李有根

(中國水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計(jì)院，四川成都 611730)

1 分布式光纖監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)

近年來，為改進(jìn)傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測方法，將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域，以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的外部荷載，測量內(nèi)部溫度、應(yīng)力、應(yīng)變及由外部荷載引起的損傷已成為人們研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國家逐步將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控。國內(nèi)的專家學(xué)者也成功地將其應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測并取得了一定的研究成果。

分布式光纖傳感器是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，測試用光纖的跨距可達(dá)幾十千米，分辨率高，誤差小。要獲得一個(gè)具有一定跨度范圍的整個(gè)溫度信息(或分布的應(yīng)力、應(yīng)變)，使用傳統(tǒng)的單點(diǎn)移動(dòng)式或由多個(gè)單點(diǎn)組成的準(zhǔn)分布式傳感方式既耗時(shí)、耗資，又在布線上很困難，其性能價(jià)格比是很低的。而這時(shí)使用完全分布式溫度傳感器顯然是最有效的方法。這就要求介質(zhì)既要有高的靈敏度，又能有效地傳輸所感應(yīng)的信號(hào)。光導(dǎo)纖維就具有這種雙重特性，而且其還具有抗電磁干擾、防燃、防爆、尺寸極小、對(duì)被測溫度場的影響小等其它介質(zhì)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。

20世紀(jì)70年代，光纖監(jiān)測技術(shù)伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)相比，光纖監(jiān)測技術(shù)具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn):

(1)光纖傳感器的光信號(hào)作為載體，光纖為媒質(zhì)，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，該傳感器具有耐腐蝕，抗電磁干擾，防雷擊等特點(diǎn)，屬本質(zhì)安全。

(2)光纖本身輕細(xì)纖柔，光纖傳感器的體積小，重量輕，不僅便于布設(shè)安裝，而且對(duì)埋設(shè)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無損埋設(shè)。

(3)靈敏度高，可靠性好，使用壽命長。

分布式光纖監(jiān)測技術(shù)除了具有以上特點(diǎn)外，還具有以下兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn):

(1)可以準(zhǔn)確的測出光纖沿線任一點(diǎn)的監(jiān)測量，信息量大，成果直觀。

(2)光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡單，不僅方便施工，且其潛在故障大大低于傳統(tǒng)技術(shù)，可維護(hù)性強(qiáng)，而且性能價(jià)格比高。

2 分布式光纖監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的分類

從監(jiān)測內(nèi)容看，當(dāng)前分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在我國的應(yīng)用大致可分為四類。

第一類是溫度監(jiān)測。如設(shè)置于新疆石門子碾壓混凝土拱壩內(nèi)的分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng);設(shè)置于三峽大壩內(nèi)的分布式測溫系統(tǒng);設(shè)置于廣東長調(diào)水電站混凝土面板的溫度監(jiān)測系統(tǒng)等。由于分布式光纖監(jiān)測測點(diǎn)多，信息量大，均獲得了較好的監(jiān)測成果，較全面地反映了大壩溫度場的分布情況。

第二類是滲流定位監(jiān)測。如設(shè)置于廣東長調(diào)水電站面板周邊縫的分布式光纖溫度-滲流監(jiān)測系統(tǒng)。水庫蓄水期間，即發(fā)現(xiàn)周邊縫有幾處滲漏點(diǎn)，對(duì)滲漏定位相當(dāng)有效。

第三類是位移和隨機(jī)裂縫監(jiān)測。如設(shè)置于隔河巖電站水庫覃家田滑坡中的螺旋型分布式光纖位移監(jiān)測系統(tǒng);設(shè)置于湖北古洞口面板堆石壩面板上的隨機(jī)裂縫光纖自診斷系統(tǒng)。由于單模光纖抗拉強(qiáng)度不高，能測隨機(jī)裂縫的縫寬不大，當(dāng)裂縫寬度大于2 mm時(shí)，光纖易被拉斷。因此，對(duì)隨機(jī)裂縫的監(jiān)測生命期尚不長。

第四類是裂縫監(jiān)測。如設(shè)置于古洞口水電站面板堆石壩周邊縫與面板間縫隙中的準(zhǔn)分布式光纖測縫計(jì)監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測，也獲得了光纖測縫計(jì)埋設(shè)處縫寬變化的較好效果。

3 兩種分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)其實(shí)就是分布調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)。所謂分布調(diào)制，就是沿光纖傳輸路徑上的外界信號(hào)以一定的方式對(duì)光纖中的光波進(jìn)行不斷調(diào)制(傳感)，在光纖中形成調(diào)制信息譜帶，并通過獨(dú)特的檢測技術(shù)，介調(diào)調(diào)制信號(hào)譜帶，從而獲得外界場信號(hào)的大小及空間分布。因此，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)通常由激光光源、傳感光纖(纜)和檢測單元組成，是一種自動(dòng)化的監(jiān)測系統(tǒng)。

