分布式光纖監(jiān)測技術的應用

李有根

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設計院，四川成都 611730)

1 分布式光纖監(jiān)測技術應用的特點

近年來，為改進傳統(tǒng)的結(jié)構安全監(jiān)測方法，將光纖傳感技術應用于結(jié)構工程領域，以監(jiān)測結(jié)構的外部荷載，測量內(nèi)部溫度、應力、應變及由外部荷載引起的損傷已成為人們研究的一個熱點課題。歐美等工業(yè)發(fā)達國家逐步將光纖傳感技術應用于結(jié)構安全監(jiān)控。國內(nèi)的專家學者也成功地將其應用于土木工程結(jié)構監(jiān)測并取得了一定的研究成果。

分布式光纖傳感器是目前國內(nèi)外研究的熱點，測試用光纖的跨距可達幾十千米，分辨率高，誤差小。要獲得一個具有一定跨度范圍的整個溫度信息(或分布的應力、應變)，使用傳統(tǒng)的單點移動式或由多個單點組成的準分布式傳感方式既耗時、耗資，又在布線上很困難，其性能價格比是很低的。而這時使用完全分布式溫度傳感器顯然是最有效的方法。這就要求介質(zhì)既要有高的靈敏度，又能有效地傳輸所感應的信號。光導纖維就具有這種雙重特性，而且其還具有抗電磁干擾、防燃、防爆、尺寸極小、對被測溫度場的影響小等其它介質(zhì)無法比擬的優(yōu)點。

20世紀70年代，光纖監(jiān)測技術伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術相比，光纖監(jiān)測技術具有一系列獨特的優(yōu)點:

(1)光纖傳感器的光信號作為載體，光纖為媒質(zhì)，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，該傳感器具有耐腐蝕，抗電磁干擾，防雷擊等特點，屬本質(zhì)安全。

(2)光纖本身輕細纖柔，光纖傳感器的體積小，重量輕，不僅便于布設安裝，而且對埋設部位的材料性能和力學參數(shù)影響甚小，能實現(xiàn)無損埋設。

(3)靈敏度高，可靠性好，使用壽命長。

分布式光纖監(jiān)測技術除了具有以上特點外，還具有以下兩個顯著的優(yōu)點:

(1)可以準確的測出光纖沿線任一點的監(jiān)測量，信息量大，成果直觀。

(2)光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質(zhì)，結(jié)構簡單，不僅方便施工，且其潛在故障大大低于傳統(tǒng)技術，可維護性強，而且性能價格比高。

2 分布式光纖監(jiān)測技術應用的分類

從監(jiān)測內(nèi)容看，當前分布式光纖監(jiān)測技術在我國的應用大致可分為四類。

第一類是溫度監(jiān)測。如設置于新疆石門子碾壓混凝土拱壩內(nèi)的分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng);設置于三峽大壩內(nèi)的分布式測溫系統(tǒng);設置于廣東長調(diào)水電站混凝土面板的溫度監(jiān)測系統(tǒng)等。由于分布式光纖監(jiān)測測點多，信息量大，均獲得了較好的監(jiān)測成果，較全面地反映了大壩溫度場的分布情況。

第二類是滲流定位監(jiān)測。如設置于廣東長調(diào)水電站面板周邊縫的分布式光纖溫度-滲流監(jiān)測系統(tǒng)。水庫蓄水期間，即發(fā)現(xiàn)周邊縫有幾處滲漏點，對滲漏定位相當有效。

第三類是位移和隨機裂縫監(jiān)測。如設置于隔河巖電站水庫覃家田滑坡中的螺旋型分布式光纖位移監(jiān)測系統(tǒng);設置于湖北古洞口面板堆石壩面板上的隨機裂縫光纖自診斷系統(tǒng)。由于單模光纖抗拉強度不高，能測隨機裂縫的縫寬不大，當裂縫寬度大于2 mm時，光纖易被拉斷。因此，對隨機裂縫的監(jiān)測生命期尚不長。

第四類是裂縫監(jiān)測。如設置于古洞口水電站面板堆石壩周邊縫與面板間縫隙中的準分布式光纖測縫計監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測，也獲得了光纖測縫計埋設處縫寬變化的較好效果。

