光纖傳感技術的新基建應用

李東明 高健

（第七一五研究所，杭州，310023）

隨著“萬物互聯(lián)”和“智慧城市”概念的興起，物聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，作為其中重要的感知技術之一，光纖傳感技術因具有抗電磁干擾、電絕緣性、效率高、成本低、維護便利、壽命長等優(yōu)勢引起了眾多領域專家的關注。該技術利用光纖同時作為傳感敏感元件和傳輸信號介質，可感知光纖沿線上的外界信號，包括應力、彎曲、溫度、振動等[1]。國內外學者相繼研究光纖傳感技術應用于各領域的可行性和可靠性，尤其是新基建領域，包括交通土建結構監(jiān)測、航天航空結構監(jiān)測、地球物理探索、周界安防、管線監(jiān)測、地下空間監(jiān)測和電力監(jiān)測等。

1 光纖傳感技術

光纖傳感技術主要包括點式光纖傳感技術和分布式光纖傳感技術，其中前者以光纖光柵傳感技術為代表，技術和市場均已成熟。相比之下，分布式光纖傳感則較為年輕，其中以分布式光纖聲波/振動傳感技術、分布式光纖應變/溫度傳感技術和分布式光纖溫度傳感技術為代表。

分布式光纖聲波/振動傳感技術可對光纖沿線的振動/聲波信號進行感知、定位、識別，可實時監(jiān)測管道泄漏、第三方入侵、周界安防、車輛軌跡等，具有范圍廣、定位準、成本低、壽命長等優(yōu)勢。分布式光纖應變/溫度傳感技術可實時在線監(jiān)測光纖沿線的應變或溫度信息，針對大型結構的監(jiān)測具有長距離、無盲區(qū)、全覆蓋等明顯優(yōu)勢，并且能夠實現(xiàn)對異常情況的精確定位和及時報警，有效預防結構損傷進一步擴大而導致的災害。分布式光纖溫度傳感技術可還原光纖沿線任意一點處的溫度信號，針對電纜溫度、火災預警等具有良好的應用效果。

光纖傳感作為感知手段，其應用領域較為廣泛。結合應用領域的特點，還將配套各相關行業(yè)數(shù)學建模、信號處理、數(shù)據(jù)分析、物理解釋、AI 等技術，使得其更有應用價值。

2 光纖傳感技術的應用

2.1 交通土建結構監(jiān)測

2.1.1 橋梁結構監(jiān)測

為保障交通土建大型結構的安全與健康，需要一種切實有效的監(jiān)測手段對其進行實時在線監(jiān)測。傳統(tǒng)的監(jiān)測手段措施主要以電學傳感器為主，然而，電學傳感器壽命短、維護成本高，因此國內外專家學者先后開展了基于光纖傳感技術的橋梁結構監(jiān)測研究[2-6]，但這些僅僅還停留在試驗研究階段。國內真正將光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器結合應用于工程實踐的是象山港大橋和清水浦大橋結構健康監(jiān)測系統(tǒng)[7]。該健康監(jiān)測系統(tǒng)共使用光纖光柵傳感器210 個，分布式光纖10 km，真正實現(xiàn)了橋梁結構的全方位無死角智能監(jiān)測。

將光纖光柵和分布式光纖傳感技術相結合，在被測結構關鍵部位及整體結構采用植入、表貼、錨固等多種方式，將光纖光柵傳感器和分布式傳感光纖與被測結構形成一個整體，從而將光纖傳感器變成結構體的智能傳感神經監(jiān)測網(wǎng)絡，實現(xiàn)被測結構物的全壽命周期實時在線監(jiān)測，對于提高我國大型基礎設施、大型結構裝備和地質災害的安全監(jiān)測能力，提升公共安全水平，以及減小經濟損失和社會影響具有重要意義。

2.1.2 鐵路結構監(jiān)測

鐵路軌道具有距離長和軌道損傷分布離散性大的特點，因此，可實現(xiàn)結構大范圍變形監(jiān)測的分布式光纖傳感技術是一種更為切合鐵路軌道結構病害監(jiān)測要求的監(jiān)測技術。分布式光纖聲波傳感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）技術將無源光纖作為傳感與傳輸器件，可以實現(xiàn)光纖沿線擾動信號的空間連續(xù)感知，具有靈敏度高、無需現(xiàn)場供電、抗電磁干擾、可長距離分布式測量、單位距離成本低等特點，能夠很好地彌補現(xiàn)有技術手段的缺點，符合鐵路運輸領域的應用需求，可以較為快速地融入到現(xiàn)有鐵路線路中，并已逐步在鐵路運輸安全監(jiān)測領域中得到應用。

