面向斜滑坡安全監測的OFDR光纖應力傳感系統*

楊 帆,歐中華,張旨遙,袁 飛,周曉軍,劉 永

(電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,電子科技大學光電科學與工程學院,成都 610054)

圖1 OFDR系統結構圖

我國是斜滑坡地質災害發生十分頻繁且災害損失極為嚴重的國家,尤其是西部山區和中東部地形地質條件復雜的地區,對當地居民人身和財產安全造成了巨大的威脅。目前,國內外對斜滑坡地質災害的監測手段分為地表監測法和地下監測法兩大類[1-6]。地表監測法包括簡易觀測法、大地測量法、地表傾斜測量法、地表裂縫監測法、全球衛星定位系統法、近景攝影測量法、干涉雷達法等,雖然能為研究斜滑坡甚至區域性的地表變形提供基礎性資料,但不能反映深部巖土體的變形特征。傳統的地下監測法包括內部傾斜監測法、內部相對位移監測法等,存在的主要問題在于不能實現巖土體內部應力的分布式測量,且測量精度低,無法實現高精確的預測預報。時間域反射(TDR)技術于上世紀80年代開始被用于地質勘察與監測,具有價格低廉、監測時間短、可遙測、安全性高以及數據提供快捷等優點,但不適用于需要檢測傾斜的情況,僅能確定剪切面,無法確定滑坡移動的方向,并且靈敏度低,動態范圍小。近年來,光纖傳感技術被廣泛應用于斜坡體監測。其中,光時域反射(OTDR)技術可以進行實時分布式應變測量。電子科技大學利用OTDR技術實現了對山體滑坡內部推力的監測,并已在三峽庫區進行組網[7-8]。唐天國等人[9]將OTDR應用于大壩基座裂縫監測,并對四川石棉冶勒大壩進行監測,取得了顯著效果。該技術在國外也得到了較多的工程應用,如Kihara等[10]將光纖分布于日本Niyodo河和Sendai河的河堤中,用偏振光時域反射(POTDR)來監測河堤的滑坡位移狀況,取得了良好的效果。然而,OTDR監測法存在的主要問題在于空間分辨率、靈敏度和測量精度較低。布里淵時域反射(BOTDR)技術主要用于對大壩、大型建筑物、橋梁的應變進行分布式監測[11-12],目前該技術也應用于滑坡、大型工程邊坡及洞室監測中。與OTDR相比,BOTDR技術可以實現應變和溫度的同時測量,具有靈敏度高、測量精度高等優點,但是其空間分辨率低、響應速度較慢。相對于OTDR和BOTDR,光頻域反射(OFDR)技術具有更高的空間分辨率、測試距離和靈敏度,近年來受到了國內外研究機構的極大重視,并應用于對應變、應力、振動、溫度、3D形狀、流速、折射率、磁場、輻射、氣體等參量的傳感[13-16]。雖然目前OFDR技術在實驗室取得了大量研究成果,但還沒有進行工程化應用。

本論文首次將OFDR技術應用于斜滑坡內部應力的監測,利用光纖微彎應力傳感器作為內部應力探測裝置,并采用去諧濾波算法補償了光源非線性掃頻帶來的空間測量誤差,在1 300 m的傳感距離內實現了準分布式應力測量,空間分辨率小于5 cm,壓強測量范圍為0～20 MPa,最大相對誤差為4.44%。在三峽庫區進行的現場實地測試結果表明,該系統能準確地對應力點位置和應力大小進行同時測量。

1 工作原理

圖1為基于OFDR的斜滑坡光纖應力傳感監測系統結構示意圖。可調諧激光器(TLS)輸出的線性掃頻激光通過光耦合器1分為兩束,分別進入主干涉儀和輔助干涉儀。在主干涉儀中,掃頻激光通過光耦合器2分為兩束,一束通過環形器進入傳感光纖(FUT),應力造成的后向瑞利散射光與另一束參考光通過光耦合器4合束發生拍頻,其拍頻信號的頻率與瑞利散射光的產生位置成線性正比關系,通過探測器檢測拍頻頻率實現定位。由于單模光纖中存在偏振衰落效應[17-20],本系統采用了偏振分集接收法,通過偏振分束器將主干涉儀輸出的信號分成兩束偏振信號后進行平衡探測。在實際應用中,由于線性掃頻光源存在非線性掃頻效應,限制了系統的測量距離和空間分辨率[21-23],因此本系統利用輔助干涉儀的拍頻信號,并結合去諧濾波算法估算光源本征相位,實現非線性掃頻效應的補償。

