地質(zhì)和巖土工程光電傳感監(jiān)測研究新進(jìn)展OSMG國際論壇綜述*
——第六屆

朱鴻鵠 施 斌 張誠成

(南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 南京 210023， 中國)

0 引 言

2017年11月3～5日，第六屆地質(zhì)(巖土)工程光電傳感監(jiān)測國際論壇(6thInternational Forum on Opto-Electronic Sensor-Based Monitoring in Geo-Engineering，簡稱6thOSMG-2017)在南京大學(xué)仙林校區(qū)國際會(huì)議中心召開。本屆論壇由南京大學(xué)主辦，南京大學(xué)光電傳感工程監(jiān)測中心和南京大學(xué)(蘇州)高新技術(shù)研究院聯(lián)合承辦，國家自然科學(xué)基金委、國際工程地質(zhì)與環(huán)境協(xié)會(huì)(IAEG)中國委員會(huì)、國際智能基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測學(xué)會(huì)(ISHMII)、國際環(huán)境巖土學(xué)會(huì)(ISEG)等10家單位協(xié)辦。

該系列論壇由南京大學(xué)于2005年創(chuàng)辦，至今已成功舉辦6屆。本屆論壇結(jié)合南京大學(xué)工程地質(zhì)學(xué)科的研究特色，圍繞“基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測技術(shù)前沿及應(yīng)用”這一主題，展開了相關(guān)議題的熱烈討論和會(huì)場交流，旨在為從事各類基礎(chǔ)工程監(jiān)測的專家、學(xué)者和技術(shù)人員提供一個(gè)國際合作、交流平臺。本屆論壇在會(huì)議規(guī)模、參會(huì)人數(shù)等方面再創(chuàng)新高。論壇研討內(nèi)容不僅聚焦于近年來迅猛發(fā)展的分布式光纖傳感(DFOS)技術(shù)，而且延伸到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和攝影測量等監(jiān)測技術(shù)，大大擴(kuò)大了以往歷屆論壇的議題。同時(shí)，在學(xué)術(shù)活動(dòng)的形式上，新增了最佳海報(bào)獎(jiǎng)評選，還充分利用會(huì)議網(wǎng)站、微信群等工具進(jìn)行了廣泛的宣傳，以方便行業(yè)同行及參會(huì)代表的交流互動(dòng)。

1 會(huì)議基本情況

本屆論壇在籌備和舉辦過程中得到了海內(nèi)外專家、學(xué)者和同行的大力支持和積極響應(yīng)，共有350余位代表參會(huì)。他們分別來自于中國、美國、加拿大、英國、德國、瑞士、意大利、奧地利、西班牙、尼日利亞、韓國、新加坡、馬來西亞、印度、中國香港、中國澳門和中國臺灣等近20個(gè)國家和地區(qū)(圖1)。在大會(huì)開幕式上，國家自然科學(xué)基金委地球科學(xué)部劉羽處長，ISHMII學(xué)會(huì)前任主席Ansari教授，IAEG協(xié)會(huì)和中國地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專委會(huì)秘書長伍法權(quán)教授，南京大學(xué)副校長鄒亞軍教授分別致辭。開幕式最后，系列論壇組委會(huì)主席施斌教授簡要回顧了地質(zhì)和巖土工程光電傳感監(jiān)測國際論壇的發(fā)展歷程，以及歷屆論壇的特邀報(bào)告情況。

圖1 歷年OSMG論壇參會(huì)人數(shù)及國家/地區(qū)數(shù)Fig. 1 Number of OSMG delegates and their countries and regions

在本屆論壇上邀請了來自北美洲、歐洲、非洲和亞洲的35位特邀報(bào)告人，特邀報(bào)告基本代表了當(dāng)前國際上光電傳感監(jiān)測領(lǐng)域的最先進(jìn)水平。報(bào)告內(nèi)容覆蓋了工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、巖土工程、礦業(yè)工程、水利工程、光學(xué)工程、能源工程、地球物理、測繪技術(shù)、儀器儀表、土木結(jié)構(gòu)等十余個(gè)學(xué)科，顯示出綜合交叉的特色。論壇期間，組委會(huì)還籌劃了分別為期1d和2￣￣d的分布式光纖傳感技術(shù)培訓(xùn)班、工程監(jiān)測現(xiàn)場考察活動(dòng)，取得了良好的技術(shù)普及和推廣的效果。論壇期間，加拿大OZ Optics、中國臺灣奇博科技和蘇州南智傳感科技等國內(nèi)外9家單位參展。參展商們除了展出最新研發(fā)的儀器、設(shè)備及行業(yè)解決方案，還在會(huì)場舉行了一場新產(chǎn)品、新技術(shù)發(fā)布會(huì)。在會(huì)后，中國地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專委會(huì)青工委組織召開了第8次青年工程地質(zhì)學(xué)術(shù)研討會(huì)，圍繞“工程地質(zhì)監(jiān)測與評價(jià)”進(jìn)行了專題研討， 80余位青年學(xué)者到會(huì)交流。

