滑坡監(jiān)測技術(shù)最新進(jìn)展——OTDR技術(shù)

吳統(tǒng)一 王勃慧

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局，西寧 810008）

根據(jù)國內(nèi)外對滑坡監(jiān)測技術(shù)的研究，滑坡監(jiān)測的復(fù)雜性在于工程巖體的復(fù)雜性?；略谛纬珊痛嬖诘恼麄€(gè)地質(zhì)過程中，經(jīng)歷多次的地質(zhì)變化，承受構(gòu)造力的影響，諸多影響互相聯(lián)系互相作用，決定了復(fù)雜性是滑坡的本質(zhì)屬性。

1 同OTDR相關(guān)技術(shù)介紹

《滑坡地質(zhì)災(zāi)害TDR監(jiān)測技術(shù)研究》一文，以開展滑坡監(jiān)測的TDR 技術(shù)研究為主體，TDR監(jiān)測技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)30年代，TDR的輸出信號是脈沖電壓，測試對象是反射系數(shù)。其在滑坡監(jiān)測中的作用越來越引起人們重視。TDR技術(shù)又稱“閉路雷達(dá)”，與雷達(dá)技術(shù)的工作原理基本相同。TDR滑坡監(jiān)測技術(shù)的原理：在待監(jiān)測的巖體或土體中鉆孔，將同軸電纜放置于鉆孔中，頂端與TDR 測試儀相連，并以砂漿填充電纜與鉆孔之間的空隙，以保證同軸電纜與巖體或土體的同步變形。巖體或土體的位移和變形使埋置于其中的同軸電纜產(chǎn)生剪切、拉伸變形，從而導(dǎo)致其局部特性阻抗的變化，電磁波將在這些阻抗變化區(qū)域發(fā)生反射和透射，并反映于TDR 波形之中。通過對波形的分析，結(jié)合室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)建立起的剪切和拉伸與TDR 波形的量化關(guān)系，便可掌握巖體或土體的變形和位移狀況。

同時(shí)隨著社會的發(fā)展，OTDR技術(shù)也在滑坡監(jiān)測系統(tǒng)中不斷的得到了完善，OTDR 即“光時(shí)域反射計(jì) (Optical Time Domain Reflection，簡稱OTDR)是1977年Barnoski博士發(fā)明的，是用于檢驗(yàn)光纖損耗特性、光纖故障檢測的一種有利手段。由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，射入一束光脈沖會產(chǎn)生瑞利(Rayleigh)散射?！盵2]有許多文獻(xiàn)都對OTDR技術(shù)進(jìn)行了研究，分析滑坡監(jiān)測的基本原理與監(jiān)測方法。因此采用光纖的光時(shí)域反射法進(jìn)行滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)。

光時(shí)域反射這項(xiàng)技術(shù)的原理在于：OTDR輸出光脈沖信號，通過對光強(qiáng)的測試，來確定傳感型傳感器整個(gè)連續(xù)光纖的長度上以距離的連續(xù)函數(shù)的形式傳感處被測參數(shù)隨光纖長度方向的變化，因此較典型的是形成了光時(shí)域反射計(jì)。

滑坡監(jiān)測和預(yù)警過程，需要檢測人員將室外現(xiàn)場觀測、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和理論分析三方面有機(jī)地結(jié)合，才能做出科學(xué)的、實(shí)用性的監(jiān)測結(jié)果。某種程度上而言，光時(shí)域反射的檢測方法是一種智能化的、實(shí)時(shí)化和信息化的監(jiān)測技術(shù)方法，過程中要提高監(jiān)測的精度和可靠性，監(jiān)測數(shù)據(jù)就需要進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

