基于OFDR技术的基坑自动化变形监测系统设计

易才琦

（广东省地质建设工程勘察院，广东 广州 510080）

0 引言

基坑在外界因素长时间作用下会发生自动化变形，进而影响基坑的稳定性。为确保基坑安全，必须监测基坑变形，因此，基坑自动化变形监测系统应势而生。传统的基坑自动化变形监测系统主要通过主动自报的方式监测基坑自动化变形，在实际应用中存在监测精度低的问题。OFDR 技术又被称为光频域反射技术，具有高精度、高分辨率等优势，在众多光纤传感技术中脱颖而出，已广泛应用于损耗和断点等检测、偏振串扰、光谱测量以及温度与应变传感等领域[1]。OFDR 技术类属于瑞利散射，能够通过光在不同介质中的散射，感知散射光中所包含的信息。因此，将OFDR技术应用于基坑自动化变形监测系统设计中，通过OFDR 技术提高基坑自动化变形监测精度，为更好地开展基坑自动化变形监测工作提供支持。

1 基坑自动化变形监测系统硬件设计

1.1 分布式光纤测斜管

本文在传感器设计中，引进OFDR 技术设计型号为AQA569788 分布式光纤测斜管，采用PE 光纤[2]。分布式光纤测斜管能够感知应变以及温度的波动情况，通过“U”形设计结构，能够在基坑自动化变形监测过程中补偿光纤，降低外界环境因素对基坑自动化变形监测精度的影响。本文设计的AQA569788 分布式光纤测斜管，具体参数指标如表1 所示。

结合表1，将AQA569788 分布式光纤测斜管设置在基坑周边区域，距离不超过10 m。AQA569788 分布式光纤测斜管能够通过光在基坑中的散射，监测基坑自动化变形，满足基坑自动化变形监测的要求。

表1 AQA569788分布式光纤测斜管参数指标

1.2 监测主机

在分布式光纤测斜管基础上，设计监测主机，型号为OMN-A6 X8597545，带独立监视程序，大容量存储器，能够显示分布式光纤测斜管测得的基坑自动化变形数据，无需依赖网络即可得到基坑温度、湿度、图像采集等设备的运行参数，并集中监控管理。在基坑自动化变形情况下，完成关键数据监测、现场图像采集、远程控制等操作。以此，完成系统硬件部分设计。

2 基坑自动化变形监测系统软件设计

2.1 接收基坑自动化变形光纤监测数据

针对系统软件部分，设计数据接收模块，接收上文硬件设备采集到的基坑自动化变形光纤监测数据，并传输到监测终端站点。获取基坑自动化变形光纤监测中的各项数据，包括光纤的轴向应变、布里渊散射光频移以及温度等。整合基坑自动化变形光纤监测信息，获取转换后的信号格式，并将信号发送到顶层应用端进行信号解码。此外，基于TCP/IP 网络传输协议，解封传递的数据集合，确保多数据集合在传输路径的平均分配，并在终端接收发射信号。

2.2 基于OFDR 技术光纤处理监测数据

在接收基坑自动化变形光纤监测数据的基础上，基于OFDR 技术离散化处理监测数据，感知散射光中所包含的基坑自动化变形信息[3-4]。设此过程可通过计算方程式的方式加以表示，设此目标函数的表达式为v，可得公式（1）。

公式（1）中，y 表示基坑自动化变形光纤监测数据的大小；n 表示待定常数，通过分布式光纤测斜管边界条件决定；i 表示监测点位个数，为实数；δ 表示基于OFDR 技术光纤应变值；C 表示基坑自动化变形监测数据可信任度；D 表示基坑自动化变形监测数据空间映射值。通过公式（1），感知散射光中所包含的基坑自动化变形信息，完成监测数据光纤处理。在此基础上，设置基坑自动化变形监测数据的服务器传输地址，将光纤处理后的监测数据发送至该地址，用于后续使用或存储。

2.3 显示基坑自动化变形监测结果

在完成基坑自动化变形光纤监测数据处理后，显示基坑自动化变形监测结果，显示数据包括基坑自动化变形程度、轴向应变以及水平位移等[5]。通常情况下，数据在终端的显示映射取值为0 ～1.0，通过计算每个数据的映射值，获得基坑自动化变形监测结果。设基坑自动化变形监测结果的表达式为Q，可得公式（2）。

公式（2）中：A 表示基坑自动化变形监测信号权值；φ 表示显示基坑自动化变形识别精度；E 表示基坑自动化变形程度权值。通过公式（2），结合监测数据实时传递情况，传输终端数据并显示数据信息，实现基于OFDR 技术的基坑自动化变形监测，完成系统设计。

3 实例分析

3.1 实验准备

为构建实例分析，实验对象选取某基坑，该基坑的复勘项目表如表2 所示。

表2 复勘项目表

根据表2 所示，分别使用传统监测系统以及本文设计的监测系统进行实验，设置传统监测系统为实验对照组。当基坑自动化变形达到一定程度时，执行报警操作。实验主要内容为测试两种监测系统的监测误报警率，监测误报警率越低证明监测精度越高。

3.2 实验结果分析与结论

整理实验结果，如图1 所示。

图1 监测误报警率对比

通过图1 可得出结论：本文设计的系统监测误报警率明显低于对照组，具有实际应用价值。

4 结束语

基于OFDR 技术的基坑自动化变形监测系统设计研究，取得一定的研究成果，可解决传统基坑自动化变形监测中存在的问题。本文设计的监测系统具有现实意义，能够指导基坑自动化变形监测优化。在后期发展中，应加大OFDR 技术在基坑自动化变形监测中的应用力度。目前，国内外针对基于OFDR 技术的基坑自动化变形监测系统研究仍存在一些问题，未来还需要进一步深入研究基坑的优化设计，为延缓基坑自动化变形时间提供参考。