本屆論壇出版了393頁的會(huì)議論文集，收錄論文54篇，其中英文29篇，中文25篇。經(jīng)過評選， 10篇英文原創(chuàng)論文獲得“最佳論文獎(jiǎng)”， 10個(gè)學(xué)術(shù)海報(bào)獲得“最佳海報(bào)獎(jiǎng)”。部分論文經(jīng)過擴(kuò)展后在本領(lǐng)域權(quán)威期刊《Engineering Geology》、《南京大學(xué)學(xué)報(bào)》上以特刊的形式發(fā)表。Thévenaz教授等4位國際知名學(xué)者因其在推動(dòng)光電傳感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)與巖土工程領(lǐng)域作出了巨大貢獻(xiàn)，在本屆論壇上被授予“杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

回顧本屆論壇的特邀報(bào)告及會(huì)議論文集，可以發(fā)現(xiàn)，近幾年以光纖傳感為代表的地質(zhì)和巖土工程光電傳感監(jiān)測技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，國際上出現(xiàn)了一些最新的理論和技術(shù)突破，如監(jiān)測精度、可靠性等，并且在規(guī)范制定、工程應(yīng)用中都取得了可喜的進(jìn)展。

近年來的主要研究進(jìn)展可歸納為以下幾個(gè)方面。

2.1 光電感測解調(diào)技術(shù)的成熟和完善

分布式應(yīng)變、溫度傳感(DSS、DTS)技術(shù)有4類關(guān)鍵的監(jiān)測指標(biāo)：監(jiān)測精度、空間分辨率、監(jiān)測長度和監(jiān)測時(shí)間。基于自發(fā)和受激布里淵散射原理的全分布式光纖時(shí)域傳感技術(shù)(如BOTDA和BOTDR)一直以來是本領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，近年來的主要進(jìn)展包括(Thévenaz， 2017)：

(1)DSS、DTS的空間分辨率從米級大幅提高到厘米級；

(2)DSS、DTS的最大長度達(dá)到100km；

(3)DSS、DTS的最高頻率達(dá)到100Hz，已可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測；

之所以取得這樣的突破，是和工程中迫切需求密不可分的。在歐美等發(fā)達(dá)國家，這些技術(shù)已被廣泛地應(yīng)用于各類建筑基礎(chǔ)設(shè)施、油氣管線的監(jiān)測，工程實(shí)踐對監(jiān)測系統(tǒng)提出了越來越高的要求。

為了實(shí)現(xiàn)監(jiān)測指標(biāo)的進(jìn)一步提升，需要對信噪比(SNR)進(jìn)行精細(xì)化控制，目前有兩種解決途徑：一是通過增大能量的方法提高光學(xué)信號的強(qiáng)度，如近年來異軍突起的預(yù)抽運(yùn)脈沖BOTDA(PPP-BOTDA)和差分脈沖對BOTDA(DPP-BOTDA)技術(shù)； 二是通過各類算法進(jìn)行消噪處理，如數(shù)字圖像法、小波分析法等。在動(dòng)態(tài)應(yīng)變測量方面，可采用偏振補(bǔ)償、光學(xué)捷變頻、斜坡法、光學(xué)啁啾鏈、光學(xué)頻率梳等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速分布式布里淵光纖傳感(Dong， 2017)； 為實(shí)現(xiàn)應(yīng)變與溫度測值的分離，可采用雙波長法(Minardo et al.，2017)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Ruiz-Lombera et al.，2017)等方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

基于瑞利散射的全分布式光纖傳感技術(shù)(如C-OTDR，φ-OTDR和OFDR)近年來成為一個(gè)廣受關(guān)注的前沿技術(shù)。上海交通大學(xué)教授、“千人計(jì)劃”專家何祖源博士做了題為“分布式光纖聲學(xué)傳感器綜述”的報(bào)告(He， 2017)，詳細(xì)闡述了基于瑞利散射的分布式光纖聲波傳感技術(shù)(DAS)的原理及研究現(xiàn)狀。南京大學(xué)張旭蘋教授基于φ-OTDR技術(shù)研制了分布式光纖微擾動(dòng)感測儀(Zhang， 2017)。通過對傳感光纖中高相干度瑞利背向散射光的相位信息進(jìn)行解調(diào)，可還原振動(dòng)事件的位置、幅度和頻率，實(shí)現(xiàn)對傳感光纖周邊微擾動(dòng)場的精確重構(gòu)。DAS的這些優(yōu)點(diǎn)使其在油氣管線和鐵路安全監(jiān)控、長距離周界安防等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。目前國際上亦有學(xué)者嘗試將其應(yīng)用于垂直地震剖面勘探和水力壓裂監(jiān)測等地球物理領(lǐng)域以及滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警(Dou et al.，2017； Grocholski， 2017； Lindsey et al.，2017； Michlmayr et al.，2017； Jousset et al.，2018)。最近，南京大學(xué)陳颙院士等采用氣槍主動(dòng)源首次在3￣￣m淺水中激發(fā)地震波，并同時(shí)采用地震儀和分布式光纖傳感器接收激發(fā)信號。試驗(yàn)結(jié)果表明，地震儀和分布式光纖傳感器均記錄到了清晰的激發(fā)信號，這充分說明了分布式光纖傳感器在地震監(jiān)測領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢。

