分散式光纖感測：大型基礎設施和地質災害的感知神經網路

作者：姜桃飛1,2，夏猛2，仝培霖2，劉昌霞2，湯曉慧2，關鵬2，劉倡2，董永康1

1哈爾濱工業大學可調諧激光技術國家級重點實驗室

2鞍山睿科光電技術有限公司

引言

我國大型基礎設施體量排在世界前列，例如：公路橋樑78萬座，鐵路橋樑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，大型基礎設施在長期服役過程中長期受到外力和環境侵蝕，極有可能發生災害，從而造成嚴重的安全事故和經濟損失。同時，我國是世界上地質災害多發國家之一，地質災害種類多、面積廣、活動頻次高、危害程度大。例如，2015年12月20日，深圳市發生渣土堆山滑坡事故，導致74人死亡，直接經濟損失近10億元人民幣。

為避免人員傷亡、減小經濟損失，需要對大型基礎設施和各種地質災害進行監測。然而，大型基礎設施如公路、隧道、大型橋樑、油氣管線、電力線等，空間尺寸長，地質災害分布面積廣。

以電阻式應變片和光纖光柵為主的點式感測器只能測量有限的離散點，無法實現待測物的全空間測量（如圖1）。分散式布里淵光纖感測可以實現在空間上的連續測量，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變（如圖2）。

圖1 點式感測示意圖

圖2 分散式感測示意圖

與傳統感測技術相比，分散式光纖感測器具有重量輕、抗惡劣環境、抗電磁干擾、在感測點無需用電這些光纖感測器所共有的優點，此外，它可實現多達百萬個監測測點和長達上百公里的超長距離分散式測量。

應用領域包括：石油天然氣管道和存儲罐的溫度和變形監測，海底或陸地高壓電纜/光纜的溫度和應變監測，地質災害（比如山體滑坡、泥石流等）的分散式監測，橋樑、大壩和隧道等大型建築物的結構健康監測，飛行器和航天器的飛行狀態監測以及火災報警等。

技術

原理

分散式光纖感測根據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。

基於拉曼散射的分散式光纖感測，斯托克斯和反斯托克斯光強比與溫度呈線性關係，可用於溫度測量和火災報警，但是感測距離（~20 km）和空間解析度（~1 m）有限。

基於瑞利散射的分散式光纖感測主要用於光纖斷點和損耗檢測，近年來發展的相位光時域反射計可以實現分散式振動測量，主要用於光纖周界安防。

基於布里淵散射的分散式光纖感測，散射光和入射光之間的頻率差（布里淵頻移）與光纖溫度和應變呈線性關係，使用通信用單模光纖作為感測器，可以實現超長距離長（百公里）、超高空間解析度高（厘米）和高精度的分散式應變和溫度測量，特別適合大型基礎設施、泥石流和山體滑坡等地質災害監測。

技術

優勢

傳統的布里淵光纖感測器由於受到10 ns聲子壽命的限制，空間解析度較低（約為1 m），使之無法應用於對空間解析度要求較高的高端監測領域。

針對這一問題，我們提出並發展了差分脈衝對布里淵光時域分析技術（DPP-BOTDA），如圖3所示。該技術使用脈寬大於聲子壽命的一對脈衝進行差分解析，有效克服了傳統窄脈衝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布里淵感測在空間解析度上的限制，實現了2 cm的超高空間解析度。

在DPP-BOTDA結構基礎上，我們又提出了採用新型負色散光纖來抑制調製不穩定性，同時採用時分復用和頻分復用技術實現空間分割測量，降低抽運脈衝光的抽空效應，從而成功地將感測距離顯著提高至150 km。

圖3 DPP-BOTDA技術原理

為了驗證系統的空間解析度，我們對一段長度為3.2 m單模光纖應變施加區域分別為2 cm、5 cm、10 cm、20 cm和30 cm（熔接不同光纖來模擬應變），測得的應變分布如圖4所示。測量結果清晰準確地反應出不同應變區域的長度，三維信號更加直觀反應出測量結果與實際應變區域的一一對應。

圖4 2 cm解析度（a）應變測量結果;（b）三維布里淵譜

哈爾濱工業大學董永康教授課題組和鞍山睿科光電技術有限公司最新研製的高性能分散式布里淵光纖感測儀（產品實物圖見圖5），工作原理基於DPP-BOTDA，可實現長距離、高空間解析度和高精度的分散式光纖應變和溫度感測，其優勢在於：

空間解析度：2 cm

感測距離：100 km

測量物理量：應變和溫度

應變精度：10 με

溫度精度：0.5℃

測量時間：2 秒~幾分鐘

圖5 高性能分散式布里淵光纖感測分析儀

應用案例一：廈門海滄大橋

為滿足大型橋樑結構安全診斷和評價的重大需求，在國家863計劃「大型橋隧空間分散式監測與安全診斷評價技術」項目的支持下，我們開展了基於分散式布里淵光纖感測技術的大型懸索橋結構健康監測研究。

本項目的監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，保證其結構安全是繼續服役的首要條件。

為檢測橋樑結構的工作狀態和使用能力，2015年11月本項目對其開展了承載力荷載試驗和線形測量，檢驗橋樑結構的安全程度。

採用本課題組自主研發的分散式布里淵光纖感測分析儀對各種工況下的大橋整體應變分布進行了測量，成功獲取了千米級大跨度懸索橋全尺度應變連續分布結果，可以準確判斷車輛荷載的位置信息以及由荷載引起的橋樑應變分布，為橋樑安全評估提供有力依據。

圖6 廈門海滄大橋應變監測

應用案例二：青藏高速公路

規劃中的青藏高速公路將穿越高原腹地多年凍土區，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控與預警預報體系，在國家科技支撐計劃「高海拔高寒地區工程構築物災變監控體系與預警預報技術」課題資助下，我們提出採用分散式光纖感測監測方案建立公路災變監測與病害預警關鍵技術，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範工程。

感測器符合高海拔多年凍土區的環境要求，保證了監測系統的耐久性和可靠性，測試結果可以全面反映出試驗段的溫度、應變信息，可對試驗段路基沉降病害形成有效的監測網路，為下一步國家建設京藏高速公路提供有力的技術保障。

圖7 青藏高原高速公路路基沉降監測

展望

採用分散式光纖感測技術實現長距離、高空間解析度的溫度和應變實時監測，可以像神經網路一樣感知待測物的健康狀況，從而對結構變形、泄漏以及火災等災害實現早期預警和實時探測。哈爾濱工業大學董永康教授課題組在國家重大科學儀器設備開發專項支持下研製的系列分散式布里淵光纖感測分析儀對我國在大型基礎設施安全監測、自然災害預警等領域具有極大的現實意義。

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