光纖應變災害監測技術及應用

王亞茹

西安西電光電纜有限責任公司，陜西西安 710082

0 引言

采用分布式光纖對災害有關的各種自然因素變化數據進行監視、監測、測量，可以為災害預報、預警提供重要依據。如，監視隧道中電纜溫度的變化以預報線路運行狀態；監視山體巖石的運動和應力的變化以預報地震和山體滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和地裂縫等。分布式光纖災害監測系統是一種實時災害預報傳感系統。該系統利用光纖作為傳感器，監控沿光纖不同位置的應力應變的變化，與光纖傳輸系統聯網，實現系統的遙測和控制，連續測量光纖沿線各點產生的沉降、變形、滲漏、斷裂和侵蝕等工程問題。

1 光纖應變測量原理

光在光纖中傳播時，在反方向會產生散射光，包括了瑞利散射、布里淵散射和拉曼散射。大多數光纖傳感系統將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質（如光的強度、波長、頻率、相位、偏正態等）發生變化，稱為被調制的光信號，再利用被測量對光的傳輸特性施加的影響，完成測量。

光纖在外力作用下長度會發生變化，會隨負荷的變化產生伸長量，光纖伸長應變ε 由下式給出：

式中：L：光纖長度

Δt ： 差分時延脈沖

ν ： 與光彈系數k、真空中光速c 和有效群折射率Neff有關的常數。

即光纖伸長應變公式為：

布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時相互作用而產生的光散射過程，在注入光功率不高的情況下，光纖材料分子的布朗運動將產生聲學噪聲，當這種聲學噪聲在光纖中傳播時，其壓力差將引起光纖材料折射率的變化，從而對傳輸光產生自發散射作用，同時聲波在材料中的傳播將使壓力差及折射率變化呈現周期性，導致散射光頻率相對于傳輸光有一個多普勒頻移，由布里淵散射實驗原理可測出散射峰的頻移，線寬及強度。由頻移可直接算出聲速，而聲速主要依賴于光纖所受的應力。 因此，布里淵頻移與光纖中的拉伸應變密切相關。這里所說的應變是指光纖長度方向上的拉伸應變，而忽略橫向壓力引起的應變，因為橫向應力達到2.2kg/m 時對布里淵頻移的影響仍很小。

2 分布式光纖應變監測原理

光纖應變監測使用單模光纖。光在單模光纖中傳輸除了受光纖本身的模內色散（即材料色散和波導色散）的影響外，還會受到沿著光纜在光纜近處的各種振動、位移、應力應變及溫度的影響，這些影響最終導致光波的振幅、波長和傳播速度發生變化。

應變監測原理采用的是Brillouin 散射光，布里淵散射同時受應變和溫度的影響，當光纖沿線存在軸向應變時，光纖中的背向布里淵散射光的頻率將發生漂移，頻率的漂移量與光纖應變的變化呈良好的線性關系，因此通過測量光纖中的背向自然布里淵散射光的頻率漂移量(νB)就可以得到光纖沿線溫度和應變的分布信息,應變分析系統將這些信息收集起來并進行處理，就可以監測光纖沿途所出現的各種位移、應力應變的情況，系統就會做出報警并對危害點準確定位。

3 分布式光纖應變監測系統

監測系統檢測原理是利用激光的散射現象。由外界影響光纜近處的振動、位移、應力變化等都將改變光波在光纖中傳輸的條件，從而改變了光波的散射，波長等參數。

分布式光纖應力應變傳感系統組成：

1）將GFRP 分布式應變傳感光纜布放在需要監控的山體上，同時利用光纖來感測信號和傳輸信號；

2）采用先進的OTDR 技術和Brillouin 散射光對應變敏感的特性，使用傳感分析儀探測出沿著光纖不同位置的應力應變的變化，監測光纖的變形，推斷山體的變化。

4 應用場合及方法

在BOTDR 光纖監測系統中，光纖同時作為傳感元件和傳輸介質，便于分布式監測，可以與通信傳輸系統實現聯網，達到系統遙測、實現無人執機控制的目的。此外，光纖體積小、柔軟可彎曲，能夠容易的復合在基體結構，而不影響基體的性能，連續測量光纖沿線各點的產生的沉降、變形、滲漏、斷裂和侵蝕等工程問題。

目前，國外產品的測量距離在1km ～30km 范圍內，空間定位精度達到1m 之內，應變分辨率達到2με。具有不間斷的自動測量的特點，特別適用于需要大長度、大面積、多點監測的應用場合。這種光纖傳感技術采用緊套G625 單模光纖，根據布放環境可以采用鋼帶鎧裝層增加強度，因而，在各種特殊場合都具有廣泛的應用前景。

山體滑坡監測的應用：光纖被錨定在山體上，監測光纖的變形推斷山體的變化。

隧道安全監測的應用(應變與位移)：光纖沿隧道布放，監測光纖的應變和位移推斷隧道安全狀態。

由于分布式光纖溫度應變監測系統(BOTDR)所使用的傳感介質是光纖，所以它可以應用于各種場合，系統可以測試測量應力應變，并且分布式測量。

5 結論

分布式光纖應變災害監測技術在國外已廣泛應用，在國內已經起步并開始應用。可以預計的應用場合包括地鐵沿線隧道環境應變的監測；地震多發地區的山體運動的監測，山區鐵路沿線山體狀態的監測；山區泥石流易發生路基損壞狀態的監測等等。相信隨著該技術的成熟和推廣，將對我國各種自然災害的發生能啟動預警發揮重大作用，同時對災害多發區的公路、鐵路運行等做出重要貢獻。

[1]張森，等.光纖傳感技術的發展及應用.光纖與電纜及其應用技術，2007(3).

[2]黃春林，李永清，等. BOTDR技術在山體滑坡監測中的應用研究.工程抗震與加固改造，2009(12).