分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用
史宾丁勇所高文彬琦君
(南京大学光电传感工程监控中心，江苏南京，210093)
分布式光纤传感技术，如布里渊散射时域反射仪(BOTDR)，是近年来发展起来的尖端技术，在世界范围内得到广泛应用。本文主要介绍BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑、路面中的应用。工程监测过程中积累的大量监测数据表明，BOTDR分布式光纤传感技术是一种全新的、可靠的监测方法，其在工程实践中的应用为工程监测提供了新的思路，因此将具有广阔的发展前景。
BOTDR光纤传感；工程监测；应变
1简介
随着对工程安全需求的不断增加，近年来，许多新的传感和监测技术得到了发展。它们不是简单地改进传统的传感和监测技术，而是从根本上改变了传感原理，从而提供了全新的监测方法和思路。其中，BOTDR分布式光纤传感技术备受世人瞩目。它使用普通的通信光纤，以类似神经系统的方式植入建筑物中，获得全面的应变和温度信息。这项技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国和美国等发达国家的研发课题。该技术在国内尚处于发展阶段，已成功应用于部分隧道工程监控，并逐步推广到其他工程领域。
在南京大学985工程和教育部重点项目的支持下，南京大学光电传感工程监测中心建成了国内首个大型基础工程BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列实验研究，并将该技术成功应用于地下隧道等工程的实际监测中，取得了一批重要成果， 为该技术在我国各种大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断中的广泛应用奠定了坚实的基础。
2 BOTDR分布式光纤传感技术原理
布里渊散射同时受到应变和温度的影响。当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的后向散射布里渊光的频率会发生漂移，并且频率漂移与光纤的应变和温度变化有很好的线性关系。因此，通过测量光纤中反向散射的自然布里渊光的频率漂移(vB ),可以获得温度和应变沿光纤的分布信息。BOTDR的应变测量原理如图1所示。
为了得到沿光纤的应变分布，BOTDR需要得到沿光纤的布里渊散射谱，即得到沿光纤的vB分布。BOTDR的测量原理与OTDR(光时域反射器)非常相似。脉冲光以一定的频率从光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子相互作用产生布里渊散射，其中反向散射的布里渊光沿着光纤的原路径返回到脉冲光的入射端。经过一系列复杂的信号处理，进入BOT-DR的光接收部分和信号处理单元后，可以得到沿光纤的布里渊反向散射的功率分布，如图1中(b)所示。散射位置到脉冲光入射端即BOTDR的距离z可以用公式(1)计算。然后，根据上述方法，以一定的间隔改变入射光的频率并重复测量，可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱。
图1 BOTDR应变测量示意图
如图1 (c)所示，理论上，布里渊反向散射谱呈洛伦兹形状，其峰值功率对应的频率为布里渊频移vB。如果对光纤进行轴向拉伸，被拉伸光纤的布里渊频移会发生变化，通过频移的变化与光纤的应变之间的线性关系可以得到应变。其中:c——真空中的光速；
地质灾害调查与监测技术方法论文集
n-光纤的折射率；
t是指发射脉冲光和接收散射光之间的时间间隔。
目前，世界上最先进的BOTDR监测设备是以日本NTT公司最新研制的最新一代AQ8603 BOTDR光纤应变分析仪为代表。表1是AQ8603的主要技术性能指标。
表1 AQ8603光纤应变分析仪主要技术性能指标
3隧道安全监控
BOTDR分布式光纤传感技术在我国隧道中的应用日趋成熟。在多个隧道变形监测系统的建设过程中，我们形成了一套成功的经验，为该技术在岩土和地质工程安全监测中的推广提供了坚实的技术基础。
3.1光纤敷设
为了准确反映被测结构的应变状态，光纤必须与结构紧密连接并敷设在结构上。铺设质量直接关系到监测的实际效果，因此在工程应用中具有重要意义。
根据光纤监测系统的设计原理，结合实际工程情况和AQ8603应力分布式光纤传感器的特点，基本有以下两种敷设方式:综合敷设和定点敷设，如图2所示。
图2满量程连接和定点连接
3.1.1全连续铺设
