分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在我國的發(fā)展論文
摘要：本文簡述了分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在我國大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用情況；詳細(xì)闡述了兩類分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的原理、主要特點(diǎn)及性能；對今后分布式光纖監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展作了展望。
關(guān)鍵詞：分布式監(jiān)測光纖
1、我國大壩分布式光纖監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用概況
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)有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
（1）光纖傳感器的光信號作為載體，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)除了具有以上的特點(diǎn)外，還具有以下二個顯著的優(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，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)格比好。
我國從20世紀(jì)90年代后期在新疆石門子水庫首次利用分布式光纖監(jiān)測技術(shù)測量碾壓砼拱壩溫度以來，至今已有多個工程應(yīng)用，并且，我國已有專門從事分布式光纖監(jiān)測儀器設(shè)備制造廠——寧波振東光電有限公司，發(fā)展極為迅速。
由于水電水利工程中有許多物理場需要監(jiān)測，如溫度場、應(yīng)力場、位移場、滲流場，等等。以往采用單點(diǎn)監(jiān)測方法，測點(diǎn)少，成果不直觀，需要通過分析才能最終了解場的情況，這種傳統(tǒng)的單點(diǎn)監(jiān)測方法不僅費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢，而且效果也不理想。而如果采用分布式光纖監(jiān)測技術(shù)就可以準(zhǔn)確地測定光纖沿線任一點(diǎn)上的溫度、應(yīng)力和位移，信息量大，成果直觀。如果將光纖按一定的網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)，可實(shí)現(xiàn)對大壩安全的全方位監(jiān)測，可以克服傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測容易漏測和滲流難以定位的弊端，極大提高安全監(jiān)測的有效性，如俄羅斯薩揚(yáng).舒申斯克重力拱壩，內(nèi)部儀器埋設(shè)達(dá)2500多支，竟未測出壩基長達(dá)486m的水平縫，直至該縫向壩內(nèi)延伸20余米，引起廊道漏水才被發(fā)覺，這充分說明點(diǎn)式監(jiān)測的局限性，因此，分布式光纖監(jiān)測技術(shù)倍受青睞。從監(jiān)測內(nèi)容看，當(dāng)前我國應(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砼拱壩內(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)水電站砼面板的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，等等。由于分布式光纖監(jiān)測測點(diǎn)多，信息量大，都獲得了較好的監(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)裂縫大于2mm時(shí)，光纖易被拉斷。因此，對隨機(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)置于古洞口面板堆石壩周邊縫面板間縫的準(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。
當(dāng)前，在建和擬建的水電水利工程，如索風(fēng)營水電站、景洪水電站、三板溪水電站、水布埡水電站、坦肯水電站、錦屏一級水電站、瀑布溝水電站、拉西瓦水電站等等，在大壩安全監(jiān)測中，都正在或計(jì)劃采用分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。
分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在碾壓混凝土壩的應(yīng)用發(fā)展較快，繼新疆石門子碾壓混凝土拱壩后，索風(fēng)營碾壓混凝土重力壩，景洪碾壓混凝土重力壩都已經(jīng)和準(zhǔn)備應(yīng)用。對碾壓混凝土壩，分布式光纖監(jiān)測具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢，因?yàn)樗鼘κ┕じ蓴_小，它既具有監(jiān)測溫度場的功能，又兼有對碾壓層面進(jìn)行滲流定位監(jiān)測的功能。從目前應(yīng)用情況來看，光纖網(wǎng)絡(luò)布置有二種形式。一種是平面網(wǎng)絡(luò)形式，光纖連續(xù)地沿壩體橫斷面自下而上作蛇形布置；另一種是空間網(wǎng)絡(luò)形式，取某壩段作監(jiān)測對象，光纖自下而上連續(xù)地沿水平截面從左至右或從右至左作蛇形布置。空間網(wǎng)絡(luò)布置不僅可以監(jiān)測多個橫斷面的溫度場，了解施工期和運(yùn)行期壩體溫度空間分布和變化情況，而且可以對碾壓層面進(jìn)行滲流定位監(jiān)測。
2、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)是分布調(diào)制的是光纖傳感系統(tǒng)。所謂分布調(diào)制，就是沿光纖傳輸路徑上的外界信號以一定的方式對光纖中的光波進(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)制信號譜帶，從而獲得外界場信號的大小及空間分布。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)。
2.1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：將呈一定空間分布的相同調(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)檢測出被測量的大小。分布式傳光型監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是多個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）將會接收到許多光脈沖，其中每一個光脈沖對應(yīng)光纖總線上的一個傳感器，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.傳感器越多，但是，對介調(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)制信號的特征波長來尋址。當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光（經(jīng)光波長編碼）注入光纖總線時(shí)，在光纖傳感器與監(jiān)測量發(fā)生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光，并沿原傳輸光纖返回，其余寬帶光則直接透射過去繼續(xù)前進(jìn)，遇到第2個光纖傳感器，又有選擇地反射回相應(yīng)的一個窄帶光。由于各傳感器的特征波長不同，通過濾波/解碼系統(tǒng)即可求出被測信號的大小和位置。該法由于一些實(shí)際部件的限制，總線上允許的傳感器數(shù)目不多，一般為8—12個。3、頻分復(fù)用
頻分復(fù)用是將多個光源調(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，每個傳感器的信息即包含在總線信號中的對應(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)可以用于光相位調(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個為佳。
目前國內(nèi)北京品傲光電科技有限公司和武漢理工大學(xué)研制的準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)都是采用了光纖光柵傳感器，傳感信號為波長調(diào)制，系統(tǒng)采用波分復(fù)用技術(shù)。
三峽大學(xué)研制了由“光纖裂縫計(jì)”和“光纖測縫計(jì)智能分析儀”組成的準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)，采用的是根據(jù)光強(qiáng)調(diào)制的測縫計(jì)，詢址采用的是時(shí)分復(fù)用技術(shù)。
準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)通過將多個相同類型或不同類型的傳感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，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)存在如下不足：
（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)上是多個單測點(diǎn)光纖傳感的串接復(fù)用系統(tǒng)。一旦系統(tǒng)埋設(shè)安裝后，測點(diǎn)無法增加。
2.2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)，簡稱分布式光纖檢測系統(tǒng)。
分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)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)能在整個連續(xù)光纖的長度上，以距離的連續(xù)函數(shù)的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，因此結(jié)構(gòu)異常簡單，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2m距離為一個測點(diǎn)，也可以取1m距離為一個測點(diǎn)等，按需要可以改變設(shè)定。因此，在病害定位監(jiān)測時(shí)極其方便。
�。�4）性能價(jià)格比好。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，因此，每一個測點(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)相對于電信號為基礎(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)測的場合和范圍都提高到了一個新的階段。
3、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)，它的技術(shù)基礎(chǔ)是光時(shí)域反射技術(shù)OTDR（opticaltime—domainreflectormetry）。OTDR最初用于評價(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)。由于每一個向后傳播的散射光對應(yīng)光纖總線上的一個測點(diǎn)，散射光的延時(shí)即反應(yīng)在光纖總線上的位置。
由于從光纖返回的后向散射光有3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，前二種形式的研究和應(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)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)，不久在這方面將有所突破，并且前二種形式將發(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；同一壩段一些非物理場類監(jiān)測量，如裂縫監(jiān)測，以及同一區(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，大大提高觀測資料的質(zhì)量。
4、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，由它構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)可以遍布壩體，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相關(guān)信息，大壩因此而有望成為一種機(jī)敏結(jié)構(gòu)。
可以感覺到，光纖智能大壩正在悄悄地向我們走來。
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