本发明涉及光纤通信，尤其涉及一种隧道变形光纤监测的方法及其系统、储存介质和计算设备。
背景技术：
1、在隧道施工及运营过程中，需要对隧道的围岩与衬砌进行变形监测，隧道围岩等级分为六级，其中ⅰ级围岩稳定性与坚固性最佳，vi级围岩最差，而隧道施工往往遇到的围岩等级都参差不齐，无论施工还是运营都会遇到渗水的状况。
2、《分布式布里渊光纤传感系统中的数字信号处理技术研究进展》中记载:“布里渊光纤传感系统由于其分布式监测的工作原理，会产生大量的数据。然而，相比于硬件技术的突破，海量数据处理技术的发展尤为不足。如何智能化、快速化、精确化处理海量数据从而更进一步提升系统性能、获取更为准确的传感信息是当今发展面临的最大难题。因此，研发先进的数字信号处理(dsp)技术用于处理海量数据刻不容缓。”由此可知研究一种基于围岩压力与渗水量变化的隧道变形光纤监测方法刻不容缓。
3、分布式光纤感测技术是通过分布式光纤传输光信号，再通过内置算法的数据处理平台进行处理，随着分布式光纤感测技术的发展，光纤感测运用在隧道、水利、市政、矿场等领域，由于监测的变形光纤的应变量不同导致所需的数据处理平台内算法不同，而现有技术中数据处理平台内嵌的模型普遍基于布里渊散射的算法，其过于单一而无法满足现有硬件技术的需要，光信号转变为数字信号的算法拟合度低于90％，监测精度仅为百米级，无法精确分析出隧道的围岩与衬砌变形的原因是由于围岩压力导致还是渗水导致。
技术实现思路
1、为了克服以上现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种隧道变形光纤的监测方法，解决了光信号转变为数字信号的算法拟合度不足的问题，能够精确分析出隧道的围岩与衬砌变形的原因。
2、本发明的再一目的在于提供一种隧道变形光纤的监测系统；
3、本发明的又一目的在于提供一种隧道变形光纤的监测储存介质和计算设备。
4、本发明的目的通过以下的技术方案实现：
5、一种隧道变形光纤的监测方法，包括以下步骤：
6、s1、联立光纤光栅的周期计算公式、拉曼散射计算公式和入射角计算公式，构建光纤光栅散射效应模型；获取拉曼频移的数据，将拉曼频移的数据作为光纤光栅散射效应模型的输入，输出得到光纤光栅的周期；
7、根据光纤光栅的周期变化，判断光纤固定端中间发生形变是否由渗水导致，具体包括：
8、若光纤光栅的周期发生变化，则判定光纤固定端中间发生形变是由于渗水导致；
9、若光纤光栅的周期未发生变化，则判定光纤固定端中间发生形变是由于围岩压力导致，根据以下步骤计算压力和形变程度；
10、s2、获取水平均布压力数据、竖直均布压力数据、温度系数以及布里渊算法模型；
11、s3、基于布里渊算法模型，结合水平均布压力数据、竖直均布压力数据和温度系数，建立基于围岩等级的布里渊散射算法模型；基于围岩等级的布里渊散射算法模型的计算公式如下：
12、
13、其中，δf是布里渊频移，n是介质的折射率，λ是入射光的波长，θ是散射角度，q为垂直均布压力，z为温度系数，e为水平均布压力；
14、s4、根据基于围岩等级的布里渊散射算法模型，输入水平均布压力数据、竖直均布压力数据和温度系数，输出得到布里渊频移的数据；
15、s5、联立压力计算公式和压力形变计算公式，构建压力形变模型，将布里渊频移的数据作为输入，得到该段隧道所受到的压力和形变程度。
16、优选的，步骤s1的具体步骤如下：
17、s11、获取拉曼频移，根据拉曼散射计算公式得到物质的温度，所述拉曼散射计算公式如下所示：
18、t＝δv/β，式(2)；
19、其中，t为物质的温度，δν为拉曼频移，β为拉曼散射系数；
20、s12、获取入射光的波长数据、介质的折射率数据、散射体的直径数据和散射体的压缩因子数据，根据入射角计算公式，输入入射光的波长数据、介质的折射率数据、散射体的直径数据、散射体的压缩因子数据、玻尔兹曼常数以及物质的温度，输出得到入射光线与光栅法线的夹角，入射角计算公式如下：
21、
22、其中，,为散射角度，.为入射光的波长，n为介质的折射率，d为散射体的直径，k为玻尔兹曼常数，t为温度，c为散射体的压缩因子；
23、s13、获取散射的级数，根据光纤光栅的周期计算公式，输入散射的级数、入射光线与光栅法线的夹角和入射光的波长，输出得到光纤光栅的周期，光纤光栅的周期计算公式如下：
24、/＝0./234,，式(4)；
25、其中，λ为光纤光栅的周期；,为入射光线与光栅法线的夹角；0为散射级数；.为入射光的波长；
26、s14、联立公式(2)、(3)和公式(4)得到光纤光栅散射效应模型。
27、优选的，所述获取竖直均布压力数据，具体步骤如下：
28、s21、当隧道为宽隧道时，获取围岩容重数据、宽度影响系数和围岩等级数据，根据宽隧道竖直均布压力的计算公式，输入围岩容重数据、宽度影响系数和围岩等级数据，输出得到竖直均布压力，所述宽隧道竖直均布压力的计算公式如下所示：
29、q＝0.45×2；<1＝>，式(5)；
30、其中，q为竖直均布压力；s为围岩级别，γ为围岩容重；w为宽度影响系数。
31、优选的，所述获取竖直均布压力数据，具体步骤如下：
32、s22、当隧道为深隧道时，获取围岩容重数据、深埋隧道计算围岩压力高度和围岩等级数据，根据宽隧道竖直均布压力的计算公式，输入围岩容重数据、深埋隧道计算围岩压力高度和围岩等级数据，输出得到竖直均布压力，所述宽隧道竖直均布压力的计算公式如下所示：
