楊 帆,歐中華,張旨遙,袁 飛,周曉軍,劉 永

(電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,電子科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,成都 610054)

圖1 OFDR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

我國是斜滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生十分頻繁且災(zāi)害損失極為嚴(yán)重的國家,尤其是西部山區(qū)和中東部地形地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū),對當(dāng)?shù)鼐用袢松砗拓敭a(chǎn)安全造成了巨大的威脅。目前,國內(nèi)外對斜滑坡地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測手段分為地表監(jiān)測法和地下監(jiān)測法兩大類[1-6]。地表監(jiān)測法包括簡易觀測法、大地測量法、地表傾斜測量法、地表裂縫監(jiān)測法、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)法、近景攝影測量法、干涉雷達(dá)法等,雖然能為研究斜滑坡甚至區(qū)域性的地表變形提供基礎(chǔ)性資料,但不能反映深部巖土體的變形特征。傳統(tǒng)的地下監(jiān)測法包括內(nèi)部傾斜監(jiān)測法、內(nèi)部相對位移監(jiān)測法等,存在的主要問題在于不能實現(xiàn)巖土體內(nèi)部應(yīng)力的分布式測量,且測量精度低,無法實現(xiàn)高精確的預(yù)測預(yù)報。時間域反射(TDR)技術(shù)于上世紀(jì)80年代開始被用于地質(zhì)勘察與監(jiān)測,具有價格低廉、監(jiān)測時間短、可遙測、安全性高以及數(shù)據(jù)提供快捷等優(yōu)點,但不適用于需要檢測傾斜的情況,僅能確定剪切面,無法確定滑坡移動的方向,并且靈敏度低,動態(tài)范圍小。近年來,光纖傳感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于斜坡體監(jiān)測。其中,光時域反射(OTDR)技術(shù)可以進(jìn)行實時分布式應(yīng)變測量。電子科技大學(xué)利用OTDR技術(shù)實現(xiàn)了對山體滑坡內(nèi)部推力的監(jiān)測,并已在三峽庫區(qū)進(jìn)行組網(wǎng)[7-8]。唐天國等人[9]將OTDR應(yīng)用于大壩基座裂縫監(jiān)測,并對四川石棉冶勒大壩進(jìn)行監(jiān)測,取得了顯著效果。該技術(shù)在國外也得到了較多的工程應(yīng)用,如Kihara等[10]將光纖分布于日本Niyodo河和Sendai河的河堤中,用偏振光時域反射(POTDR)來監(jiān)測河堤的滑坡位移狀況,取得了良好的效果。然而,OTDR監(jiān)測法存在的主要問題在于空間分辨率、靈敏度和測量精度較低。布里淵時域反射(BOTDR)技術(shù)主要用于對大壩、大型建筑物、橋梁的應(yīng)變進(jìn)行分布式監(jiān)測[11-12],目前該技術(shù)也應(yīng)用于滑坡、大型工程邊坡及洞室監(jiān)測中。與OTDR相比,BOTDR技術(shù)可以實現(xiàn)應(yīng)變和溫度的同時測量,具有靈敏度高、測量精度高等優(yōu)點,但是其空間分辨率低、響應(yīng)速度較慢。相對于OTDR和BOTDR,光頻域反射(OFDR)技術(shù)具有更高的空間分辨率、測試距離和靈敏度,近年來受到了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的極大重視,并應(yīng)用于對應(yīng)變、應(yīng)力、振動、溫度、3D形狀、流速、折射率、磁場、輻射、氣體等參量的傳感[13-16]。雖然目前OFDR技術(shù)在實驗室取得了大量研究成果,但還沒有進(jìn)行工程化應(yīng)用。

本論文首次將OFDR技術(shù)應(yīng)用于斜滑坡內(nèi)部應(yīng)力的監(jiān)測,利用光纖微彎應(yīng)力傳感器作為內(nèi)部應(yīng)力探測裝置,并采用去諧濾波算法補(bǔ)償了光源非線性掃頻帶來的空間測量誤差,在1 300 m的傳感距離內(nèi)實現(xiàn)了準(zhǔn)分布式應(yīng)力測量,空間分辨率小于5 cm,壓強(qiáng)測量范圍為0～20 MPa,最大相對誤差為4.44%。在三峽庫區(qū)進(jìn)行的現(xiàn)場實地測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)能準(zhǔn)確地對應(yīng)力點位置和應(yīng)力大小進(jìn)行同時測量。

