分布式光纖監測技術(shù)在我國的發(fā)展論文
摘要：本文簡(jiǎn)述了分布式光纖監測技術(shù)在我國大壩安全監測中的應用情況；詳細闡述了兩類(lèi)分布式光纖監測系統的原理、主要特點(diǎn)及性能；對今后分布式光纖監測技術(shù)的發(fā)展作了展望。
關(guān)鍵詞：分布式監測光纖
1、我國大壩分布式光纖監測技術(shù)應用概況
20世紀70年代，光纖監測技術(shù)伴隨著(zhù)光導纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)。與傳統的監測技術(shù)相比，光纖監測技術(shù)有一系列獨特的優(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）光纖本身輕細纖柔，光纖傳感器的體積小，重量輕，不僅便于布設安裝，而且對埋設部位的材料性能和力學(xué)參數影響甚小，能實(shí)現無(wú)損埋設。
�。�3）靈敏度高，可靠性好，使用壽命長(cháng)。
分布式光纖監測技術(shù)除了具有以上的特點(diǎn)外，還具有以下二個(gè)顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：
�。�1）可以準確的測出光纖沿線(xiàn)任一點(diǎn)的監測量，信息量大，成果直觀(guān)。
�。�2）光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質(zhì)，結構簡(jiǎn)單，不僅方便施工，潛在故障大大低于傳統技術(shù)，可維護性強，而且性能價(jià)格比好。
我國從20世紀90年代后期在新疆石門(mén)子水庫首次利用分布式光纖監測技術(shù)測量碾壓砼拱壩溫度以來(lái)，至今已有多個(gè)工程應用，并且，我國已有專(zhuān)門(mén)從事分布式光纖監測儀器設備制造廠(chǎng)——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(chǎng)需要監測，如溫度場(chǎng)、應力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)，等等。以往采用單點(diǎn)監測方法，測點(diǎn)少，成果不直觀(guān)，需要通過(guò)分析才能最終了解場(chǎng)的情況，這種傳統的單點(diǎn)監測方法不僅費工、費時(shí)、費錢(qián)，而且效果也不理想。而如果采用分布式光纖監測技術(shù)就可以準確地測定光纖沿線(xiàn)任一點(diǎn)上的溫度、應力和位移，信息量大，成果直觀(guān)。如果將光纖按一定的網(wǎng)絡(luò )鋪設，可實(shí)現對大壩安全的全方位監測，可以克服傳統點(diǎn)式監測容易漏測和滲流難以定位的弊端，極大提高安全監測的有效性，如俄羅斯薩揚.舒申斯克重力拱壩，內部?jì)x器埋設達2500多支，竟未測出壩基長(cháng)達486m的水平縫，直至該縫向壩內延伸20余米，引起廊道漏水才被發(fā)覺(jué)，這充分說(shuō)明點(diǎn)式監測的局限性，因此，分布式光纖監測技術(shù)倍受青睞。從監測內容看，當前我國應用大致可分為四類(lèi)。
第一類(lèi)是溫度監測。如設置于新疆石門(mén)子碾壓砼拱壩內的分布式光纖溫度監測系統，設置于三峽大壩內的分布式測溫系統，設置于廣東長(cháng)調水電站砼面板的溫度監測系統，等等。由于分布式光纖監測測點(diǎn)多，信息量大，都獲得了較好的監測成果，較全面地反映了大壩溫度場(chǎng)的分布情況。
第二類(lèi)是滲流定位監測。如設置于廣東長(cháng)調水電站面板周邊縫的分布式光纖溫度——滲流監測系統。水庫蓄水期間，即發(fā)現周邊縫有幾處滲漏點(diǎn)，對滲漏定位相當有效。
第三類(lèi)是位移和隨機裂縫監測。如設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測系統，設置于湖北古洞口面板堆石壩面板上的隨機裂縫光纖自診斷系統。由于單模光纖抗拉強度不高，能測隨機裂縫的縫寬不大，當裂縫大于2mm時(shí)，光纖易被拉斷。因此，對隨機裂縫的監測生命期尚不長(cháng)。
第四類(lèi)是裂縫監測。如設置于古洞口面板堆石壩周邊縫面板間縫的準分布式光纖測縫計監測系統。通過(guò)監測，也獲得了光纖測縫計埋設處縫寬變化的較好效果。
當前，在建和擬建的水電水利工程，如索風(fēng)營(yíng)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，在大壩安全監測中，都正在或計劃采用分布式光纖監測系統。
分布式光纖監測技術(shù)在碾壓混凝土壩的應用發(fā)展較快，繼新疆石門(mén)子碾壓混凝土拱壩后，索風(fēng)營(yíng)碾壓混凝土重力壩，景洪碾壓混凝土重力壩都已經(jīng)和準備應用。對碾壓混凝土壩，分布式光纖監測具有較大的應用優(yōu)勢，因為它對施工干擾小，它既具有監測溫度場(chǎng)的功能，又兼有對碾壓層面進(jìn)行滲流定位監測的功能。從目前應用情況來(lái)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，取某壩段作監測對象，光纖自下而上連續地沿水平截面從左至右或從右至左作蛇形布置�？臻g網(wǎng)絡(luò )布置不僅可以監測多個(gè)橫斷面的溫度場(chǎng)，了解施工期和運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)行滲流定位監測。
