面向斜滑坡安全監(jiān)測的OFDR光纖應(yīng)力傳感系統(tǒng)*

楊 帆,歐中華,張旨遙,袁 飛,周曉軍,劉 永

(電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610054)

圖1 OFDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

我國是斜滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生十分頻繁且災(zāi)害損失極為嚴(yán)重的國家,尤其是西部山區(qū)和中東部地形地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū),對當(dāng)?shù)鼐用袢松砗拓?cái)產(chǎn)安全造成了巨大的威脅。目前,國內(nèi)外對斜滑坡地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測手段分為地表監(jiān)測法和地下監(jiān)測法兩大類[1-6]。地表監(jiān)測法包括簡易觀測法、大地測量法、地表傾斜測量法、地表裂縫監(jiān)測法、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)法、近景攝影測量法、干涉雷達(dá)法等,雖然能為研究斜滑坡甚至區(qū)域性的地表變形提供基礎(chǔ)性資料,但不能反映深部巖土體的變形特征。傳統(tǒng)的地下監(jiān)測法包括內(nèi)部傾斜監(jiān)測法、內(nèi)部相對位移監(jiān)測法等,存在的主要問題在于不能實(shí)現(xiàn)巖土體內(nèi)部應(yīng)力的分布式測量,且測量精度低,無法實(shí)現(xiàn)高精確的預(yù)測預(yù)報(bào)。時(shí)間域反射(TDR)技術(shù)于上世紀(jì)80年代開始被用于地質(zhì)勘察與監(jiān)測,具有價(jià)格低廉、監(jiān)測時(shí)間短、可遙測、安全性高以及數(shù)據(jù)提供快捷等優(yōu)點(diǎn),但不適用于需要檢測傾斜的情況,僅能確定剪切面,無法確定滑坡移動(dòng)的方向,并且靈敏度低,動(dòng)態(tài)范圍小。近年來,光纖傳感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于斜坡體監(jiān)測。其中,光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)分布式應(yīng)變測量。電子科技大學(xué)利用OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對山體滑坡內(nèi)部推力的監(jiān)測,并已在三峽庫區(qū)進(jìn)行組網(wǎng)[7-8]。唐天國等人[9]將OTDR應(yīng)用于大壩基座裂縫監(jiān)測,并對四川石棉冶勒大壩進(jìn)行監(jiān)測,取得了顯著效果。該技術(shù)在國外也得到了較多的工程應(yīng)用,如Kihara等[10]將光纖分布于日本Niyodo河和Sendai河的河堤中,用偏振光時(shí)域反射(POTDR)來監(jiān)測河堤的滑坡位移狀況,取得了良好的效果。然而,OTDR監(jiān)測法存在的主要問題在于空間分辨率、靈敏度和測量精度較低。布里淵時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)主要用于對大壩、大型建筑物、橋梁的應(yīng)變進(jìn)行分布式監(jiān)測[11-12],目前該技術(shù)也應(yīng)用于滑坡、大型工程邊坡及洞室監(jiān)測中。與OTDR相比,BOTDR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時(shí)測量,具有靈敏度高、測量精度高等優(yōu)點(diǎn),但是其空間分辨率低、響應(yīng)速度較慢。相對于OTDR和BOTDR,光頻域反射(OFDR)技術(shù)具有更高的空間分辨率、測試距離和靈敏度,近年來受到了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的極大重視,并應(yīng)用于對應(yīng)變、應(yīng)力、振動(dòng)、溫度、3D形狀、流速、折射率、磁場、輻射、氣體等參量的傳感[13-16]。雖然目前OFDR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室取得了大量研究成果,但還沒有進(jìn)行工程化應(yīng)用。

本論文首次將OFDR技術(shù)應(yīng)用于斜滑坡內(nèi)部應(yīng)力的監(jiān)測,利用光纖微彎應(yīng)力傳感器作為內(nèi)部應(yīng)力探測裝置,并采用去諧濾波算法補(bǔ)償了光源非線性掃頻帶來的空間測量誤差,在1 300 m的傳感距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)分布式應(yīng)力測量,空間分辨率小于5 cm,壓強(qiáng)測量范圍為0～20 MPa,最大相對誤差為4.44%。在三峽庫區(qū)進(jìn)行的現(xiàn)場實(shí)地測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地對應(yīng)力點(diǎn)位置和應(yīng)力大小進(jìn)行同時(shí)測量。

