張曉煒 李旭輝 胡國良 孫程鵬 朱躍飛

(1.南昌工程學院,江西省水利土木特種加固與安全監(jiān)控工程研究中心，江西 南昌 330099； 2.廣東賽達交通科技股份有限公司，廣東 廣州 510663； 3.南昌寶安科技有限公司，江西 南昌 330000)

0 引言

分布式光纖傳感技術是基于光纖工程中所廣泛使用的光時域反射技術所發(fā)展起來的一種新型傳感技術(DFOSS,Distributed Fiber Opt-ic Strain Sensor)。該技術用普通單模光纖進行感測傳輸，可以在布設的光纖沿線上得到所有待測體的應變、溫度、損傷等參量數據，與傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相比，大大地降低了漏檢的可能。這在某種程度上有效地解決了工程領域中存在的眾多測量難題。目前，該技術的相關試驗與研究已經廣泛開展于土木結構工程領域、航空航天測試、地質災害調查及預防工程領域，隨著布里淵分布式傳感技術在理論以及各種感測儀器等方面的不斷成熟，運用該技術的監(jiān)測工作將逐步在重大工程中嶄露鋒芒。本文將針對基于BOTDA的分布式光纖傳感監(jiān)測該技術的試驗研究進展進行論述，并指出所存在的問題。

1 基于布里淵光散射原理的分布式光纖監(jiān)測技術

基于布里淵光散射的分布式光纖感測技術主要有BOTDA,BOTDR,BOFDA和BOCDA等。其中BOTDA和BOTDR因為具有較長的傳感距離和相對較為簡單的監(jiān)測系統(tǒng)而吸引了大量研究者的目光，兩者的區(qū)別在于：BOTDA是基于受激布里淵散射的光時域分析，雙端測量；BOTDR是基于自發(fā)布里淵散射的光時域反射，單端測量。典型的BOTDA傳感器基本結構如圖1所示[1]。

1.1 BOTDA技術感測原理

布里淵光時域分析技術的的感測原理如圖2所示，簡單可以理解為：某束確定頻率的脈沖光入射，在傳輸的過程中與光纖中的聲學聲子發(fā)生作用，發(fā)生布里淵散射，其中，背向布里淵散射光的頻率漂移量與感測光纖軸向所受到的應變、溫度成正比，因而，通過對布里淵頻率漂移量進行測量就能得到對應感測光纖的軸向溫度和應變的關系式[2]為：

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1.2 BOTDA分類及發(fā)展概況

根據使用脈沖光的不同特點，主要分為以下兩種：1)脈沖預泵浦BOTDA技術(Pulse Pre-Pump，PPP-BOTDA)：通過改變泵浦光的形態(tài)，在測量的脈沖光發(fā)出之前，增加一段預泵浦脈沖光來激發(fā)聲子，再通過設置消光系數來降低額外的輸出功率進而提升BOTDA的空間分辨率和±25 με測量精度;2)差分脈沖對BOTDA技術(Differential Pl-use-width Pair，DPP-BOTDA)：向一段待測光纖中射入兩束不同寬度的脈沖光，將兩者得到的兩個布里淵增益譜做差得到新的增益譜，利用該譜就能得到更加精準的布里淵中心頻移量，進而提高BOTDA空間分辨率[1]。

Ippen等人于1972年首次觀察到了光纖中的受激布里淵散射[3]。在最初，這項發(fā)現只用于測量光纖本身的特征參數[4,5]，直到1989年日本學者Horiguchi T.提出了BOTDA技術,同年Culverhouse D.發(fā)現頻移與溫度和應變的之間存在關系，至此，BOTDA技術才被視作一種新的傳感技術而得到大量研究者的關注。

國內外針對提高BOTDA系統(tǒng)傳感距離、提升溫度靈敏度和空間分辨率這幾個方面進行開展了廣泛研究。日本Neubrex公司的學者于2004年提出了PPP-BOTDA技術[6,7]。同年，鮑曉毅教授團隊通過改變探測光的成分實現了厘米量級的傳感精度[8]。2008年，日本Neubr-ex公司實現了2 cm的空間分辨率和±25 με的應變分辨率[9]。2012年Yo-ngkang Dong等人通過對差分脈沖對脈寬的不斷優(yōu)化[10]，用PPP-BOTDA技術，在長度為2 km的待測光纖上實現了2 cm的空間分辨率；2017年Alejandro等人選取26.4 ns/26.3 ns 脈沖對的DPP-BOTDA技術在待測長度為10 km的光纖上實現了1 cm的空間分辨率[12]。

2 BOTDA技術在監(jiān)測工程中的研究現狀

2.1 BOTDA技術的研究現狀

到目前為止，通過光纖傳感能直接感測到的物理量有應力、位移、應變等，通過將監(jiān)測數據和其他理論基礎相結合，進而能夠間接監(jiān)測到混凝土裂縫、鋼筋銹蝕、深部位移、水工建筑物的滲流、樁側摩阻力、路基沉降量等，建立有針對性的評價體系。我國學者運用BOTDA傳感技術針對監(jiān)測工作的相關應用研究也取得了一系列成果。