传感光纤分别沿隧道深度方向和横截面综合连接布置。沿深度方向铺设的传感光纤用于监测隧道纵向的整体变形，而沿横截面铺设的光纤用于监测隧道横向的变形。
综合连续铺设的特点是可以全程监测隧道的健康状况，监测对象是整个隧道，监测结果是整个隧道的变形。在这种连接方式中，应用了特定的铺设工艺，使用实验效果优异的混合胶(主要是环氧树脂)将传感光纤按照设计的线路粘贴在混凝土表面，在传感光纤末端连接光缆，将监测信号传输到隧道监控中心。
3.1.2定点连续铺设
这种连接方式的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在(或假定)变形场所的变形。监测对象为变形缝等潜在(或假定)变形处，监测结果为变形缝等潜在(或假定)变形处的应力应变特征。这种连接方式的铺设方法与整体连接方式大致相当，不同的是在设计施工面上选取一些特殊点进行粘贴，即每1m ~ 1.5m为光纤确定一个固定点，粘贴在混凝土墙上，检测隧道局部接缝处的变形(见图3)。在一些特征位置，根据实际情况，在特定线路的特定位置安装接缝传感器，监测变形缝的变形情况(见图4)。
图3隧道接头接线示意图
3.2变形计算
由于隧道变形的原因比较复杂，既有温度引起的整体变形，也有不同方向的裂缝和位错引起的局部变形，因此有时很难将BOTDR测得的隧道应变换算成变形。因此，可行的解决方案是:首先合理布置光纤监测网络，分别监测隧道整体应变和局部应变及其方向，根据变形特征计算结构整体变形和局部变形；其次，应采用相应的计算方法，将光纤的应变转化为隧道的变形。
图4焊缝传感器示意图
例如，对于均匀应变，变形可通过以下公式计算:
地质灾害调查与监测技术方法论文集
其中ε为应变，d为应变段长度，δ为变形量。
对于不均匀变形，可在一定距离内采用定点连接的方式铺设光纤。两个键合点之间的应变近似认为是均匀应变，沿光纤的非均匀变形也可以根据上式得到。
如果隧道发生整体不均匀沉降，可根据挠度计算方法(见公式(3))近似计算沉降变形:
地质灾害调查与监测技术方法论文集
其中ε1和ε2分别为敷设在结构顶部和底部的两根光纤的应变，d为两根光纤之间的距离。
此外，结合数值模拟技术，还可以实现变形计算。光纤的应变可以作为数值计算的边界条件或已知条件，通过有限元或有限差分计算方法可以得到结构不同部位的各种变形。
总之，隧道从应变到变形的计算往往比较复杂，但只要合理布置光纤监测网，采用正确的计算方法，隧道变形的计算是可以得到满意的结果的。
4基坑变形监测
基坑变形监测是岩土工程中的基本问题之一，基坑稳定性的重要性不言而喻。半年来，课题组通过大量的室内外试验研究，成功地将BOTDR技术应用于南京多个深大基坑工程，取得了一些非常有价值的成果。
众所周知，基坑变形的原因是复杂多样的，但总的来说，主要原因是基坑开挖引起的基坑水平位移和基底隆起。传统的监测方法，如土压箱、测斜管等，由于自身传感方式的限制，往往存在精度低、抗腐蚀性差、损耗大、浪费人力等缺点。通过研究，课题组成功开发了基于BOTDR技术的基坑位移监测专利分布式光纤传感系统(分布式光纤传感智能测斜仪)。
图5基坑位移监测分布式光纤传感系统
如图5所示，该传感器是通过将传统的倾角仪设备与先进的BOTDR技术相结合而开发的。应用传统测斜仪装置的目的是:①测斜仪能理想地反映土体的变形，是一种良好的材料；(2)测斜管本身有槽，无需人工开槽；(3)该材料是基坑常用的监测材料，方便、易得、经济；(4)使用与传统监测方法一致的材料，便于新旧技术对比。简而言之，系统的组成就是将光纤按照一定的施工工艺，用经过室内外试验和工程实践验证的专用胶粘贴在测斜管上，形成传感系统，我们称之为分布式光纤传感智能测斜管。该传感器具有分布式光纤传感器的所有优点，可用于准实时监测。
利用BOTDR技术的分布式光纤传感器获得的监测结果是轴向物理信息(应变、温度等。)沿着光纤传感器。因此，如何利用光纤传感器获取基坑沿程分布的水平变形就成为了问题的核心。经研究，通过计算挠度近似计算基坑的水平变形。
根据材料力学的知识，沿线各点的挠度可由下式计算。
地质灾害调查与监测技术方法论文集
其中:εx为待测点光纤的实测应变，其值为测斜仪两侧两光纤的应变差；d是贴在测斜仪两侧的光纤之间的距离；积分的起点是一个较深的无应变点，v(x)是各点的挠度，可以近似认为是基坑的水平变形。
5连续钢筋混凝土路面检测
连续钢筋混凝土路面(CRCP)是一种完全省略接缝的连续混凝土板，用于减少接缝引起的振动和噪声，或提高平整度和驾驶舒适性。对于这种高性能路面结构，路面的钢筋应力状态、混凝土应力状态和裂缝分布是反映路面性能的主要因素[8.9]。应用BOTDR这一优秀的无损检测技术对CRCP路面上钢筋和混凝土的应力以及路面裂缝进行监测具有重要意义。
