分布式光纤监测技术的应用

李有根

(中国水利水电第七工程局有限公司科研设计院，四川成都 611730)

1 分布式光纤监测技术应用的特点

近年来，为改进传统的结构安全监测方法，将光纤传感技术应用于结构工程领域，以监测结构的外部荷载，测量内部温度、应力、应变及由外部荷载引起的损伤已成为人们研究的一个热点课题。欧美等工业发达国家逐步将光纤传感技术应用于结构安全监控。国内的专家学者也成功地将其应用于土木工程结构监测并取得了一定的研究成果。

分布式光纤传感器是目前国内外研究的热点，测试用光纤的跨距可达几十千米，分辨率高，误差小。要获得一个具有一定跨度范围的整个温度信息(或分布的应力、应变)，使用传统的单点移动式或由多个单点组成的准分布式传感方式既耗时、耗资，又在布线上很困难，其性能价格比是很低的。而这时使用完全分布式温度传感器显然是最有效的方法。这就要求介质既要有高的灵敏度，又能有效地传输所感应的信号。光导纤维就具有这种双重特性，而且其还具有抗电磁干扰、防燃、防爆、尺寸极小、对被测温度场的影响小等其它介质无法比拟的优点。

20世纪70年代，光纤监测技术伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来。与传统的监测技术相比，光纤监测技术具有一系列独特的优点:

(1)光纤传感器的光信号作为载体，光纤为媒质，光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，该传感器具有耐腐蚀，抗电磁干扰，防雷击等特点，属本质安全。

(2)光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积小，重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设。

(3)灵敏度高，可靠性好，使用寿命长。

分布式光纤监测技术除了具有以上特点外，还具有以下两个显著的优点:

(1)可以准确的测出光纤沿线任一点的监测量，信息量大，成果直观。

(2)光纤既作为传感器，又作为传输介质，结构简单，不仅方便施工，且其潜在故障大大低于传统技术，可维护性强，而且性能价格比高。

2 分布式光纤监测技术应用的分类

从监测内容看，当前分布式光纤监测技术在我国的应用大致可分为四类。

第一类是温度监测。如设置于新疆石门子碾压混凝土拱坝内的分布式光纤温度监测系统;设置于三峡大坝内的分布式测温系统;设置于广东长调水电站混凝土面板的温度监测系统等。由于分布式光纤监测测点多，信息量大，均获得了较好的监测成果，较全面地反映了大坝温度场的分布情况。

第二类是渗流定位监测。如设置于广东长调水电站面板周边缝的分布式光纤温度-渗流监测系统。水库蓄水期间，即发现周边缝有几处渗漏点，对渗漏定位相当有效。

第三类是位移和随机裂缝监测。如设置于隔河岩电站水库覃家田滑坡中的螺旋型分布式光纤位移监测系统;设置于湖北古洞口面板堆石坝面板上的随机裂缝光纤自诊断系统。由于单模光纤抗拉强度不高，能测随机裂缝的缝宽不大，当裂缝宽度大于2 mm时，光纤易被拉断。因此，对随机裂缝的监测生命期尚不长。

第四类是裂缝监测。如设置于古洞口水电站面板堆石坝周边缝与面板间缝隙中的准分布式光纤测缝计监测系统。通过监测，也获得了光纤测缝计埋设处缝宽变化的较好效果。

3 两种分布式光纤监测系统

分布式光纤监测系统其实就是分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是沿光纤传输路径上的外界信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断调制(传感)，在光纤中形成调制信息谱带，并通过独特的检测技术，介调调制信号谱带，从而获得外界场信号的大小及空间分布。因此，分布式光纤监测系统通常由激光光源、传感光纤(缆)和检测单元组成，是一种自动化的监测系统。

按照调制方式的不同，分布式光纤监测系统分为分布式传光型光纤监测系统和分布式传感型光纤监测系统或准分布式光纤监测系统和分布式光纤监测系统。

3.1 分布式传光型(准分布式)光纤监测系统

分布式传光型光纤监测系统的特点是:将空间分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、介调进行检测。分布式传光型监测系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统，故又称准分布式光纤监测系统或非本征型分布式光纤监测系统。光纤总线仅起传光作用，不起传感作用。根据寻址方式的不同，分布式传光型光纤监测系统可分为时分复用、波分复用、频分复用、偏分复用和空分复用等几类。其中，时分复用、波分复用和空分复用技术较成熟，复用的点数较多。

(1)时分复用。

时分复用靠耦合于同一根光纤上的传感器之间的光程差，即光纤对光波的延迟效应来寻址。当一脉宽小于光纤总线上相邻传感器之间的传输时间的光脉冲自光纤总线输入端注入时，由于光纤总线上各传感器距光脉冲发射端的距离不同，在光纤总线的终端(或始端)将会接收到许多光脉冲，其中每一个光脉冲对应光纤总线上的一个传感器，光脉冲的延时即反应传感器在光纤总线上的地址，光脉冲的幅度或波长的变化即反应该点被测量的大小。在这里，注入的光脉冲越窄，传感器在光纤总线上的允许间距越小，可耦合的传感器就越多，但是，其对介调系统的要求越苛刻。

(2)波分复用。

波分复用是通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长寻址。由于各传感器的特征波长不同，通过滤波/解码系统即可求出被测信号的大小和位置。该法因一些部件的限制，总线上允许的传感器数目不多，一般为8～12个。

