光纤传感技术的新基建应用

李东明 高健

（第七一五研究所，杭州，310023）

随着“万物互联”和“智慧城市”概念的兴起，物联网飞速发展，作为其中重要的感知技术之一，光纤传感技术因具有抗电磁干扰、电绝缘性、效率高、成本低、维护便利、寿命长等优势引起了众多领域专家的关注。该技术利用光纤同时作为传感敏感元件和传输信号介质，可感知光纤沿线上的外界信号，包括应力、弯曲、温度、振动等[1]。国内外学者相继研究光纤传感技术应用于各领域的可行性和可靠性，尤其是新基建领域，包括交通土建结构监测、航天航空结构监测、地球物理探索、周界安防、管线监测、地下空间监测和电力监测等。

1 光纤传感技术

光纤传感技术主要包括点式光纤传感技术和分布式光纤传感技术，其中前者以光纤光栅传感技术为代表，技术和市场均已成熟。相比之下，分布式光纤传感则较为年轻，其中以分布式光纤声波/振动传感技术、分布式光纤应变/温度传感技术和分布式光纤温度传感技术为代表。

分布式光纤声波/振动传感技术可对光纤沿线的振动/声波信号进行感知、定位、识别，可实时监测管道泄漏、第三方入侵、周界安防、车辆轨迹等，具有范围广、定位准、成本低、寿命长等优势。分布式光纤应变/温度传感技术可实时在线监测光纤沿线的应变或温度信息，针对大型结构的监测具有长距离、无盲区、全覆盖等明显优势，并且能够实现对异常情况的精确定位和及时报警，有效预防结构损伤进一步扩大而导致的灾害。分布式光纤温度传感技术可还原光纤沿线任意一点处的温度信号，针对电缆温度、火灾预警等具有良好的应用效果。

光纤传感作为感知手段，其应用领域较为广泛。结合应用领域的特点，还将配套各相关行业数学建模、信号处理、数据分析、物理解释、AI 等技术，使得其更有应用价值。

2 光纤传感技术的应用

2.1 交通土建结构监测

2.1.1 桥梁结构监测

为保障交通土建大型结构的安全与健康，需要一种切实有效的监测手段对其进行实时在线监测。传统的监测手段措施主要以电学传感器为主，然而，电学传感器寿命短、维护成本高，因此国内外专家学者先后开展了基于光纤传感技术的桥梁结构监测研究[2-6]，但这些仅仅还停留在试验研究阶段。国内真正将光纤光栅传感器和分布式光纤传感器结合应用于工程实践的是象山港大桥和清水浦大桥结构健康监测系统[7]。该健康监测系统共使用光纤光栅传感器210 个，分布式光纤10 km，真正实现了桥梁结构的全方位无死角智能监测。

将光纤光栅和分布式光纤传感技术相结合，在被测结构关键部位及整体结构采用植入、表贴、锚固等多种方式，将光纤光栅传感器和分布式传感光纤与被测结构形成一个整体，从而将光纤传感器变成结构体的智能传感神经监测网络，实现被测结构物的全寿命周期实时在线监测，对于提高我国大型基础设施、大型结构装备和地质灾害的安全监测能力，提升公共安全水平，以及减小经济损失和社会影响具有重要意义。

2.1.2 铁路结构监测

铁路轨道具有距离长和轨道损伤分布离散性大的特点，因此，可实现结构大范围变形监测的分布式光纤传感技术是一种更为切合铁路轨道结构病害监测要求的监测技术。分布式光纤声波传感（Distributed Acoustic Sensing，DAS）技术将无源光纤作为传感与传输器件，可以实现光纤沿线扰动信号的空间连续感知，具有灵敏度高、无需现场供电、抗电磁干扰、可长距离分布式测量、单位距离成本低等特点，能够很好地弥补现有技术手段的缺点，符合铁路运输领域的应用需求，可以较为快速地融入到现有铁路线路中，并已逐步在铁路运输安全监测领域中得到应用。

（1）列车定位与轨迹监测

2018 年，德国Cedilnik 等[8]采用DAS 技术从列车与铁轨角度对列车行驶的二维振动数据进行分析，展示了铁轨与列车的特性，为列车定位检测与铁轨健康监测提供了技术基础。

（2）轨道沿线安全监测

在铁路沿线安全检测中，需要对非法施工信号、环境噪声和列车行驶振动进行区分，并产生必要的警报。2013 年，英国OptaSense 公司与美国BNSF运输公司率先提出了基于DAS 的铁路沿线落石检测[9]，检测准确率达到95%。

（3）铁轨缺陷检测

钢轨焊缝的质量、钢轨的损伤等轨道异常状态，都会对高速运行在上面的列车造成致命影响。2020年，英国南安普顿大学David M 采用基于3×3 耦合器解调方法的DAS 技术实现了钢轨在不同载荷下的分布式动态应变监测[10]。