除了傳統(tǒng)的各類時(shí)域分析技術(shù)，頻域分析和相干域分析技術(shù)也越來越常見，如BOFDA、BOCDA等(Kwon， 2017; N?ther， 2017)。采用這些改進(jìn)措施，能實(shí)現(xiàn)超高空間分辨率和超高頻率的分布式傳感。

基于拉曼背向散射原理的全分布式光時(shí)域和頻域(ROTDR和ROFDR)技術(shù)日益成熟，在隧道火災(zāi)探測預(yù)警、大型設(shè)備測溫等領(lǐng)域已初步占據(jù)了優(yōu)勢地位，未來的努力方向在于精度、空間分辨率和穩(wěn)定性指標(biāo)的進(jìn)一步提升。

在相對比較成熟的準(zhǔn)分布式光纖布拉格光柵(FBG)技術(shù)方面，解調(diào)設(shè)備的成本隨著相關(guān)核心光學(xué)器件的標(biāo)準(zhǔn)化、批量化生產(chǎn)，也大大降低了。BOTDA、BOTDR等全分布式技術(shù)由于設(shè)備昂貴等原因尚未普及，而低反射率光柵(弱光柵)的出現(xiàn)，使得準(zhǔn)分布式應(yīng)變、溫度傳感技術(shù)的監(jiān)測覆蓋面成百上千倍的增加，低成本分布式監(jiān)測可望加快實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，光電傳感監(jiān)測設(shè)備的國產(chǎn)化也成為一個(gè)潮流，以全分布式布里淵散射技術(shù)為例，目前國內(nèi)的商業(yè)化解調(diào)設(shè)備廠家已經(jīng)有近十家，逐漸打破了西方發(fā)達(dá)國家的技術(shù)壁壘?；诶诚蛏⑸湓淼膰a(chǎn)化解調(diào)設(shè)備在精度、穩(wěn)定性等性能指標(biāo)方面與國外產(chǎn)品日益接近。隨著相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，單位成本持續(xù)降低，大大促進(jìn)了這些技術(shù)的推廣應(yīng)用。

此外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，WSN技術(shù)因其組網(wǎng)簡單、全自動(dòng)和成本低等優(yōu)勢，在地鐵隧道等地下工程監(jiān)測中越來越受到重視(Xu et al.，2015)。目前的主要難點(diǎn)在于節(jié)點(diǎn)通信、時(shí)間同步和功耗控制等。除了傳統(tǒng)的ZigBee 以外， 2013年出現(xiàn)的LoRa技術(shù)是一種更低功耗、更長距離的廣域網(wǎng)通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度和強(qiáng)信噪比通信，未來經(jīng)過推廣后必將在WSN系統(tǒng)中扮演重要的角色。

2.2 光電感測元件和傳感器的研發(fā)

研發(fā)服務(wù)于地質(zhì)工程和巖土工程的新型光電傳感器一直是國內(nèi)外同行學(xué)者們的重要努力方向，近年來在歐美等發(fā)達(dá)國家取得了可喜的科研進(jìn)展。

傳統(tǒng)的石英光纖因極限拉應(yīng)變低(約1%～2%)，難以滿足巖土大變形監(jiān)測要求。針對這一問題，德國聯(lián)邦材料測試研究院(BAM)研發(fā)了用于大變形監(jiān)測的聚合物光纖傳感器(Liehr， 2017)。PMMA聚合物光纖可在拉伸40%時(shí)仍保持良好的光學(xué)性能，借助于OTDR等技術(shù)，可以用于監(jiān)測滑坡、塌陷等過程中發(fā)生的大變形(Zhang et al.，2016)。他們將聚合物光纖植入土工織物和土工格柵等附著體中，由此研制了魯棒性強(qiáng)、應(yīng)變傳遞性能好、安裝便捷的巖土變形傳感器，并針對煤礦、邊坡、堤壩變形監(jiān)測等監(jiān)測場景開展了可行性研究。但限于當(dāng)前該項(xiàng)研究的深度和廣度，聚合物光纖傳感器在地質(zhì)工程監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段。