1 工作原理

圖1為基于OFDR的斜滑坡光纖應(yīng)力傳感監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。可調(diào)諧激光器(TLS)輸出的線性掃頻激光通過光耦合器1分為兩束,分別進(jìn)入主干涉儀和輔助干涉儀。在主干涉儀中,掃頻激光通過光耦合器2分為兩束,一束通過環(huán)形器進(jìn)入傳感光纖(FUT),應(yīng)力造成的后向瑞利散射光與另一束參考光通過光耦合器4合束發(fā)生拍頻,其拍頻信號的頻率與瑞利散射光的產(chǎn)生位置成線性正比關(guān)系,通過探測器檢測拍頻頻率實現(xiàn)定位。由于單模光纖中存在偏振衰落效應(yīng)[17-20],本系統(tǒng)采用了偏振分集接收法,通過偏振分束器將主干涉儀輸出的信號分成兩束偏振信號后進(jìn)行平衡探測。在實際應(yīng)用中,由于線性掃頻光源存在非線性掃頻效應(yīng),限制了系統(tǒng)的測量距離和空間分辨率[21-23],因此本系統(tǒng)利用輔助干涉儀的拍頻信號,并結(jié)合去諧濾波算法估算光源本征相位,實現(xiàn)非線性掃頻效應(yīng)的補(bǔ)償。

為了檢測施加在光纖上的橫向應(yīng)力,采用了基于光纖微彎效應(yīng)的光纖應(yīng)力傳感頭,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該傳感頭采用彈膜片作為應(yīng)力敏感元件,固定在剛性殼體上,周期性齒壓板由動齒板和定齒板組成,彈膜片下方連接動齒板。當(dāng)橫向應(yīng)力作用在傳感頭上時,彈膜片產(chǎn)生形變,使固定在彈膜片中心的動齒板與定齒板之間產(chǎn)生相對位移,改變齒形壓板間光纖的微彎幅度,光纖中導(dǎo)模的部分功率轉(zhuǎn)化為輻射模功率并逸出光纖形成損耗。將光纖微彎應(yīng)力傳感頭安裝在待測光纖上,當(dāng)施加橫向應(yīng)力時,受壓點的損耗增加,使該位置以后的瑞利散射信號強(qiáng)度降低,造成拍頻信號的受壓點兩側(cè)信號存在強(qiáng)度差。強(qiáng)度差與傳感器所受應(yīng)力成正比關(guān)系,通過測量強(qiáng)度差從而確定所受應(yīng)力值。

圖2 光纖微彎應(yīng)力傳感頭

去諧濾波算法最早被用于調(diào)頻連續(xù)波合成孔徑雷達(dá)中實現(xiàn)非線性校正[24]。本系統(tǒng)借助輔助干涉儀將該算法應(yīng)用于補(bǔ)償掃頻光源的非線性掃頻效應(yīng),提高壓力點定位精度,算法流程如圖3所示[22,25]。

圖3 去諧濾波算法流程圖

主干涉儀光電探測器輸出的拍頻信號為

(1)

式中:Rzeff為傳感光纖位置z處瑞利散射的等效反射率,fb=γτz為傳感光纖位置z處瑞利散射光與參考光的拍頻,τz為傳感光纖位置z處瑞利散射光與參考光的延時,γ為掃頻光頻率隨時間的變化率,ν0為掃頻光的起始頻率,2πe(t)-2πe(t-τz)為光源非線性掃頻效應(yīng)引起的拍頻信號非線性相位,會對傳感系統(tǒng)的空間分辨率有嚴(yán)重的影響。

利用如圖3所示的去諧濾波算法,得到最終的拍頻信號為

(2)

式中相位只剩下常數(shù)項和隨時間變化的線性項,主干涉儀拍頻信號的非線性相位被完全消除。從理論上講,如果能準(zhǔn)確估算光源的非線性相位,光源的非線性掃頻效應(yīng)可被去斜濾波算法完全消除。