2.2 航空航天结构监测

航空航天机体的结构寿命决定了其使用寿命，因此及时发现航空航天结构存在的损伤是十分重要的。由于使用环境的随机性、复杂性和严酷性，航空航天结构损伤的发生随机、偶然，更难以监测。传统电学应变监测方法由于寿命短、引线众多且沉重，无法满足航空航天结构监测需求。光纤传感技术具有抗电磁干扰、电绝缘性、结构轻、寿命长、环境适应性强等优点，因而受到航天航空领域的广泛关注。

光纤光栅传感技术已在航空航天领域开展了一些应用，如结构健康监测、温度监测、形态测量等[11-14]。典型的是在2014 年南京航空航天大学采用光纤光栅传感技术对主战飞机的结构应变测量进行了理论分析和实验验证，并与传统应变片测试数据进行对比，结果表明光纤光栅技术测试效果良好[15]。而早在2006 年南京航空航天大学便研发了大型盒段级压电-光纤综合结构健康监测系统，并利用该套系统首次对某型无人机机翼盒段试验件进行了健康监测的地面实验验证，取得了良好的效果[15]。

2.3 地球物理探索

目前，用于海洋地球物理观测的光纤传感技术分别为分布式光纤声波传感[16-19]、超稳频干涉仪[20]及偏振状态分析[21]。

DAS 的空间分辨率最高可达1 m，最长可探测距离为100 km。目前DAS 方法已成功应用于大陆与海底的地震测量，实现了对海洋波浪、海洋表面重力波以及地震波的探测，对地震学和海洋科学研究有重要意义。超稳定激光干涉技术通过干涉分析测量飞秒级（10-15s）激光时延，能监测数千公里光纤中微米级长度变化，将洲际海底光缆转变为地震仪。近期，加州理工大学联合谷歌公司采用偏振状态分析法成功利用海底上万公里的通讯光缆监测海底地震和海浪运动，如墨西哥Oaxaca Mw7.4级地震等，但该方法仅对较强的地震信号有效。

由此可知，目前对于光纤传感应用于海洋地球物理观测的主要性能需求为：长距离、高空间分辨率和高测量精度。在已有的光纤传感技术中，这三项性能指标无法同时满足。然而，随着近年来分布式光纤声波传感器领域的突破性进展，如相位噪声补偿、脉冲压缩技术等，使用新一代高性能分布式光纤声波传感器有望对海洋地球物理观测带来全新的变革。

2.4 周界安防

周界入侵防范系统是物联网的重要组成部分，由国家要害部门扩展到当今的重要公共场所、大型建筑、金融、交通、社区等各个领域。目前国外多家公司拥有基于分布式光纤传感器的周界安防系统技术。比如 Senstar-Stellar 公司开发的 Intelli FIBER 系统是基于测量多模光纤中偏振态变化[22]；Optic Phase 公司基于Sagnac 干涉仪开发了探测安防系统[23]；美国Fiber Sensys 公司开发了许多用于入侵检测光纤防卫产品。

目前国内周界安防领域也在大力发展，其中以分布式光纤传感技术最为突出。与以点式、准分布式为主的传统光纤传感器不同，智能分布式光纤传感器集传感与传输为一体，能够实现单模光纤全程特征信息探测并完成入侵事件智能识别。结合物联网的发展，未来的安防系统也将进入融合发展阶段，即形成安防设备集成联动管理平台，从而真正实现智慧安防建设。

2.5 管线监测

传统管道检测技术存在效率低、成本高、周期长等不足，并且不能实现管道运行阶段的实时监测，难以预警管道在突发情况下的运行状态。对于埋地管道、海底管道等环境较为复杂的情况，无法实现管道整体实时监测，对管道失效的预警具有一定的滞后性[24]。因此必须研究合适的监测系统对管道的结构状态进行实时监测，降低管道的失效概率。

利用光纤传感技术对地下管线进行监测，主要是基于温度、应变和振动的微小变化，获取管道完整性和安全性方面的信息，进而实现上述地下管线的安全监测。目前，光纤传感技术在地下管线监测方面的研究主要围绕6 个方面开展。

（1）管线泄漏监测[25]：主要通过 DTS（Distributed Temperature Sensing）监测泄漏部位的温度变化实现管道泄漏的定位。研究表明监测精度高，定位准确。

（2）第三方入侵监测[26]：基于DAS 技术的管线第三方入侵监测系统能快速区分正常和异常事件并实现定位，这对于监测管道周围事件十分有效，系统可在第三方入侵造成危害前作出准确的响应、预警，保障管线运行安全。