英國倫敦城市大學(xué)孫彤教授從工程應(yīng)用需求出發(fā)，研發(fā)了基于光纖傳感的物理和化學(xué)傳感器(Sun， 2017)，未來可用于研究土壤和地下水污染、海水入侵等問題，具有巨大的市場潛力和經(jīng)濟(jì)效益。西班牙坎塔布里亞大學(xué)López-Higuera教授作了題為“用于真實(shí)結(jié)構(gòu)監(jiān)控的智能光子傳感器”的報(bào)告(López-Higuera， 2017)，重點(diǎn)介紹了歐洲在BOFDR、BOTDA和馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer)等方面的最新研究動(dòng)向。

圖2 a基于相移光柵(π-FBG)的高精度光纖地形變傳感器 結(jié)構(gòu)； b 地形變監(jiān)測方案(張文濤等， 2017)Fig. 2 a A high-precision fiber earth deformation sensor based on π-FBG; b experimental scheme for earth deformation observation(Zhang et al.，2017)

亞洲是近幾十年來各類基建工程蓬勃發(fā)展的地區(qū)，因此對工程建設(shè)監(jiān)測需求不斷提高。新加坡南洋理工大學(xué)楊耀文博士介紹了無線FBG傳感器的研發(fā)及其在土木工程中的應(yīng)用(Yang， 2017)。新加坡國立大學(xué)Kuang博士基于化學(xué)發(fā)光棒(chemiluminescence tube，俗稱熒光棒)研制了新型的巖土變形傳感器，并通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了這種傳感器的有效性(Kuang， 2018)。當(dāng)熒光棒受彎時(shí)會(huì)發(fā)光，采用廉價(jià)的光敏電阻可探測到光線的變化，并將相關(guān)信號無線傳輸?shù)交?。這種新型傳感器具有無需供電、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而在巖土體變形和滑坡監(jiān)測領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛力。

國內(nèi)學(xué)者針對地質(zhì)工程新型傳感器的研發(fā)也投入了大量的工作。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所張文濤博士及其合作者研發(fā)了一種高精度光纖地形變傳感器(張文濤等， 2017)，如圖2所示。在傳感器設(shè)計(jì)中，他們采用了特殊的相移光柵(π-FBG)。與傳統(tǒng)FBG相比，π-FBG的光譜線寬要窄4個(gè)數(shù)量級，因而可獲得更高的反射光譜信噪比和更高的波長解調(diào)精度。該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)應(yīng)變分辨率優(yōu)于10-9、測量頻帶DC～100￣￣Hz、動(dòng)態(tài)范圍大于120￣￣dB的形變測量。為了驗(yàn)證該傳感器的性能，他們在云南昭通巧家地震觀測站開展了地球形變觀測實(shí)驗(yàn)，清晰記錄到了固體潮和地震信號。這種光纖地形變傳感器探頭無電子器件，且能抗電磁干擾和雷擊，有望成為地震形變監(jiān)測儀器發(fā)展的新方向。

中國計(jì)量大學(xué)李青教授全面介紹了基于螺旋平行傳輸電纜的地下位移多維測量技術(shù)的研發(fā)思路(Wang et al.，2017)，以及該技術(shù)在地面塌陷、滑坡變形等方面應(yīng)用的可行性。

本屆論壇組委會(huì)主席、南京大學(xué)施斌教授團(tuán)隊(duì)基于DTS技術(shù)，研發(fā)了主動(dòng)加熱式的地下水位和水分場光纖監(jiān)測系統(tǒng)(圖3)，通過鉆孔測試可獲取地質(zhì)體全剖面的水分場信息。該系統(tǒng)的有效性已經(jīng)在江蘇、湖北、陜西、四川等地的滑坡、基坑、地面沉降和地裂縫監(jiān)測項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證(Cao et al.，2018)。

圖3 地下水位和水分場光纖監(jiān)測系統(tǒng)示意圖(Cao et al.，2018)Fig. 3 Schematic illustration of the fiber optic monitoring system of groundwater level and water distribution(Cao et al.，2018)a. 傳感器結(jié)構(gòu)； b. 現(xiàn)場布設(shè)圖

2.3 光電傳感技術(shù)應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測

國際光學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)士、美國MCH Engineering公司總裁Méndez博士作了光纖傳感器應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的綜述報(bào)告(Méndez， 2017)。他首先強(qiáng)調(diào)了監(jiān)測的必要性——通過監(jiān)測可獲得巖土體的原位性質(zhì)和構(gòu)筑物在工期/工后的狀態(tài)和安全性。光纖傳感器因具有抗電磁干擾、扛雷擊、耐腐蝕、精度高等優(yōu)點(diǎn)而在監(jiān)測領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可以監(jiān)測應(yīng)變、溫度、壓力、加速度、位移、濕度、化學(xué)量等多種參量。他詳細(xì)介紹了光纖傳感器應(yīng)用于大型基礎(chǔ)設(shè)施和歷史遺跡的監(jiān)測案例，如墨西哥恰帕斯大橋、希臘公立學(xué)校教學(xué)樓、北京“鳥巢”體育場、美國拉什莫爾山總統(tǒng)巨型頭像等。在巖土和地質(zhì)工程領(lǐng)域，光纖傳感技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于監(jiān)測隧道、管道、樁基、滑坡和路堤(圖4)，涌現(xiàn)出一批專業(yè)的科研團(tuán)隊(duì)和技術(shù)骨干。