2 OTDR的工作原理及優(yōu)劣

2.1 OTDR的工作原理

OTDR光時(shí)域反射計(jì)的工作原理是由其自帶的光源發(fā)出光脈沖，經(jīng)耦合器注入被測光纖，光電接收器接收到的瑞利背向散射和菲涅爾反射信號是一列按時(shí)間順序分布的光強(qiáng)度信號，每個(gè)時(shí)刻的信號強(qiáng)度對應(yīng)著相應(yīng)的光纖位置的瑞利背向散射或菲涅爾反射強(qiáng)度，接收器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，將其送到信號處理系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算，顯示器可以顯示出沿光纖整個(gè)路段返回的光強(qiáng)度的分布?！肮鈺r(shí)域反射計(jì)性能參數(shù)主要包括動態(tài)范圍、盲區(qū)、分辨率、精度等?！盵3]文中介紹了光時(shí)域反射計(jì)有四種動態(tài)范圍定義：①IEC定義(Bellcore) ②RMS定義③N=0.1dB定義④端探測(End detection)。以及光時(shí)域反射計(jì)的四種主要分辨率指標(biāo):“取樣分辨率、顯示分辨率(又叫讀出分辨率)、事件分辨率和距離分辨率?！盵3]尤其列出了光時(shí)域反射計(jì)可執(zhí)行的測量，如：對每個(gè)事件:距離,損耗,反射；對每個(gè)光纖段:段長,段損耗dB或dB/Km,段回波損耗(ORL)；對整個(gè)終端系統(tǒng):鏈長度,鏈損耗dB,鏈ORL等。

該技術(shù)的原理涉及到瑞利后向散射光，并光在光纖中的傳播速度、光纖的折射率等要素而形成了計(jì)算公式。換句話說，傳感型傳感器是利用光纖本身的敏感特性，而我們利用光時(shí)域反射技術(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)對光纖各測量點(diǎn)的空間定位。例如過渡光纖就是一段用于連接OTDR與待測光纖、常300~2000m的光纖，可以用于測量前端盲區(qū)處理和終端連接器插入損耗。因此光纖系統(tǒng)終端連接器插入損耗可通過OTDR加一段過渡光纖來測量。

2.2 OTDR的優(yōu)劣

（1）基于光時(shí)域反射的新技術(shù)在監(jiān)測過程中有諸多優(yōu)勢，如它能進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，能在易燃、易爆等各種危險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行工作。主要有以幾個(gè)方面的優(yōu)勢：

第一，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，并不能精確的研究光纖的傳輸，光纖的雜質(zhì)以及其它缺陷會影響監(jiān)測結(jié)果。而利用光時(shí)域反射的技術(shù)，不僅能精確地測定光纖的衰減特性，而且能確定光纖的雜質(zhì)以及其它缺陷引起光能損失的空間位置分布。因此相比較于以往的傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，具有很大的優(yōu)勢。在監(jiān)測過程中進(jìn)行推廣，能很好的提高滑坡監(jiān)測的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和時(shí)效性。利用OTDR可以在滑坡監(jiān)測過程中，加強(qiáng)在常規(guī)監(jiān)測方法中的地表位移監(jiān)測和應(yīng)力監(jiān)測水平和效率，尤其是在為滑坡推力進(jìn)行監(jiān)測、抗滑支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測等方面，能得到顯著效果。

第二，根據(jù)滑坡監(jiān)測布設(shè)的原則，布設(shè)需要點(diǎn)面結(jié)合，監(jiān)測網(wǎng)由監(jiān)測線( 剖面) 和監(jiān)測點(diǎn)組成，因此布設(shè)網(wǎng)點(diǎn)不僅要成點(diǎn)、線、面、體的三維立體的布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)，還要確保監(jiān)測網(wǎng)能盡可能準(zhǔn)確的監(jiān)測崩滑體的主要變形方位、變形量、變形速度、變形發(fā)展趨勢。而OTDR技術(shù)通過對光纖各測量點(diǎn)的空間定位，能對各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)搜集的數(shù)據(jù)形成整體的、系統(tǒng)的定位提高監(jiān)測技術(shù)的科學(xué)性，同時(shí)也能保證滑坡的實(shí)時(shí)化監(jiān)測。而且隨著技術(shù)的發(fā)展，不僅成本和價(jià)格有了很大降低，而且還在完善過程中形成了光纖斷點(diǎn)、光纖接頭松動等故障的查找;測量光纖長度;測量光纖總損耗、平均損耗;測量連接器、連接點(diǎn)的損耗;測量連接器的回波損耗五方面的應(yīng)用。

