分布式光纖監測技術在土木結構健康監測中的應用

李旭輝　黃奕輝

【摘 要】針對分布式光纖監測技術在土木結構健康監測中的應用，介紹了基于布里淵散射效應的分布式光纖監測技術的特點及分類，詳細闡述了三種分布式光纖傳感器的原理，對分布式光纖監測技術在結構健康監測領域的應用和發展狀況做了論述，并指出了所存在的問題。

【關鍵詞】分布式光纖監測；土木結構；布里淵光時域分析技術

中圖分類號： P642.2；TU196.1 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）06-0208-002

【Abstract】According to the application of distributed optical fiber monitoring technology in the civil structural health monitoring， the characteristics and classification of distributed optical fiber monitoring technique based on Brillouin scattering were be introduced， and the principle of three kinds of distributed optical fiber sensor were be elaborated， the structure of distributed optical fiber monitoring technology application and development status in the field of health monitoring in the node has been described， and the problems were be pointed out.

【Key words】Distributed optical fiber monitoring；Civil structure；Brillouin optical time domain analysis technology

0 引言

隨著我國基礎設施建設的快速推進，新技術、新材料、新結構的不斷應用，各種大跨度、大空間復雜結構物不斷涌現，為了確保這些新型結構體系在施工及后期運營過程中系統的安全穩定，需要對可能出現的災害進行預測預報、及時掌握這些結構的健康運營狀況。傳統的以人工為主的監測方法是較為經濟可行的方法，但對于復雜大型結構物的健康監測存在一些不足之處：（1）整體性差，一般只能做局部監測；（2）測試周期長，不能及時對結構損傷預報；（3）難以實現遠程在線監測。近年來，隨著光纖傳感監測技術的發展，由于其具有尺寸小、精度高、靈敏度高、抗干擾能力強、能實現遠程在線實時監測等優點，受到許多大型監測項目的青睞。

本文簡要介紹了基于布里淵散射效應的分布式光纖監測技術的特點及分類，詳細闡述了三種分布式光纖傳感器的原理，對分布式光纖監測技術在結構健康監測領域的應用和發展狀況做了系統的論述，并指出了所存在的問題。

1 分布式光纖監測技術的基本原理

基于布里淵散射效應的分布式光纖傳感技術主要有三種類型，分別是布里淵光時域反射（BOTDR）技術、布里淵光時域分析（BOTDA）技術、布里淵光頻域分析（BOFDA）技術。

1.1 布里淵光時域反射（BOTDR）技術

BOTDR技術利用光纖的背向布里淵散射頻率變化與光纖所受軸向應變和溫度成線性關系，通過測定布里淵散射頻率的變化來感知監測對象的應變和溫度變化，當結構物的應變ε和溫度T發生改變時，布里淵散射光的頻率變化滿足以下關系：

vBS=vB0+CT（T-T0）+Cε（ε-ε0）（1）

其中，vBS是光纖的布里淵頻率變化；vB0是光纖布里淵頻初始頻率，T0、T分別為初始溫度和測量時的溫度；ε0和ε分別為初始應變和測量時的應變；CT、Cε分別為溫度系數和應變系數。BOTDR技術的最大優點在于可以單端測量，測試系統無需形成回路。

1.2 布里淵光時域分析（BOTDA）技術

BOTDA技術采用從光纖的兩端分別注入泵浦脈沖光信號和連續光信號，典型的傳感器設置包括兩臺激光器（一臺連續光，一臺脈沖光）分別從同一根被測光纖的兩端輸入。當兩臺激光器的頻率差與光纖的布里淵頻率相同時，兩束激光在光纖內部發生強相互作用并增強光纖中已產生的聲波（聲子），使得布里淵信號容易定位檢測。沿光纖測量應變和溫度時，通常需要掃描頻差（拍頻）繪出布里淵頻譜，通過分析該頻譜以獲得應變和溫度信息，測量過程見圖1。

1.3 布里淵光時域分析（BOFDA）技術

布里淵光時域分析（BOFDA）技術是上世紀九十年代由德國科學家D.Garus等提出，BOFDA傳感系統基本結構見如圖2所示。該技術的實質是基于測量光纖的傳輸函數實現對測量點定位的一種傳感方法，這個傳輸函數把探測光和經過光纖傳輸的泵浦光的復振幅與光纖的幾何長度聯系起來，通過計算光纖的沖擊響應函數來確定光纖沿線的溫度和應變信息，

2 用于結構健康監測的光纖傳感技術比較

目前，用于結構健康監測的光纖傳感技術主要有基于布拉格光纖光柵監測和基于基于分布式布里淵光纖監測。布拉格光纖光柵（FBG）傳感器是目前光纖傳感市場上比較多應用的技術，它非常適合各類點式測量。但是當潛在的破壞或劣化位置未知的或者監測范圍大的情況下，預先安裝FBG或其他點式傳感器就顯得比較困難。布里淵分布式傳感器在長距離和大范圍監測項目上有天然的優勢。事實上，只要監測范圍長度超過10米的應變或溫度傳感應用就應考慮分布式布里淵傳感技術。

布里淵光纖傳感器一般分為兩種類型：布里淵光時域反射儀（BOTDR）和布里淵光時域分析儀（BOTDA）。前者是基于單一脈沖的布里淵散射而獲取應變或者溫度信息；后者是利用一種更為復雜的稱為受激布里淵散射現象而求解應變或者溫度或者同時求解二者。對于布里淵散射由于只有非常微弱的一部分光子（約為1/103）發生散射，并散射頻率低于入射光頻率。這樣基于BOTDR單一脈沖的布里淵散射光能量至多達到入射光能量的1/103。這個反射光是非常微弱的。再考慮到光纖衰減，比如0.22dB/km，BOTDR的測量距離受到極大限制，信噪比也要較BOTDA差很多，當然BOTDR的優勢在于它是單端監測模式。

