分散式光纖監測技術在我國的發展論文
分散式光纖監測技術在我國的發展論文
摘要：本文簡述了分散式光纖監測技術在我國大壩安全監測中的應用情況；詳細闡述了兩類分散式光纖監測系統的原理、主要特點及效能；對今後分散式光纖監測技術的發展作了展望。
關鍵詞：分散式監測光纖
1、我國大壩分散式光纖監測技術應用概況
20世紀70年代，光纖監測技術伴隨著光導纖維及光纖通訊技術的發展而迅速發展起來。與傳統的監測技術相比，光纖監測技術有一系列獨特的優點：
（1）光纖感測器的光訊號作為載體，光纖為媒質，光纖的纖芯材料為二氧化矽，因此，該感測器具有耐腐蝕，抗電磁干擾，防雷擊等特點，屬本質安全。
（2）光纖本身輕細纖柔，光纖感測器的體積小，重量輕，不僅便於佈設安裝，而且對埋設部位的材料效能和力學引數影響甚小，能實現無損埋設。
（3）靈敏度高，可靠性好，使用壽命長。
分散式光纖監測技術除了具有以上的特點外，還具有以下二個顯著的優點：
（1）可以準確的測出光纖沿線任一點的監測量，資訊量大，成果直觀。
（2）光纖既作為感測器，又作為傳輸介質，結構簡單，不僅方便施工，潛在故障大大低於傳統技術，可維護性強，而且效能價格比好。
我國從20世紀90年代後期在新疆石門子水庫首次利用分散式光纖監測技術測量碾壓砼拱壩溫度以來，至今已有多個工程應用，並且，我國已有專門從事分散式光纖監測儀器裝置製造廠——寧波振東光電有限公司，發展極為迅速。
由於水電水利工程中有許多物理場需要監測，如溫度場、應力場、位移場、滲流場，等等。以往採用單點監測方法，測點少，成果不直觀，需要透過分析才能最終了解場的情況，這種傳統的單點監測方法不僅費工、費時、費錢，而且效果也不理想。而如果採用分散式光纖監測技術就可以準確地測定光纖沿線任一點上的溫度、應力和位移，資訊量大，成果直觀。如果將光纖按一定的網路鋪設，可實現對大壩安全的全方位監測，可以克服傳統點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，內部儀器埋設達2500多支，竟未測出壩基長達486m的水平縫，直至該縫向壩內延伸20餘米，引起廊道漏水才被發覺，這充分說明點式監測的侷限性，因此，分散式光纖監測技術倍受青睞。從監測內容看，當前我國應用大致可分為四類。
第一類是溫度監測。如設置於新疆石門子碾壓砼拱壩內的分散式光纖溫度監測系統，設置於三峽大壩內的分散式測溫系統，設置於廣東長調水電站砼面板的溫度監測系統，等等。由於分散式光纖監測測點多，資訊量大，都獲得了較好的監測成果，較全面地反映了大壩溫度場的分佈情況。
第二類是滲流定位監測。如設置於廣東長調水電站面板周邊縫的分散式光纖溫度——滲流監測系統。水庫蓄水期間，即發現周邊縫有幾處滲漏點，對滲漏定位相當有效。
第三類是位移和隨機裂縫監測。如設置於隔河巖電站水庫覃家田滑坡中的螺旋型分散式光纖位移監測系統，設置於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。由於單模光纖抗拉強度不高，能測隨機裂縫的縫寬不大，當裂縫大於2mm時，光纖易被拉斷。因此，對隨機裂縫的監測生命期尚不長。
第四類是裂縫監測。如設置於古洞口面板堆石壩周邊縫面板間縫的準分散式光纖測縫計監測系統。透過監測，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，如索風營水電站、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，都正在或計劃採用分散式光纖監測系統。
分散式光纖監測技術在碾壓混凝土壩的應用發展較快，繼新疆石門子碾壓混凝土拱壩後，索風營碾壓混凝土重力壩，景洪碾壓混凝土重力壩都已經和準備應用。對碾壓混凝土壩，分散式光纖監測具有較大的應用優勢，因為它對施工干擾小，它既具有監測溫度場的功能，又兼有對碾壓層面進行滲流定位監測的功能。從目前應用情況來看，光纖網路佈置有二種形式。一種是平面網路形式，光纖連續地沿壩體橫斷面自下而上作蛇形佈置；另一種是空間網路形式，取某壩段作監測物件，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佈置。空間網路佈置不僅可以監測多個橫斷面的溫度場，瞭解施工期和執行期壩體溫度空間分佈和變化情況，而且可以對碾壓層面進行滲流定位監測。
