地质灾害监测光纤传感技术

发布网友 发布时间：2022-04-23 13:24

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热心网友 时间：2022-04-28 09:13

一、内容概述

光纤传感技术是工程测量领域的一项高新技术，光纤传感器采用光作为信息的载体，用光纤作为传递信息的介质，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、响应快、质量轻、体积小、外形可变、传输带宽大以及可复用实现分布式测量等突出优点，在高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测方面有着广泛的应用。2006～2010年，在“十一五”科技支撑计划重点项目及中国地质调查局地质调查项目的支持下，研发了具有自主知识产权的光纤光栅监测解调系统、分布式光纤应变监测系统，并在三峡库区地质灾害监测中得到应用，取得了不错的效果。

光纤传感技术是通过对光纤内传输光的某些参数（如强度、相位、频率、偏振态等）变化的测量，实现对环境参数的测量。分布式光纤传感技术以其可复用、分布式、长距离传输的优点成为光纤传感技术中最具前途的技术之一，是光纤传感监测技术的发展趋势。其中，光纤布拉格光栅传感技术（Fiber Bragg Grating，FBG）与布里渊光时域反射传感技术（Brillouin Optic Time Domain Reflectometry，BOTDR）是最具代表性的两种分布式光纤传感技术。

FBG是准分布式光纤传感器的一种，其所获取的被测量信息在空间上并不是连续分布的，但可以在大范围内对多点同时进行监测。Bragg光栅是一种在光纤中制成的折射率周期变化的光栅，周期不同其反射的光波长也不同。当这种带有布拉格光栅的光纤受到拉伸或压缩以及所处温度发生变化时，其周期发生变化，从而反射光的波长也改变，通过测量反射光波长的变化即可得知光纤所受的应变或所处的温度值。光纤Bragg光栅测量原理如图1所示。

图1 光纤Bragg 光栅测量原理

BOTDR主要是利用了光波在光纤中传播时产生的后向布里渊散射光的频谱与功率特征与外界环境（温度、应变等）相关的特性。图2是光纤中的背向散射光频谱分布图。

由图2可以看出，在布里渊散射中，散射光的频率相对于泵浦光有一个布里渊频移。当光纤材料特性受温度或应变影响时，布里渊频移大小将发生变化，因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可以实现分布式温度、应变测量。

图2 光纤中的背向散射光频谱分布图

大量的理论和实验研究证明，当环境温度变化量小于或等于5℃时，光纤的轴向应变与布里渊散射光频率的漂移量之间的关系可表示为

V_B（ε）＝ V_B（O）＋Cε

式中：V_B（ε）为光纤发生应变时布里渊散射光频率的漂移量；V_B（O）为光纤无应变时布里渊散射光频率的漂移量；C为光纤应变系数，一般为50 MHz/με；ε为光纤的轴向实际应变。BOTDR应变测量的原理如图3所示。

图3 BOTDR 应变测量原理

中国地质调查局水文地质环境地质调查中心通过攻关研究，在地质灾害监测光纤传感技术方面取得的研究成果包括系列光纤光栅传感器、光纤监测仪器及光纤监测方法，拥有自主知识产权，可在国家重大工程建设中对滑坡、边坡稳定性、重大工程健康监测等发挥很好的作用。

1）基于光栅传感技术研制完成的光栅应变、位移传感器、光栅钢筋应变计3种类型的光栅传感器，具有自主知识产权，性能已达同类产品水平，经济成本与国内同类产品相比降低了 50%，并获得了“滑坡裂缝监测用光纤光栅传感装置”（专利号：ZL200820135234.7）、“光纤光栅实验标定工作台”（专利号：ZL200820124713.9）两项实用新型专利。

