俞志勇,李 青，王燕杰,周澤正,王先進

(中國計量學(xué)院 機電工程學(xué)院，杭州 310018)

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基于BOTDA的堤壩健康監(jiān)控的研究

俞志勇,李 青，王燕杰,周澤正,王先進

(中國計量學(xué)院 機電工程學(xué)院，杭州 310018)

針對堤壩坍塌，為避免傷亡和經(jīng)濟損失，需要對堤壩進行健康監(jiān)控，及時提供預(yù)警；通過BOTDA(Brillouinopticaltimedomainanalysis)技術(shù)，設(shè)計并搭建堤壩實驗平臺，研究用分布式光纖傳感器檢測不同水流量下堤壩的形變；堤壩實驗平臺由恒流量裝置和堤壩兩部分組成，恒流量裝置能精準(zhǔn)的為堤壩提供所需的水流量，不同的水流量會給堤壩施加不同的壓力，堤壩將在不同的水流量下產(chǎn)生相應(yīng)的變形；將分布式光纖傳感器埋入堤壩中，當(dāng)?shù)虊伟l(fā)生形變，光纖會隨著堤壩的變形而被拉伸，運用BOTDA技術(shù)對分布式光纖傳感器進行測量分析，可得光纖的布里淵頻移得數(shù)據(jù)，相應(yīng)地反映了堤壩的變形；研究表明，光纖的布里淵頻移能正確反映出堤壩形變，BOTDA技術(shù)應(yīng)用于堤壩健康監(jiān)控具有良好的監(jiān)控預(yù)警效果。

堤壩；健康監(jiān)控；分布式測量；光纖傳感器；形變

0 引言

堤壩是堤和壩的總稱，也泛指防水?dāng)r水的建筑物和構(gòu)筑物[1]。堤壩最主要的作用是為了防洪。華北平原上著名的地上河，河床平均高出兩岸地面4米以上，兩岸地區(qū)每逢汛期便面臨著洪水的威脅，堤壩一旦潰決, 災(zāi)害必將非常嚴(yán)重。例如，1998年中國發(fā)生特大洪災(zāi)，包括長江、嫩江、松花江等，造成多處決堤，導(dǎo)致3.18億畝莊稼地受災(zāi)，受災(zāi)人口達2.23億人，造成3004人死亡，倒塌房屋685萬間，直接經(jīng)濟損失達1666億元[2]。為了避免決堤對人們的危害，除了研究決堤的機理，探尋堤壩的材料，改進堤壩的結(jié)構(gòu)外，對堤壩進行健康監(jiān)控，及時提供預(yù)警，具有很強的現(xiàn)實意義。分布式光纖傳感器采用光纖作為傳感介質(zhì)，不但可以測量沿光纖軸向連續(xù)空間的信息分布,而且還可以對信息變化進行定位，具有抗干擾性強、監(jiān)測距離長、空間分辨高等特點，特別是他分布式測量的特點非常適合監(jiān)控堤壩。

因此，搭建堤壩實驗平臺，研究用分布式光纖傳感器檢測不同水流量下堤壩的形變具有非常重要的意義。

1 BOTDA技術(shù)簡介

BOTDA技術(shù)是指布里淵光時域分析技術(shù)，該技術(shù)的實現(xiàn)基于光纖光學(xué)和激光原理。將一束很窄的探測脈沖光通過雙向耦合器注入光纖中，脈沖光在向前傳輸時會不斷產(chǎn)生背向散射光，背向散射光通過該雙向耦合器耦合到光電檢測器中。設(shè)從光纖發(fā)射端面發(fā)出脈沖光，到接受到該脈沖光在光纖中L處產(chǎn)生的閃射光所需的時間t，則在t時間內(nèi)，光波從發(fā)射端至L處往返傳播一次。發(fā)射端到L處的距離為：

(1)

式中，v是光在光線中的傳播速度，t為從發(fā)射脈沖光到接受到某位置產(chǎn)生的瑞利散射光所需的時間。

布里淵散射是入射光場與介質(zhì)的聲學(xué)聲子相互作用而產(chǎn)生的一種非彈性光散射現(xiàn)象[3]。由于自發(fā)熱運動，組成介質(zhì)的粒子會形成連續(xù)的彈性力學(xué)振動。這種振動會導(dǎo)致介質(zhì)密度隨時間和空間周期性變化，從而在介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生一個自發(fā)的聲波場，導(dǎo)致介質(zhì)的折射率被周期性調(diào)制并以聲速Va在介質(zhì)中傳播，形成聲場光柵。當(dāng)光波射入到介質(zhì)中時受到聲場光柵作用而發(fā)生散射，散射光就會因多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生與聲速相關(guān)的頻率漂移[4]。布里淵頻移為：