2、兩種分散式光纖監測系統
分散式光纖監測系統其實是分佈調製的是光纖感測系統。所謂分佈調製，就是沿光纖傳輸路徑上的外界訊號以一定的方式對光纖中的光波進行不斷調製（感測），在光纖中形成調製資訊譜帶，並透過獨特的檢測技術，介調調製訊號譜帶，從而獲得外界場訊號的大小及空間分佈。因此，分散式光纖監測系統通常由鐳射光源，感測光纖（纜）和檢測單元組成，是一種自動化的監測系統。
按照調製方式的不同，分散式光纖監測系統分為分散式傳光型光纖監測系統和分散式感測型光纖監測系統或準分散式光纖監測系統和分散式光纖監測系統。
2.1分散式傳光型(準分散式)光纖監測系統
分散式傳光型光纖監測系統的特點是：將呈一定空間分佈的相同調製型別的光纖感測器耦合到一根或多根光纖總線上，透過定址、介調檢測出被測量的大小。分散式傳光型監測系統實質上是多個分立式光纖感測器的複用系統，故又稱準分散式光纖監測系統或非本徵型分散式光纖監測系統。光纖匯流排僅起傳光作用，不起感測作用。根據定址方式不同，分散式傳光型光纖監測系統可分為時分複用、波分複用、頻分複用、偏分複用和空分複用等幾類。其中，時分複用、波分複用和空分複用技術較成熟，複用的點數較多。
1、時分複用
時分複用靠耦合於同一根光纖上的感測器之間的光程差，即光纖對光波的延遲效應來定址。當一脈寬小於光纖總線上相鄰感測器之間的傳輸時間的光脈衝自光纖匯流排輸入端注入時，由於光纖總線上各感測器距光脈衝發射端的距離不同，在光纖匯流排的終端（或始端）將會接收到許多光脈衝，其中每一個光脈衝對應光纖總線上的一個感測器，光脈衝的延時即反應感測器在光纖總線上的地址，光脈衝的幅度或波長的變化即反應該點被測量的大小。在這裡，注入的光脈衝越窄，感測器在光纖總線上的允許間距越小，可耦合的.感測器越多，但是，對介調系統的要求越苛刻。
2、波分複用
波分複用是透過光纖總線上各感測器的調製訊號的特徵波長來定址。當光源發出的連續寬頻光（經光波長編碼）注入光纖匯流排時，在光纖感測器與監測量發生耦合作用，對該寬頻光有選擇地反射回相應的一個窄帶光，並沿原傳輸光纖返回，其餘寬頻光則直接透射過去繼續前進，遇到第2個光纖感測器，又有選擇地反射回相應的一個窄帶光。由於各感測器的特徵波長不同，透過濾波/解碼系統即可求出被測訊號的大小和位置。該法由於一些實際部件的限制，總線上允許的感測器數目不多，一般為8—12個。3、頻分複用
頻分複用是將多個光源調製在不同的頻率上，經過各分立的感測器彙集在一根或多根光纖總線上，每個感測器的資訊即包含在匯流排訊號中的對應頻率分量上。採用光源強度調製的頻分複用技術可用於光強調製型感測器，採用光源光頻調製的頻分複用技術可以用於光相位調製型感測器。
4、空分複用
空分複用是將各感測器的接收光纖的終端按空間位置編碼，透過掃描機構控制光開關選址。這時，開關網路應合理佈置，通道間隔應選擇合適，以保證在某一時刻單光源僅與一個感測器通道相連。空分複用的優點是能夠準確地進行空間選址，實際複用的感測器不能太多，以少於10個為佳。
目前國內北京品傲光電科技有限公司和武漢理工大學研製的準分散式光纖監測系統都是採用了光纖光柵感測器，感測訊號為波長調製，系統採用波分複用技術。
三峽大學研製了由“光纖裂縫計”和“光纖測縫計智慧分析儀”組成的準分散式光纖監測系統，採用的是根據光強調製的測縫計，詢址採用的是時分複用技術。
準分散式光纖監測系統透過將多個相同型別或不同型別的感測在一條光纖上串接複用，減少了傳輸線路，方便了施工，大大簡化了線路的佈設。並且，可以實現多點同時測量，避免了以往逐點測量不同步的弊端。但是，準分散式光纖監測系統存在如下不足：
（1）由於分散式傳光型光纖監測系統是透過一條光纖將若干個光纖感測器串接而成，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感測器，如分散式光纖光柵監測系統一般僅能接入8—12個光纖感測器。