1)2008年東南大學錢振東等人，對環(huán)氧瀝青中埋設試件的光纖性能在車輛荷載和極限溫度下進行了相關研究；并對現場瀝青鋪裝層的路面溫度、殘余變形和裂縫進行了監(jiān)測，成功證實了BOTDA技術運用到該監(jiān)測工作中時所具備的穩(wěn)定性、高精度的優(yōu)點[13]。

2)2009年東南大學郭彤、李愛群等人將PPP-BOTDA技術運用于測量鋼筋混凝土的應變分布、混凝土開裂測量和精確定位等方面進行了相關實驗研究，為將該技術用于土木結構裂縫變形監(jiān)測做出相關指導意見[14]。

3)2011年江宏在樁基測試工作中，通過詳細對比PPP-BOTDA和滑動測微計所測量出的應變量，證明PPP-BOTDA可被作為一種新型的樁基測試技術進行應用推廣[15]。

4)南京大學童恒金等人在2014年運用BOTDA技術對水平荷載下的預應力高強混凝土管樁樁身進行了撓度大小和分布的檢測，根據實測和模擬數據對比分析驗證了BOTDA用于預應力高強混凝土管樁樁身撓度的精細化檢測與監(jiān)測具有的分布式、精細化優(yōu)勢[16]。

5)2016年河海大學賈強強等人借助模型試驗，運用PPP-BOTDA技術驗證了實現監(jiān)測混凝土結構開裂病變的可行性，實驗結果表明，布里淵頻移曲線的峰值和混凝土開裂位置存在對應性，同時研究發(fā)現，即便光纖位置與裂縫斜交，該技術仍然能夠根據頻移突變位置的比照結果來判斷裂縫位置所在,系列試驗成功證明了該技術可以靈敏地辨識和監(jiān)測到裂縫的產生與拓展，實現了裂縫的全分布、全天候的連續(xù)監(jiān)測[17]。

6)香港理工大學Dongsheng Xu,Jianhua Ying運用BOTDA技術對邊坡開挖過程中GFPR錨的性能進行了測量，系列試驗結果證明，BOTDA技術提供了一種有效途徑去測量邊坡開挖過程中沿錨和剪切區(qū)分布的應變分布情況[18]。

2.2 BOTDA技術的優(yōu)勢與不足

在監(jiān)測工程中推廣運用基于BOTDA的分布式光纖傳感技術已經取得了很大的發(fā)展,其中，BOTDA光纖傳感技術應用于工程監(jiān)測具有以下兩個優(yōu)點：1)從信息傳輸方面來說，BOTDA進行雙端回路測量，泵浦激光和探測激光在監(jiān)測時分別從被測光纖的兩端注入，獲取的動態(tài)范圍大，能得到更長的傳感距離；2)從數據感測方面來說，數據測量精度較高，目前來看其微變形監(jiān)測精度都遠優(yōu)于其他幾種光纖傳感監(jiān)測技術。因此在災害監(jiān)測預警方面具有巨大的研究應用價值。

經過多年探索研究，雖然BOTDA傳感技術已漸趨于成熟，然而將新型BOTDA技術應用于實際工程監(jiān)測工作中的時間比較短,仍舊存在著多種問題，如:

1)作為傳感材料的光纖，本身質地脆弱,在鋪設、監(jiān)測過程中極易發(fā)生損壞的問題;

2)室外監(jiān)測環(huán)境溫度變化范圍較大的情況下帶來的溫度補償問題；

3)光纖與被監(jiān)測結構物，如邊坡等不規(guī)則待測體之間的協(xié)調變形問題；

4)埋入結構內部的光纖的后期維護問題；

5)系統(tǒng)監(jiān)測數據的后處理等相關問題，包括監(jiān)測所得數據的篩選、對待測結構體建立相對應的計算模型以及能夠針對監(jiān)測對象提出合理的評價體系等等問題；如何針對傳感材料本身特性以及待測結構和復雜環(huán)境因素造成的困難進行設計和優(yōu)化BOTDA監(jiān)測技術，將是該技術未來發(fā)展需要克服的首要問題。

3 結語

將BOTDA運用于監(jiān)測工作只有短短不到三十年，但毫無疑問，分布式傳感技術將是當前和今后一個時期在監(jiān)測工程領域的一項重要技術。隨著未來監(jiān)測手段越來越豐富，監(jiān)測精度也會越來越高，BOTDA技術的不斷發(fā)展也會進一步帶動相關監(jiān)測儀器的發(fā)展。可以預見的是，除了技術本身在空間分辨率和傳感長度方面的不斷提升，BOTDA技術在邊坡監(jiān)測有如下趨勢：傳統(tǒng)技術和分布式BOTDA監(jiān)測技術將不斷融合，以BOTDA技術為主，系列傳統(tǒng)監(jiān)測技術為輔，發(fā)揮各自優(yōu)點，在工程項目中對待測結構實現全面監(jiān)測的效果；其次，將感測光纖植入傳統(tǒng)建筑材料及建筑構件中形成智能材料，彌補感測光纖易損的不足與光纖布設的繁瑣工序，進而能夠對待測結構進行更為全面的健康監(jiān)測工作。