量方式，所得断面为倒梯形；装置参数：电极距m，供\断电时长200\100ms；

14、步骤9：采集外业数据；(1)严格执行《电阻率测深法技术规程》(dz/t0072-93)、《电阻率剖面法技术规程》(dz/t0073-93)和《铁路工程不良地质勘查规程》(tb10027-2012)等规范规程；(2)施工前完成数据采集仪器的各项自检工作，保证仪器正常运行；(3)电极插直埋紧，做到位置准确，确保电极与大地耦合良好；(4)导线的连接头确保牢固和外皮绝缘良好，避免漏电；(5)遇测量电极无法布设需要移动时应做好记录，且将两个测量电垂直于装置轴线作同方向、同距离平移时移动距离不超过点距的一半；

15、步骤10：资料处理：高密度电阻率法资料处理先将仪器内的测量数据通过传输软件传输到计算机中，运用res2dinv高密度电阻率法反演软件进行坏点删除、地形校正、格式转换及反演计算等步骤，可直接绘制成电阻率等值线图，在等值线图上根据电阻率值的变化特征，结合钻探、地质调查资料作出地质解释，最后利用绘图软件autocad绘制出物探成果解释图；

16、步骤11：资料解释：本次工程物探勘探以高密度电阻率法为主，辅以浅层地震多道瞬态面波法，两种方法对比综合解释。

17、优选的，步骤1中封装测试中采用的振动台为北京远东测振系统工程公司生产的激振器，型号为jz-5。

18、优选的，步骤1中封装测试中采用的标准加速度计为lance公司生产的编号为lc0109的标准压电加速度传感器。

19、本发明的有益效果

20、相比于现有技术，本发明的优点在于：

21、本发明基于拟研究区域特定地质环境分析，广泛收集了工程地质资料与地质钻探信息，开展了地球物理场源特征分布规律研究，提出了基于光纤微动的地质灾害综合勘察技术。通过现场试验获取最优化的微动台阵布设方式和观测参数设计，实现了频散曲线提取与s波速度结构快速反演；通过高信噪比的勘察数据综合分析，精准识别并定位地质灾害源，为靶向钻孔实施提供数据支撑；通过已获取的研究区域先验信息，开展了多种勘察数据的高精度处理与联合解译，实现了空区的精准定位，为后期开展靶向钻孔精细探查提供数据支撑。