(2)

式中，n為光纖折射率，Va為光纖介質(zhì)中的聲速，λo為入射光波長。布里淵頻移與光纖的折射率以及光纖的聲波速度成正比，與入射光的波長成反比。聲波速度和光纖折射率都與都是溫度與應(yīng)力的函數(shù)。稍大的應(yīng)變會導(dǎo)致光纖折斷，因為光纖只能實現(xiàn)微小應(yīng)變。經(jīng)推導(dǎo)可得，布里淵頻率變化量vB隨光纖溫度和應(yīng)變的變化量近似成線性關(guān)系，可表示為：

(3)

式中，Cv,T為布里淵頻移變化量的溫度系數(shù)，Cv,ε為布里淵頻移變化量的應(yīng)變系數(shù)。

BOTDA技術(shù)僅需從光纖的一端入射脈沖光，并在光纖同一端通過探測脈沖光的自發(fā)布里淵散射光譜進行傳感[5]。這種傳感方式雖然在實際應(yīng)用中非常容易實現(xiàn)，但是由于自發(fā)布里淵散射信號非常微弱，探測的距離受到了限制。

基于受激布里淵散射效應(yīng)的BOTDA技術(shù)，檢測信號強度較大，相比BOTDR等其他的檢測方法，傳感器的測量精度和傳感距離可以得到很好的提高[6]。

圖1 BOTDA結(jié)構(gòu)示意圖

圖1是BOTDA傳感系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。激光器1發(fā)出的連續(xù)光經(jīng)調(diào)制器調(diào)制后作為泵浦脈沖光，泵浦脈沖光從光纖的一端進入光纖。激光器2發(fā)出連續(xù)探測光，連續(xù)探測光的頻率比泵浦脈沖光的頻率低約一個布里淵頻移，被稱為斯托克斯光。當(dāng)泵浦脈沖光與斯托克斯光在光纖中相遇時，由于受激布里淵放大作用，泵浦脈沖光的一本分能量通過聲波場轉(zhuǎn)移給斯托克斯光。通過在信號檢測端測量斯托克斯光功率的變化并利用BOTDA技術(shù)便可以得到光纖沿線能量轉(zhuǎn)移的大小[7]。由于能量轉(zhuǎn)移的大小和兩個光波之間的頻率差有關(guān)，且當(dāng)兩者的頻率差等于光纖的布里淵頻移時轉(zhuǎn)移的能量最大，所以通過掃描兩個光源之間的頻率差并記錄下每個頻率差下光纖沿線能量轉(zhuǎn)移的大小，便可得到光纖沿線的布里淵增益譜[8]。對布里淵增益譜進行洛倫茲擬合得到光纖沿線的布里淵頻移分布，從而實現(xiàn)對光纖應(yīng)變和溫度的全分布式傳感。

受激布里淵閃射效應(yīng)源自強感應(yīng)聲波場對入射光的作用，當(dāng)如何光波達到一定功率，入射光通過電致伸縮產(chǎn)生聲波，引起介質(zhì)折射率的周期性調(diào)制，而且大大加強了滿足相位匹配的聲場，致使入射光波的大部分能量耦合到反向傳輸?shù)牟祭餃Y散射光，從而形成受激布里淵散射。從場的經(jīng)典理論出發(fā)，受激布里淵散射過程可以經(jīng)典地描述為入射光波、斯托克斯波通過聲波進行的非彈性相互作用。

2 恒流量裝置的設(shè)計與搭建

任何一種調(diào)節(jié)方式，都需要反應(yīng)時間，具有滯后性。當(dāng)調(diào)節(jié)閥大小恒定時，水位越高，流量越大。液位的高低波動會影響水流量。如果控制水面高度恒定，就可以減小流量的波動，較少流量閥的調(diào)節(jié)，使水流量更穩(wěn)定。如圖2所示，恒流量裝置有水位控制和流量控制這兩部分組成。水位控制部分包括水位傳感器，變頻器和交流水泵。流量控制部分包括流量傳感器，調(diào)節(jié)閥和步進電機。

