發(fā)布日期：2017-10-28 查看：0 分享
我國大型基礎(chǔ)設(shè)施體量排在世界前列，例如：公路橋梁78萬座，鐵路橋梁7萬座，均為世界第一；高速公路總里程超過13萬公里，為世界第一；油氣管道超過12萬公里。
然而，大型基礎(chǔ)設(shè)施在長期服役過程中長期受到外力和環(huán)境侵蝕，極有可能發(fā)生災害，從而造成嚴重的安全事故和經(jīng)濟損失。同時，我國是世界上地質(zhì)災害多發(fā)國家之一，地質(zhì)災害種類多、面積廣、活動頻次高、危害程度大。例如，2015年12月20日，深圳市發(fā)生渣土堆山滑坡事故，導致74人死亡，直接經(jīng)濟損失近10億元人民幣。
為避免人員傷亡、減小經(jīng)濟損失，需要對大型基礎(chǔ)設(shè)施和各種地質(zhì)災害進行監(jiān)測。然而，大型基礎(chǔ)設(shè)施如公路、隧道、大型橋梁、油氣管線、電力線等，空間尺寸長，地質(zhì)災害分布面積廣。
以電阻式應(yīng)變片和光纖光柵為主的點式傳感器只能測量有限的離散點，無法實現(xiàn)待測物的全空間測量（如圖1）。
分布式布里淵光纖傳感可以實現(xiàn)在空間上的連續(xù)測量，具有測量距離長、定位精度高等特點，測量物理量包括溫度和應(yīng)變（如圖2）。
與傳統(tǒng)傳感技術(shù)相比，分布式光纖傳感器具有重量輕、抗惡劣環(huán)境、抗電磁干擾、在傳感點無需用電這些光纖傳感器所共有的優(yōu)點，此外，它可實現(xiàn)多達百萬個監(jiān)測測點和長達上百公里的超長距離分布式測量。
應(yīng)用領(lǐng)域包括：石油天然氣管道和存儲罐的溫度和變形監(jiān)測，海底或陸地高壓電纜/光纜的溫度和應(yīng)變監(jiān)測，地質(zhì)災害（比如山體滑坡、泥石流等）的分布式監(jiān)測，橋梁、大壩和隧道等大型建筑物的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，飛行器和航天器的飛行狀態(tài)監(jiān)測以及火災報警等。
技術(shù)
原理
分布式光纖傳感根據(jù)光的散射方式可分為：拉曼散射型、瑞利散射型和布里淵散射型。
●基于拉曼散射的分布式光纖傳感，斯托克斯和反斯托克斯光強比與溫度呈線性關(guān)系，可用于溫度測量和火災報警，但是傳感距離（~20 km）和空間分辨率（~1 m）有限。
●基于瑞利散射的分布式光纖傳感主要用于光纖斷點和損耗檢測，近年來發(fā)展的相位光時域反射計可以實現(xiàn)分布式振動測量，主要用于光纖周界安防。
●基于布里淵散射的分布式光纖傳感，散射光和入射光之間的頻率差（布里淵頻移）與光纖溫度和應(yīng)變呈線性關(guān)系，使用通信用單模光纖作為傳感器，可以實現(xiàn)超長距離長（百公里）、超高空間分辨率高（厘米）和高精度的分布式應(yīng)變和溫度測量，特別適合大型基礎(chǔ)設(shè)施、泥石流和山體滑坡等地質(zhì)災害監(jiān)測。
技術(shù)
優(yōu)勢
傳統(tǒng)的布里淵光纖傳感器由于受到10 ns聲子壽命的限制，空間分辨率較低（約為1 m），使之無法應(yīng)用于對空間分辨率要求較高的高端監(jiān)測領(lǐng)域。
針對這一問題，我們提出并發(fā)展了差分脈沖對布里淵光時域分析技術(shù)（DPP-BOTDA），如圖3所示。該技術(shù)使用脈寬大于聲子壽命的一對脈沖進行差分解析，有效克服了傳統(tǒng)窄脈沖導致的信噪比劣化和光譜展寬的問題，突破了聲子壽命對傳統(tǒng)布里淵傳感在空間分辨率上的限制，實現(xiàn)了2 cm的超高空間分辨率。
在DPP-BOTDA結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們又提出了采用新型負色散光纖來抑制調(diào)制不穩(wěn)定性，同時采用時分復用和頻分復用技術(shù)實現(xiàn)空間分割測量，降低抽運脈沖光的抽空效應(yīng)，從而成功地將傳感距離顯著提高至150 km。