為了檢測施加在光纖上的橫向應力,采用了基于光纖微彎效應的光纖應力傳感頭,其結構如圖2所示。該傳感頭采用彈膜片作為應力敏感元件,固定在剛性殼體上,周期性齒壓板由動齒板和定齒板組成,彈膜片下方連接動齒板。當橫向應力作用在傳感頭上時,彈膜片產生形變,使固定在彈膜片中心的動齒板與定齒板之間產生相對位移,改變齒形壓板間光纖的微彎幅度,光纖中導模的部分功率轉化為輻射模功率并逸出光纖形成損耗。將光纖微彎應力傳感頭安裝在待測光纖上,當施加橫向應力時,受壓點的損耗增加,使該位置以后的瑞利散射信號強度降低,造成拍頻信號的受壓點兩側信號存在強度差。強度差與傳感器所受應力成正比關系,通過測量強度差從而確定所受應力值。

圖2 光纖微彎應力傳感頭

去諧濾波算法最早被用于調頻連續波合成孔徑雷達中實現非線性校正[24]。本系統借助輔助干涉儀將該算法應用于補償掃頻光源的非線性掃頻效應,提高壓力點定位精度,算法流程如圖3所示[22,25]。

圖3 去諧濾波算法流程圖

主干涉儀光電探測器輸出的拍頻信號為

(1)

式中:Rzeff為傳感光纖位置z處瑞利散射的等效反射率,fb=γτz為傳感光纖位置z處瑞利散射光與參考光的拍頻,τz為傳感光纖位置z處瑞利散射光與參考光的延時,γ為掃頻光頻率隨時間的變化率,ν0為掃頻光的起始頻率,2πe(t)-2πe(t-τz)為光源非線性掃頻效應引起的拍頻信號非線性相位,會對傳感系統的空間分辨率有嚴重的影響。

利用如圖3所示的去諧濾波算法,得到最終的拍頻信號為

(2)

式中相位只剩下常數項和隨時間變化的線性項,主干涉儀拍頻信號的非線性相位被完全消除。從理論上講,如果能準確估算光源的非線性相位,光源的非線性掃頻效應可被去斜濾波算法完全消除。

在非線性掃頻效應被完全消除的理想情況下,OFDR系統的空間分辨率極限表達式為

(3)

式中:n為光纖纖芯的折射率,c為真空中的光速,Δν為在光源一個掃頻周期內數據采集卡采樣時間對應的頻率掃描范圍,表達式為

(4)

γ為光源掃頻速率,M和N分別為數據采集卡的采樣速率和采樣點數。從式(3)和式(4)可以看到,空間分辨率與光源的掃頻速率、數據采集卡的采樣率和采樣點數有著密切的關系,優化光源和采集卡參數即可提高空間分辨率。然而在實際應用中,無論硬件設計還是軟件算法補償均無法完全消除光源的非線性掃頻效應;同時,數據采樣時間必須小于等于光源掃頻周期,頻域分辨率受到掃頻周期的限制。因此,光源的非線性掃頻效應和有限的采樣時間是限制OFDR系統空間分辨率的兩個重要因素。

2 實驗室結果及分析

傳感系統采用NKT Photonics公司的E15型可調諧光源,掃頻速率為400 GHz/s,中心波長為1 550 nm,掃頻頻率為50 Hz。平衡探測器為THORLABS公司的PDB430C,帶寬為350 MHz。數據采集卡為SPECTRUM公司的M4i.4421,采樣率為62.5 Msample/s,采樣點數為1×106,觸發延遲點數為5.72×105。光耦合器OC1的分光比為95∶5,其中95%的光進入主干涉儀,5%的光進入輔助干涉儀。光耦合器OC2的分光比為99∶1,其中99%的光通過光環行器進入傳感光纖,1%的光作為參考光。光耦合器OC3、OC4、OC5均為3 dB光耦合器。