（1）列車定位與軌跡監(jiān)測

2018 年，德國Cedilnik 等[8]采用DAS 技術從列車與鐵軌角度對列車行駛的二維振動數(shù)據(jù)進行分析，展示了鐵軌與列車的特性，為列車定位檢測與鐵軌健康監(jiān)測提供了技術基礎。

（2）軌道沿線安全監(jiān)測

在鐵路沿線安全檢測中，需要對非法施工信號、環(huán)境噪聲和列車行駛振動進行區(qū)分，并產生必要的警報。2013 年，英國OptaSense 公司與美國BNSF運輸公司率先提出了基于DAS 的鐵路沿線落石檢測[9]，檢測準確率達到95%。

（3）鐵軌缺陷檢測

鋼軌焊縫的質量、鋼軌的損傷等軌道異常狀態(tài)，都會對高速運行在上面的列車造成致命影響。2020年，英國南安普頓大學David M 采用基于3×3 耦合器解調方法的DAS 技術實現(xiàn)了鋼軌在不同載荷下的分布式動態(tài)應變監(jiān)測[10]。

2.2 航空航天結構監(jiān)測

航空航天機體的結構壽命決定了其使用壽命，因此及時發(fā)現(xiàn)航空航天結構存在的損傷是十分重要的。由于使用環(huán)境的隨機性、復雜性和嚴酷性，航空航天結構損傷的發(fā)生隨機、偶然，更難以監(jiān)測。傳統(tǒng)電學應變監(jiān)測方法由于壽命短、引線眾多且沉重，無法滿足航空航天結構監(jiān)測需求。光纖傳感技術具有抗電磁干擾、電絕緣性、結構輕、壽命長、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，因而受到航天航空領域的廣泛關注。

光纖光柵傳感技術已在航空航天領域開展了一些應用，如結構健康監(jiān)測、溫度監(jiān)測、形態(tài)測量等[11-14]。典型的是在2014 年南京航空航天大學采用光纖光柵傳感技術對主戰(zhàn)飛機的結構應變測量進行了理論分析和實驗驗證，并與傳統(tǒng)應變片測試數(shù)據(jù)進行對比，結果表明光纖光柵技術測試效果良好[15]。而早在2006 年南京航空航天大學便研發(fā)了大型盒段級壓電-光纖綜合結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，并利用該套系統(tǒng)首次對某型無人機機翼盒段試驗件進行了健康監(jiān)測的地面實驗驗證，取得了良好的效果[15]。

2.3 地球物理探索

目前，用于海洋地球物理觀測的光纖傳感技術分別為分布式光纖聲波傳感[16-19]、超穩(wěn)頻干涉儀[20]及偏振狀態(tài)分析[21]。

DAS 的空間分辨率最高可達1 m，最長可探測距離為100 km。目前DAS 方法已成功應用于大陸與海底的地震測量，實現(xiàn)了對海洋波浪、海洋表面重力波以及地震波的探測，對地震學和海洋科學研究有重要意義。超穩(wěn)定激光干涉技術通過干涉分析測量飛秒級（10-15s）激光時延，能監(jiān)測數(shù)千公里光纖中微米級長度變化，將洲際海底光纜轉變?yōu)榈卣饍x。近期，加州理工大學聯(lián)合谷歌公司采用偏振狀態(tài)分析法成功利用海底上萬公里的通訊光纜監(jiān)測海底地震和海浪運動，如墨西哥Oaxaca Mw7.4級地震等，但該方法僅對較強的地震信號有效。

由此可知，目前對于光纖傳感應用于海洋地球物理觀測的主要性能需求為：長距離、高空間分辨率和高測量精度。在已有的光纖傳感技術中，這三項性能指標無法同時滿足。然而，隨著近年來分布式光纖聲波傳感器領域的突破性進展，如相位噪聲補償、脈沖壓縮技術等，使用新一代高性能分布式光纖聲波傳感器有望對海洋地球物理觀測帶來全新的變革。