圖4 葡萄牙路堤降雨入滲分布式光纖監(jiān)測(Méndez， 2017)Fig. 4 Distributed fiber optic sensing of road embankment under rainfall infiltration in Portugal(Méndez， 2017)

美國匹茲堡大學(xué)Chen教授團(tuán)隊(duì)針對DFOS技術(shù)在核電基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測中的應(yīng)用開展了系統(tǒng)的研究工作(Chen， 2017)。常規(guī)的傳感器很難在核電站這樣的強(qiáng)電磁干擾及輻射環(huán)境下正常工作。他們利用摻鋁光纖實(shí)現(xiàn)了分布式輻射監(jiān)測，最高空間分辨率達(dá)1cm。為了監(jiān)測核反應(yīng)堆內(nèi)的異常事件，他們采用超快激光研發(fā)了特殊的FBG和OFDR傳感器，可在800￣￣℃高溫和1014n*cm-2*s-1中子通量環(huán)境中穩(wěn)定工作。未來光纖傳感器還將用于核反應(yīng)堆內(nèi)分布式聲波、壓力和化學(xué)監(jiān)測。

美國芝加哥大學(xué)伊利諾伊分校Ansari教授長期從事土木結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施健康監(jiān)測研究。他的報(bào)告詳細(xì)介紹了如何綜合采用各類分布式光纖傳感器、聲發(fā)射傳感器等，以及結(jié)合MEMS技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)等多種手段，對橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施健康狀態(tài)、結(jié)構(gòu)損傷、腐蝕與開裂進(jìn)行監(jiān)測與評價(jià)(Ansari， 2017)。其中，MEMS技術(shù)兼具微型化、低功耗、高集成、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可用于監(jiān)測加速度、傾角、壓力、流量、溫度等參數(shù)，非常適合于野外滑坡等需要無線監(jiān)測的場合(Pei et al.，2017； Yang et al.，2017)。PIV、DIC等數(shù)字圖像法屬于非接觸式監(jiān)測技術(shù)，可以和DFOS等接觸式技術(shù)結(jié)合使用，對監(jiān)測對象的受力變形狀態(tài)進(jìn)行全面的監(jiān)測(Xing et al.，2017)。

美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的Todd教授團(tuán)隊(duì)一直活躍在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。他在論壇報(bào)告中詳細(xì)論述了如何將埋入式FBG準(zhǔn)分布傳感序列應(yīng)用于復(fù)合材料在沖擊荷載作用下的變形響應(yīng)監(jiān)測(Todd et al.，2017)。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了該方法可以準(zhǔn)確定位荷載位置，以及掌握結(jié)構(gòu)的當(dāng)前健康狀態(tài)。

圖5 基于FBG光纖傳感的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)(Zhang et al.，2017)Fig. 5 Overall scheme of FBG-based online tunnel deformation monitoring system(Zhang et al.，2017)

時(shí)域反射法(TDR)是一種遠(yuǎn)程電子測量技術(shù)，自20世紀(jì)90年代開始被應(yīng)用于土木和地質(zhì)領(lǐng)域。美國凱斯西儲大學(xué)余雄教授介紹了他們課題組在該領(lǐng)域的創(chuàng)新工作，包括傳感器的設(shè)計(jì)、封裝和信號處理等(Yu， 2017)。他們采用TDR技術(shù)，在土體液化、凍土路基保護(hù)、施工質(zhì)量控制等多個(gè)方面進(jìn)行了探索、應(yīng)用。除接觸式傳感技術(shù)外，三維激光掃描、視覺傳感、攝影測量、移動(dòng)測量系統(tǒng)等非接觸式傳感技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測中也發(fā)揮著日益重要的作用(Gadi et al.，2017； Lienhart， 2017)。本屆論壇上，Ansari、Garg及Lienhart等多位國外專家的報(bào)告都涉及這一主題。

意大利坎帕尼亞大學(xué)-路易吉萬維泰利Zeni教授介紹了該國在布里淵散射光纖傳感技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用方面的成果(Minardo et al.，2015)。他們將分布式光纖傳感器布設(shè)于意大利San Severo Peschici鐵路路基、路橋和隧洞，驗(yàn)證了分布式動(dòng)態(tài)監(jiān)測的可行性。