2.1 空間分辨率測量結果

在實驗室條件下,將長度為715 m和610 m的兩段單模光纖通過法蘭盤連接構成1 325 m的傳感光纖,將長度為216 m的單模光纖作為輔助干涉儀中的延時光纖。由于所設計的光纖微彎應力傳感頭直徑為8.5 cm,如果將兩個光纖微彎應力傳感頭緊密排布安置在傳感光纖上,兩個應力點的最小間隔為8.5 cm,不利于探究系統的空間分辨率極限。為了測試系統分辨兩個事件點的空間分辨率極限,在傳感光纖尾端連接一段尾纖,通過在距離域信號曲線中是否能分辨出兩個相鄰的菲涅爾反射峰來評估傳感系統的空間分辨率。圖4為傳感光纖尾端連接長度5 cm尾纖時的距離域測試曲線,其中圖4(a)為距離域測試曲線的全局圖,圖4(b)為傳感光纖尾端附近的局部放大圖。從圖4(a)可以明顯看出在715 m和1 325 m處均出現明顯的菲涅爾反射峰。從圖4(b)可以看到傳感光纖的尾端出現兩個菲涅爾反射峰,分別位于1 325.150 m和1 325.198 m。因此,傳感系統能清晰辨別出長度約為5 cm的尾纖,說明該傳感系統的空間分辨率小于5 cm。此外,通過增大光源掃頻速率以及數據采樣時間,可進一步減小分辨兩個相鄰事件點的距離間隔。為了充分發揮該應力傳感系統的空間分辨率,需要進一步優化設計光纖微彎應力傳感頭,減小傳感頭尺寸。

圖4 距離域測試曲線

2.2 應力測量結果

將圖2所示傳感頭安置在傳感光纖808 m處,在傳感器上依次放置重量為5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、30 kg、54 kg和77.5 kg的砝碼,對應的壓強值分別為0.046 MPa、0.092 MPa、0.138 MPa、0.184 MPa、0.276 MPa、0.497 MPa和0.706 MPa。圖5為測量得到的信號強度差-壓強關系以及線性擬合曲線。從圖5可以看到,信號強度差與壓強大小呈良好的線性關系,線性擬合度為0.998 68,壓強傳感靈敏度為4.528 76 dB/MPa。此外,實驗中還利用標準數字精密應力表對該傳感系統進行校準,測試數據如表1所示。校準范圍為0～20 MPa,測量的最大絕對誤差為-0.451 6 MPa,最大相對誤差為4.44%。

圖5 測量得到的信號強度差-壓強關系

圖6 鉆孔和傳感器安裝示意圖以及現場施工圖

3 野外現場實驗

選擇三峽庫區的重慶市奉節縣遼寧小學作為斜滑坡內部應力監測實驗點,并在此處進行了監測點位的鉆孔和傳感頭安裝,如圖6所示。該監測點實際共埋設3個光纖微彎應力傳感頭,敷設傳感光纖長度為178.21 m。

圖7為測量得到的距離域信號強度曲線,圖8為測量獲得的應力點壓強值。從圖7中可以看到,在63.78 m、146.26 m、171.17 m和178.21 m這4個位置處有明顯的信號強度差,其中63.78 m、146.26 m和171.17 m處為傳感頭受到應力作用產生的信號強度差,178.21 m處帶有強烈反射峰的信號強度差是由于傳感光纖尾端菲涅爾反射造成的。應力位置的測試結果與傳感光纖上安裝的傳感頭位置吻合(傳感頭實際安裝位置分別為63.76 m、146.23 m、171.13 m)。從圖8可以看到,位于63.78 m、146.26 m和171.17 m的3個傳感頭所受壓強值分別為0.191 1 MPa、0.574 3 MPa和0.402 2 MPa。

圖7 測量得到的距離域信號強度曲線

圖8 測量獲得的應力點壓強值

4 結束語

基于OFDR技術研制了斜滑坡光纖應力傳感監測系統。在實驗室條件下,傳感系統測量距離達到1 300 m以上,空間分辨率小于5 cm,信號強度與外加應力呈現良好的線性關系,線性擬合度為0.998 68,壓強傳感靈敏度為4.528 76 dB/MPa,壓強測量范圍為0～20 MPa,最大相對誤差為 4.44%。此外,野外現場實驗結果表明,該傳感系統能對應力傳感頭實現了精確定位并對應力大小進行了準確測量。基于OFDR的斜滑坡光纖應力傳感監測技術具有大面積組網、多點實時監測等特點,相對于OTDR和BOTDR具有更高的空間分辨率。需要指出的是,本論文的系統方案需要借助額外的傳感頭實現應力測量,屬于空間離散型分布式應力傳感技術方案,距離空間連續型分布式應力測量還有差距,因此需要進一步研究應力直接作用在傳感光纖上的OFDR應力傳感機制,以實現真正意義上的分布式應力監測。