在非線性掃頻效應(yīng)被完全消除的理想情況下,OFDR系統(tǒng)的空間分辨率極限表達(dá)式為

(3)

式中:n為光纖纖芯的折射率,c為真空中的光速,Δν為在光源一個掃頻周期內(nèi)數(shù)據(jù)采集卡采樣時間對應(yīng)的頻率掃描范圍,表達(dá)式為

(4)

γ為光源掃頻速率,M和N分別為數(shù)據(jù)采集卡的采樣速率和采樣點數(shù)。從式(3)和式(4)可以看到,空間分辨率與光源的掃頻速率、數(shù)據(jù)采集卡的采樣率和采樣點數(shù)有著密切的關(guān)系,優(yōu)化光源和采集卡參數(shù)即可提高空間分辨率。然而在實際應(yīng)用中,無論硬件設(shè)計還是軟件算法補(bǔ)償均無法完全消除光源的非線性掃頻效應(yīng);同時,數(shù)據(jù)采樣時間必須小于等于光源掃頻周期,頻域分辨率受到掃頻周期的限制。因此,光源的非線性掃頻效應(yīng)和有限的采樣時間是限制OFDR系統(tǒng)空間分辨率的兩個重要因素。

2 實驗室結(jié)果及分析

傳感系統(tǒng)采用NKT Photonics公司的E15型可調(diào)諧光源,掃頻速率為400 GHz/s,中心波長為1 550 nm,掃頻頻率為50 Hz。平衡探測器為THORLABS公司的PDB430C,帶寬為350 MHz。數(shù)據(jù)采集卡為SPECTRUM公司的M4i.4421,采樣率為62.5 Msample/s,采樣點數(shù)為1×106,觸發(fā)延遲點數(shù)為5.72×105。光耦合器OC1的分光比為95∶5,其中95%的光進(jìn)入主干涉儀,5%的光進(jìn)入輔助干涉儀。光耦合器OC2的分光比為99∶1,其中99%的光通過光環(huán)行器進(jìn)入傳感光纖,1%的光作為參考光。光耦合器OC3、OC4、OC5均為3 dB光耦合器。

2.1 空間分辨率測量結(jié)果

在實驗室條件下,將長度為715 m和610 m的兩段單模光纖通過法蘭盤連接構(gòu)成1 325 m的傳感光纖,將長度為216 m的單模光纖作為輔助干涉儀中的延時光纖。由于所設(shè)計的光纖微彎應(yīng)力傳感頭直徑為8.5 cm,如果將兩個光纖微彎應(yīng)力傳感頭緊密排布安置在傳感光纖上,兩個應(yīng)力點的最小間隔為8.5 cm,不利于探究系統(tǒng)的空間分辨率極限。為了測試系統(tǒng)分辨兩個事件點的空間分辨率極限,在傳感光纖尾端連接一段尾纖,通過在距離域信號曲線中是否能分辨出兩個相鄰的菲涅爾反射峰來評估傳感系統(tǒng)的空間分辨率。圖4為傳感光纖尾端連接長度5 cm尾纖時的距離域測試曲線,其中圖4(a)為距離域測試曲線的全局圖,圖4(b)為傳感光纖尾端附近的局部放大圖。從圖4(a)可以明顯看出在715 m和1 325 m處均出現(xiàn)明顯的菲涅爾反射峰。從圖4(b)可以看到傳感光纖的尾端出現(xiàn)兩個菲涅爾反射峰,分別位于1 325.150 m和1 325.198 m。因此,傳感系統(tǒng)能清晰辨別出長度約為5 cm的尾纖,說明該傳感系統(tǒng)的空間分辨率小于5 cm。此外,通過增大光源掃頻速率以及數(shù)據(jù)采樣時間,可進(jìn)一步減小分辨兩個相鄰事件點的距離間隔。為了充分發(fā)揮該應(yīng)力傳感系統(tǒng)的空間分辨率,需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計光纖微彎應(yīng)力傳感頭,減小傳感頭尺寸。