(3)频分复用。

频分复用是将多个光源调制在不同的频率上，经过各分立的传感器汇集在一根或多根光纤总线上，每个传感器的信息即包含在总线信号中的对应频率分量上。采用光源强度调制的频分复用技术可用于光强调制型传感器，采用光源光频调制的频分复用技术可用于光相位调制型传感器。

(4)空分复用。

空分复用是将各传感器的接收光纤的终端按空间位置编码，通过扫描机构控制光开关选址。这时，开关网络应合理布置，信道间隔应选择合适，以保证在某一时刻单光源仅与一个传感器通道相连。空分复用的优点是能够准确地进行空间选址。实际复用的传感器不能太多，以少于10个为佳。

准分布式光纤监测系统通过将多个相同类型或不同类型的传感器在一条光纤上串接复用，减少了传输线路，方便了施工，大大简化了线路的布设，并且可以实现多点同时测量，从而避免了以往逐点测量不同步的弊端。但是，准分布式光纤监测系统存在以下不足:

(1)由于分布式传光型光纤监测系统是通过一条光纤将若干个光纤传感器串接而成，系统的光功率损耗较大，因此，一条光纤只能接入有限的光纤传感器，如分布式光纤光栅监测系统一般仅能接入8～12个光纤传感器。

(2)分布式传光型光纤监测系统实质上是多个单测点光纤传感器的串接复用系统。一旦系统埋设安装后，测点无法增加。

3.2 分布式传感型(分布式)光纤监测系统

分布式传感型光纤监测系统的特点是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，光纤总线不仅起传光作用，还起传感作用，所以，分布式传感型光纤监测系统又称本征分布式光纤监测系统或全分布式光纤监测系统，简称为分布式光纤检测系统。分布式传感型光纤监测系统具有下列优点:

(1)信息量大。分布式传感型光纤监测系统能在整个连续光纤的长度上以距离的连续函数形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化，即光纤任一点都是“传感器”，它的信息量可以说是海量信息。

(2)结构简单，可靠性高。由于分布式传感型光纤监测系统的光纤总线不仅起传光作用，而且起传感作用，因此其结构异常简单，且方便施工，潜在故障少，可维护性好，可靠性高。

(3)使用方便。光纤埋设后，测点可以按需要设定，可以取2 m距离为一个测点，也可以取1 m距离为一个测点等，且按需要可以改变设定。因此，在病害定位监测时极为方便。

(4)性能价格比高。目前，光纤价格不高，一条光纤的测点又可达成百上千个，因此，每一个测点的价格就远远低于传统单测点的价格，性能价格比相当好。

分布式光纤监测系统相对于电信号为基础的传感监测系统和点式光纤监测系统而言，无论是从监测技术的难度、监测量的内容及指标，还是从监测的场合和范围都将其提高到了一个新的阶段。

4 分布式光纤监测系统的展望

当前，分布式光纤监测系统主要是一种时域分布式光纤监测系统，其技术基础是光时域反射技术 OTDR(optical time—domain reflectormetry)。OTDR最初用于评价光学通信领域中光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的手段，其工作机理是脉冲激光器向被测光纤发射光脉冲，该光脉冲通过光纤时由于光纤存在折射率的微观不均匀性，以及光纤微观特性的变化，有一部分光会偏离原来的传播向空间散射，在光纤中形成后向散射光和前向散射光。其中后向散射光向后传播至光纤的始端，经定向耦合器送至光电检测系统。由于每一个向后传播的散射光对应光纤总线上的一个测点，散射光的延时即反应在光纤总线上的位置。

从光纤返回的后向散射光具有三种成分:

(1)由光纤折射率的微小变化引起的瑞利(RayLeigh)散射，其频率与入射光相同;

(2)由光子与光声子相互作用而引起的拉曼(Raman)散射，其频率与入射光相差几十太赫兹;

(3)由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引起的布里渊(Brillouin)散射，其频率与入射光相差几十吉赫兹。

因此，时域分布光纤检测系统按光的载体可分为三种形式:基于拉曼散射的分布式光纤检测系统、基于瑞利散射的分布式光纤监测系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统。当前，前两种形式的研究和应用较多，后一种形式是国际上近年来才研发出来的一项尖端技术，国内的研究才刚刚起步。由于后一种形式可用来测量光纤沿线的应变分布，可以预计，不久将在这方面有所突破，并且前两种形式将发展成更多的应用种类，逐渐向大坝安全监测的各个领域渗透。光纤网络布置形式将更趋丰富多样，更趋科学合理。

与此同时，准分布式光纤监测系统将获得较大发展，以光纤应变计组成的三向应变和二向应变的准分布式监测系统将面世;同一坝段的一些非物理场类监测量，如裂缝监测及同一区域一些非物理场类监测量，如预应力监测将出现更多的准分布式光纤监测系统，从而使相关量获得同步观测，将大大提高观测资料的质量。

5 结语

分布式光纤监测技术是当代高科技的结晶，是一种理想的大坝安全监测系统，广大安全监测工作者应予以积极推广。

分布式光纤经久耐用，安全可靠，由其构成的网络可以遍布坝体，这些光纤网络犹如神经系统，可以感知坝体各部位的相关信息，大坝因此而有望成为一种机敏结构。