韓國國立金烏工科大學(xué)Chang教授長期從事光電傳感工程監(jiān)測研究工作，在韓國成功開展了大量的地質(zhì)災(zāi)害和地基基礎(chǔ)監(jiān)測工程實(shí)踐。他在報(bào)告中分別闡述了鎧裝分布式光纜的生產(chǎn)工藝、室內(nèi)測試及其在鉆孔灌注樁和PHC管樁中的應(yīng)用(Chang， 2017)。英國巴斯大學(xué)Pelecanos博士則介紹了如何使用分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)來建立樁的有限元模型(Pelecanos et al.，2017)。他采用由分布式光纖應(yīng)變得到的t-z曲線對DHHM荷載傳遞模型進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果表明有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場光纖實(shí)測結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了這種方法的可行性，為光纖數(shù)據(jù)后處理提供了一種新的思路。

在國內(nèi)，已經(jīng)有超過30座城市建成了軌道交通系統(tǒng)，地鐵建設(shè)規(guī)劃也不斷創(chuàng)下歷史新高，施工和運(yùn)營期隧道結(jié)構(gòu)的變形和安全性成為人們關(guān)注的重點(diǎn)之一。香港理工大學(xué)倪一清教授課題組研發(fā)了基于FBG的隧道變形在線監(jiān)測系統(tǒng)，包括FBG傳感模塊、數(shù)據(jù)傳輸與存儲模塊和在線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化與預(yù)警模塊(Zhang et al.，2017, 圖5)。他們首先通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了該FBG彎曲傳感器可成功捕捉3種不同變形模式； 目前，他們已將該傳感器成功安裝于我國高速鐵路隧道中。謝雄耀教授介紹了同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的盾構(gòu)隧道施工沉降自動(dòng)化監(jiān)測及數(shù)據(jù)移動(dòng)發(fā)布系統(tǒng)； 該系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測儀器、現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、云端服務(wù)器和用戶端等部分構(gòu)成(Xie， 2017)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析結(jié)果的及時(shí)反饋，可有效保證盾構(gòu)掘進(jìn)和周邊環(huán)境的安全。除了常規(guī)的自動(dòng)全站儀、電子水平尺與靜力水準(zhǔn)儀等設(shè)備，三維激光掃描、超聲波測距等技術(shù)也陸續(xù)被引入隧道變形監(jiān)測(Xu et al.，2017)。

臺灣交通大學(xué)黃安斌教授介紹了他們在FBG巖土工程監(jiān)測方面取得的新進(jìn)展。他們將FBG技術(shù)應(yīng)用于海上氣象桅桿震蕩監(jiān)測，并通過風(fēng)期的監(jiān)測數(shù)據(jù)計(jì)算得到了桅桿樁基周圍土體的剛度(Huang， 2017)。

圖6 基于光頻域反射技術(shù)的降雨型滑坡模型試驗(yàn)(Schenato et al.，2017)Fig. 6 OFDR-based model test of rainfall-triggered landslide(Schenato et al.，2017)

地?zé)崮苁堑厍騼?nèi)部普遍存在的可再生能源，是我國“十三五”期間大力推廣和提倡的重要能源。中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心教授級高級工程師張青博士介紹了他們團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的分布式光纖測溫儀(DTS)，以及在青海共和盆地干熱巖GH-GR1孔開展的深孔分布式溫度測試試驗(yàn)(張青等， 2017)。該試驗(yàn)測深達(dá)3450￣￣m，所測孔內(nèi)最高溫度 191.5i℃。測試結(jié)果表明，全井段總體屬于傳導(dǎo)型溫度曲線，并可分為降溫區(qū)、淺部地層升溫區(qū)、地下水?dāng)_動(dòng)區(qū)、沉積層升溫區(qū)、基巖升溫區(qū)6個(gè)區(qū)段。

2.4 光電傳感技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用

美國GEISE有限公司主席、國際環(huán)境巖土工程學(xué)會(huì)前任主席Inyang教授從洪水、地震、滑坡、干旱等自然災(zāi)害以及爆炸、結(jié)構(gòu)破壞、有毒物質(zhì)排放等人為災(zāi)害出發(fā)，探討了多維、多尺度災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建思路(Inyang， 2017)。他指出，無論是聯(lián)合國2030可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，還是國家層面的發(fā)展計(jì)劃，都應(yīng)涵蓋災(zāi)害預(yù)防和管理； 這有賴于先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)以及創(chuàng)新且經(jīng)濟(jì)有效的傳感器。