33、q＝＝h@＝0.41×1.79；＝，式(6)；
34、其中，q为垂直均布压力，＝为围岩重度，s为围岩级别，ha为深埋隧道计算围岩压力高度。
35、优选的，获取竖直均布压力数据，具体步骤如下：
36、s23、当光纤铺设在非顶部隧道时，基于围岩等级的布里渊散射算法模型的计算公式如下：
37、
38、其中，δf是布里渊频移，n是介质的折射率，λ是入射光的波长，θ是散射角度，z为温度系数，e为水平均布压力。
39、优选的，获取温度系数，具体步骤如下：
40、根据获取的物质的温度作为温度系数计算公式的输入，输出得到温度系数，温度系数计算公式如下所示：
41、z＝1-0.025t，式(8)；
42、其中z为温度系数，t为物质的温度。
43、优选的，步骤s51的具体步骤如下：
44、s51、获取介质的折射率、声速和光速，根据压力计算公式，将布里渊频移作为输入，输出得到介质的压力，压力计算公式如下所示：
45、
46、其中，δf表示布里渊频移，n表示介质的折射率，v表示声速，c表示光速，p表示介质的压力；
47、s52、根据压力形变计算公式，将介质的压力作为输入，输出得到光纤的应变量，压力形变计算公式如下所示：
48、
49、其中，p代表介质的压力，e代表杨氏模量，ε代表光纤的应变量；
50、s53、联立公式(9)和公式(10)，得到压力形变模型。
51、优选的，一种隧道变形光纤的监测系统，包括：
52、判断渗水模块，用于联立光纤光栅的周期计算公式、拉曼散射计算公式和入射角计算公式，构建光纤光栅散射效应模型；获取拉曼频移数据，将拉曼频移数据作为光纤光栅散射效应模型的输入，输出得到光纤光栅的周期，根据光纤光栅的周期变化，判断光纤固定端中间发生形变是否由渗水导致；
53、获取模块，获取水平均布压力数据、竖直均布压力数据、温度系数以及布里渊算法模型；
54、基于围岩等级的布里渊散射算法模型建立模块，基于布里渊算法模型，结合水平均布压力数据、竖直均布压力数据和温度系数，建立基于围岩等级的布里渊散射算法模型；基于围岩等级的布里渊散射算法模型的计算公式如下：
55、
56、其中，δf是布里渊频移，n是介质的折射率，λ是入射光的波长，θ是散射角度，q为垂直均布压力，z为温度系数，e为水平均布压力；
57、布里渊频移的数据获得模块，根据基于围岩等级的布里渊散射算法模型，输入水平均布压力数据、竖直均布压力数据和温度系数，输出得到布里渊频移的数据；
58、压力形变模型建立模块，联立压力计算公式和压力形变计算公式，构建压力形变模型，将布里渊频移的数据作为输入，得到该段隧道所受到的压力和形变程度。
59、优选的，一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1-7任意一项所述的一种隧道变形光纤监测方法。
60、优选的，一种计算设备，包括处理器及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1-7任意一项所述的一种隧道变形光纤监测方法。
61、本发明相对现有技术具有以下优点及有益效果：
62、(1)、本发明所公开的一种隧道变形光纤的监测方法，集结了布里渊散射、拉曼散射、光纤光栅散射原理三大算法而形成的耦合模型算法；通过改变分布式光纤感测技术的监测数据处理方法，利用布里渊散射、拉曼散射、光纤光栅散射三种算法处理提高监测数据的精确性；
63、(2)、本发明的监测方法与现有的单一算法形成的模型的数据拟合度对比发现，本耦合模型算法的数据拟合度达到99.6％，远高于单一算法的拟合度。通过本发明的监测方法可提升光信号转换为数字信号拟合度，提高监测准确性；
64、(3)、本发明的监测方法可形成矩阵模型，矩阵模型可显示出监测地域的详细信息，一旦其中某处地域发生形变，压力形变模型中的相关数据会将形变展示出来，形变ε所表示的数值也不同，实现分辨形变程度精准监测。
1.一种隧道变形光纤的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的隧道变形光纤的监测方法，其特征在于，步骤s1的具体步骤如下：
3.根据权利要求1所述的隧道变形光纤的监测方法，其特征在于，所述获取竖直均布压力数据，具体步骤如下：
4.根据权利要求1所述的隧道变形光纤的监测方法，其特征在于，所述获取竖直均布压力数据，具体步骤如下：
5.根据权利要求1所述的隧道变形光纤的监测方法，其特征在于，获取竖直均布压力数据，具体步骤如下：
6.根据权利要求2所述的隧道变形光纤的监测方法，其特征在于，获取温度系数，具体步骤如下：
7.根据权利要求1所述的隧道变形光纤的监测方法，其特征在于，步骤s51的具体步骤如下：
8.一种隧道变形光纤的监测系统，其特征在于，包括：
9.一种存储介质，其特征在于，存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现权利要求1-7任意一项所述的一种隧道变形光纤监测方法。
10.一种计算设备，其特征在于，包括处理器及用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现权利要求1-7任意一项所述的一种隧道变形光纤监测方法。