图4 光纤光栅监测解调仪

2）利用光波分复用技术，解调光纤光栅传感器阵列，研制完成的光纤光栅监测解调仪（图4），可实现波长解调范围为40nm，解调精度为5pm，实时传输监测数据，技术性能已达国际同类技术产品水平，经济成本与国际国内同类产品相比降低了30%，并在三峡库区滑坡裂缝监测中得到实际应用。

3）利用微波电光调制、光相干检测的方法，研制完成的具有自主知识产权的分布式光纤应变监测系统（图5）样机，可实现20km以上的测试距离，空间分辨率为5m，应变测量精度为100με，技术性能接近国际同类产品水平，经济成本降低了30%，并在三峡库区滑坡监测中得到实际应用。

图5 分布式光纤应变监测系统

4）探索了FBG与BOTDR联合监测滑坡的应用方法。通过试验，显示FBG与BOTDR联合监测滑坡，在整个滑坡体上铺设监测光纤，利用BOTDR技术可获得整个滑坡体的概要信息；在滑坡体变形的关键部位——变形缝安装FBG传感器，利用其监测灵敏度高的特点，获得滑坡某些关键部位的应变值，既可克服BOTDR监测空间分辨率不高的缺点，又可弥补FBG只能实现离散点测量的不足，从而可实现由点到线再到面的滑坡监测，获得滑坡体较完整的应变信息。

二、应用范围及应用实例

FBG传感器的测量精度能达到0.001%，并且系统测量时间短，可实现实时监测，基于这些优点，使FBG在结构检测（例如桥梁、隧道的健康监测）上得到了广泛的应用，用于地质灾害监测时，主要用于变形位置已大致确定、形变较大的结构体的变形监测，将其用于滑坡监测时，主要用于监测滑坡后缘或已知的裂缝的实时变化。

BOTDR 传感技术所采用的光纤体积小、柔软可弯曲，能以任意形式复合于基体结构中而不影响基体的性能。对整个测试光纤，只要测得光纤各位置的布里渊散射光功率和频率，就可得到光纤上各处的应变和温度分布。该传感技术系统最具优势的地方还在于光纤既是传感元件又是传输媒介，属于分布式监测，可以满足长距离、不间断监测的要求，便于与光纤传输系统联网，以实现系统的遥测和控制。用于地质灾害监测时，将光纤以神经网络的形式植入监测体，便可对其实施从线到面的整体监测。

光纤传感技术在残联滑坡监测中的应用：

残联滑坡位于重庆市巫山县新县城中心地带，为河流谷坡地形。虽对其采取“清方减载＋格构锚＋护脚墙＋地表排水”的方案进行了治理，但滑坡下部仍然有明显的地表变形。鉴于此，2004年8月运用BOTDR技术对其进行了监测，2006年10月又在其关键的变形部位安装了FBG应变传感器（图6）。

图6 残联滑坡下部分布式光纤布网及关键部位FBG 传感器安装

BOTDR监测显示（图7），沿光纤分布有4个明显的高应变异常段，并呈两两对称（光纤折回铺设）。C₁ 异常段对应于剖面的92～93处，C₂ 异常段对应于剖面的142～143处。宏观调查发现，这两处地表存在明显的拉裂和剪切变形，FBG监测数据（图8）也表明变形仍在继续，截止到2010年5月，裂缝变形应变量已达到642.76με。这样，通过FBG与BOTDR的联合监测，既获得了滑坡体沿剖面方向的应变分布情况，又对变形关键部位加强了监测。

图7 残联滑坡下部BOTDR 监测应变沿光纤分布图

图8 光纤光栅监测应变随时间变化图

三、推广转化方式

地质灾害光纤传感技术成果可通过宣传报道、会议交流、人员培训、技术咨询的形式，提高市场认知，具有自主知识产权的系列光纤光栅传感器、光纤光栅监测解调仪、分布式光纤监测系统等可以经过成果转化，形成与监测技术相关的产品直接进行市场销售，地质灾害光纤监测技术方法可通过示范工程的方式进行推广。

技术依托单位：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心

联系人：张青

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