李旭辉　黄奕辉

【摘 要】针对分布式光纤监测技术在土木结构健康监测中的应用，介绍了基于布里渊散射效应的分布式光纤监测技术的特点及分类，详细阐述了三种分布式光纤传感器的原理，对分布式光纤监测技术在结构健康监测领域的应用和发展状况做了论述，并指出了所存在的问题。

【关键词】分布式光纤监测；土木结构；布里渊光时域分析技术

中图分类号： P642.2；TU196.1 文献标识码： A 文章编号：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

随着我国基础设施建设的快速推进，新技术、新材料、新结构的不断应用，各种大跨度、大空间复杂结构物不断涌现，为了确保这些新型结构体系在施工及后期运营过程中系统的安全稳定，需要对可能出现的灾害进行预测预报、及时掌握这些结构的健康运营状况。传统的以人工为主的监测方法是较为经济可行的方法，但对于复杂大型结构物的健康监测存在一些不足之处：（1）整体性差，一般只能做局部监测；（2）测试周期长，不能及时对结构损伤预报；（3）难以实现远程在线监测。近年来，随着光纤传感监测技术的发展，由于其具有尺寸小、精度高、灵敏度高、抗干扰能力强、能实现远程在线实时监测等优点，受到许多大型监测项目的青睐。

本文简要介绍了基于布里渊散射效应的分布式光纤监测技术的特点及分类，详细阐述了三种分布式光纤传感器的原理，对分布式光纤监测技术在结构健康监测领域的应用和发展状况做了系统的论述，并指出了所存在的问题。

1 分布式光纤监测技术的基本原理

基于布里渊散射效应的分布式光纤传感技术主要有三种类型，分别是布里渊光时域反射（BOTDR）技术、布里渊光时域分析（BOTDA）技术、布里渊光频域分析（BOFDA）技术。

1.1 布里渊光时域反射（BOTDR）技术

BOTDR技术利用光纤的背向布里渊散射频率变化与光纤所受轴向应变和温度成线性关系，通过测定布里渊散射频率的变化来感知监测对象的应变和温度变化，当结构物的应变ε和温度T发生改变时，布里渊散射光的频率变化满足以下关系：

vBS=vB0+CT（T-T0）+Cε（ε-ε0）（1）

其中，vBS是光纤的布里渊频率变化；vB0是光纤布里渊频初始频率，T0、T分别为初始温度和测量时的温度；ε0和ε分别为初始应变和测量时的应变；CT、Cε分别为温度系数和应变系数。BOTDR技术的最大优点在于可以单端测量，测试系统无需形成回路。

1.2 布里渊光时域分析（BOTDA）技术

BOTDA技术采用从光纤的两端分别注入泵浦脉冲光信号和连续光信号，典型的传感器设置包括两台激光器（一台连续光，一台脉冲光）分别从同一根被测光纤的两端输入。当两台激光器的频率差与光纤的布里渊频率相同时，两束激光在光纤内部发生强相互作用并增强光纤中已产生的声波（声子），使得布里渊信号容易定位检测。沿光纤测量应变和温度时，通常需要扫描频差（拍频）绘出布里渊频谱，通过分析该频谱以获得应变和温度信息，测量过程见图1。

1.3 布里渊光时域分析（BOFDA）技术

布里渊光时域分析（BOFDA）技术是上世纪九十年代由德国科学家D.Garus等提出，BOFDA传感系统基本结构见如图2所示。该技术的实质是基于测量光纤的传輸函数实现对测量点定位的一种传感方法，这个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与光纤的几何长度联系起来，通过计算光纤的冲击响应函数来确定光纤沿线的温度和应变信息，

2 用于结构健康监测的光纤传感技术比较

目前，用于结构健康监测的光纤传感技术主要有基于布拉格光纤光栅监测和基于基于分布式布里渊光纤监测。布拉格光纤光栅（FBG）传感器是目前光纤传感市场上比较多应用的技术，它非常适合各类点式测量。但是当潜在的破坏或劣化位置未知的或者监测范围大的情况下，预先安装FBG或其他点式传感器就显得比较困难。布里渊分布式传感器在长距离和大范围监测项目上有天然的优势。事实上，只要监测范围长度超过10米的应变或温度传感应用就应考虑分布式布里渊传感技术。

布里渊光纤传感器一般分为两种类型：布里渊光时域反射仪（BOTDR）和布里渊光时域分析仪（BOTDA）。前者是基于单一脉冲的布里渊散射而获取应变或者温度信息；后者是利用一种更为复杂的称为受激布里渊散射现象而求解应变或者温度或者同时求解二者。对于布里渊散射由于只有非常微弱的一部分光子（约为1/103）发生散射，并散射频率低于入射光频率。这样基于BOTDR单一脉冲的布里渊散射光能量至多达到入射光能量的1/103。这个反射光是非常微弱的。再考虑到光纤衰减，比如0.22dB/km，BOTDR的测量距离受到极大限制，信噪比也要较BOTDA差很多，当然BOTDR的优势在于它是单端监测模式。