圖2 恒流量裝置結(jié)構(gòu)

2.1 PID控制原理

在連續(xù)時間控制系統(tǒng)中，PID控制器應(yīng)用的非常廣泛，技術(shù)成熟。長期以來形成了典型的結(jié)構(gòu)，參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)更改靈活，能滿足一般的控制要求。數(shù)字PID控制比連續(xù)PID控制更為優(yōu)越，因為計算機程序的靈活性，很容易克服連續(xù)PID存在的問題，經(jīng)修正而得到更完善的數(shù)字PID算法。數(shù)字PID控制算法可分為位置式PID控制算法、增量式PID控制算法和速度式PID算法。由于計算量少，抗干擾強，計算機故障對設(shè)備的影響小。因此，在3種控制算法中，增量式PID控制算法最為常用。

數(shù)字PID控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值計算控制量，因此公式(1)的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。當(dāng)采樣周期T足夠短時，以一系列的采集時刻點kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分。k是采樣序號，u(k)為第k次采樣時刻數(shù)字控制器或計算機的輸出值，e(k)是第k次采樣時刻輸入的偏差。

增量式PID控制規(guī)律：

(2)

式中，A=kp(1+T/Ti+Td/T)，B=Kp(1+2Td/T)，C=KpTd/T，kp為比例系數(shù)，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)。

增量式PID控制算法是對偏差增量進行處理, 然后輸出控制量的增量, 即執(zhí)行機構(gòu)位置的增量。增量式PID數(shù)字控制器不會出現(xiàn)飽和, 而且當(dāng)計算機出現(xiàn)故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值, 保持系統(tǒng)穩(wěn)定, 因此在此系統(tǒng)中增量式算法被采用作為編程算法來使用。PID參數(shù)選取的好壞，將會影響裝置的精度和穩(wěn)定性。

PID控制系統(tǒng)，加大kp將會加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并且在有穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)中能在一定程度上減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但kp增大系統(tǒng)的超調(diào)，并容易使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。減小Ti有利于系統(tǒng)快速消除穩(wěn)態(tài)誤差，但Ti太小，會大大增加系統(tǒng)的超調(diào)，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。加大Td，使系統(tǒng)超調(diào)減小，穩(wěn)定性增強，但Td太大，會使系統(tǒng)對干擾信號過于敏感。

PID最大的優(yōu)點是可以在不知道被控對象參數(shù)的情況下，用試湊法PID的值，可以使系統(tǒng)得到較好的控制。試湊法憑經(jīng)驗整定參數(shù)的方法。讓系統(tǒng)閉環(huán)，運行系統(tǒng)，一邊依kp-Ti-Td順序調(diào)節(jié)，一邊觀察需要控制的量，直到滿意為止。

試湊法整定參數(shù)分為3步：1)調(diào)整kp，讓系統(tǒng)閉環(huán)，令Ti=無窮，Td=0,取消微分和積分作用。讓kp由小到大變化，觀察需要控制的量是否滿足要求。如果滿足要求，則Ti，Td不需要再調(diào)整；2)調(diào)整Ti，如果靜差太大，加入Ti，因為加入積分會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，所以，此時需要稍微減小kp,讓Ti由大到小變化，觀察需要控制的量是否滿足要求。如果滿足要求，則Td不需要再調(diào)整；3)調(diào)整Td，如果系統(tǒng)動態(tài)不好，加入Td。

2.2 水位檢測部分結(jié)構(gòu)

測水位的高低，可以根據(jù)水位的壓力的到水位的高低，比如投入式水位傳感器，也可以根據(jù)液面到測量點的距離來確定水位的高低，比如超聲波液位儀或拉繩傳感器。投入式水位傳感器是一種測量水位的壓力傳感器，具有直接投入、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單和經(jīng)濟耐用等優(yōu)點，但傳感器的水位誤差有2 cm，精度沒法滿足實驗要求。超聲波液位儀測量測量誤差是其量程0.3%，測量低水位的精度比投入式水位傳感器高。拉線傳感器可以測距離，只要在水面放置一個漂浮物，再將拉繩傳感器的拉繩頭系到漂浮物上。隨著水位的上升或下降，漂浮物也隨著水面上升和下降，因此，拉繩傳感器就可以測出液面的高低。但隨著拉線傳感器拉繩被拉長度的增加，拉線傳感器的回復(fù)力也隨著增加，因此，拉繩傳感器根據(jù)這種方法，不能正確撤出液面的高度。

