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分布式光纖監測技術
摘要：本文簡述了分布式光纖監測技術在我國大壩安全監測中的應用情況；詳細闡述了兩類分布式光纖監測系統的原理、主要特點及性能；對今後分布式光纖監測技術的發展作了展望。
關鍵詞：分布式監測 光纖
1、我國大壩分布式光纖監測技術應用概況
20世紀70年代，光纖監測技術伴隨着光導纖維及光纖通信技術的發展而迅速發展起來。與傳統的監測技術相比，光纖監測技術有一系列獨特的優點：
（1）光纖傳感器的光信號作為載體，光纖為媒質，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，該傳感器具有耐腐蝕，抗電磁干擾，防雷擊等特點，屬本質安全。
（2）光纖本身輕細纖柔，光纖傳感器的體積小，重量輕，不僅便於布設安裝，而且對埋設部位的材料性能和力學參數影響甚小，能實現無損埋設。
（3）靈敏度高，可靠性好，使用壽命長。
分布式光纖監測技術除了具有以上的特點外，還具有以下二個顯着的優點：
（1）可以準確的測出光纖沿線任一點的監測量，信息量大，成果直觀。
（2）光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質，結構簡單，不僅方便施工，潛在故障大大低於傳統技術，可維護性強，而且性能價格比好。
我國從20世紀90年代後期在新疆石門子水庫首次利用分布式光纖監測技術測量碾壓砼拱壩溫度以來，至今已有多個工程應用，並且，我國已有專門從事分布式光纖監測儀器設備製造廠——美國MOI公司，發展極為迅速。
由於水電水利工程中有許多物理場需要監測，如溫度場、應力場、位移場、滲流場，等等。以往採用單點監測方法，測點少，成果不直觀，需要通過分析才能最終了 解場的情況，這種傳統的單點監測方法不僅費工、費時、費錢，而且效果也不理想。而如果採用分布式光纖監測技術就可以準確地測定光纖沿線任一點上的溫度、應 力和位移，信息量大，成果直觀。如果將光纖按一定的網絡鋪設，可實現對大壩安全的全方位監測，可以克服傳統點式監測容易漏測和滲流難以定位的弊端，極大提 高安全監測的有效性，如俄羅斯薩揚.舒申斯克重力拱壩，內部儀器埋設達2500多支，竟未測出壩基長達486m的水平縫，直至該縫向壩內延伸20余米，引 起廊道漏水才被髮覺，這充分說明點式監測的侷限性，因此，分布式光纖監測技術倍受青睞。從監測內容看，當前我國應用大致可分為四類。
第一類是溫度監測。如設置於新疆石門子碾壓砼拱壩內的分布式光纖溫度監測系統，設置於三峽大壩內的分布式測溫系統，設置於廣東長調水電站砼面板的溫度監測系統，等等。由於分布式光纖監測測點多，信息量大，都獲得了較好的監測成果，較全面地反映了大壩溫度場的分布情況。
第二類是滲流定位監測。如設置於廣東長調水電站面板週邊縫的分布式光纖溫度——滲流監測系統。水庫蓄水期間，即發現週邊縫有几處滲漏點，對滲漏定位相當有效。
第三類是位移和隨機裂縫監測。如設置於隔河岩電站水庫覃家田滑坡中的螺旋型分布式光纖位移監測系統，設置於湖北古洞口面板堆石壩面板上的隨機裂縫光纖自診 斷系統。由於單模光纖抗拉強度不高，能測隨機裂縫的縫寬不大，當裂縫大於2mm時，光纖易被拉斷。因此，對隨機裂縫的監測生命期尚不長。
第四類是裂縫監測。如設置於古洞口面板堆石壩週邊縫面板間縫的准分布式光纖測縫計監測系統。通過監測，也獲得了光纖測縫計埋設處縫寬變化的較好效果。
當前，在建和擬建的水電水利工程，如索風營水電站、景洪水電站、三板溪水電站、水布埡水電站、坦肯水電站、錦屏一級水電站、瀑布溝水電站、拉西瓦水電站等等，在大壩安全監測中，都正在或計劃採用分布式光纖監測系統。
分布式光纖監測技術在碾壓混凝土壩的應用發展較快，繼新疆石門子碾壓混凝土拱壩后，索風營碾壓混凝土重力壩，景洪碾壓混凝土重力壩都已經和準備應用。對碾 壓混凝土壩，分布式光纖監測具有較大的應用優勢，因為它對施工干擾小，它既具有監測溫度場的功能，又兼有對碾壓層面進行滲流定位監測的功能。從目前應用情 況來看，光纖網絡佈置有二種形式。一種是平面網絡形式，光纖連續地沿壩體橫斷面自下而上作蛇形佈置；另一種是空間網絡形式，取某壩段作監測對象，光纖自下 而上連續地沿水平截面從左至右或從右至左作蛇形佈置。空間網絡佈置不僅可以監測多個橫斷面的溫度場，了解施工期和運行期壩體溫度空間分布和變化情況，而且 可以對碾壓層面進行滲流定位監測。