1 工作原理

圖1為基于OFDR的斜滑坡光纖應(yīng)力傳感監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖?？烧{(diào)諧激光器(TLS)輸出的線性掃頻激光通過光耦合器1分為兩束,分別進(jìn)入主干涉儀和輔助干涉儀。在主干涉儀中,掃頻激光通過光耦合器2分為兩束,一束通過環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖(FUT),應(yīng)力造成的后向瑞利散射光與另一束參考光通過光耦合器4合束發(fā)生拍頻,其拍頻信號(hào)的頻率與瑞利散射光的產(chǎn)生位置成線性正比關(guān)系,通過探測器檢測拍頻頻率實(shí)現(xiàn)定位。由于單模光纖中存在偏振衰落效應(yīng)[17-20],本系統(tǒng)采用了偏振分集接收法,通過偏振分束器將主干涉儀輸出的信號(hào)分成兩束偏振信號(hào)后進(jìn)行平衡探測。在實(shí)際應(yīng)用中,由于線性掃頻光源存在非線性掃頻效應(yīng),限制了系統(tǒng)的測量距離和空間分辨率[21-23],因此本系統(tǒng)利用輔助干涉儀的拍頻信號(hào),并結(jié)合去諧濾波算法估算光源本征相位,實(shí)現(xiàn)非線性掃頻效應(yīng)的補(bǔ)償。

為了檢測施加在光纖上的橫向應(yīng)力,采用了基于光纖微彎效應(yīng)的光纖應(yīng)力傳感頭,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該傳感頭采用彈膜片作為應(yīng)力敏感元件,固定在剛性殼體上,周期性齒壓板由動(dòng)齒板和定齒板組成,彈膜片下方連接動(dòng)齒板。當(dāng)橫向應(yīng)力作用在傳感頭上時(shí),彈膜片產(chǎn)生形變,使固定在彈膜片中心的動(dòng)齒板與定齒板之間產(chǎn)生相對位移,改變齒形壓板間光纖的微彎幅度,光纖中導(dǎo)模的部分功率轉(zhuǎn)化為輻射模功率并逸出光纖形成損耗。將光纖微彎應(yīng)力傳感頭安裝在待測光纖上,當(dāng)施加橫向應(yīng)力時(shí),受壓點(diǎn)的損耗增加,使該位置以后的瑞利散射信號(hào)強(qiáng)度降低,造成拍頻信號(hào)的受壓點(diǎn)兩側(cè)信號(hào)存在強(qiáng)度差。強(qiáng)度差與傳感器所受應(yīng)力成正比關(guān)系,通過測量強(qiáng)度差從而確定所受應(yīng)力值。

圖2 光纖微彎應(yīng)力傳感頭

去諧濾波算法最早被用于調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)中實(shí)現(xiàn)非線性校正[24]。本系統(tǒng)借助輔助干涉儀將該算法應(yīng)用于補(bǔ)償掃頻光源的非線性掃頻效應(yīng),提高壓力點(diǎn)定位精度,算法流程如圖3所示[22,25]。

圖3 去諧濾波算法流程圖

主干涉儀光電探測器輸出的拍頻信號(hào)為

(1)

式中:Rzeff為傳感光纖位置z處瑞利散射的等效反射率,fb=γτz為傳感光纖位置z處瑞利散射光與參考光的拍頻,τz為傳感光纖位置z處瑞利散射光與參考光的延時(shí),γ為掃頻光頻率隨時(shí)間的變化率,ν0為掃頻光的起始頻率,2πe(t)-2πe(t-τz)為光源非線性掃頻效應(yīng)引起的拍頻信號(hào)非線性相位,會(huì)對傳感系統(tǒng)的空間分辨率有嚴(yán)重的影響。

利用如圖3所示的去諧濾波算法,得到最終的拍頻信號(hào)為

(2)

式中相位只剩下常數(shù)項(xiàng)和隨時(shí)間變化的線性項(xiàng),主干涉儀拍頻信號(hào)的非線性相位被完全消除。從理論上講,如果能準(zhǔn)確估算光源的非線性相位,光源的非線性掃頻效應(yīng)可被去斜濾波算法完全消除。