3 兩種分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)其實就是分布調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)。所謂分布調(diào)制，就是沿光纖傳輸路徑上的外界信號以一定的方式對光纖中的光波進行不斷調(diào)制(傳感)，在光纖中形成調(diào)制信息譜帶，并通過獨特的檢測技術，介調(diào)調(diào)制信號譜帶，從而獲得外界場信號的大小及空間分布。因此，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)通常由激光光源、傳感光纖(纜)和檢測單元組成，是一種自動化的監(jiān)測系統(tǒng)。

按照調(diào)制方式的不同，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)分為分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)和分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)或準分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)和分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 分布式傳光型(準分布式)光纖監(jiān)測系統(tǒng)

分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)的特點是:將空間分布的相同調(diào)制類型的光纖傳感器耦合到一根或多根光纖總線上，通過尋址、介調(diào)進行檢測。分布式傳光型監(jiān)測系統(tǒng)實質(zhì)上是多個分立式光纖傳感器的復用系統(tǒng)，故又稱準分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)或非本征型分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。光纖總線僅起傳光作用，不起傳感作用。根據(jù)尋址方式的不同，分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)可分為時分復用、波分復用、頻分復用、偏分復用和空分復用等幾類。其中，時分復用、波分復用和空分復用技術較成熟，復用的點數(shù)較多。

(1)時分復用。

時分復用靠耦合于同一根光纖上的傳感器之間的光程差，即光纖對光波的延遲效應來尋址。當一脈寬小于光纖總線上相鄰傳感器之間的傳輸時間的光脈沖自光纖總線輸入端注入時，由于光纖總線上各傳感器距光脈沖發(fā)射端的距離不同，在光纖總線的終端(或始端)將會接收到許多光脈沖，其中每一個光脈沖對應光纖總線上的一個傳感器，光脈沖的延時即反應傳感器在光纖總線上的地址，光脈沖的幅度或波長的變化即反應該點被測量的大小。在這里，注入的光脈沖越窄，傳感器在光纖總線上的允許間距越小，可耦合的傳感器就越多，但是，其對介調(diào)系統(tǒng)的要求越苛刻。

(2)波分復用。

波分復用是通過光纖總線上各傳感器的調(diào)制信號的特征波長尋址。由于各傳感器的特征波長不同，通過濾波/解碼系統(tǒng)即可求出被測信號的大小和位置。該法因一些部件的限制，總線上允許的傳感器數(shù)目不多，一般為8～12個。

(3)頻分復用。

頻分復用是將多個光源調(diào)制在不同的頻率上，經(jīng)過各分立的傳感器匯集在一根或多根光纖總線上，每個傳感器的信息即包含在總線信號中的對應頻率分量上。采用光源強度調(diào)制的頻分復用技術可用于光強調(diào)制型傳感器，采用光源光頻調(diào)制的頻分復用技術可用于光相位調(diào)制型傳感器。

(4)空分復用。

空分復用是將各傳感器的接收光纖的終端按空間位置編碼，通過掃描機構控制光開關選址。這時，開關網(wǎng)絡應合理布置，信道間隔應選擇合適，以保證在某一時刻單光源僅與一個傳感器通道相連?？辗謴陀玫膬?yōu)點是能夠準確地進行空間選址。實際復用的傳感器不能太多，以少于10個為佳。

準分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)通過將多個相同類型或不同類型的傳感器在一條光纖上串接復用，減少了傳輸線路，方便了施工，大大簡化了線路的布設，并且可以實現(xiàn)多點同時測量，從而避免了以往逐點測量不同步的弊端。但是，準分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)存在以下不足:

(1)由于分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)是通過一條光纖將若干個光纖傳感器串接而成，系統(tǒng)的光功率損耗較大，因此，一條光纖只能接入有限的光纖傳感器，如分布式光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)一般僅能接入8～12個光纖傳感器。

(2)分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)實質(zhì)上是多個單測點光纖傳感器的串接復用系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)埋設安裝后，測點無法增加。

3.2 分布式傳感型(分布式)光纖監(jiān)測系統(tǒng)