2、兩種分布式光纖監測系統
分布式光纖監測系統其實是分布調製的是光纖傳感系統。所謂分布調製，就是沿光纖傳輸路徑上的外界信號以一定的方式對光纖中的光波進行不斷調製（傳感），在 光纖中形成調製信息譜帶，並通過獨特的檢測技術，介調調製信號譜帶，從而獲得外界場信號的大小及空間分布。因此，分布式光纖監測系統通常由激光光源，傳感 光纖（纜）和檢測單元組成，是一種自動化的監測系統。
按照調製方式的不同，分布式光纖監測系統分為分布式傳光型光纖監測系統和分布式傳感型光纖監測系統或准分布式光纖監測系統和分布式光纖監測系統。
2.1分布式傳光型(准分布式)光纖監測系統
分布式傳光型光纖監測系統的特點是：將呈一定空間分布的相同調製類型的光纖傳感器耦合到一根或多根光纖總線上，通過尋址、介調檢測出被測量的大小。分布式 傳光型監測系統實質上是多個分立式光纖傳感器的復用系統，故又稱准分布式光纖監測系統或非本征型分布式光纖監測系統。光纖總線僅起傳光作用，不起傳感作 用。根據尋址方式不同，分布式傳光型光纖監測系統可分為時分復用、波分復用、頻分復用、偏分復用和空分復用等几類。其中，時分復用、波分復用和空分復用技 朮較成熟，復用的點數較多。
1、時分復用
時分復用靠耦合於同一根光纖上的傳感器之間的光程差，即光纖對光波的延遲效應來尋址。當一脈寬小於光纖總線上相鄰傳感器之間的傳輸時間的光脈衝自光纖總線 輸入端注入時，由於光纖總線上各傳感器距光脈衝發射端的距離不同，在光纖總線的終端（或始端）將會接收到許多光脈衝，其中每一個光脈衝對應光纖總線上的一 個傳感器，光脈衝的延時即反應傳感器在光纖總線上的地址，光脈衝的幅度或波長的變化即反應該點被測量的大小。在這裡，注入的光脈衝越窄，傳感器在光纖總線 上的允許間距越小，可耦合的傳感器越多，但是，對介調系統的要求越苛刻。
2、波分復用
波分復用是通過光纖總線上各傳感器的調製信號的特征波長來尋址。當光源發出的連續寬帶光（經光波長編碼）注入光纖總線時，在光纖傳感器與監測量發生耦合作 用，對該寬帶光有選擇地反射回相應的一個窄帶光，並沿原傳輸光纖返回，其餘寬帶光則直接透射過去繼續前進，遇到第2個光纖傳感器，又有選擇地反射回相應的 一個窄帶光。由於各傳感器的特征波長不同，通過濾波/解碼系統即可求出被測信號的大小和位置。該法由於一些實際部件的限制，總線上允許的傳感器數目不多， 一般為8—12個。
3、頻分復用
頻分復用是將多個光源調製在不同的頻率上，經過各分立的傳感器彙集在一根或多根光纖總線上，每個傳感器的信息即包含在總線信號中的對應頻率分量上。採用光源強度調製的頻分復用技術可用於光強調製型傳感器，採用光源光頻調製的頻分復用技術可以用於光相位調製型傳感器。
4、空分復用
空分復用是將各傳感器的接收光纖的終端按空間位置編碼，通過掃描機構控制光開關選址。這時，開關網絡應合理佈置，信道間隔應選擇合適，以保証在某一時刻單光源僅與一個傳感器通道相連。空分復用的優點是能夠準確地進行空間選址，實際復用的傳感器不能太多，以少於10個為佳。
三峽大學研製了由“光纖裂縫計”和“光纖測縫計智能分析儀”組成的准分布式光纖監測系統，採用的是根據光強調製的測縫計，詢址採用的是時分復用技術。
准分布式光纖監測系統通過將多個相同類型或不同類型的傳感在一條光纖上串接復用，減少了傳輸線路，方便了施工，大大簡化了線路的布設。並且，可以實現多點同時測量，避免了以往逐點測量不同步的弊端。但是，准分布式光纖監測系統存在如下不足：
（1）由於分布式傳光型光纖監測系統是通過一條光纖將若干個光纖傳感器串接而成，系統的光功率損耗較大，因此，一條光纖只能接入有限的光纖傳感器，如分布式光纖光柵監測系統一般僅能接入8—12個光纖傳感器。
（2）分布式傳光型光纖監測系統實質上是多個單測點光纖傳感的串接復用系統。一旦系統埋設安裝后，測點無法增加。
2.2分布式傳感型(分布式)光纖監測系統
