基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)在監(jiān)測(cè)工程中的研究

張曉煒 李旭輝 胡國(guó)良 孫程鵬 朱躍飛

(1.南昌工程學(xué)院,江西省水利土木特種加固與安全監(jiān)控工程研究中心，江西 南昌 330099； 2.廣東賽達(dá)交通科技股份有限公司，廣東 廣州 510663； 3.南昌寶安科技有限公司，江西 南昌 330000)

0 引言

分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖工程中所廣泛使用的光時(shí)域反射技術(shù)所發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)(DFOSS,Distributed Fiber Opt-ic Strain Sensor)。該技術(shù)用普通單模光纖進(jìn)行感測(cè)傳輸，可以在布設(shè)的光纖沿線上得到所有待測(cè)體的應(yīng)變、溫度、損傷等參量數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段相比，大大地降低了漏檢的可能。這在某種程度上有效地解決了工程領(lǐng)域中存在的眾多測(cè)量難題。目前，該技術(shù)的相關(guān)試驗(yàn)與研究已經(jīng)廣泛開展于土木結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域、航空航天測(cè)試、地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查及預(yù)防工程領(lǐng)域，隨著布里淵分布式傳感技術(shù)在理論以及各種感測(cè)儀器等方面的不斷成熟，運(yùn)用該技術(shù)的監(jiān)測(cè)工作將逐步在重大工程中嶄露鋒芒。本文將針對(duì)基于BOTDA的分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)該技術(shù)的試驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行論述，并指出所存在的問題。

1 基于布里淵光散射原理的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)

基于布里淵光散射的分布式光纖感測(cè)技術(shù)主要有BOTDA,BOTDR,BOFDA和BOCDA等。其中BOTDA和BOTDR因?yàn)榫哂休^長(zhǎng)的傳感距離和相對(duì)較為簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而吸引了大量研究者的目光，兩者的區(qū)別在于：BOTDA是基于受激布里淵散射的光時(shí)域分析，雙端測(cè)量；BOTDR是基于自發(fā)布里淵散射的光時(shí)域反射，單端測(cè)量。典型的BOTDA傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

1.1 BOTDA技術(shù)感測(cè)原理

布里淵光時(shí)域分析技術(shù)的的感測(cè)原理如圖2所示，簡(jiǎn)單可以理解為：某束確定頻率的脈沖光入射，在傳輸?shù)倪^程中與光纖中的聲學(xué)聲子發(fā)生作用，發(fā)生布里淵散射，其中，背向布里淵散射光的頻率漂移量與感測(cè)光纖軸向所受到的應(yīng)變、溫度成正比，因而，通過對(duì)布里淵頻率漂移量進(jìn)行測(cè)量就能得到對(duì)應(yīng)感測(cè)光纖的軸向溫度和應(yīng)變的關(guān)系式[2]為：

(1)

1.2 BOTDA分類及發(fā)展概況

根據(jù)使用脈沖光的不同特點(diǎn)，主要分為以下兩種：1)脈沖預(yù)泵浦BOTDA技術(shù)(Pulse Pre-Pump，PPP-BOTDA)：通過改變泵浦光的形態(tài)，在測(cè)量的脈沖光發(fā)出之前，增加一段預(yù)泵浦脈沖光來激發(fā)聲子，再通過設(shè)置消光系數(shù)來降低額外的輸出功率進(jìn)而提升BOTDA的空間分辨率和±25 με測(cè)量精度;2)差分脈沖對(duì)BOTDA技術(shù)(Differential Pl-use-width Pair，DPP-BOTDA)：向一段待測(cè)光纖中射入兩束不同寬度的脈沖光，將兩者得到的兩個(gè)布里淵增益譜做差得到新的增益譜，利用該譜就能得到更加精準(zhǔn)的布里淵中心頻移量，進(jìn)而提高BOTDA空間分辨率[1]。