（3）管线变形监测[27-28]：地下管线综合变形（包括环向变形和侧向变形）的监测可通过结合FBG（Fiber Bragg Grating）和BOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis）两种技术手段，构建变形监测网，有效精确监测管道变形。

（4）管线腐蚀监测[29]：光纤传感技术因其耐腐蚀、寿命长、稳定性好的优点，适用于复杂环境下管道的长期腐蚀监测，目前关于光纤传感应用于管道监测的研究尚处于研究阶段，但已有研究表明FBG 和BOTDA 具有监测管道腐蚀的可行性。

（5）管线区域地质与自然灾害监测[30]：基于FBG 技术构建一套可同时监测管体应变、管土界面压力、滑坡体表面位移以及深部位移的埋地管道滑坡远程监测预警系统。

（6）海底管道监测[31-32]：采用光纤传感技术构建合理的监测系统，获取海底管道的状态参数，进而对管道内部和周围可能发生的不良事件进行预测，在管道出现危险前发出预警，避免其发生失效。

目前中国船舶集团第七一五研究所采用分布式光纤声波/振动技术和分布式应变/温度技术实现了多个地下管线的泄露监测、第三方入侵监测、变形监测和海底缆线状态监测。典型工程案例为采用分布式光纤声波/振动技术实时监测杭嘉千引水管道的泄漏情况和第三方入侵情况。

2.6 地下空间监测

基于光纤传感技术的城市地下空间探测系统的相关技术是国际研究热点和前沿应用，较传统点式探测具有长距离、分布式、长期监测的优势。2015年Nakata 利用检波器间的信号互相关技术，提取了美国加州长滩地区的体波信息，并对该地区的浅地表的纵波速度结构进行了层析成像[33]。2016 年Chang 等利用交通噪声结合DAS，得到了地下空间层析成像[34]。在美国的新冠肺炎疫情之初，斯坦福大学研究人员将分布式声波传感技术用于加利福尼亚州Palo Alto 市地下的通信光缆，有效监测了两个月内的城市交通情况，光纤布设情况及测试结果如图2 所示[35]。

图2 国外某项目光纤布设及测试结果图

以高铁地震分布式光纤监测为例[36]。高铁列车为移动震源，其经过时记录的光纤地震波形十分复杂，为了更好地实现基于高铁地震波场的地下介质结构探测，需要开展光纤高铁地震波场的正演模拟研究，了解高铁地震波场的基本特征。随着我国高铁和城市轨道交通的大力发展，智慧管养成为一大研究热点，光纤传感技术在该领域大有可为。

2.7 电力监测

随着我国基建的高质量发展，对电力的需求与日俱增，这不仅要求我们加快电力行业的建设，而且需要提高电力行业健康监测的智能化水平，实现打造智能电网的发展要求[37]。

光纤传感技术在电力行业的应用可归纳为如下3 个方面：

（1）特高压变电站光纤监测系统，包括特高压电流光纤监测系统和变压器光纤监测系统。特高压电流监测采用全光纤直流电流互感器[38-41]，能够准确测量特高压直流输电一次电流；变压器光纤监测系统能够监测和预警变压器内部运行状态，打造智能化的光纤变压器[42-44]。

（2）架空线路和动力电缆的健康监测[45-48]，利用分布式光纤测温技术、测振技术以及应变监测技术对输电线路和动力电缆进行无盲区覆盖和定位，通过监测系统实现智能化预警和定位，为安保人员提供告警、智能分析和辅助决策支持。

（3）发电机健康监测，包括汽轮发电机和风力发电机。采用FBG 加速度传感器对汽轮发电机钉子振动状况进行监测[49-50]；采用贴片式FBG 应变传感器对风力发电机的叶片根部进行应变分布监测，得出叶片载荷分布[51]。

3 结论与展望

光纤传感在桥梁结构监测领域和电力监测领域的应用较为成熟，其他监测领域（铁路结构监测领域、航天航空结构监测、地球物理探索、周界安防、管线监测和地下空间监测）尚在研究阶段或工程应用探索阶段。应国家“十四五”规划需求，随着新基建朝着数字化、智能化、高速化等方向转变，光纤传感作为感知技术手段之一，在新基建监测领域中的发展趋势分为以下3 点：

（1）技术发展：提高分布式光纤传感技术的精确度，包括提高空间分辨率、降低噪声影响，能够高保真探测微弱声信号；

（2）数据挖掘：积累研究阶段和工程应用探索

阶段的测试数据，结合大数据分析技术，对数据进行深度分析和挖掘，为各领域的运维管养提供数据支撑；（3）应用技术深度发展：根据各领域不同的应用场景、不同的关注点、不同的需求，结合物联网、人工智能、大数据分析等技术，为各领域提供模型建立、数据解释、预测告警等功能，共同打造智慧运维管养系统。