分布式傳感型光纖監測系統的特點是，利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，光纖總線不僅起傳光作用，還起傳感作用，所以分布式傳感型光纖監測系統又稱本征分布式光纖監測系統，或全分布式光纖監測系統，簡稱分布式光纖檢測系統。
分布式傳感型光纖監測系統有下列優點：
（1）信息量大。分布式傳感型光纖監測系統能在整個連續光纖的長度上，以距離的連續函數的形式傳感出被測參數隨光纖長度方向的變化，即光纖任一點都是“傳感器”，它的信息量可以說是海量信息。
（2）結構簡單，可靠性高。由於分布式傳感型光纖監測系統的光纖總線不僅起傳光作用，而且起傳感作用，因此結構異常簡單，方便施工，潛在故障少，可維護性好，可靠性高。
（3）使用方便。光纖埋設后，測點可以按需要設定，可以取2m距離為一個測點，也可以取1m距離為一個測點等，按需要可以改變設定。因此，在病害定位監測時極其方便。
（4）性能價格比好。目前，光纖價格不高，一條光纖的測點又可達成百上千個，因此，每一個測點的價格就遠遠低於傳統單測點的價格，性能價格比相當好。
分布式光纖監測系統相對於電信號為基礎的傳感監測系統和點式光纖監測系統而言，無論是從監測技術的難度、監測量的內容及指標，還是從監測的場合和範圍都提高到了一個新的階段。
3、展望
當前，分布式光纖監測系統主要是一種時域分布式光纖監測系統，它的技術基礎是光時域反射技術OTDR（optical time—domain reflectormetry）。OTDR最初用於評價光學通信領域中光纖、光纜和耦合器的性能，是用於檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，其工作機理是 脈衝激光器向被測光纖發射光脈衝，該光脈衝通過光纖時由於光纖存在折射率的微觀不均勻性，以及光纖微觀特性的變化，有一部分光會偏離原來的傳播向空間散 射，在光纖中形成后向散射光和前向散射光。其中，后向散射光向后傳播至光纖的始端，經定向耦合器送至光電檢測系統。由於每一個向后傳播的散射光對應光纖總 線上的一個測點，散射光的延時即反應在光纖總線上的位置。
由於從光纖返回的后向散射光有3種成分：
（1）由光纖折射率的微小變化引起的瑞利（RayLeigh）散射，其頻率與入射光相同；
（2）由光子與光聲子相互作用而引起的拉曼（Raman）散射，其頻率與入射光相差几十太赫茲；
（3）由光子與光纖內彈性聲波場低頻聲子相互作用而引起的布里淵（Brillouin）散射。其頻率與入射光相差几十吉赫茲。
因此，時域分布光纖檢測系統按光的載體可分為三種形式：基於拉曼散射的分布式光纖檢測系統、基於瑞利散射的分布式光纖監測系統和基於布里淵散射的分布式光 纖檢測系統。當前，前二種形式的研究和應用較多，后一種形式是國際上近年來才研發出來的一項尖端技術，國內研究才剛剛起步。由於后一種形式可用來測量光纖 沿線的應變分布，可以預計，不久在這方面將有所突破，並且前二種形式將發展成更多的應用種類，逐漸向大壩安全監測的各個領域滲透。光纖網絡佈置形式將更趨 豐富多樣，更趨科學合理。
與此同時，准分布式光纖監測系統將獲得較大發展，以光纖應變計組成的三向應變和二向應變的准分布式監測系統將面世；同一壩段一些非物理場類監測量，如裂縫 監測，以及同一區域一些非物理場類監測量，如預應力監測，將出現更多的准分布式光纖監測系統，從而使相關量獲得同步觀測，大大提高觀測資料的質量。
4、結語
分布式光纖監測技術是當代高科技的結晶，是一種理想的大壩安全監測系統，廣大安全監測工作者應予以積極推廣。
分布式光纖經久耐用，安全可靠，由它構成的網絡可以遍佈壩體，這些光纖網絡猶如神經系統，可以感知壩體各部位相關信息，大壩因此而有望成為一種機敏結構。
可以感覺到，光纖智能大壩正在悄悄地向我們走來。
“MOI公司”自1990年成立以來，召集眾多光電專家共同決策，以數所高校為後盾，下屬光電技術研究所為基礎，專業開發研製各類光電傳感器。分布式光纖溫 度傳感器（DTS）系統的研發成功及其實用化得到光電業界的首肯和支持。它是集光、機、電、計算機、弱信號檢測為一體的，是國際上20世紀90年代產業化 的高科技產品，可廣氾的應用於火災報警、過程監控、氣體液體的洩漏監測以及故障診斷等方面。