意大利是一個(gè)滑坡災(zāi)害頻發(fā)的國家，因此對滑坡預(yù)警工作非常重視。意大利國家研究院水文地質(zhì)保護(hù)研究所 Schenato博士詳細(xì)介紹了他們單位開展的大型邊坡模型試驗(yàn)(6×2×3.5￣￣m，見圖6)(Schenato et al.，2017)。他們采用OFDR技術(shù)，以1￣￣cm空間分辨率采集了人工降雨誘發(fā)淺層滑坡過程中坡體內(nèi)部的應(yīng)變演化。他們發(fā)現(xiàn)在滑坡動(dòng)力學(xué)方面，相比傳統(tǒng)的水文類傳感器(孔隙水壓力計(jì)、體積含水率探針等)，光纖傳感器能提供更多的信息，在滑坡預(yù)警系統(tǒng)中能為降雨閾值的準(zhǔn)確設(shè)定提供參考依據(jù)。

中國香港地區(qū)歷史上曾發(fā)生過多次嚴(yán)重的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害事件，因此對災(zāi)害防治有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。香港理工大學(xué)殷建華教授課題組基于FBG技術(shù)研制了張力傳感器、壓力傳感器和基底摩擦力傳感器，并將其應(yīng)用于落石和泥石流沖擊柔性防護(hù)網(wǎng)的大型物理模型試驗(yàn)(Yin et al.，2018)。他們將FBG傳感器安裝在柔性防護(hù)網(wǎng)上(圖7)，將FBG壓力和摩擦力傳感器安裝在滑床上，以探究落石、礫石和完全風(fēng)化花崗巖土等不同物源沖擊柔性防護(hù)網(wǎng)時(shí)傳感器的變形響應(yīng)。香港大學(xué)岳中琦教授在會(huì)上作了題為“災(zāi)難性滑坡監(jiān)測和預(yù)警的機(jī)遇、挑戰(zhàn)與案例分析”的報(bào)告(Yue， 2017)。他以2015年12月20日深圳光明渣土受納場高速遠(yuǎn)程滑坡為例，在現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，深入剖析了該滑坡的成因機(jī)制。他認(rèn)為，光電傳感監(jiān)測是實(shí)現(xiàn)災(zāi)難性滑坡預(yù)警的必要手段。

圖7 安裝有FBG張力傳感器的柔性泥石流防護(hù)網(wǎng)(Yin et al.，2018)Fig. 7 A flexible barrier installed with FBG-SG tension transducers(Yin et al.，2018)

煤層采動(dòng)容易引起地層的沉降變形、覆巖破壞、地面塌陷等問題。西安科技大學(xué)柴敬教授介紹了光電傳感技術(shù)在煤層采動(dòng)引起覆巖變形模型試驗(yàn)中的應(yīng)用(Chai et al.，2017)。在三維相似比例模型試驗(yàn)中，他們綜合運(yùn)用了多種傳感技術(shù)：采用BOTDA、FBG和全站儀監(jiān)測巖體沉降變形； 采用ROTDR和FBG監(jiān)測巖體溫度； 采用聚酰亞胺涂敷的FBG監(jiān)測巖體濕度。他們發(fā)現(xiàn)光纖布里淵頻移與全站儀測得的巖層變形有很好的對應(yīng)性，驗(yàn)證了光纖監(jiān)測結(jié)果的可靠性。DFOS技術(shù)為煤層采動(dòng)過程中覆巖變形破壞監(jiān)測，覆巖離層發(fā)育、來壓判別及“三帶”分布等方面的研究提供了新的思路和方法(劉少林等， 2016； 程剛等， 2017； 柴敬等， 2018)。

中國海洋大學(xué)賈永剛教授綜述了海洋地質(zhì)災(zāi)害及海底工程環(huán)境的原位觀測技術(shù)進(jìn)展(Jia， 2017)。他強(qiáng)調(diào)，原位觀測是研究海洋地質(zhì)災(zāi)害孕育機(jī)理及預(yù)測其發(fā)生過程的必要手段，而光電傳感監(jiān)測可以在海洋工程地質(zhì)及海洋地質(zhì)災(zāi)害防治中發(fā)揮巨大的作用。

南京大學(xué)施斌教授在十余年地質(zhì)工程分布式光纖傳感技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了“大地感知系統(tǒng)與大地感知工程”的概念(施斌， 2017)。分布式光纖傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大地感知、減輕各類地質(zhì)災(zāi)害的重要手段，尤其在沉降監(jiān)測中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(Kunisue et al.，2010； Chai et al.，2011； Hauswirth et al.，2014； Klar et al.，2014； Wu et al.，2015； 侯公羽等， 2017； 盧毅等， 2018； Zhang et al.，2018)。南京大學(xué)近年來針對我國東部地區(qū)地面沉降問題，研發(fā)了鉆孔全斷面分布式光纖監(jiān)測技術(shù)(圖8)，與傳統(tǒng)分層沉降標(biāo)相比可節(jié)約大量的監(jiān)測成本。

圖8 鉆孔全斷面光纖監(jiān)測示意圖(施斌等， 2018)Fig. 8 Schematic of borehole full section monitoring using DFOS techniques(Shi et al.，2018)

