张晓炜 李旭辉 胡国良 孙程鹏 朱跃飞

(1.南昌工程学院,江西省水利土木特种加固与安全监控工程研究中心，江西 南昌 330099； 2.广东赛达交通科技股份有限公司，广东 广州 510663； 3.南昌宝安科技有限公司，江西 南昌 330000)

0 引言

分布式光纤传感技术是基于光纤工程中所广泛使用的光时域反射技术所发展起来的一种新型传感技术(DFOSS,Distributed Fiber Opt-ic Strain Sensor)。该技术用普通单模光纤进行感测传输，可以在布设的光纤沿线上得到所有待测体的应变、温度、损伤等参量数据，与传统的监测手段相比，大大地降低了漏检的可能。这在某种程度上有效地解决了工程领域中存在的众多测量难题。目前，该技术的相关试验与研究已经广泛开展于土木结构工程领域、航空航天测试、地质灾害调查及预防工程领域，随着布里渊分布式传感技术在理论以及各种感测仪器等方面的不断成熟，运用该技术的监测工作将逐步在重大工程中崭露锋芒。本文将针对基于BOTDA的分布式光纤传感监测该技术的试验研究进展进行论述，并指出所存在的问题。

1 基于布里渊光散射原理的分布式光纤监测技术

基于布里渊光散射的分布式光纤感测技术主要有BOTDA,BOTDR,BOFDA和BOCDA等。其中BOTDA和BOTDR因为具有较长的传感距离和相对较为简单的监测系统而吸引了大量研究者的目光，两者的区别在于：BOTDA是基于受激布里渊散射的光时域分析，双端测量；BOTDR是基于自发布里渊散射的光时域反射，单端测量。典型的BOTDA传感器基本结构如图1所示[1]。

1.1 BOTDA技术感测原理

布里渊光时域分析技术的的感测原理如图2所示，简单可以理解为：某束确定频率的脉冲光入射，在传输的过程中与光纤中的声学声子发生作用，发生布里渊散射，其中，背向布里渊散射光的频率漂移量与感测光纤轴向所受到的应变、温度成正比，因而，通过对布里渊频率漂移量进行测量就能得到对应感测光纤的轴向温度和应变的关系式[2]为：

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1.2 BOTDA分类及发展概况

根据使用脉冲光的不同特点，主要分为以下两种：1)脉冲预泵浦BOTDA技术(Pulse Pre-Pump，PPP-BOTDA)：通过改变泵浦光的形态，在测量的脉冲光发出之前，增加一段预泵浦脉冲光来激发声子，再通过设置消光系数来降低额外的输出功率进而提升BOTDA的空间分辨率和±25 με测量精度;2)差分脉冲对BOTDA技术(Differential Pl-use-width Pair，DPP-BOTDA)：向一段待测光纤中射入两束不同宽度的脉冲光，将两者得到的两个布里渊增益谱做差得到新的增益谱，利用该谱就能得到更加精准的布里渊中心频移量，进而提高BOTDA空间分辨率[1]。

Ippen等人于1972年首次观察到了光纤中的受激布里渊散射[3]。在最初，这项发现只用于测量光纤本身的特征参数[4,5]，直到1989年日本学者Horiguchi T.提出了BOTDA技术,同年Culverhouse D.发现频移与温度和应变的之间存在关系，至此，BOTDA技术才被视作一种新的传感技术而得到大量研究者的关注。

国内外针对提高BOTDA系统传感距离、提升温度灵敏度和空间分辨率这几个方面进行开展了广泛研究。日本Neubrex公司的学者于2004年提出了PPP-BOTDA技术[6,7]。同年，鲍晓毅教授团队通过改变探测光的成分实现了厘米量级的传感精度[8]。2008年，日本Neubr-ex公司实现了2 cm的空间分辨率和±25 με的应变分辨率[9]。2012年Yo-ngkang Dong等人通过对差分脉冲对脉宽的不断优化[10]，用PPP-BOTDA技术，在长度为2 km的待测光纤上实现了2 cm的空间分辨率；2017年Alejandro等人选取26.4 ns/26.3 ns 脉冲对的DPP-BOTDA技术在待测长度为10 km的光纤上实现了1 cm的空间分辨率[12]。

2 BOTDA技术在监测工程中的研究现状

2.1 BOTDA技术的研究现状

到目前为止，通过光纤传感能直接感测到的物理量有应力、位移、应变等，通过将监测数据和其他理论基础相结合，进而能够间接监测到混凝土裂缝、钢筋锈蚀、深部位移、水工建筑物的渗流、桩侧摩阻力、路基沉降量等，建立有针对性的评价体系。我国学者运用BOTDA传感技术针对监测工作的相关应用研究也取得了一系列成果。