由于布里淵光時域分析儀（BOTDA）采用兩個反向傳輸的光束來增強布里淵散射，因而它的信號強度大，應變和溫度的測量更為精確，測量范圍更大，但是BOTDA技術要求更多的光學部件和雙向光路，造成總的系統成本較BOTDR略高，進行所以在開展結構健康監測時應該綜合比較這兩種監測技術。

3 分布式光纖監測技術研究現狀

3.1 國外研究現狀

自上世紀七十年代，Ippen等人首次發現光纖中的布里淵散射效應、到八十年代末期有研究者發現該散射與溫度和應變存在線性關系，目前的研究已有四十余年，對傳感原理、傳感性能改善有著廣泛和深入的研究，Horiguchi（1989）等、T.Kurashima（1993）、D.Garus（1996）等人分別提出了基于布里淵散射放大效應的的BOTDA、BOTDR及BOFDA技術，這些研究成果后來被應用于油氣管線泄漏監測、反應塔生產效率監測、大壩、橋梁和海底光纜等多方面監測[1-3]。目前一些公司也相繼開發出了商業化的產品，如加拿大OZ光學公司提供的光纖分布式應變和溫度傳感器（DSTS）最佳分辨率可以達到0.1m，最大傳感長度可達到100Km，能很好滿足工程應用。

3.2 國內研究現狀

國內對基于布里淵散射光纖傳感技術的研究起步較晚，目前仍主要側重于對BOTDR及BOTDA的研究，如隋海波[4]、丁勇[5]、劉永莉[6]等分別基于BOTDR技術的分布式光纖監測技術對邊坡巖土工程開展監測研究，盧毅[7]等人將該技術應用于地面變形模型實驗，葉宇霄[8]等人在混凝土的裂縫監測開展該技術的應用研究也取得了很好的研究成果，此外，在基坑工程[9]、混凝土中鋼筋的銹脹、聚乙烯管道變形等監測中得到推廣應用。基于BOFDA的分布式光纖監測技術目前應用較少，南京大學曹鼎峰等人通過試驗測試了基于BOFDA技術的測試精度，分析了其在工程中的推廣可能性，但目前具體監測應用報道文獻不多。

3.3 存在問題

分布式光纖技術在工程中應用越來越廣泛，但其存在的問題也需引起工程技術人員的注意：

（1）光纖傳感監測儀器設備費用目前仍較高，例如加拿大OZ光學公司的DSTS監測系統至少在四五十萬元以上，所以對于小型的監測項目經濟型較差，相信隨著該領域技術的快速發展，儀器設備費用會有所降低。

（2）埋設與保護技術要求高，分布式光纖傳感器抗剪能力較差，在工程施工現場特別要注意保護，一旦損壞，對熔接的要求特別高，比較費工費時；同時，傳感光纜在曲線段要注意光損耗的問題，曲線段的曲率半徑要求盡可能大，在鋪設的同時建議隨時監測線路的光損耗，在光損耗大的位置及時處理。

（3）監測的量程問題

分布式光纖監測的靈敏度和精度都很高，但是在大型土木結構特別是在巖土工程監測方面，監測對象的變形和應變可能會很大，變形可能會超過光纜的容許范圍，監測對象出現過大的應變時會造成光纜的拉斷，所以要特別注意監測對象可能的應變和變形范圍。

4 結束語

與傳統各種點式傳感器相比，采用全分布式光纖傳感不需單獨制作傳感器，并可同時測量獲得沿光纖路徑上的時間和空間連續分布信息，實現對復雜土木建筑結構進行全方位連續監測，隨著光纖傳感制造技術的進步和性能的改善以及應用開發研究成果的不斷涌現，分布式光纖傳感器在大型復雜結構等監測領域中會處于越來越重要的地位。

【參考文獻】

[1]Bao X， Dhliwayo J， Heron N， et al， Experimental and theoretical studies on a distributed temperature sensor based on Brillouin scattering[J].Journal of Light wave Technology， 1995. 13（7）：1340-1348.

[2]Zhang C， Bao X， Ozkan I F， ct al. Prediction of the pipe buckling by using broadening factor with distributed Brillouin fiber sensors[J].Optical Fiber Technology， 2008， 14（2）：109-113.

[3]張旭蘋.全分布式光纖傳感技術[M].北京：科學出版社，2013.

[4]隋海波，施斌，張丹，等.邊坡工程分布式光纖監測技術研究[J].巖石力學與工程學報. 2008，27（S2）：3725-3732.

[5]丁勇，施斌，崔何亮，等.光纖傳感網絡在邊坡穩定監測中的應用研究[J].巖土工程學報，2005，27（3）：338–342.

[6]劉永莉，尚岳全，于洋.BOTDR 技術在邊坡表面變形監測中的應用[J].吉林大學學報（地球科學版），2011，41（3）：777-783.

[7]盧毅，施斌，于軍，等.地面變形分布式光纖監測模型試驗研究[J].工程地質學報.2015（05）：896-901.

[8]葉宇霄，趙新銘，吳剛，等.分布式光纖在混凝土結構裂縫監測中的應用[J].土木建筑與環境工程.2018，7（01）：24-30

[9]隋海波，施斌，張丹，等.基坑工程BOTDR分布式光纖監測技術研究[J].防災減災工程學報.2008，28（2）：184-192.