按照調(diào)制方式的不同，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)分為分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)和分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)或準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)和分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。

3.1 分布式傳光型(準(zhǔn)分布式)光纖監(jiān)測系統(tǒng)

分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)是:將空間分布的相同調(diào)制類型的光纖傳感器耦合到一根或多根光纖總線上，通過尋址、介調(diào)進(jìn)行檢測。分布式傳光型監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是多個(gè)分立式光纖傳感器的復(fù)用系統(tǒng)，故又稱準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)或非本征型分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。光纖總線僅起傳光作用，不起傳感作用。根據(jù)尋址方式的不同，分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)可分為時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、頻分復(fù)用、偏分復(fù)用和空分復(fù)用等幾類。其中，時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)較成熟，復(fù)用的點(diǎn)數(shù)較多。

(1)時(shí)分復(fù)用。

時(shí)分復(fù)用靠耦合于同一根光纖上的傳感器之間的光程差，即光纖對(duì)光波的延遲效應(yīng)來尋址。當(dāng)一脈寬小于光纖總線上相鄰傳感器之間的傳輸時(shí)間的光脈沖自光纖總線輸入端注入時(shí)，由于光纖總線上各傳感器距光脈沖發(fā)射端的距離不同，在光纖總線的終端(或始端)將會(huì)接收到許多光脈沖，其中每一個(gè)光脈沖對(duì)應(yīng)光纖總線上的一個(gè)傳感器，光脈沖的延時(shí)即反應(yīng)傳感器在光纖總線上的地址，光脈沖的幅度或波長的變化即反應(yīng)該點(diǎn)被測量的大小。在這里，注入的光脈沖越窄，傳感器在光纖總線上的允許間距越小，可耦合的傳感器就越多，但是，其對(duì)介調(diào)系統(tǒng)的要求越苛刻。

(2)波分復(fù)用。

波分復(fù)用是通過光纖總線上各傳感器的調(diào)制信號(hào)的特征波長尋址。由于各傳感器的特征波長不同，通過濾波/解碼系統(tǒng)即可求出被測信號(hào)的大小和位置。該法因一些部件的限制，總線上允許的傳感器數(shù)目不多，一般為8～12個(gè)。

(3)頻分復(fù)用。

頻分復(fù)用是將多個(gè)光源調(diào)制在不同的頻率上，經(jīng)過各分立的傳感器匯集在一根或多根光纖總線上，每個(gè)傳感器的信息即包含在總線信號(hào)中的對(duì)應(yīng)頻率分量上。采用光源強(qiáng)度調(diào)制的頻分復(fù)用技術(shù)可用于光強(qiáng)調(diào)制型傳感器，采用光源光頻調(diào)制的頻分復(fù)用技術(shù)可用于光相位調(diào)制型傳感器。

(4)空分復(fù)用。

空分復(fù)用是將各傳感器的接收光纖的終端按空間位置編碼，通過掃描機(jī)構(gòu)控制光開關(guān)選址。這時(shí)，開關(guān)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)合理布置，信道間隔應(yīng)選擇合適，以保證在某一時(shí)刻單光源僅與一個(gè)傳感器通道相連?？辗謴?fù)用的優(yōu)點(diǎn)是能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行空間選址。實(shí)際復(fù)用的傳感器不能太多，以少于10個(gè)為佳。

準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)通過將多個(gè)相同類型或不同類型的傳感器在一條光纖上串接復(fù)用，減少了傳輸線路，方便了施工，大大簡化了線路的布設(shè)，并且可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測量，從而避免了以往逐點(diǎn)測量不同步的弊端。但是，準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)存在以下不足:

(1)由于分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)是通過一條光纖將若干個(gè)光纖傳感器串接而成，系統(tǒng)的光功率損耗較大，因此，一條光纖只能接入有限的光纖傳感器，如分布式光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)一般僅能接入8～12個(gè)光纖傳感器。

(2)分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是多個(gè)單測點(diǎn)光纖傳感器的串接復(fù)用系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)埋設(shè)安裝后，測點(diǎn)無法增加。

3.2 分布式傳感型(分布式)光纖監(jiān)測系統(tǒng)

分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，光纖總線不僅起傳光作用，還起傳感作用，所以，分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)又稱本征分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)或全分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，簡稱為分布式光纖檢測系統(tǒng)。分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)具有下列優(yōu)點(diǎn):

(1)信息量大。分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)能在整個(gè)連續(xù)光纖的長度上以距離的連續(xù)函數(shù)形式傳感出被測參數(shù)隨光纖長度方向的變化，即光纖任一點(diǎn)都是“傳感器”，它的信息量可以說是海量信息。