由于布里渊光时域分析仪（BOTDA）采用两个反向传输的光束来增强布里渊散射，因而它的信号强度大，应变和温度的测量更为精确，测量范围更大，但是BOTDA技术要求更多的光学部件和双向光路，造成总的系统成本较BOTDR略高，进行所以在开展结构健康监测时应该综合比较这两种监测技术。

3 分布式光纤监测技术研究现状

3.1 国外研究现状

自上世纪七十年代，Ippen等人首次发现光纤中的布里渊散射效应、到八十年代末期有研究者发现该散射与温度和应变存在线性关系，目前的研究已有四十余年，对传感原理、传感性能改善有着广泛和深入的研究，Horiguchi（1989）等、T.Kurashima（1993）、D.Garus（1996）等人分別提出了基于布里渊散射放大效应的的BOTDA、BOTDR及BOFDA技术，这些研究成果后来被应用于油气管线泄漏监测、反应塔生产效率监测、大坝、桥梁和海底光缆等多方面监测[1-3]。目前一些公司也相继开发出了商业化的产品，如加拿大OZ光学公司提供的光纤分布式应变和温度传感器（DSTS）最佳分辨率可以达到0.1m，最大传感长度可达到100Km，能很好满足工程应用。

3.2 国内研究现状

国内对基于布里渊散射光纤传感技术的研究起步较晚，目前仍主要侧重于对BOTDR及BOTDA的研究，如隋海波[4]、丁勇[5]、刘永莉[6]等分别基于BOTDR技术的分布式光纤监测技术对边坡岩土工程开展监测研究，卢毅[7]等人将该技术应用于地面变形模型实验，叶宇霄[8]等人在混凝土的裂缝监测开展该技术的应用研究也取得了很好的研究成果，此外，在基坑工程[9]、混凝土中钢筋的锈胀、聚乙烯管道变形等监测中得到推广应用。基于BOFDA的分布式光纤监测技术目前应用较少，南京大学曹鼎峰等人通过试验测试了基于BOFDA技术的测试精度，分析了其在工程中的推广可能性，但目前具体监测应用报道文献不多。

3.3 存在问题

分布式光纤技术在工程中应用越来越广泛，但其存在的问题也需引起工程技术人员的注意：

（1）光纤传感监测仪器设备费用目前仍较高，例如加拿大OZ光学公司的DSTS监测系统至少在四五十万元以上，所以对于小型的监测项目经济型较差，相信随着该领域技术的快速发展，仪器设备费用会有所降低。

（2）埋设与保护技术要求高，分布式光纤传感器抗剪能力较差，在工程施工现场特别要注意保护，一旦损坏，对熔接的要求特别高，比较费工费时；同时，传感光缆在曲线段要注意光损耗的问题，曲线段的曲率半径要求尽可能大，在铺设的同时建议随时监测线路的光损耗，在光损耗大的位置及时处理。

（3）监测的量程问题

分布式光纤监测的灵敏度和精度都很高，但是在大型土木结构特别是在岩土工程监测方面，监测对象的变形和应变可能会很大，变形可能会超过光缆的容许范围，监测对象出现过大的应变时会造成光缆的拉断，所以要特别注意监测对象可能的应变和变形范围。

4 结束语

与传统各种点式传感器相比，采用全分布式光纤传感不需单独制作传感器，并可同时测量获得沿光纤路径上的时间和空间连续分布信息，实现对复杂土木建筑结构进行全方位连续监测，随着光纤传感制造技术的进步和性能的改善以及应用开发研究成果的不断涌现，分布式光纤传感器在大型复杂结构等监测领域中会处于越来越重要的地位。

【参考文献】

[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]张旭苹.全分布式光纤传感技术[M].北京：科学出版社，2013.

[4]隋海波，施斌，张丹，等.边坡工程分布式光纤监测技术研究[J].岩石力学与工程学报. 2008，27（S2）：3725-3732.

[5]丁勇，施斌，崔何亮，等.光纤传感网络在边坡稳定监测中的应用研究[J].岩土工程学报，2005，27（3）：338–342.

[6]刘永莉，尚岳全，于洋.BOTDR 技术在边坡表面变形监测中的应用[J].吉林大学学报（地球科学版），2011，41（3）：777-783.

[7]卢毅，施斌，于军，等.地面变形分布式光纤监测模型试验研究[J].工程地质学报.2015（05）：896-901.

[8]叶宇霄，赵新铭，吴刚，等.分布式光纤在混凝土结构裂缝监测中的应用[J].土木建筑与环境工程.2018，7（01）：24-30

[9]隋海波，施斌，张丹，等.基坑工程BOTDR分布式光纤监测技术研究[J].防灾减灾工程学报.2008，28（2）：184-192.