Ippen等人于1972年首次觀察到了光纖中的受激布里淵散射[3]。在最初，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)只用于測(cè)量光纖本身的特征參數(shù)[4,5]，直到1989年日本學(xué)者Horiguchi T.提出了BOTDA技術(shù),同年Culverhouse D.發(fā)現(xiàn)頻移與溫度和應(yīng)變的之間存在關(guān)系，至此，BOTDA技術(shù)才被視作一種新的傳感技術(shù)而得到大量研究者的關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)提高BOTDA系統(tǒng)傳感距離、提升溫度靈敏度和空間分辨率這幾個(gè)方面進(jìn)行開展了廣泛研究。日本Neubrex公司的學(xué)者于2004年提出了PPP-BOTDA技術(shù)[6,7]。同年，鮑曉毅教授團(tuán)隊(duì)通過改變探測(cè)光的成分實(shí)現(xiàn)了厘米量級(jí)的傳感精度[8]。2008年，日本Neubr-ex公司實(shí)現(xiàn)了2 cm的空間分辨率和±25 με的應(yīng)變分辨率[9]。2012年Yo-ngkang Dong等人通過對(duì)差分脈沖對(duì)脈寬的不斷優(yōu)化[10]，用PPP-BOTDA技術(shù)，在長(zhǎng)度為2 km的待測(cè)光纖上實(shí)現(xiàn)了2 cm的空間分辨率；2017年Alejandro等人選取26.4 ns/26.3 ns 脈沖對(duì)的DPP-BOTDA技術(shù)在待測(cè)長(zhǎng)度為10 km的光纖上實(shí)現(xiàn)了1 cm的空間分辨率[12]。

2 BOTDA技術(shù)在監(jiān)測(cè)工程中的研究現(xiàn)狀

2.1 BOTDA技術(shù)的研究現(xiàn)狀

到目前為止，通過光纖傳感能直接感測(cè)到的物理量有應(yīng)力、位移、應(yīng)變等，通過將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和其他理論基礎(chǔ)相結(jié)合，進(jìn)而能夠間接監(jiān)測(cè)到混凝土裂縫、鋼筋銹蝕、深部位移、水工建筑物的滲流、樁側(cè)摩阻力、路基沉降量等，建立有針對(duì)性的評(píng)價(jià)體系。我國(guó)學(xué)者運(yùn)用BOTDA傳感技術(shù)針對(duì)監(jiān)測(cè)工作的相關(guān)應(yīng)用研究也取得了一系列成果。

1)2008年東南大學(xué)錢振東等人，對(duì)環(huán)氧瀝青中埋設(shè)試件的光纖性能在車輛荷載和極限溫度下進(jìn)行了相關(guān)研究；并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瀝青鋪裝層的路面溫度、殘余變形和裂縫進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，成功證實(shí)了BOTDA技術(shù)運(yùn)用到該監(jiān)測(cè)工作中時(shí)所具備的穩(wěn)定性、高精度的優(yōu)點(diǎn)[13]。

2)2009年東南大學(xué)郭彤、李愛群等人將PPP-BOTDA技術(shù)運(yùn)用于測(cè)量鋼筋混凝土的應(yīng)變分布、混凝土開裂測(cè)量和精確定位等方面進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，為將該技術(shù)用于土木結(jié)構(gòu)裂縫變形監(jiān)測(cè)做出相關(guān)指導(dǎo)意見[14]。

3)2011年江宏在樁基測(cè)試工作中，通過詳細(xì)對(duì)比PPP-BOTDA和滑動(dòng)測(cè)微計(jì)所測(cè)量出的應(yīng)變量，證明PPP-BOTDA可被作為一種新型的樁基測(cè)試技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用推廣[15]。

4)南京大學(xué)童恒金等人在2014年運(yùn)用BOTDA技術(shù)對(duì)水平荷載下的預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁樁身進(jìn)行了撓度大小和分布的檢測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比分析驗(yàn)證了BOTDA用于預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁樁身撓度的精細(xì)化檢測(cè)與監(jiān)測(cè)具有的分布式、精細(xì)化優(yōu)勢(shì)[16]。