(2)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。由于分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)的光纖總線不僅起傳光作用，而且起傳感作用，因此其結(jié)構(gòu)異常簡單，且方便施工，潛在故障少，可維護(hù)性好，可靠性高。

(3)使用方便。光纖埋設(shè)后，測點(diǎn)可以按需要設(shè)定，可以取2 m距離為一個(gè)測點(diǎn)，也可以取1 m距離為一個(gè)測點(diǎn)等，且按需要可以改變設(shè)定。因此，在病害定位監(jiān)測時(shí)極為方便。

(4)性能價(jià)格比高。目前，光纖價(jià)格不高，一條光纖的測點(diǎn)又可達(dá)成百上千個(gè)，因此，每一個(gè)測點(diǎn)的價(jià)格就遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)單測點(diǎn)的價(jià)格，性能價(jià)格比相當(dāng)好。

分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)相對(duì)于電信號(hào)為基礎(chǔ)的傳感監(jiān)測系統(tǒng)和點(diǎn)式光纖監(jiān)測系統(tǒng)而言，無論是從監(jiān)測技術(shù)的難度、監(jiān)測量的內(nèi)容及指標(biāo)，還是從監(jiān)測的場合和范圍都將其提高到了一個(gè)新的階段。

4 分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的展望

當(dāng)前，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)主要是一種時(shí)域分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，其技術(shù)基礎(chǔ)是光時(shí)域反射技術(shù) OTDR(optical time—domain reflectormetry)。OTDR最初用于評(píng)價(jià)光學(xué)通信領(lǐng)域中光纖、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗(yàn)光纖損耗特性、光纖故障的手段，其工作機(jī)理是脈沖激光器向被測光纖發(fā)射光脈沖，該光脈沖通過光纖時(shí)由于光纖存在折射率的微觀不均勻性，以及光纖微觀特性的變化，有一部分光會(huì)偏離原來的傳播向空間散射，在光纖中形成后向散射光和前向散射光。其中后向散射光向后傳播至光纖的始端，經(jīng)定向耦合器送至光電檢測系統(tǒng)。由于每一個(gè)向后傳播的散射光對(duì)應(yīng)光纖總線上的一個(gè)測點(diǎn)，散射光的延時(shí)即反應(yīng)在光纖總線上的位置。

從光纖返回的后向散射光具有三種成分:

(1)由光纖折射率的微小變化引起的瑞利(RayLeigh)散射，其頻率與入射光相同;

(2)由光子與光聲子相互作用而引起的拉曼(Raman)散射，其頻率與入射光相差幾十太赫茲;

(3)由光子與光纖內(nèi)彈性聲波場低頻聲子相互作用而引起的布里淵(Brillouin)散射，其頻率與入射光相差幾十吉赫茲。

因此，時(shí)域分布光纖檢測系統(tǒng)按光的載體可分為三種形式:基于拉曼散射的分布式光纖檢測系統(tǒng)、基于瑞利散射的分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)和基于布里淵散射的分布式光纖檢測系統(tǒng)。當(dāng)前，前兩種形式的研究和應(yīng)用較多，后一種形式是國際上近年來才研發(fā)出來的一項(xiàng)尖端技術(shù)，國內(nèi)的研究才剛剛起步。由于后一種形式可用來測量光纖沿線的應(yīng)變分布，可以預(yù)計(jì)，不久將在這方面有所突破，并且前兩種形式將發(fā)展成更多的應(yīng)用種類，逐漸向大壩安全監(jiān)測的各個(gè)領(lǐng)域滲透。光纖網(wǎng)絡(luò)布置形式將更趨豐富多樣，更趨科學(xué)合理。

與此同時(shí)，準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)將獲得較大發(fā)展，以光纖應(yīng)變計(jì)組成的三向應(yīng)變和二向應(yīng)變的準(zhǔn)分布式監(jiān)測系統(tǒng)將面世;同一壩段的一些非物理場類監(jiān)測量，如裂縫監(jiān)測及同一區(qū)域一些非物理場類監(jiān)測量，如預(yù)應(yīng)力監(jiān)測將出現(xiàn)更多的準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，從而使相關(guān)量獲得同步觀測，將大大提高觀測資料的質(zhì)量。

5 結(jié)語

分布式光纖監(jiān)測技術(shù)是當(dāng)代高科技的結(jié)晶，是一種理想的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，廣大安全監(jiān)測工作者應(yīng)予以積極推廣。

分布式光纖經(jīng)久耐用，安全可靠，由其構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以遍布?jí)误w，這些光纖網(wǎng)絡(luò)猶如神經(jīng)系統(tǒng)，可以感知壩體各部位的相關(guān)信息，大壩因此而有望成為一種機(jī)敏結(jié)構(gòu)。