图6显示了连续配筋混凝土路面中BOTDR分布式光纤传感系统的布局。路面上有11根纵向钢筋。传感光纤、4根温度补偿光纤和5根应变传感光纤沿中心对称铺设在9根钢筋上。
图7显示了在浇注混凝土后5天内由BOTDR检测的板表面上混凝土应变的变化。从图中我们可以清楚地看到混凝土应变沿路面纵向表面的分布，并可以根据最大拉应变的位置来预测路面上可能出现裂缝的位置。如图所示，裂缝最容易出现在79m处。
图6光纤传感系统的布置
图7混凝土在板表面的应变分布
图8显示了在浇注混凝土后5天内由BOTDR检测到的钢筋应变的变化。从图中可以清楚地看到，钢筋的应变沿路面纵向分布。在混凝土硬化期间，钢筋应变是不均匀的。连续监测钢筋应变有助于预测路面性能。
试验结果表明，BOTDR分布式光纤传感系统能够有效地在线检测连续配筋混凝土路面板中钢筋和混凝土的应变。这表明BOTDR在路面板、桥面板等类似工程中具有良好的适用性和广阔的应用前景。
6结论
分布式光纤传感技术在中国还处于起步阶段。虽然在隧道、基坑等一些领域取得了一定的成功，但仍有许多研究工作需要进一步开展，包括两个方面:一是分布式光纤传感监测技术本身的进一步完善；二是不断解决工程监测中的技术难题。相信随着这一技术的不断发展和成熟，越来越多的大型基础设施项目将采用这一技术进行分布式监测和健康诊断，其应用前景十分广阔，不可估量。
图8钢筋应变分布
参考
[1]Horiguchi T，Kurashima T，Tateda M .石英光纤中布里渊频移的拉伸应变依赖性。IEEE光子技术快报，1989，1(5):107~108
[2]Ohno H，Naruse H，Kihara M，Shimada A，BOTDR光纤应变传感器的工业应用。光纤技术，2001，7(1):45~64
[3]吴志生，高桥泰，金浩，平松光，混凝土结构裂缝的光纤传感检测。日本混凝土学会会议录，2000，22(1):409~414
[4]Wu Z S，Takahashi T和Sudo K，用光纤传感器监测连续应变和裂纹的实验研究。混凝土研究与技术，2002，13(2):139 ~ 148
[5]李春等，用于输气干线管道的分布式光纤双向应变传感器。工程中的光学与激光，2001，(36):41~47
[6]Uchiyama H，Sakairi Y，Nozaki T，一种采用新检测方法的光纤应变分布测量仪。安藤技术通报，2002，(10):52~60
黄敏双，陈为民，黄尚廉。基于布里渊散射的分布式光纤拉伸应变传感器的理论分析。光电工程，1995，22 (4): 11 ~ 36。
查旭东，张启森，李玉枝，苏庆贵，黄晴。高速公路连续配筋混凝土路面施工技术研究。中外公路，2003，23 (1): 1 ~ 4
[9]谢军，查旭东，编译。连续钢筋混凝土路面设计指南。国外公路，2000，20 (5): 4 ~ 6。
[10]史斌等. BOTDR应变监测技术应用于大型基础工程健康诊断的可行性研究。岩石力学与工程杂志。第22卷，第12期，2003年。
[11]施斌等，BOTDR在隧道工程变形监测、结构健康监测和智能基础设施中的应用研究，巴尔克马出版社，2003:1025~1030
许，史斌，张丹，，崔，。基于小波分析的BOTDR光纤传感器信号处理方法。光电激光，2003(7)。
[13]徐海钟，石宝林，，丁勇，，崔，基于小波分析的botdr分布式应变测量数据处理，结构健康监测与智能基础设施，北京:科学出版社，2003:345~349
安迪，吕志涛。用于桥梁监测的光纤传感器。公路交通科技，2003，20 (3): 91 ~ 95。
张丹，史斌，，许，，崔。BOTDR分布式光纤传感器及其在结构健康监测中的应用。土木工程学报，2003，36 (11): 83 ~ 87。
[16]，，徐，，丁勇，，崔，，高，BOTDR在结构弯曲监测，结构健康监测和智能基础设施中的应用，巴尔克马出版社，2003:271~276
[17]，，，高，，徐，基于BOTDR的分布式光纤传感器对钢筋混凝土T梁结构裂缝的识别与定位，，2004
张丹，史斌，许，高，朱虹。BOTDR监测钢筋混凝土T梁变形的试验研究。东南大学学报(待出版)
[19]丁勇，史斌，吴智深。岩土工程监测中的光纤传感器。第四届全国岩土工程会议论文集2003: 283 ~ 291。
[20]丁，杨，石，王，崔，高，陈建清，陈，2003 .光纤应变传感器在恒定应力下的稳定性。结构健康监测与智能基础设施，巴尔克马出版社，2003:267~270