因此，需要設(shè)計一種簡單而又精度高的水位傳感器。如圖3所示，從內(nèi)往外看，水位傳感器由空心桿、砝碼、繩索、滑輪、滑線變阻器和浮球組成。砝碼和懸浮球都有一定的重量，繩索兩端分別系在砝碼和懸浮球兩端，將繩索拉直，保證懸浮球不會繞著鐵桿旋轉(zhuǎn)。懸浮球的重量比砝碼稍微重一點，在水中，懸浮球下方部分浸入水中，受到收水的浮力。因此，在垂直地平線方向上，兩者受力相等，能保持平衡。

圖3 水位檢測部分結(jié)構(gòu)

當(dāng)水位上升或下降時，懸浮球跟隨水位一起上升或下降，帶動了固定在滑線變阻器軸上的滑輪旋轉(zhuǎn)，從而改變了滑線變阻器的阻值。只要測量滑線變阻器的阻值，就可以得到水位的高低。

2.3 水位控制

水位控制部分包括水位傳感器，變頻器和交流水泵。

交流水泵結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，維護維修簡單。1995年以后，隨著大功率晶閘管大批量的生產(chǎn)和計算機控制系統(tǒng)的高速發(fā)展，交流水泵的調(diào)速變得非常簡單。

交流水泵的流量Q與轉(zhuǎn)速n成正比；揚程H與轉(zhuǎn)速n的三次方成正比；電動機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率F成正比。因此改變電動機電源頻率，可改變電機即交流水泵的轉(zhuǎn)速，從而達到調(diào)節(jié)給水流量和水泵的揚程的目的。

利用變頻器實現(xiàn)調(diào)速節(jié)能運行, 是變頻器應(yīng)用的一個最典型的例子。變頻器調(diào)速具有優(yōu)良性能：1)高速響應(yīng)、低噪聲、大范圍、高精度平滑無級調(diào)速；2)電機可以從低頻慢慢升上去，防止啟動轉(zhuǎn)矩過大，損壞電機；3)節(jié)能，對電網(wǎng)干擾少。

水位控制部分的系統(tǒng)框圖如圖4所示。當(dāng)水箱里的水位低于設(shè)定值時，液位傳感器將水位反饋到MCU，經(jīng)過PID運算，控制變頻器，從而間接控制交流水泵，給水箱供水。使水箱里的水位等于設(shè)定值。

圖4 水位控制部分結(jié)構(gòu)

2.4 流量控制

流量控制部分包括流量傳感器，調(diào)節(jié)閥和步進電機。

步進電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；繞組激磁時，電機停轉(zhuǎn)的時候具有最大的轉(zhuǎn)矩；由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；步進電機最有意義的一個優(yōu)點就是在開環(huán)系統(tǒng)里可以實現(xiàn)精確的控制。開環(huán)控制意味著不需要關(guān)于(轉(zhuǎn)子)位置方面的反饋信息。這種控制避免了使用昂貴的傳感器以及象光學(xué)編碼器這樣的反饋設(shè)備，因為只需要跟蹤輸入的步進脈沖就可以知道轉(zhuǎn)子的位置。

因此，用步進電機控制調(diào)節(jié)閥，用流量傳感器測流量并將結(jié)果反饋到MCU，MCU控制步進電機轉(zhuǎn)子帶動調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一定角度，使水流量達到設(shè)定值。

步進電機選擇步進角為1.8°的步進電機，如果當(dāng)前水流量非常接近設(shè)定流量，如果調(diào)整最小角度1.8°，就會超出需要調(diào)整的水流量。可以通過驅(qū)動器程序?qū)⒉竭M角細分，步進角為1.8°的步進電機在8細分下步距角為1.8°/8=0.225°，細分后步進電機步距角按下列方法計算：步距角=電機固有步距角/細分?jǐn)?shù)。

流量控制部分的系統(tǒng)框圖如圖5所示。當(dāng)輸出的水流量低于設(shè)定值時，流量傳感器將流量反饋到MCU，經(jīng)過PID運算，輸出一定脈沖數(shù)，控制步進電機的正反轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)的角度，從而控制調(diào)節(jié)閥打開的大小，使流量等于設(shè)定值。

圖5 流量控制部分結(jié)構(gòu)