5)2016年河海大學(xué)賈強(qiáng)強(qiáng)等人借助模型試驗(yàn)，運(yùn)用PPP-BOTDA技術(shù)驗(yàn)證了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)開裂病變的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，布里淵頻移曲線的峰值和混凝土開裂位置存在對(duì)應(yīng)性，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，即便光纖位置與裂縫斜交，該技術(shù)仍然能夠根據(jù)頻移突變位置的比照結(jié)果來判斷裂縫位置所在,系列試驗(yàn)成功證明了該技術(shù)可以靈敏地辨識(shí)和監(jiān)測(cè)到裂縫的產(chǎn)生與拓展，實(shí)現(xiàn)了裂縫的全分布、全天候的連續(xù)監(jiān)測(cè)[17]。

6)香港理工大學(xué)Dongsheng Xu,Jianhua Ying運(yùn)用BOTDA技術(shù)對(duì)邊坡開挖過程中GFPR錨的性能進(jìn)行了測(cè)量，系列試驗(yàn)結(jié)果證明，BOTDA技術(shù)提供了一種有效途徑去測(cè)量邊坡開挖過程中沿錨和剪切區(qū)分布的應(yīng)變分布情況[18]。

2.2 BOTDA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足

在監(jiān)測(cè)工程中推廣運(yùn)用基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展,其中，BOTDA光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于工程監(jiān)測(cè)具有以下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1)從信息傳輸方面來說，BOTDA進(jìn)行雙端回路測(cè)量，泵浦激光和探測(cè)激光在監(jiān)測(cè)時(shí)分別從被測(cè)光纖的兩端注入，獲取的動(dòng)態(tài)范圍大，能得到更長(zhǎng)的傳感距離；2)從數(shù)據(jù)感測(cè)方面來說，數(shù)據(jù)測(cè)量精度較高，目前來看其微變形監(jiān)測(cè)精度都遠(yuǎn)優(yōu)于其他幾種光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)。因此在災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面具有巨大的研究應(yīng)用價(jià)值。

經(jīng)過多年探索研究，雖然BOTDA傳感技術(shù)已漸趨于成熟，然而將新型BOTDA技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程監(jiān)測(cè)工作中的時(shí)間比較短,仍舊存在著多種問題，如:

1)作為傳感材料的光纖，本身質(zhì)地脆弱,在鋪設(shè)、監(jiān)測(cè)過程中極易發(fā)生損壞的問題;

2)室外監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度變化范圍較大的情況下帶來的溫度補(bǔ)償問題；

3)光纖與被監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)物，如邊坡等不規(guī)則待測(cè)體之間的協(xié)調(diào)變形問題；

4)埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的光纖的后期維護(hù)問題；

5)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的后處理等相關(guān)問題，包括監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)的篩選、對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)體建立相對(duì)應(yīng)的計(jì)算模型以及能夠針對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象提出合理的評(píng)價(jià)體系等等問題；如何針對(duì)傳感材料本身特性以及待測(cè)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜環(huán)境因素造成的困難進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化BOTDA監(jiān)測(cè)技術(shù)，將是該技術(shù)未來發(fā)展需要克服的首要問題。

3 結(jié)語

將BOTDA運(yùn)用于監(jiān)測(cè)工作只有短短不到三十年，但毫無疑問，分布式傳感技術(shù)將是當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期在監(jiān)測(cè)工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。隨著未來監(jiān)測(cè)手段越來越豐富，監(jiān)測(cè)精度也會(huì)越來越高，BOTDA技術(shù)的不斷發(fā)展也會(huì)進(jìn)一步帶動(dòng)相關(guān)監(jiān)測(cè)儀器的發(fā)展?？梢灶A(yù)見的是，除了技術(shù)本身在空間分辨率和傳感長(zhǎng)度方面的不斷提升，BOTDA技術(shù)在邊坡監(jiān)測(cè)有如下趨勢(shì)：傳統(tǒng)技術(shù)和分布式BOTDA監(jiān)測(cè)技術(shù)將不斷融合，以BOTDA技術(shù)為主，系列傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)為輔，發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)，在工程項(xiàng)目中對(duì)待測(cè)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)的效果；其次，將感測(cè)光纖植入傳統(tǒng)建筑材料及建筑構(gòu)件中形成智能材料，彌補(bǔ)感測(cè)光纖易損的不足與光纖布設(shè)的繁瑣工序，進(jìn)而能夠?qū)Υ郎y(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更為全面的健康監(jiān)測(cè)工作。