2、兩種分布式光纖監測系統
分布式光纖監測系統其實(shí)是分布調制的是光纖傳感系統。所謂分布調制，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)行不斷調制（傳感），在光纖中形成調制信息譜帶，并通過(guò)獨特的檢測技術(shù)，介調調制信號譜帶，從而獲得外界場(chǎng)信號的大小及空間分布。因此，分布式光纖監測系統通常由激光光源，傳感光纖（纜）和檢測單元組成，是一種自動(dòng)化的監測系統。
按照調制方式的不同，分布式光纖監測系統分為分布式傳光型光纖監測系統和分布式傳感型光纖監測系統或準分布式光纖監測系統和分布式光纖監測系統。
2.1分布式傳光型(準分布式)光纖監測系統
分布式傳光型光纖監測系統的特點(diǎn)是：將呈一定空間分布的相同調制類(lèi)型的光纖傳感器耦合到一根或多根光纖總線(xiàn)上，通過(guò)尋址、介調檢測出被測量的大小。分布式傳光型監測系統實(shí)質(zhì)上是多個(gè)分立式光纖傳感器的復用系統，故又稱(chēng)準分布式光纖監測系統或非本征型分布式光纖監測系統。光纖總線(xiàn)僅起傳光作用，不起傳感作用。根據尋址方式不同，分布式傳光型光纖監測系統可分為時(shí)分復用、波分復用、頻分復用、偏分復用和空分復用等幾類(lèi)。其中，時(shí)分復用、波分復用和空分復用技術(shù)較成熟，復用的點(diǎn)數較多。
1、時(shí)分復用
時(shí)分復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來(lái)尋址。當一脈寬小于光纖總線(xiàn)上相鄰傳感器之間的傳輸時(shí)間的光脈沖自光纖總線(xiàn)輸入端注入時(shí)，由于光纖總線(xiàn)上各傳感器距光脈沖發(fā)射端的距離不同，在光纖總線(xiàn)的終端（或始端）將會(huì )接收到許多光脈沖，其中每一個(gè)光脈沖對應光纖總線(xiàn)上的一個(gè)傳感器，光脈沖的延時(shí)即反應傳感器在光纖總線(xiàn)上的地址，光脈沖的幅度或波長(cháng)的變化即反應該點(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(xiàn)上的允許間距越小，可耦合的.傳感器越多，但是，對介調系統的要求越苛刻。
2、波分復用
波分復用是通過(guò)光纖總線(xiàn)上各傳感器的調制信號的特征波長(cháng)來(lái)尋址。當光源發(fā)出的連續寬帶光（經(jīng)光波長(cháng)編碼）注入光纖總線(xiàn)時(shí)，在光纖傳感器與監測量發(fā)生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應的一個(gè)窄帶光，并沿原傳輸光纖返回，其余寬帶光則直接透射過(guò)去繼續前進(jìn)，遇到第2個(gè)光纖傳感器，又有選擇地反射回相應的一個(gè)窄帶光。由于各傳感器的特征波長(cháng)不同，通過(guò)濾波/解碼系統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(xiàn)上允許的傳感器數目不多，一般為8—12個(gè)。3、頻分復用
頻分復用是將多個(gè)光源調制在不同的頻率上，經(jīng)過(guò)各分立的傳感器匯集在一根或多根光纖總線(xiàn)上，每個(gè)傳感器的信息即包含在總線(xiàn)信號中的對應頻率分量上。采用光源強度調制的頻分復用技術(shù)可用于光強調制型傳感器，采用光源光頻調制的頻分復用技術(shù)可以用于光相位調制型傳感器。
4、空分復用
空分復用是將各傳感器的接收光纖的終端按空間位置編碼，通過(guò)掃描機構控制光開(kāi)關(guān)選址。這時(shí)，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò )應合理布置，信道間隔應選擇合適，以保證在某一時(shí)刻單光源僅與一個(gè)傳感器通道相連�？辗謴陀玫膬�(yōu)點(diǎn)是能夠準確地進(jìn)行空間選址，實(shí)際復用的傳感器不能太多，以少于10個(gè)為佳。
目前國內北京品傲光電科技有限公司和武漢理工大學(xué)研制的準分布式光纖監測系統都是采用了光纖光柵傳感器，傳感信號為波長(cháng)調制，系統采用波分復用技術(shù)。
三峽大學(xué)研制了由“光纖裂縫計”和“光纖測縫計智能分析儀”組成的準分布式光纖監測系統，采用的是根據光強調制的測縫計，詢(xún)址采用的是時(shí)分復用技術(shù)。
準分布式光纖監測系統通過(guò)將多個(gè)相同類(lèi)型或不同類(lèi)型的傳感在一條光纖上串接復用，減少了傳輸線(xiàn)路，方便了施工，大大簡(jiǎn)化了線(xiàn)路的布設。并且，可以實(shí)現多點(diǎn)同時(shí)測量，避免了以往逐點(diǎn)測量不同步的弊端。但是，準分布式光纖監測系統存在如下不足：