（2）分散式傳光型光纖監測系統實質上是多個單測點光纖感測的串接複用系統。一旦系統埋設安裝後，測點無法增加。
2.2分散式感測型(分散式)光纖監測系統
分散式感測型光纖監測系統的特點是，利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，光纖匯流排不僅起傳光作用，還起感測作用，所以分散式感測型光纖監測系統又稱本徵分散式光纖監測系統，或全分散式光纖監測系統，簡稱分散式光纖檢測系統。
分散式感測型光纖監測系統有下列優點：
（1）資訊量大。分散式感測型光纖監測系統能在整個連續光纖的長度上，以距離的連續函式的形式感測出被測引數隨光纖長度方向的變化，即光纖任一點都是“感測器”，它的資訊量可以說是海量資訊。
（2）結構簡單，可靠性高。由於分散式感測型光纖監測系統的光纖匯流排不僅起傳光作用，而且起感測作用，因此結構異常簡單，方便施工，潛在故障少，可維護性好，可靠性高。
（3）使用方便。光纖埋設後，測點可以按需要設定，可以取2m距離為一個測點，也可以取1m距離為一個測點等，按需要可以改變設定。因此，在病害定位監測時極其方便。
（4）效能價格比好。目前，光纖價格不高，一條光纖的測點又可達成百上千個，因此，每一個測點的價格就遠遠低於傳統單測點的價格，效能價格比相當好。
分散式光纖監測系統相對於電訊號為基礎的感測監測系統和點式光纖監測系統而言，無論是從監測技術的難度、監測量的內容及指標，還是從監測的場合和範圍都提高到了一個新的階段。
3、展望
當前，分散式光纖監測系統主要是一種時域分散式光纖監測系統，它的技術基礎是光時域反射技術OTDR（opticaltime—domainreflectormetry）。OTDR最初用於評價光學通訊領域中光纖、光纜和耦合器的效能，是用於檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，其工作機理是脈衝鐳射器向被測光纖發射光脈衝，該光脈衝透過光纖時由於光纖存在折射率的微觀不均勻性，以及光纖微觀特性的變化，有一部分光會偏離原來的傳播向空間散射，在光纖中形成後向散射光和前向散射光。其中，後向散射光向後傳播至光纖的始端，經定向耦合器送至光電檢測系統。由於每一個向後傳播的散射光對應光纖總線上的一個測點，散射光的延時即反應在光纖總線上的位置。
由於從光纖返回的後向散射光有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，時域分佈光纖檢測系統按光的載體可分為三種形式：基於拉曼散射的分散式光纖檢測系統、基於瑞利散射的分散式光纖監測系統和基於布里淵散射的分散式光纖檢測系統。當前，前二種形式的研究和應用較多，後一種形式是國際上近年來才研發出來的一項尖端技術，國內研究才剛剛起步。由於後一種形式可用來測量光纖沿線的應變分佈，可以預計，不久在這方面將有所突破，並且前二種形式將發展成更多的應用種類，逐漸向大壩安全監測的各個領域滲透。光纖網路佈置形式將更趨豐富多樣，更趨科學合理。
與此同時，準分散式光纖監測系統將獲得較大發展，以光纖應變計組成的三向應變和二嚮應變的準分散式監測系統將面世；同一壩段一些非物理場類監測量，如裂縫監測，以及同一區域一些非物理場類監測量，如預應力監測，將出現更多的準分散式光纖監測系統，從而使相關量獲得同步觀測，大大提高觀測資料的質量。
4、結語
分散式光纖監測技術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。
分散式光纖經久耐用，安全可靠，由它構成的網路可以遍佈壩體，這些光纖網路猶如神經系統，可以感知壩體各部位相關資訊，大壩因此而有望成為一種機敏結構。
可以感覺到，光纖智慧大壩正在悄悄地向我們走來。
參考文獻
1、B.culshawJ.Dakin：光纖感測器（M）華中理工大學出版社1997.7
2、蔡德所：光纖感測技術在大壩工程中的應用（M）中國水利水電出版社2002.12
3、秦一濤，劉劍鳴等：分散式光纖溫度監測系統在長調水電站中的應用實踐（J）大壩與安全2004.1
4、魏德榮，趙花城等：基於光纖溫度測量的滲流監測技術（J）浙江水利科技2004.2