分布式光纤监测技术在我国的发展论文

2021-07-13 论文

　　摘要：本文简述了分布式光纤监测技术在我国大坝安全监测中的应用情况；详细阐述了两类分布式光纤监测系统的原理、主要特点及性能；对今后分布式光纤监测技术的发展作了展望。

　　关键词：分布式监测光纤

　　1、我国大坝分布式光纤监测技术应用概况

　　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的特点外，还具有以下二个显著的优点：

　　（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，潜在故障大大低于传统技术，可维护性强，而且性能价格比好。

　　我国从20世纪90年代后期在新疆石门子水库首次利用分布式光纤监测技术测量碾压砼拱坝温度以来，至今已有多个工程应用，并且，我国已有专门从事分布式光纤监测仪器设备制造厂——宁波振东光电有限公司，发展极为迅速。

　　由于水电水利工程中有许多物理场需要监测，如温度场、应力场、位移场、渗流场，等等。以往采用单点监测方法，测点少，成果不直观，需要通过分析才能最终了解场的情况，这种传统的单点监测方法不仅费工、费时、费钱，而且效果也不理想。而如果采用分布式光纤监测技术就可以准确地测定光纤沿线任一点上的温度、应力和位移，信息量大，成果直观。如果将光纤按一定的网络铺设，可实现对大坝安全的全方位监测，可以克服传统点式监测容易漏测和渗流难以定位的弊端，极大提高安全监测的有效性，如俄罗斯萨扬.舒申斯克重力拱坝，内部仪器埋设达2500多支，竟未测出坝基长达486m的水平缝，直至该缝向坝内延伸20余米，引起廊道漏水才被发觉，这充分说明点式监测的局限性，因此，分布式光纤监测技术倍受青睐。从监测内容看，当前我国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砼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砼面板的温度监测系统，等等。由于分布式光纤监测测点多，信息量大，都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，当裂缝大于2mm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。如设置于古洞口面板堆石坝周边缝面板间缝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。

　　当前，在建和拟建的水电水利工程，如索风营水电站、景洪水电站、三板溪水电站、水布垭水电站、坦肯水电站、锦屏一级水电站、瀑布沟水电站、拉西瓦水电站等等，在大坝安全监测中，都正在或计划采用分布式光纤监测系统。

　　分布式光纤监测技术在碾压混凝土坝的应用发展较快，继新疆石门子碾压混凝土拱坝后，索风营碾压混凝土重力坝，景洪碾压混凝土重力坝都已经和准备应用。对碾压混凝土坝，分布式光纤监测具有较大的应用优势，因为它对施工干扰小，它既具有监测温度场的功能，又兼有对碾压层面进行渗流定位监测的功能。从目前应用情况来看，光纤网络布置有二种形式。一种是平面网络形式，光纤连续地沿坝体横断面自下而上作蛇形布置；另一种是空间网络形式，取某坝段作监测对象，光纤自下而上连续地沿水平截面从左至右或从右至左作蛇形布置。空间网络布置不仅可以监测多个横断面的温度场，了解施工期和运行期坝体温度空间分布和变化情况，而且可以对碾压层面进行渗流定位监测。

　　2、两种分布式光纤监测系统

　　分布式光纤监测系统其实是分布调制的是光纤传感系统。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。

　　2.1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：将呈一定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、介调检测出被测量的大小。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，可耦合的传感器越多，但是，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来寻址。当光源发出的连续宽带光（经光波长编码）注入光纤总线时，在光纤传感器与监测量发生耦合作用，对该宽带光有选择地反射回相应的一个窄带光，并沿原传输光纤返回，其余宽带光则直接透射过去继续前进，遇到第2个光纤传感器，又有选择地反射回相应的一个窄带光。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。该法由于一些实际部件的限制，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以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。

　　目前国内北京品傲光电科技有限公司和武汉理工大学研制的准分布式光纤监测系统都是采用了光纤光栅传感器，传感信号为波长调制，系统采用波分复用技术。

　　三峡大学研制了由“光纤裂缝计”和“光纤测缝计智能分析仪”组成的准分布式光纤监测系统，采用的是根据光强调制的测缝计，询址采用的是时分复用技术。

　　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，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如下不足：

　　（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的串接复用系统。一旦系统埋设安装后，测点无法增加。

　　2.2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，简称分布式光纤检测系统。

　　分布式传感型光纤监测系统有下列优点：

　　（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，以距离的连续函数的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，因此结构异常简单，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2m距离为一个测点，也可以取1m距离为一个测点等，按需要可以改变设定。因此，在病害定位监测时极其方便。

　　（4）性能价格比好。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提高到了一个新的阶段。

　　3、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，它的技术基础是光时域反射技术OTDR（opticaltime—domainreflectormetry）。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。

　　由于从光纤返回的后向散射光有3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，前二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，不久在这方面将有所突破，并且前二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；同一坝段一些非物理场类监测量，如裂缝监测，以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，大大提高观测资料的质量。

　　4、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，由它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相关信息，大坝因此而有望成为一种机敏结构。

　　可以感觉到，光纤智能大坝正在悄悄地向我们走来。

　　参考文献

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　　3、秦一涛，刘剑鸣等：分布式光纤温度监测系统在长调水电站中的应用实践（J）大坝与安全2004.1

　　4、魏德荣，赵花城等：基于光纤温度测量的渗流监测技术（J）浙江水利科技2004.2