王亞茹

西安西電光電纜有限責(zé)任公司，陜西西安 710082

0 引言

采用分布式光纖對災(zāi)害有關(guān)的各種自然因素變化數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、監(jiān)測、測量，可以為災(zāi)害預(yù)報(bào)、預(yù)警提供重要依據(jù)。如，監(jiān)視隧道中電纜溫度的變化以預(yù)報(bào)線路運(yùn)行狀態(tài)；監(jiān)視山體巖石的運(yùn)動和應(yīng)力的變化以預(yù)報(bào)地震和山體滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和地裂縫等。分布式光纖災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是一種實(shí)時(shí)災(zāi)害預(yù)報(bào)傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用光纖作為傳感器，監(jiān)控沿光纖不同位置的應(yīng)力應(yīng)變的變化，與光纖傳輸系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制，連續(xù)測量光纖沿線各點(diǎn)產(chǎn)生的沉降、變形、滲漏、斷裂和侵蝕等工程問題。

1 光纖應(yīng)變測量原理

光在光纖中傳播時(shí)，在反方向會產(chǎn)生散射光，包括了瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。大多數(shù)光纖傳感系統(tǒng)將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏正態(tài)等）發(fā)生變化，稱為被調(diào)制的光信號，再利用被測量對光的傳輸特性施加的影響，完成測量。

光纖在外力作用下長度會發(fā)生變化，會隨負(fù)荷的變化產(chǎn)生伸長量，光纖伸長應(yīng)變ε 由下式給出：

式中：L：光纖長度

Δt ： 差分時(shí)延脈沖

ν ： 與光彈系數(shù)k、真空中光速c 和有效群折射率Neff有關(guān)的常數(shù)。

即光纖伸長應(yīng)變公式為：

布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射過程，在注入光功率不高的情況下，光纖材料分子的布朗運(yùn)動將產(chǎn)生聲學(xué)噪聲，當(dāng)這種聲學(xué)噪聲在光纖中傳播時(shí)，其壓力差將引起光纖材料折射率的變化，從而對傳輸光產(chǎn)生自發(fā)散射作用，同時(shí)聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈現(xiàn)周期性，導(dǎo)致散射光頻率相對于傳輸光有一個(gè)多普勒頻移，由布里淵散射實(shí)驗(yàn)原理可測出散射峰的頻移，線寬及強(qiáng)度。由頻移可直接算出聲速，而聲速主要依賴于光纖所受的應(yīng)力。 因此，布里淵頻移與光纖中的拉伸應(yīng)變密切相關(guān)。這里所說的應(yīng)變是指光纖長度方向上的拉伸應(yīng)變，而忽略橫向壓力引起的應(yīng)變，因?yàn)闄M向應(yīng)力達(dá)到2.2kg/m 時(shí)對布里淵頻移的影響仍很小。

2 分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測原理

光纖應(yīng)變監(jiān)測使用單模光纖。光在單模光纖中傳輸除了受光纖本身的模內(nèi)色散（即材料色散和波導(dǎo)色散）的影響外，還會受到沿著光纜在光纜近處的各種振動、位移、應(yīng)力應(yīng)變及溫度的影響，這些影響最終導(dǎo)致光波的振幅、波長和傳播速度發(fā)生變化。

應(yīng)變監(jiān)測原理采用的是Brillouin 散射光，布里淵散射同時(shí)受應(yīng)變和溫度的影響，當(dāng)光纖沿線存在軸向應(yīng)變時(shí)，光纖中的背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應(yīng)變的變化呈良好的線性關(guān)系，因此通過測量光纖中的背向自然布里淵散射光的頻率漂移量(νB)就可以得到光纖沿線溫度和應(yīng)變的分布信息,應(yīng)變分析系統(tǒng)將這些信息收集起來并進(jìn)行處理，就可以監(jiān)測光纖沿途所出現(xiàn)的各種位移、應(yīng)力應(yīng)變的情況，系統(tǒng)就會做出報(bào)警并對危害點(diǎn)準(zhǔn)確定位。