2.5 實驗結(jié)果

通過對恒流量裝置改進前后的流量數(shù)據(jù)分析, 繪制出如圖6、圖7所示的波動曲線對比圖。從圖中可以看出, 增加恒水位控制環(huán)節(jié)和PID控制后，流量波動很小, 能為堤壩健康實驗提供穩(wěn)定的水流量。

3 堤壩安全監(jiān)控的研究

流水不僅給堤壩施加了巨大壓力，還具有很強的沖擊和侵蝕能力。水流越大，施加給堤壩的壓力越大，對堤壩的沖擊和侵蝕越大，堤壩坍塌的風(fēng)險也越大。

圖6 改進前流量曲線

圖7 改進后流量曲線

分布式光纖傳感器具有抗干擾性強、監(jiān)測距離長、空間分辨高等特點，特別是他分布式測量的特點非常適合監(jiān)控堤壩，提供災(zāi)害預(yù)警。

由于布里淵頻移的變化量不僅與應(yīng)變有關(guān)，還和溫度有關(guān)。因此，采用BOTDA測量水流量對堤壩影響時，需要排除溫度的影響。在堤壩相鄰的位置，平行布置兩根光纖，其中一根光纖保持裸露，用于測量堤壩形變，另外一根光纖作為溫度補償，在光纖外部套入硬管，使光纖不隨堤壩發(fā)生形變。由此，BOTDA可以測出堤壩的形變。圖8中，白色實線代表裸露的光纖，白色虛線代表外部帶有硬管的光纖。實驗中，使用兩根長度為2 km的光纖，將光纖中的210～215 m埋于堤壩中，一根作為測量光纖，另外一根作為溫度補償。

實驗中，使用DiTeSt STA-R(分布式光纖溫度應(yīng)變檢測系統(tǒng))測量光纖形變，由于實驗用的光纖短，可將空間分辨率設(shè)置的高一點，此時仍有保證較高的信噪比。設(shè)置空間分辨率為0.5 m，采樣間隔為0.1 m?？刂普{(diào)節(jié)閥的大小，給堤壩分別提供100 L/min和200 L/min的水流量，監(jiān)控光纖的布里淵頻移。

實驗結(jié)果如圖9所示，隨著水流量的增大，堤壩受到的壓力也隨著增加。由于受力，光纖會隨著堤壩的變形而被拉伸，光纖的布里淵頻移也隨著增加。當(dāng)水流量從100 L/min增大到200 L/min時，光纖的布里淵頻移也隨之增加。由此可見，光纖布里淵頻移能正確反映出堤壩形變，及時提供預(yù)警。

圖9 不同流量下布里淵頻移曲線

4 結(jié)束語

經(jīng)過堤壩模型的搭建和實驗，分布式光纖傳感器對堤壩具有良好的監(jiān)控預(yù)警效果，即在堤壩坍塌前洞悉前兆，及時提供預(yù)警，從而保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全。

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Research on Dyke Health Monitoring Based on BOTDA

Yu Zhiyong, Li Qing, Wang Yanjie, Zhou Zezheng, Wang Xianjin

(Institute of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018,China)

Aiming at the dyke collapsing, in order to avoid casualties and economic losses, the health monitoring of dyke and the timely warning are needed.Based on the BOTDA technology, through designing and building the experimental platform, to research the deformation of the dyke under different water flow by using the distributed optical fiber sensor.The experimental platform is composed of two parts of the constant flow device and the dyke. The constant flow device can provide accurate water flow to the dyke. The dyke will generate the corresponding deformation under different water flow.The distributed optical fiber sensor is embedded in the dyke, and when the dyke deformation occurs, the distributed optical fiber sensor will be stretched by the deformation of the dyke. The distributed optical fiber sensor can be measured and analyzed by using BOTDA technology. The results testify that the Brillouin frequency shift of the distributed optical fiber sensor can correctly reflect the dyke deformation, and the BOTDA technique is applied to the dyke health monitoring.

dyke; health monitoring; distributed measurement; optical fiber sensor; deformation

2015-11-24；

2015-12-16。

國家自然科學(xué)基金項目(60772008)；國家自然科學(xué)基金項目(41376111)；國家科技支撐計劃子課題(2012BAK10B05-3)；浙江省科技計劃項目(2015C33045)。

俞志勇(1990-)，男，浙江紹興人，碩士研究生，主要從事檢測技術(shù)方向的研究。

李 青(1955-)，男，浙江杭州人，教授，主要從事檢測技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2016)06-0041-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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