為了驗證系統(tǒng)的空間分辨率，我們對一段長度為3.2 m單模光纖應(yīng)變施加區(qū)域分別為2 cm、5 cm、10 cm、20 cm和30 cm（熔接不同光纖來模擬應(yīng)變），測得的應(yīng)變分布如圖4所示。測量結(jié)果清晰準確地反應(yīng)出不同應(yīng)變區(qū)域的長度，三維信號更加直觀反應(yīng)出測量結(jié)果與實際應(yīng)變區(qū)域的一一對應(yīng)。
哈爾濱工業(yè)大學董永康教授課題組和鞍山睿科光電技術(shù)有限公司最新研制的高性能分布式布里淵光纖傳感儀（產(chǎn)品實物圖見圖5），工作原理基于DPP-BOTDA，可實現(xiàn)長距離、高空間分辨率和高精度的分布式光纖應(yīng)變和溫度傳感，其優(yōu)勢在于：
空間分辨率：2 cm
傳感距離：100 km
測量物理量：應(yīng)變和溫度
應(yīng)變精度：10 με
溫度精度：0.5℃
測量時間：2 秒~幾分鐘
應(yīng)用案例一：廈門海滄大橋
為滿足大型橋梁結(jié)構(gòu)安全診斷和評價的重大需求，在國家863計劃“大型橋隧空間分布式監(jiān)測與安全診斷評價技術(shù)”項目的支持下，我們開展了基于分布式布里淵光纖傳感技術(shù)的大型懸索橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究。
本項目的監(jiān)測對象是廈門海滄大橋。它是亞洲第一、世界第二（僅次于丹麥）的三跨連續(xù)全漂浮鋼箱梁懸索橋。截止2015年，海滄大橋已服役15年，保證其結(jié)構(gòu)安全是繼續(xù)服役的首要條件。
為檢測橋梁結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和使用能力，2015年11月本項目對其開展了承載力荷載試驗和線形測量，檢驗橋梁結(jié)構(gòu)的安全程度。
采用本課題組自主研發(fā)的分布式布里淵光纖傳感分析儀對各種工況下的大橋整體應(yīng)變分布進行了測量，成功獲取了千米級大跨度懸索橋全尺度應(yīng)變連續(xù)分布結(jié)果，可以準確判斷車輛荷載的位置信息以及由荷載引起的橋梁應(yīng)變分布，為橋梁安全評估提供有力依據(jù)。
應(yīng)用案例二：青藏高速公路
規(guī)劃中的青藏高速公路將穿越高原腹地多年凍土區(qū)，如何解決由凍融引起的路基沉降病害問題尤為突出。為了建立青藏高原高速公路災變監(jiān)控與預警預報體系，在國家科技支撐計劃“高海拔高寒地區(qū)工程構(gòu)筑物災變監(jiān)控體系與預警預報技術(shù)”課題資助下，我們提出采用分布式光纖傳感監(jiān)測方案建立公路災變監(jiān)測與病害預警關(guān)鍵技術(shù)，在我國首條高海拔高寒多年凍土高速公路——青海省共和至玉樹高速公路建立示范工程。
傳感器符合高海拔多年凍土區(qū)的環(huán)境要求，保證了監(jiān)測系統(tǒng)的耐久性和可靠性，測試結(jié)果可以全面反映出試驗段的溫度、應(yīng)變信息，可對試驗段路基沉降病害形成有效的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為下一步國家建設(shè)京藏高速公路提供有力的技術(shù)保障。
采用分布式光纖傳感技術(shù)實現(xiàn)長距離、高空間分辨率的溫度和應(yīng)變實時監(jiān)測，可以像神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣感知待測物的健康狀況，從而對結(jié)構(gòu)變形、泄漏以及火災等災害實現(xiàn)早期預警和實時探測。