3 分布式光纖應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測系統(tǒng)檢測原理是利用激光的散射現(xiàn)象。由外界影響光纜近處的振動、位移、應(yīng)力變化等都將改變光波在光纖中傳輸?shù)臈l件，從而改變了光波的散射，波長等參數(shù)。

分布式光纖應(yīng)力應(yīng)變傳感系統(tǒng)組成：

1）將GFRP 分布式應(yīng)變傳感光纜布放在需要監(jiān)控的山體上，同時(shí)利用光纖來感測信號和傳輸信號；

2）采用先進(jìn)的OTDR 技術(shù)和Brillouin 散射光對應(yīng)變敏感的特性，使用傳感分析儀探測出沿著光纖不同位置的應(yīng)力應(yīng)變的變化，監(jiān)測光纖的變形，推斷山體的變化。

4 應(yīng)用場合及方法

在BOTDR 光纖監(jiān)測系統(tǒng)中，光纖同時(shí)作為傳感元件和傳輸介質(zhì)，便于分布式監(jiān)測，可以與通信傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，達(dá)到系統(tǒng)遙測、實(shí)現(xiàn)無人執(zhí)機(jī)控制的目的。此外，光纖體積小、柔軟可彎曲，能夠容易的復(fù)合在基體結(jié)構(gòu)，而不影響基體的性能，連續(xù)測量光纖沿線各點(diǎn)的產(chǎn)生的沉降、變形、滲漏、斷裂和侵蝕等工程問題。

目前，國外產(chǎn)品的測量距離在1km ～30km 范圍內(nèi)，空間定位精度達(dá)到1m 之內(nèi)，應(yīng)變分辨率達(dá)到2με。具有不間斷的自動測量的特點(diǎn)，特別適用于需要大長度、大面積、多點(diǎn)監(jiān)測的應(yīng)用場合。這種光纖傳感技術(shù)采用緊套G625 單模光纖，根據(jù)布放環(huán)境可以采用鋼帶鎧裝層增加強(qiáng)度，因而，在各種特殊場合都具有廣泛的應(yīng)用前景。

山體滑坡監(jiān)測的應(yīng)用：光纖被錨定在山體上，監(jiān)測光纖的變形推斷山體的變化。

隧道安全監(jiān)測的應(yīng)用(應(yīng)變與位移)：光纖沿隧道布放，監(jiān)測光纖的應(yīng)變和位移推斷隧道安全狀態(tài)。

由于分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)(BOTDR)所使用的傳感介質(zhì)是光纖，所以它可以應(yīng)用于各種場合，系統(tǒng)可以測試測量應(yīng)力應(yīng)變，并且分布式測量。

5 結(jié)論

分布式光纖應(yīng)變?yōu)暮ΡO(jiān)測技術(shù)在國外已廣泛應(yīng)用，在國內(nèi)已經(jīng)起步并開始應(yīng)用?？梢灶A(yù)計(jì)的應(yīng)用場合包括地鐵沿線隧道環(huán)境應(yīng)變的監(jiān)測；地震多發(fā)地區(qū)的山體運(yùn)動的監(jiān)測，山區(qū)鐵路沿線山體狀態(tài)的監(jiān)測；山區(qū)泥石流易發(fā)生路基損壞狀態(tài)的監(jiān)測等等。相信隨著該技術(shù)的成熟和推廣，將對我國各種自然災(zāi)害的發(fā)生能啟動預(yù)警發(fā)揮重大作用，同時(shí)對災(zāi)害多發(fā)區(qū)的公路、鐵路運(yùn)行等做出重要貢獻(xiàn)。

[1]張森，等.光纖傳感技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2007(3).

[2]黃春林，李永清，等. BOTDR技術(shù)在山體滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用研究.工程抗震與加固改造，2009(12).