光纤传感测量技术

（水文地质工程地质技术方法研究所 张青）  

1、简介

自从1970年美国康宁公司{dy}次成功地研制出传输损耗为20dB/Km的石英光导纤维以来，光纤技术得到了迅猛的发展和应用。它除了在通信领域中取得了众所周知的广泛应用外，在传感器方面也有着骄人的成绩。光纤传感技术是现代通信技术的产物，是随着光纤及通信技术的发展而逐步发展起来的一门崭新技术。通信领域中光纤被用作传输波导线，在实践中人们发现外界环境的变化（如温度、压力等），能够导致光纤内传输光某些参数的变化（如强度、相位、频率、偏振态等），而且这些变化是有一定规律的。由此，诞生了光纤传感技术，即通过对传输光某些参数变化的测量，实现对环境参数的测量。

与传统的机电传感技术相比，光纤传感技术采用光作为信息的载体，用光纤作为传递信息的介质，因此具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、灵敏度高、响应快、重量轻、体积小、外形可变、传输带宽大以及可复用实现分布式测量等突出优点，使其可测量的对象十分广泛，可应用在多个领域。其中，光纤布喇格光栅传感技术(FBG)与布里渊光时域反射传感技术(BOTDR)是{zj1}代表性的两种分布式光纤传感技术。

2、光纤布喇格光栅传感技术(FBG)

光纤Bragg光栅传感器（FBG）是准分布式光纤传感器的一种。准分布式光纤传感器又称多点光纤传感器，是一种半分布式光纤传感器，其所获取的被测量信息在空间上并不是连续分布的。Bragg光栅是一种在光纤中制成的折射率周期变化的光栅，周期不同其反射的光波长也不同。当这种带有布拉格光栅的光纤受到拉伸或压缩以及所处温度发生变化时，其周期发生变化，从而反射光的波长也改变，通过测量反射光波长的变化即可得知光纤所受的应变或所处的温度值。

FBG传感器的测量精度能达到0.001%，并且系统测量时间短，可实现实时监测，基于这些优点，使FBG在结构检测（例如桥梁、隧道的健康监测）上得到了广泛的应用。但由于准分布式光纤传感系统中，由于用于响应外部被测量的敏感单元是预先设置传感阵列，因此需对这些离散分布的传感点进行测量，这使得系统灵活性较低，也限制了它的进一步发展。因此，FBG用于应变监测时，主要用于变形位置已大致确定，形变较大的结构体的应变监测。基于FBG的特点，将其用于滑坡监测时，主要用于监测滑坡后缘或已知的裂缝的实时变化。

3、布里渊光时域反射传感技术(BOTDR)

BOTDR传感技术是分布式光纤传感技术的一种。分布式光纤传感技术是随着现在光纤工程中应用十分广泛的光时域反射（OTDR）技术的出现而发展起来的。分布式光纤传感器(DOFS)不仅具有一般光纤传感器的优点,而且可以在沿光纤路径上同时得到被测量场在时间和空间上的分布信息,显示出十分独特的应用前景。这种传感技术主要是利用了光波在光纤中传播时产生的后向散射光的频谱与功率特征与外界环境（温度、应变等）相关的特性

4、BOTDR在三峡库区巫山残联滑波监测中的应用

残联滑坡位于重庆市巫山县新县城中心地带，为河流谷坡地形。由于人类活动强烈，大范围开挖及切坡破坏了原始斜坡的平衡，加上地表水的入渗、使得斜坡表层土体发生崩滑、溜滑、裂缝等变形。虽对其采取“清方减载+格构锚+护脚墙+地表排水”方案进行了治理，但滑坡下部仍然有明显的地表变形。监于此，2004年8月运用BOTDR技术对其进行了监测。

监测区由上下两部分组成。滑坡体上部充分利用治理工程形成的混凝土格构，在水泥护格上刻槽铺设光纤，折回式布置，总体上呈网状布设。滑坡体下部，种用贯穿于滑体的水泥阶梯路，在人行阶梯右侧护墙上刻槽铺设光纤，一字型线状布置，总体上呈剖面布设

光纤传感测量技术是一项先进的测量技术，具有自动化程度高、可实时监测、数据信息量大且稳定性好等优点，在工程领域具有很好的应用前景。FBG、BOTDR技术在桥梁、隧道和大坝等线性基础上已经积累了很多经验，在我国地质灾害防治领域，针对高边坡、滑坡等防治工程，充分利用已经建成的人工构筑体，开展防治效果监测也具有较好的应用效果。然而，为了实现快速、稳定、可靠及高精度的测量，仍需要进行多方面的研究，今后的研究重点也将主要放在以下几个方面：

①实现单根光纤上多个物理参数（温度和应变）的同时测量；

②提高信号接收和处理系统的检测能力，提高系统的空间分辨力和测量不确定度；

③提高测量系统的测量范围，减少测量时间；

④大力开展应用技术研究，尤其在地质灾害监测领域的应用研究。

相信随着光纤传感测量技术的不断发展，监测设备的不断完善以及在地质灾害监测领域的大力推广应用与示范，FBG、BOTDR等光纤传感测量技术将会成为地质灾害监测新的亮点。