隧道超前探测的三分量光纤地震加速度检波机理与应用研究

光纤传感检测技术具有比传统传感器优越的特点，在隧道工程施工监测以及长期监测中得到应用。在深入分析单分量光纤光栅加速度传感器机理基础上，研究采用三分量光纤光栅加速度检波器探测隧道前方不良地质地震反射波的机理和分析方法。提出新型三分量顺变柱体光纤布拉格光栅检波工作原理和实现技术，拟通过三维简谐振动理论和光纤光栅应变敏感理论，建立隧道内三分量加速度检波器振动动力学模型，进行光纤光栅加速度检波器三轴一体化分析研究，研制出高性能的三分量光纤光栅检波器。研究隧道地质超前探测的多波三分量三维立体数据采集技术和实现方法，研究实现隧道超前探测的网络化光纤检波测试系统，进行物探测试数据分析、成像处理方法研究，编制解释和成像软件。通过室内模型模拟实验和现场测试对比研究，拟初步实现反演和识别隧道前方不良地质结构体。该研究成果对矿山、隧道等地下工程，科学超前灾害预测预报，具有重要的理论意义、使用价值。

项目预期完成全部内容，其中三分量加速度传感器的设计、制作超过预期效果。成果简述如下：分析研究了隧道工程施工中超前探测的地震波方法和应用技术现状，进行了单个光纤布拉格光栅（FBG）加速度振动传感研究后，由此开展研究了双光纤光栅的推挽式单自由度的加速度检波器，通过理论模拟、加工制作、工艺敷设后，进行实验分析与对比研究，总结得出双FBG的推挽式传感器的光纤光栅敷设传感耦合、光纤光栅静态与动态应变等规律，并将顺变柱体质量块改为直接由光纤穿过，增强了加速度传感器的灵敏度与带宽。在单分量加速度检波传感深入研究的基础上，进行二分量的双FBG推挽式加速度检波传感的研究、设计、加工制作，从有限元模拟分析到实验结果比对验证都得到了较理想效果。.针对矢量空间地震波的探测问题，全面研究三分量FBG推挽式的三轴一体化加速度检波器的地震波振动动态数学模型，建立矩阵方程，进行有限元模拟分析和得出不同的振动模态，进一步优化传感器结构，重点围绕三轴一体化结构设计，形成了自张紧的三轴一体化的双FBG推挽式的加速度检波器，该结构采用刻有6个FBG的三根光纤穿过一个质量M棱柱体，优化模拟棱柱体M大小以及检波器机械部件后，制作出2台检波器样机实物，进行室内标准实验台的各种标定和周期振动、简谐非周期振动模拟实验、影响补偿实验，得出检波器的频率范围从0到470Hz可调整，动态性能超过80dB，分辨率和线性度等较好的性能指标。.搭建了三分量的三维立体数据采集实验台系统，编制了地震波模拟采集、监测、处理分析软件，并与当前的机电动圈式检波器进行了比对研究，得出该课题的三分量一体化检波器更灵敏、信号成分更丰富、结构简单、解调容易以及作为光传感的一系列优点。在室内实验的基础上，进一步完成了该三分量检波器的地下防空洞的模拟实验和地下软土地基的坑冲击实验，来模拟隧道施工的超前探测；最后结合隧道施工现场进行了该三轴一体化的双FBG检波器与传统的检波器一起的比对地震波超前探测实验，得到了满意的效果，从现场数据获得分析得出，该检波器达到了目前国际上的TSP202的三分量检波器的效果，未来现场实验与应用，必将能充分发挥该课题的学术科研意义与隧道工程实用价值。.该课题的研究发表相关论文14篇，其中SCI收录国外期刊6篇，EI收录14篇，获得相关的国家专利4项，软件著作权1项，经过项目鉴定会也得到该项目成果为国际领先的评价。