在非線性掃頻效應(yīng)被完全消除的理想情況下,OFDR系統(tǒng)的空間分辨率極限表達(dá)式為

(3)

式中:n為光纖纖芯的折射率,c為真空中的光速,Δν為在光源一個(gè)掃頻周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡采樣時(shí)間對應(yīng)的頻率掃描范圍,表達(dá)式為

(4)

γ為光源掃頻速率,M和N分別為數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率和采樣點(diǎn)數(shù)。從式(3)和式(4)可以看到,空間分辨率與光源的掃頻速率、數(shù)據(jù)采集卡的采樣率和采樣點(diǎn)數(shù)有著密切的關(guān)系,優(yōu)化光源和采集卡參數(shù)即可提高空間分辨率。然而在實(shí)際應(yīng)用中,無論硬件設(shè)計(jì)還是軟件算法補(bǔ)償均無法完全消除光源的非線性掃頻效應(yīng);同時(shí),數(shù)據(jù)采樣時(shí)間必須小于等于光源掃頻周期,頻域分辨率受到掃頻周期的限制。因此,光源的非線性掃頻效應(yīng)和有限的采樣時(shí)間是限制OFDR系統(tǒng)空間分辨率的兩個(gè)重要因素。

2 實(shí)驗(yàn)室結(jié)果及分析

傳感系統(tǒng)采用NKT Photonics公司的E15型可調(diào)諧光源,掃頻速率為400 GHz/s,中心波長為1 550 nm,掃頻頻率為50 Hz。平衡探測器為THORLABS公司的PDB430C,帶寬為350 MHz。數(shù)據(jù)采集卡為SPECTRUM公司的M4i.4421,采樣率為62.5 Msample/s,采樣點(diǎn)數(shù)為1×106,觸發(fā)延遲點(diǎn)數(shù)為5.72×105。光耦合器OC1的分光比為95∶5,其中95%的光進(jìn)入主干涉儀,5%的光進(jìn)入輔助干涉儀。光耦合器OC2的分光比為99∶1,其中99%的光通過光環(huán)行器進(jìn)入傳感光纖,1%的光作為參考光。光耦合器OC3、OC4、OC5均為3 dB光耦合器。

2.1 空間分辨率測量結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室條件下,將長度為715 m和610 m的兩段單模光纖通過法蘭盤連接構(gòu)成1 325 m的傳感光纖,將長度為216 m的單模光纖作為輔助干涉儀中的延時(shí)光纖。由于所設(shè)計(jì)的光纖微彎應(yīng)力傳感頭直徑為8.5 cm,如果將兩個(gè)光纖微彎應(yīng)力傳感頭緊密排布安置在傳感光纖上,兩個(gè)應(yīng)力點(diǎn)的最小間隔為8.5 cm,不利于探究系統(tǒng)的空間分辨率極限。為了測試系統(tǒng)分辨兩個(gè)事件點(diǎn)的空間分辨率極限,在傳感光纖尾端連接一段尾纖,通過在距離域信號(hào)曲線中是否能分辨出兩個(gè)相鄰的菲涅爾反射峰來評估傳感系統(tǒng)的空間分辨率。圖4為傳感光纖尾端連接長度5 cm尾纖時(shí)的距離域測試曲線,其中圖4(a)為距離域測試曲線的全局圖,圖4(b)為傳感光纖尾端附近的局部放大圖。從圖4(a)可以明顯看出在715 m和1 325 m處均出現(xiàn)明顯的菲涅爾反射峰。從圖4(b)可以看到傳感光纖的尾端出現(xiàn)兩個(gè)菲涅爾反射峰,分別位于1 325.150 m和1 325.198 m。因此,傳感系統(tǒng)能清晰辨別出長度約為5 cm的尾纖,說明該傳感系統(tǒng)的空間分辨率小于5 cm。此外,通過增大光源掃頻速率以及數(shù)據(jù)采樣時(shí)間,可進(jìn)一步減小分辨兩個(gè)相鄰事件點(diǎn)的距離間隔。為了充分發(fā)揮該應(yīng)力傳感系統(tǒng)的空間分辨率,需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)光纖微彎應(yīng)力傳感頭,減小傳感頭尺寸。