2.4 周界安防

周界入侵防范系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，由國家要害部門擴展到當今的重要公共場所、大型建筑、金融、交通、社區(qū)等各個領域。目前國外多家公司擁有基于分布式光纖傳感器的周界安防系統(tǒng)技術。比如 Senstar-Stellar 公司開發(fā)的 Intelli FIBER 系統(tǒng)是基于測量多模光纖中偏振態(tài)變化[22]；Optic Phase 公司基于Sagnac 干涉儀開發(fā)了探測安防系統(tǒng)[23]；美國Fiber Sensys 公司開發(fā)了許多用于入侵檢測光纖防衛(wèi)產品。

目前國內周界安防領域也在大力發(fā)展，其中以分布式光纖傳感技術最為突出。與以點式、準分布式為主的傳統(tǒng)光纖傳感器不同，智能分布式光纖傳感器集傳感與傳輸為一體，能夠實現(xiàn)單模光纖全程特征信息探測并完成入侵事件智能識別。結合物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，未來的安防系統(tǒng)也將進入融合發(fā)展階段，即形成安防設備集成聯(lián)動管理平臺，從而真正實現(xiàn)智慧安防建設。

2.5 管線監(jiān)測

傳統(tǒng)管道檢測技術存在效率低、成本高、周期長等不足，并且不能實現(xiàn)管道運行階段的實時監(jiān)測，難以預警管道在突發(fā)情況下的運行狀態(tài)。對于埋地管道、海底管道等環(huán)境較為復雜的情況，無法實現(xiàn)管道整體實時監(jiān)測，對管道失效的預警具有一定的滯后性[24]。因此必須研究合適的監(jiān)測系統(tǒng)對管道的結構狀態(tài)進行實時監(jiān)測，降低管道的失效概率。

利用光纖傳感技術對地下管線進行監(jiān)測，主要是基于溫度、應變和振動的微小變化，獲取管道完整性和安全性方面的信息，進而實現(xiàn)上述地下管線的安全監(jiān)測。目前，光纖傳感技術在地下管線監(jiān)測方面的研究主要圍繞6 個方面開展。

（1）管線泄漏監(jiān)測[25]：主要通過 DTS（Distributed Temperature Sensing）監(jiān)測泄漏部位的溫度變化實現(xiàn)管道泄漏的定位。研究表明監(jiān)測精度高，定位準確。

（2）第三方入侵監(jiān)測[26]：基于DAS 技術的管線第三方入侵監(jiān)測系統(tǒng)能快速區(qū)分正常和異常事件并實現(xiàn)定位，這對于監(jiān)測管道周圍事件十分有效，系統(tǒng)可在第三方入侵造成危害前作出準確的響應、預警，保障管線運行安全。

（3）管線變形監(jiān)測[27-28]：地下管線綜合變形（包括環(huán)向變形和側向變形）的監(jiān)測可通過結合FBG（Fiber Bragg Grating）和BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）兩種技術手段，構建變形監(jiān)測網(wǎng)，有效精確監(jiān)測管道變形。

（4）管線腐蝕監(jiān)測[29]：光纖傳感技術因其耐腐蝕、壽命長、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，適用于復雜環(huán)境下管道的長期腐蝕監(jiān)測，目前關于光纖傳感應用于管道監(jiān)測的研究尚處于研究階段，但已有研究表明FBG 和BOTDA 具有監(jiān)測管道腐蝕的可行性。

（5）管線區(qū)域地質與自然災害監(jiān)測[30]：基于FBG 技術構建一套可同時監(jiān)測管體應變、管土界面壓力、滑坡體表面位移以及深部位移的埋地管道滑坡遠程監(jiān)測預警系統(tǒng)。

（6）海底管道監(jiān)測[31-32]：采用光纖傳感技術構建合理的監(jiān)測系統(tǒng)，獲取海底管道的狀態(tài)參數(shù)，進而對管道內部和周圍可能發(fā)生的不良事件進行預測，在管道出現(xiàn)危險前發(fā)出預警，避免其發(fā)生失效。

目前中國船舶集團第七一五研究所采用分布式光纖聲波/振動技術和分布式應變/溫度技術實現(xiàn)了多個地下管線的泄露監(jiān)測、第三方入侵監(jiān)測、變形監(jiān)測和海底纜線狀態(tài)監(jiān)測。典型工程案例為采用分布式光纖聲波/振動技術實時監(jiān)測杭嘉千引水管道的泄漏情況和第三方入侵情況。