圖4 距離域測試曲線

2.2 應(yīng)力測量結(jié)果

將圖2所示傳感頭安置在傳感光纖808 m處,在傳感器上依次放置重量為5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、30 kg、54 kg和77.5 kg的砝碼,對應(yīng)的壓強(qiáng)值分別為0.046 MPa、0.092 MPa、0.138 MPa、0.184 MPa、0.276 MPa、0.497 MPa和0.706 MPa。圖5為測量得到的信號強(qiáng)度差-壓強(qiáng)關(guān)系以及線性擬合曲線。從圖5可以看到,信號強(qiáng)度差與壓強(qiáng)大小呈良好的線性關(guān)系,線性擬合度為0.998 68,壓強(qiáng)傳感靈敏度為4.528 76 dB/MPa。此外,實驗中還利用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字精密應(yīng)力表對該傳感系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn),測試數(shù)據(jù)如表1所示。校準(zhǔn)范圍為0～20 MPa,測量的最大絕對誤差為-0.451 6 MPa,最大相對誤差為4.44%。

圖5 測量得到的信號強(qiáng)度差-壓強(qiáng)關(guān)系

圖6 鉆孔和傳感器安裝示意圖以及現(xiàn)場施工圖

3 野外現(xiàn)場實驗

選擇三峽庫區(qū)的重慶市奉節(jié)縣遼寧小學(xué)作為斜滑坡內(nèi)部應(yīng)力監(jiān)測實驗點,并在此處進(jìn)行了監(jiān)測點位的鉆孔和傳感頭安裝,如圖6所示。該監(jiān)測點實際共埋設(shè)3個光纖微彎應(yīng)力傳感頭,敷設(shè)傳感光纖長度為178.21 m。

圖7為測量得到的距離域信號強(qiáng)度曲線,圖8為測量獲得的應(yīng)力點壓強(qiáng)值。從圖7中可以看到,在63.78 m、146.26 m、171.17 m和178.21 m這4個位置處有明顯的信號強(qiáng)度差,其中63.78 m、146.26 m和171.17 m處為傳感頭受到應(yīng)力作用產(chǎn)生的信號強(qiáng)度差,178.21 m處帶有強(qiáng)烈反射峰的信號強(qiáng)度差是由于傳感光纖尾端菲涅爾反射造成的。應(yīng)力位置的測試結(jié)果與傳感光纖上安裝的傳感頭位置吻合(傳感頭實際安裝位置分別為63.76 m、146.23 m、171.13 m)。從圖8可以看到,位于63.78 m、146.26 m和171.17 m的3個傳感頭所受壓強(qiáng)值分別為0.191 1 MPa、0.574 3 MPa和0.402 2 MPa。

圖7 測量得到的距離域信號強(qiáng)度曲線

圖8 測量獲得的應(yīng)力點壓強(qiáng)值

4 結(jié)束語

基于OFDR技術(shù)研制了斜滑坡光纖應(yīng)力傳感監(jiān)測系統(tǒng)。在實驗室條件下,傳感系統(tǒng)測量距離達(dá)到1 300 m以上,空間分辨率小于5 cm,信號強(qiáng)度與外加應(yīng)力呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,線性擬合度為0.998 68,壓強(qiáng)傳感靈敏度為4.528 76 dB/MPa,壓強(qiáng)測量范圍為0～20 MPa,最大相對誤差為 4.44%。此外,野外現(xiàn)場實驗結(jié)果表明,該傳感系統(tǒng)能對應(yīng)力傳感頭實現(xiàn)了精確定位并對應(yīng)力大小進(jìn)行了準(zhǔn)確測量?；贠FDR的斜滑坡光纖應(yīng)力傳感監(jiān)測技術(shù)具有大面積組網(wǎng)、多點實時監(jiān)測等特點,相對于OTDR和BOTDR具有更高的空間分辨率。需要指出的是,本論文的系統(tǒng)方案需要借助額外的傳感頭實現(xiàn)應(yīng)力測量,屬于空間離散型分布式應(yīng)力傳感技術(shù)方案,距離空間連續(xù)型分布式應(yīng)力測量還有差距,因此需要進(jìn)一步研究應(yīng)力直接作用在傳感光纖上的OFDR應(yīng)力傳感機(jī)制,以實現(xiàn)真正意義上的分布式應(yīng)力監(jiān)測。