該系統在秦山核電站高壓電纜溫度監控的應用、廣東長調水電站面板壩滲漏監測、貴州三板溪水電站面板壩滲漏監測、浙江桐柏水電站面板壩週邊縫滲漏監測、 水庫大壩面板溫度場的監測、德國柏林天然氣管道洩漏監控等項目的成功實施，為我國連續、實時、長距離的溫度監控和液、氣體滲漏檢測揭開了新的一頁。
我們可以提供系列和完善的服務：工程的可行性分析、計劃安排、執行計劃、提供DTS系統（德國合作公司研製測量設備和本公司自行研製測量設備、配套傳感光 纜及週邊設備等）和專利技術、指導傳感光纜的鋪設、DTS系統的安裝和調試、測量服務和數據分析、用戶培訓和提供去德國合作公司考察的機會、及時的售后服 務和解決各類技術問題等。
產品應用
1、地下儲存設施
地下燃氣儲存及運輸需要多種高科技設備。目前，地下設施的安裝難以達到理想要求，而且操作壓力和溫度也快接近技術極限，而且投資用於建設這些儲存設施的費用很高，因此操作的安全性和服務的可靠性顯得非常的重要並具有較高的價值。
正因為如此，我們最起碼要對地下儲存設施的實施及地下安裝環境進行監控與測量。
光纖溫度傳感系統所適用的安裝條件：可以把光纜鋪設在地下作永久性的監測，或者把光纜放入鑿好的洞裡面作臨時的測量。
目前可採用的安裝方法有以下兩種：
臨時性的安裝
溫度記錄
永久性的安裝
根據儲存管理對當前過程進行監測
受力變化進行測量
儲槽的液面定位
2、管道
管道是能源工業地下運輸的重要組成部分。它廣氾用於液體和氣體的運輸。根據實際應用的不同，技術標準、安全技術的要求和測得的數據也有很大的不同。滲漏檢測系統對於防止造成經濟損失和環境污染是非常有必需的。
我公司的分布式光纖溫度傳感器技術可以用於管道監控、滲漏檢測及管道運輸過程中的數據測量。
管道內所通過的不同物質：
（1）然氣：管道及滲漏的檢測、滲漏處的定位、提供現有管道的輔助設備
（2）原油及成品油：管道及滲漏的檢測、滲漏處的定位
（3）熱水：溫度監控、管道及滲漏的檢測、滲漏處的定位、建築物質量的控制
（4）危險液體：溫度監控、供熱系統的監控、滲漏檢測、滲漏處定位
3、水利建築結構
檢查和測量大壩等水利建築結構的安全狀況是十分重要的。此外，作為一個標準的傳感器系統，分布光纖溫度傳感器的測量方法在該領域中具有重要意義，因為它不 僅能測量大壩等建築的溫度分布場，而且還能測量混凝土澆注過程中的溫度，另外它也能檢測大壩的滲漏並能定位。分布光纖形變測量技術還允許靜態測量和水利建 筑結構動態變形的測量。
水庫
溫度監控、混凝土大壩監控、滲漏檢測及定位、水滲漏路徑的定位、下沉過程的測量、變形測量、岩層研究
4、建築物和結構件
從建築物和結構件的狀態及內部運作中所獲得的數據對監控該建築物是非常有必要的。可靠的測量傳感器是獲得實時數據和過程控制的根本要求。數據的準確性和檢 測的速度是傳感器系統性能和效率最重要的指標。傳感器測量方法目前在市場上維持在較高的水準。最近的發展方向是研究智能化建築物的方案。不管怎樣，我們能 夠提供可靠性和準確度都較高的資料。
分布光纖溫度傳感技術被用來：火災探測與報警，運行數據的獲取，比如說空調系統的檢測與控制。
（1）地熱發電站：鑿洞內部的溫度檢測、熱反應測試、鑿洞週圍區域的環境監控、熱液體設施的溫度測量、對高溫、乾燥地層設施的溫度測量
（2）火災檢測：溫度測量、火災的早期探測、對電線及電纜的測量
5、地理及環境的監控
溫度在時間和空間上的分布是評估、分析及長期監控自然環境和人為作用的重要參數，溫度是熱量的體現。分布光纖溫度測量技術對長期監測和處理環境、各類礦場非常有用，比如說監測廢物堆放場、污水處理密封層的洩漏、各類礦場的溫度分布和變化等。
（1）廢物堆放場：溫度監控、熱點監控、底部密封層的滲漏監控、表面密封層的滲漏監控、地下水滲漏路徑的檢測
（2）礦場：溫度監控、溢出過程的測量、地下水滲漏路徑的定位、化學反應區域的定位
（3）過濾過程：溫度監控、過濾過程的測量、過濾過程的控制
（4）洞：溫度記錄、流速記錄、岩石裂縫及結合處水滲漏密度的檢測
產品圖片
圖 1
圖 2
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