2.5 研究進(jìn)展小結(jié)

本節(jié)歸納了光電感測解調(diào)技術(shù)、光電感測元件和傳感器研發(fā)以及光電傳感技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施及地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用等方面的最新進(jìn)展。值得注意的是，DAS技術(shù)是當(dāng)前科技界一個(gè)新的研究熱點(diǎn)(He， 2017； Zhang， 2017)。該技術(shù)在地震探測與監(jiān)測中的可行性是國際上競相探索的問題(Dou et al.，2017； Grocholski， 2017； Lindsey et al.，2017； Jousset et al.，2018)。本屆論壇也表明，高空間分辨率(厘米甚至毫米級)的分布式光纖傳感技術(shù)正逐漸應(yīng)用于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場測試(如TW-COTDR與OFDR； 孫義杰等， 2017； Schenato et al.，2017， 2018； Kogure et al.，2018)，這將有助于我們更精細(xì)化地監(jiān)測地質(zhì)和巖土體變形，從而揭示其災(zāi)變機(jī)理。

3 未來研究的發(fā)展趨勢和熱點(diǎn)

從本屆論壇可以看出，光電傳感技術(shù)在地質(zhì)和巖土工程監(jiān)測方面的重要性日益凸顯，無論在基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究方面，均呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。該領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)也日益增多。例如，斯坦福大學(xué)2017年主辦的第11屆結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測國際研討會(huì)(IWSHM)，ISHMII學(xué)會(huì)2016年主辦的CSHM-6等系列會(huì)議，劍橋大學(xué)分別于2015和2016年主辦的土木工程和基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大會(huì)、智能基礎(chǔ)設(shè)施與建設(shè)國際會(huì)議(ICSIC)等。

在技術(shù)培訓(xùn)方面，國際上先后出現(xiàn)了“巖土和結(jié)構(gòu)監(jiān)測國際課程”(IcGSM)、“基于光纖的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測短期課程”等。前者由巖土監(jiān)測領(lǐng)域的權(quán)威專家Dunnicliff于2014年發(fā)起，至今已經(jīng)舉辦了六屆，舉辦地均在意大利，總學(xué)員超過400人。后者由普林斯頓大學(xué)主辦，Roctest等公司協(xié)辦，每年1次，會(huì)期均為1￣￣d。

在DFOS技術(shù)方面，隨著工程實(shí)踐日益增多，系統(tǒng)的規(guī)范化是當(dāng)務(wù)之急，各國、各地區(qū)亟須制定相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和指南。繼美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)于2013年推出兩本指南之后，劍橋大學(xué)CSIC中心于2016年主編了一部指南，題為《Distributed Fibre Optic Strain Sensing for Monitoring Civil Infrastructure-A Practical Guide》(Kechavarzi et al.，2016)。南京大學(xué)施斌教授團(tuán)隊(duì)編著的《地質(zhì)與巖土工程分布式光纖監(jiān)測技術(shù)》也已付梓出版(施斌，2019)。

從以上綜述以及本屆論壇的報(bào)告中可以看出，在地質(zhì)和巖土工程分布式光電傳感監(jiān)測研究領(lǐng)域，今后的研究熱點(diǎn)包括以下3個(gè)方面：

(1)研發(fā)高性價(jià)比的分布式溫度傳感(DTS)、分布式應(yīng)變傳感(DSS)解調(diào)技術(shù)，以及分布式聲波傳感(DAS)和分布式化學(xué)傳感(DCS)等新型分布式光纖傳感技術(shù)。

(2)針對地質(zhì)和巖土工程監(jiān)測的特定要求，研發(fā)新型光電傳感器(如滑面剪切變形傳感器、巖土體多維大變形傳感器、地應(yīng)力場傳感器、分布式滲流場傳感器等)，并提出適應(yīng)惡劣地質(zhì)環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)(如活斷層，高圍壓、富水地層，不均勻變形和局部沉降、塌陷地層等)的傳感器布設(shè)工藝，解決傳感器和周圍巖土體之間的協(xié)調(diào)變形、參數(shù)匹配等問題。

(3)基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和人工智能等分析技術(shù)，研發(fā)海量監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對各類地質(zhì)災(zāi)害和潛在事故的早期識別和預(yù)警預(yù)報(bào)。

4 結(jié) 語

第六屆地質(zhì)(巖土)工程光電傳感監(jiān)測國際論壇(6thOSMG-2017)已圓滿結(jié)束。本屆論壇是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者熱烈討論、深入交流的一次盛會(huì)，為促進(jìn)光電傳感監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，提高我國地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域的監(jiān)測水平起到了良好的作用。我們將繼續(xù)努力，把這一論壇辦好!

致 謝本系列論壇一直以來得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)的大力支持，在此表示衷心的感謝!