1)2008年东南大学钱振东等人，对环氧沥青中埋设试件的光纤性能在车辆荷载和极限温度下进行了相关研究；并对现场沥青铺装层的路面温度、残余变形和裂缝进行了监测，成功证实了BOTDA技术运用到该监测工作中时所具备的稳定性、高精度的优点[13]。

2)2009年东南大学郭彤、李爱群等人将PPP-BOTDA技术运用于测量钢筋混凝土的应变分布、混凝土开裂测量和精确定位等方面进行了相关实验研究，为将该技术用于土木结构裂缝变形监测做出相关指导意见[14]。

3)2011年江宏在桩基测试工作中，通过详细对比PPP-BOTDA和滑动测微计所测量出的应变量，证明PPP-BOTDA可被作为一种新型的桩基测试技术进行应用推广[15]。

4)南京大学童恒金等人在2014年运用BOTDA技术对水平荷载下的预应力高强混凝土管桩桩身进行了挠度大小和分布的检测，根据实测和模拟数据对比分析验证了BOTDA用于预应力高强混凝土管桩桩身挠度的精细化检测与监测具有的分布式、精细化优势[16]。

5)2016年河海大学贾强强等人借助模型试验，运用PPP-BOTDA技术验证了实现监测混凝土结构开裂病变的可行性，实验结果表明，布里渊频移曲线的峰值和混凝土开裂位置存在对应性，同时研究发现，即便光纤位置与裂缝斜交，该技术仍然能够根据频移突变位置的比照结果来判断裂缝位置所在,系列试验成功证明了该技术可以灵敏地辨识和监测到裂缝的产生与拓展，实现了裂缝的全分布、全天候的连续监测[17]。

6)香港理工大学Dongsheng Xu,Jianhua Ying运用BOTDA技术对边坡开挖过程中GFPR锚的性能进行了测量，系列试验结果证明，BOTDA技术提供了一种有效途径去测量边坡开挖过程中沿锚和剪切区分布的应变分布情况[18]。

2.2 BOTDA技术的优势与不足

在监测工程中推广运用基于BOTDA的分布式光纤传感技术已经取得了很大的发展,其中，BOTDA光纤传感技术应用于工程监测具有以下两个优点：1)从信息传输方面来说，BOTDA进行双端回路测量，泵浦激光和探测激光在监测时分别从被测光纤的两端注入，获取的动态范围大，能得到更长的传感距离；2)从数据感测方面来说，数据测量精度较高，目前来看其微变形监测精度都远优于其他几种光纤传感监测技术。因此在灾害监测预警方面具有巨大的研究应用价值。

经过多年探索研究，虽然BOTDA传感技术已渐趋于成熟，然而将新型BOTDA技术应用于实际工程监测工作中的时间比较短,仍旧存在着多种问题，如:

1)作为传感材料的光纤，本身质地脆弱,在铺设、监测过程中极易发生损坏的问题;

2)室外监测环境温度变化范围较大的情况下带来的温度补偿问题；

3)光纤与被监测结构物，如边坡等不规则待测体之间的协调变形问题；

4)埋入结构内部的光纤的后期维护问题；

5)系统监测数据的后处理等相关问题，包括监测所得数据的筛选、对待测结构体建立相对应的计算模型以及能够针对监测对象提出合理的评价体系等等问题；如何针对传感材料本身特性以及待测结构和复杂环境因素造成的困难进行设计和优化BOTDA监测技术，将是该技术未来发展需要克服的首要问题。

3 结语

将BOTDA运用于监测工作只有短短不到三十年，但毫无疑问，分布式传感技术将是当前和今后一个时期在监测工程领域的一项重要技术。随着未来监测手段越来越丰富，监测精度也会越来越高，BOTDA技术的不断发展也会进一步带动相关监测仪器的发展。可以预见的是，除了技术本身在空间分辨率和传感长度方面的不断提升，BOTDA技术在边坡监测有如下趋势：传统技术和分布式BOTDA监测技术将不断融合，以BOTDA技术为主，系列传统监测技术为辅，发挥各自优点，在工程项目中对待测结构实现全面监测的效果；其次，将感测光纤植入传统建筑材料及建筑构件中形成智能材料，弥补感测光纤易损的不足与光纤布设的繁琐工序，进而能够对待测结构进行更为全面的健康监测工作。