（2）該技術(shù)運(yùn)用時(shí)要注意的問題（即劣勢）

該技術(shù)的使用過程中存在以下問題：如連接器接頭的情節(jié)，接頭不清潔會導(dǎo)致測量不可靠、曲線多噪音甚至使測量不能進(jìn)行。另外，在監(jiān)測人員還需注意溶解增益、鬼影以及折射率與散射系數(shù)的校正情況，從光線兩端測出的衰減值有差別，應(yīng)當(dāng)去平均值。因此在運(yùn)用該技術(shù)的過程中，要不斷總結(jié)新的工作經(jīng)驗(yàn)，使其在檢測過程中發(fā)揮最大效力。

3 OTDR技術(shù)在監(jiān)測技術(shù)中的運(yùn)用及意義

3.1 OTDR技術(shù)在理論上的運(yùn)用

“分布式光纖傳感技術(shù)是最能體現(xiàn)光纖分布伸展優(yōu)勢的傳感測量方法,它是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)。”[4]光時(shí)域反射技術(shù)應(yīng)用到分布式光纖傳感器中，不僅能夠連續(xù)現(xiàn)實(shí)布設(shè)的整個(gè)光纖路線的距離變化下的損耗情況，而且作為一種非破壞性的測量方法，還有功能多樣，使用相對便捷的特點(diǎn)。該技術(shù)主要用于對光纖損傷點(diǎn)的檢測，這樣才能保證滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的順利進(jìn)行。

3.2 國內(nèi)OTDR技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

就國內(nèi)而言，三峽大學(xué)的蔡德所、何薪基、李俊美基于微彎機(jī)制強(qiáng)度調(diào)制光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)的分布式光纖傳感，在室內(nèi)進(jìn)行了光纖模擬邊坡滑移狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，并且在較困難的作業(yè)環(huán)境下成功的進(jìn)行了埋設(shè)。中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所的周策、陳文俊和湯國起，利用OTDR技術(shù)進(jìn)行分布式壓力測量，對巖體推力進(jìn)行系統(tǒng)檢測，并對光線數(shù)據(jù)的空間分辨率和靈敏度等方面進(jìn)行了分析。還有其他一些通過OTDR技術(shù)展開的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的野外試驗(yàn)，都證明了該技術(shù)的有效性和監(jiān)測系統(tǒng)工作的可靠性。

3.3 國際上OTDR技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

國際上，日本的Ando公司利用該項(xiàng)技術(shù)開發(fā)出了光纖應(yīng)變測量儀,該測量儀在應(yīng)變測量的精度上達(dá)到±0.01%,距離分辨率達(dá)到1 m，作為基于布里淵散射的應(yīng)變測量儀，很好的提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性、合理性和科學(xué)性。我國也加強(qiáng)了散射頻移和強(qiáng)度的同時(shí)檢測技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時(shí)傳感。

3.4 OTDR技術(shù)對我國的重大意義

我國是一個(gè)崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生十分頻繁和災(zāi)害損失極為嚴(yán)重的國家，尤其是中西部地區(qū)。根據(jù)國土資源部統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，2011年全國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害15664起，其中滑坡11490起，占73.4%，造成人員傷亡的地質(zhì)災(zāi)害119起，245人死亡、32人失蹤、138人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失40.1億元?；陆o人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損害，同時(shí)在一定程度上也影響了地區(qū)的生產(chǎn)、生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此監(jiān)測人員應(yīng)當(dāng)采用最新技術(shù)對滑坡災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測，將OTDR在滑坡監(jiān)測系統(tǒng)中不斷加強(qiáng)應(yīng)用不斷推廣。

[1] 張青.滑坡地質(zhì)災(zāi)害TDR監(jiān)測技術(shù)研究[D].吉林：吉林大學(xué) ,2007（1-14）

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[4] 倪玉婷,呂辰剛,葛春風(fēng),武星.基于OTDR的分布式光纖傳感器原理及其應(yīng)用[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù) ,2006，第 1 期（1-2）