分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)的特點是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，光纖總線不僅起傳光作用，還起傳感作用，所以，分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)又稱本征分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)或全分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，簡稱為分布式光纖檢測系統(tǒng)。分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)具有下列優(yōu)點:

(1)信息量大。分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)能在整個連續(xù)光纖的長度上以距離的連續(xù)函數(shù)形式傳感出被測參數(shù)隨光纖長度方向的變化，即光纖任一點都是“傳感器”，它的信息量可以說是海量信息。

(2)結(jié)構簡單，可靠性高。由于分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)的光纖總線不僅起傳光作用，而且起傳感作用，因此其結(jié)構異常簡單，且方便施工，潛在故障少，可維護性好，可靠性高。

(3)使用方便。光纖埋設后，測點可以按需要設定，可以取2 m距離為一個測點，也可以取1 m距離為一個測點等，且按需要可以改變設定。因此，在病害定位監(jiān)測時極為方便。

(4)性能價格比高。目前，光纖價格不高，一條光纖的測點又可達成百上千個，因此，每一個測點的價格就遠遠低于傳統(tǒng)單測點的價格，性能價格比相當好。

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)相對于電信號為基礎的傳感監(jiān)測系統(tǒng)和點式光纖監(jiān)測系統(tǒng)而言，無論是從監(jiān)測技術的難度、監(jiān)測量的內(nèi)容及指標，還是從監(jiān)測的場合和范圍都將其提高到了一個新的階段。

4 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的展望

當前，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)主要是一種時域分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，其技術基礎是光時域反射技術 OTDR(optical time—domain reflectormetry)。OTDR最初用于評價光學通信領域中光纖、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，其工作機理是脈沖激光器向被測光纖發(fā)射光脈沖，該光脈沖通過光纖時由于光纖存在折射率的微觀不均勻性，以及光纖微觀特性的變化，有一部分光會偏離原來的傳播向空間散射，在光纖中形成后向散射光和前向散射光。其中后向散射光向后傳播至光纖的始端，經(jīng)定向耦合器送至光電檢測系統(tǒng)。由于每一個向后傳播的散射光對應光纖總線上的一個測點，散射光的延時即反應在光纖總線上的位置。

從光纖返回的后向散射光具有三種成分:

(1)由光纖折射率的微小變化引起的瑞利(RayLeigh)散射，其頻率與入射光相同;

(2)由光子與光聲子相互作用而引起的拉曼(Raman)散射，其頻率與入射光相差幾十太赫茲;

(3)由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場低頻聲子相互作用而引起的布里淵(Brillouin)散射，其頻率與入射光相差幾十吉赫茲。

因此，時域分布光纖檢測系統(tǒng)按光的載體可分為三種形式:基于拉曼散射的分布式光纖檢測系統(tǒng)、基于瑞利散射的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)和基于布里淵散射的分布式光纖檢測系統(tǒng)。當前，前兩種形式的研究和應用較多，后一種形式是國際上近年來才研發(fā)出來的一項尖端技術，國內(nèi)的研究才剛剛起步。由于后一種形式可用來測量光纖沿線的應變分布，可以預計，不久將在這方面有所突破，并且前兩種形式將發(fā)展成更多的應用種類，逐漸向大壩安全監(jiān)測的各個領域滲透。光纖網(wǎng)絡布置形式將更趨豐富多樣，更趨科學合理。

與此同時，準分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)將獲得較大發(fā)展，以光纖應變計組成的三向應變和二向應變的準分布式監(jiān)測系統(tǒng)將面世;同一壩段的一些非物理場類監(jiān)測量，如裂縫監(jiān)測及同一區(qū)域一些非物理場類監(jiān)測量，如預應力監(jiān)測將出現(xiàn)更多的準分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，從而使相關量獲得同步觀測，將大大提高觀測資料的質(zhì)量。

5 結(jié)語

分布式光纖監(jiān)測技術是當代高科技的結(jié)晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，廣大安全監(jiān)測工作者應予以積極推廣。

分布式光纖經(jīng)久耐用，安全可靠，由其構成的網(wǎng)絡可以遍布壩體，這些光纖網(wǎng)絡猶如神經(jīng)系統(tǒng)，可以感知壩體各部位的相關信息，大壩因此而有望成為一種機敏結(jié)構。