2.6 地下空間監(jiān)測

基于光纖傳感技術的城市地下空間探測系統(tǒng)的相關技術是國際研究熱點和前沿應用，較傳統(tǒng)點式探測具有長距離、分布式、長期監(jiān)測的優(yōu)勢。2015年Nakata 利用檢波器間的信號互相關技術，提取了美國加州長灘地區(qū)的體波信息，并對該地區(qū)的淺地表的縱波速度結構進行了層析成像[33]。2016 年Chang 等利用交通噪聲結合DAS，得到了地下空間層析成像[34]。在美國的新冠肺炎疫情之初，斯坦福大學研究人員將分布式聲波傳感技術用于加利福尼亞州Palo Alto 市地下的通信光纜，有效監(jiān)測了兩個月內的城市交通情況，光纖布設情況及測試結果如圖2 所示[35]。

圖2 國外某項目光纖布設及測試結果圖

以高鐵地震分布式光纖監(jiān)測為例[36]。高鐵列車為移動震源，其經過時記錄的光纖地震波形十分復雜，為了更好地實現(xiàn)基于高鐵地震波場的地下介質結構探測，需要開展光纖高鐵地震波場的正演模擬研究，了解高鐵地震波場的基本特征。隨著我國高鐵和城市軌道交通的大力發(fā)展，智慧管養(yǎng)成為一大研究熱點，光纖傳感技術在該領域大有可為。

2.7 電力監(jiān)測

隨著我國基建的高質量發(fā)展，對電力的需求與日俱增，這不僅要求我們加快電力行業(yè)的建設，而且需要提高電力行業(yè)健康監(jiān)測的智能化水平，實現(xiàn)打造智能電網(wǎng)的發(fā)展要求[37]。

光纖傳感技術在電力行業(yè)的應用可歸納為如下3 個方面：

（1）特高壓變電站光纖監(jiān)測系統(tǒng)，包括特高壓電流光纖監(jiān)測系統(tǒng)和變壓器光纖監(jiān)測系統(tǒng)。特高壓電流監(jiān)測采用全光纖直流電流互感器[38-41]，能夠準確測量特高壓直流輸電一次電流；變壓器光纖監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測和預警變壓器內部運行狀態(tài)，打造智能化的光纖變壓器[42-44]。

（2）架空線路和動力電纜的健康監(jiān)測[45-48]，利用分布式光纖測溫技術、測振技術以及應變監(jiān)測技術對輸電線路和動力電纜進行無盲區(qū)覆蓋和定位，通過監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)智能化預警和定位，為安保人員提供告警、智能分析和輔助決策支持。

（3）發(fā)電機健康監(jiān)測，包括汽輪發(fā)電機和風力發(fā)電機。采用FBG 加速度傳感器對汽輪發(fā)電機釘子振動狀況進行監(jiān)測[49-50]；采用貼片式FBG 應變傳感器對風力發(fā)電機的葉片根部進行應變分布監(jiān)測，得出葉片載荷分布[51]。

3 結論與展望

光纖傳感在橋梁結構監(jiān)測領域和電力監(jiān)測領域的應用較為成熟，其他監(jiān)測領域（鐵路結構監(jiān)測領域、航天航空結構監(jiān)測、地球物理探索、周界安防、管線監(jiān)測和地下空間監(jiān)測）尚在研究階段或工程應用探索階段。應國家“十四五”規(guī)劃需求，隨著新基建朝著數(shù)字化、智能化、高速化等方向轉變，光纖傳感作為感知技術手段之一，在新基建監(jiān)測領域中的發(fā)展趨勢分為以下3 點：

（1）技術發(fā)展：提高分布式光纖傳感技術的精確度，包括提高空間分辨率、降低噪聲影響，能夠高保真探測微弱聲信號；

（2）數(shù)據(jù)挖掘：積累研究階段和工程應用探索

階段的測試數(shù)據(jù)，結合大數(shù)據(jù)分析技術，對數(shù)據(jù)進行深度分析和挖掘，為各領域的運維管養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支撐；（3）應用技術深度發(fā)展：根據(jù)各領域不同的應用場景、不同的關注點、不同的需求，結合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術，為各領域提供模型建立、數(shù)據(jù)解釋、預測告警等功能，共同打造智慧運維管養(yǎng)系統(tǒng)。