�。�1）由于分布式傳光型光纖監測系統是通過(guò)一條光纖將若干個(gè)光纖傳感器串接而成，系統的光功率損耗較大，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測系統一般僅能接入8—12個(gè)光纖傳感器。
�。�2）分布式傳光型光纖監測系統實(shí)質(zhì)上是多個(gè)單測點(diǎn)光纖傳感的串接復用系統。一旦系統埋設安裝后，測點(diǎn)無(wú)法增加。
2.2分布式傳感型(分布式)光纖監測系統
分布式傳感型光纖監測系統的特點(diǎn)是，利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，光纖總線(xiàn)不僅起傳光作用，還起傳感作用，所以分布式傳感型光纖監測系統又稱(chēng)本征分布式光纖監測系統，或全分布式光纖監測系統，簡(jiǎn)稱(chēng)分布式光纖檢測系統。
分布式傳感型光纖監測系統有下列優(yōu)點(diǎn)：
�。�1）信息量大。分布式傳感型光纖監測系統能在整個(gè)連續光纖的長(cháng)度上，以距離的連續函數的形式傳感出被測參數隨光纖長(cháng)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(shuō)是海量信息。
�。�2）結構簡(jiǎn)單，可靠性高。由于分布式傳感型光纖監測系統的光纖總線(xiàn)不僅起傳光作用，而且起傳感作用，因此結構異常簡(jiǎn)單，方便施工，潛在故障少，可維護性好，可靠性高。
�。�3）使用方便。光纖埋設后，測點(diǎn)可以按需要設定，可以取2m距離為一個(gè)測點(diǎn)，也可以取1m距離為一個(gè)測點(diǎn)等，按需要可以改變設定。因此，在病害定位監測時(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)又可達成百上千個(gè)，因此，每一個(gè)測點(diǎn)的價(jià)格就遠遠低于傳統單測點(diǎn)的價(jià)格，性能價(jià)格比相當好。
分布式光纖監測系統相對于電信號為基礎的傳感監測系統和點(diǎn)式光纖監測系統而言，無(wú)論是從監測技術(shù)的難度、監測量的內容及指標，還是從監測的場(chǎng)合和范圍都提高到了一個(gè)新的階段。
3、展望
當前，分布式光纖監測系統主要是一種時(shí)域分布式光纖監測系統，它的技術(shù)基礎是光時(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，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，其工作機理是脈沖激光器向被測光纖發(fā)射光脈沖，該光脈沖通過(guò)光纖時(shí)由于光纖存在折射率的微觀(guān)不均勻性，以及光纖微觀(guān)特性的變化，有一部分光會(huì )偏離原來(lái)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。由于每一個(gè)向后傳播的散射光對應光纖總線(xiàn)上的一個(gè)測點(diǎn)，散射光的延時(shí)即反應在光纖總線(xiàn)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）由光子與光纖內彈性聲波場(chǎng)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、基于瑞利散射的分布式光纖監測系統和基于布里淵散射的分布式光纖檢測系統。當前，前二種形式的研究和應用較多，后一種形式是國際上近年來(lái)才研發(fā)出來(lái)的一項尖端技術(shù)，國內研究才剛剛起步。由于后一種形式可用來(lái)測量光纖沿線(xiàn)的應變分布，可以預計，不久在這方面將有所突破，并且前二種形式將發(fā)展成更多的應用種類(lèi)，逐漸向大壩安全監測的各個(gè)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)，準分布式光纖監測系統將獲得較大發(fā)展，以光纖應變計組成的三向應變和二向應變的準分布式監測系統將面世；同一壩段一些非物理場(chǎng)類(lèi)監測量，如裂縫監測，以及同一區域一些非物理場(chǎng)類(lèi)監測量，如預應力監測，將出現更多的準分布式光纖監測系統，從而使相關(guān)量獲得同步觀(guān)測，大大提高觀(guān)測資料的質(zhì)量。
4、結語(yǔ)
分布式光纖監測技術(shù)是當代高科技的結晶，是一種理想的大壩安全監測系統，廣大安全監測工作者應予以積極推廣。
分布式光纖經(jīng)久耐用，安全可靠，由它構成的網(wǎng)絡(luò )可以遍布壩體，這些光纖網(wǎng)絡(luò )猶如神經(jīng)系統，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敏結構。
可以感覺(jué)到，光纖智能大壩正在悄悄地向我們走來(lái)。
參考文獻
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