圖4 距離域測試曲線

2.2 應(yīng)力測量結(jié)果

將圖2所示傳感頭安置在傳感光纖808 m處,在傳感器上依次放置重量為5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、30 kg、54 kg和77.5 kg的砝碼,對應(yīng)的壓強(qiáng)值分別為0.046 MPa、0.092 MPa、0.138 MPa、0.184 MPa、0.276 MPa、0.497 MPa和0.706 MPa。圖5為測量得到的信號(hào)強(qiáng)度差-壓強(qiáng)關(guān)系以及線性擬合曲線。從圖5可以看到,信號(hào)強(qiáng)度差與壓強(qiáng)大小呈良好的線性關(guān)系,線性擬合度為0.998 68,壓強(qiáng)傳感靈敏度為4.528 76 dB/MPa。此外,實(shí)驗(yàn)中還利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字精密應(yīng)力表對該傳感系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),測試數(shù)據(jù)如表1所示。校準(zhǔn)范圍為0～20 MPa,測量的最大絕對誤差為-0.451 6 MPa,最大相對誤差為4.44%。

圖5 測量得到的信號(hào)強(qiáng)度差-壓強(qiáng)關(guān)系

圖6 鉆孔和傳感器安裝示意圖以及現(xiàn)場施工圖

3 野外現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)

選擇三峽庫區(qū)的重慶市奉節(jié)縣遼寧小學(xué)作為斜滑坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測實(shí)驗(yàn)點(diǎn),并在此處進(jìn)行了監(jiān)測點(diǎn)位的鉆孔和傳感頭安裝,如圖6所示。該監(jiān)測點(diǎn)實(shí)際共埋設(shè)3個(gè)光纖微彎應(yīng)力傳感頭,敷設(shè)傳感光纖長度為178.21 m。

圖7為測量得到的距離域信號(hào)強(qiáng)度曲線,圖8為測量獲得的應(yīng)力點(diǎn)壓強(qiáng)值。從圖7中可以看到,在63.78 m、146.26 m、171.17 m和178.21 m這4個(gè)位置處有明顯的信號(hào)強(qiáng)度差,其中63.78 m、146.26 m和171.17 m處為傳感頭受到應(yīng)力作用產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度差,178.21 m處帶有強(qiáng)烈反射峰的信號(hào)強(qiáng)度差是由于傳感光纖尾端菲涅爾反射造成的。應(yīng)力位置的測試結(jié)果與傳感光纖上安裝的傳感頭位置吻合(傳感頭實(shí)際安裝位置分別為63.76 m、146.23 m、171.13 m)。從圖8可以看到,位于63.78 m、146.26 m和171.17 m的3個(gè)傳感頭所受壓強(qiáng)值分別為0.191 1 MPa、0.574 3 MPa和0.402 2 MPa。

圖7 測量得到的距離域信號(hào)強(qiáng)度曲線

圖8 測量獲得的應(yīng)力點(diǎn)壓強(qiáng)值

4 結(jié)束語

基于OFDR技術(shù)研制了斜滑坡光纖應(yīng)力傳感監(jiān)測系統(tǒng)。在實(shí)驗(yàn)室條件下,傳感系統(tǒng)測量距離達(dá)到1 300 m以上,空間分辨率小于5 cm,信號(hào)強(qiáng)度與外加應(yīng)力呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性擬合度為0.998 68,壓強(qiáng)傳感靈敏度為4.528 76 dB/MPa,壓強(qiáng)測量范圍為0～20 MPa,最大相對誤差為 4.44%。此外,野外現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該傳感系統(tǒng)能對應(yīng)力傳感頭實(shí)現(xiàn)了精確定位并對應(yīng)力大小進(jìn)行了準(zhǔn)確測量?；贠FDR的斜滑坡光纖應(yīng)力傳感監(jiān)測技術(shù)具有大面積組網(wǎng)、多點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測等特點(diǎn),相對于OTDR和BOTDR具有更高的空間分辨率。需要指出的是,本論文的系統(tǒng)方案需要借助額外的傳感頭實(shí)現(xiàn)應(yīng)力測量,屬于空間離散型分布式應(yīng)力傳感技術(shù)方案,距離空間連續(xù)型分布式應(yīng)力測量還有差距,因此需要進(jìn)一步研究應(yīng)力直接作用在傳感光纖上的OFDR應(yīng)力傳感機(jī)制,以實(shí)現(xiàn)真正意義上的分布式應(yīng)力監(jiān)測。