发布日期：2017-10-28 查看：0
我国大型基础设施体量排在世界前列，例如：公路桥梁78万座，铁路桥梁7万座，均为世界第一；高速公路总里程超过13万公里，为世界第一；油气管道超过12万公里。
然而，大型基础设施在长期服役过程中长期受到外力和环境侵蚀，极有可能发生灾害，从而造成严重的安全事故和经济损失。同时，我国是世界上地质灾害多发国家之一，地质灾害种类多、面积广、活动频次高、危害程度大。例如，2015年12月20日，深圳市发生渣土堆山滑坡事故，导致74人死亡，直接经济损失近10亿元人民币。
为避免人员伤亡、减小经济损失，需要对大型基础设施和各种地质灾害进行监测。然而，大型基础设施如公路、隧道、大型桥梁、油气管线、电力线等，空间尺寸长，地质灾害分布面积广。
以电阻式应变片和光纤光栅为主的点式传感器只能测量有限的离散点，无法实现待测物的全空间测量（如图1）。
分布式布里渊光纤传感可以实现在空间上的连续测量，具有测量距离长、定位精度高等特点，测量物理量包括温度和应变（如图2）。
与传统传感技术相比，分布式光纤传感器具有重量轻、抗恶劣环境、抗电磁干扰、在传感点无需用电这些光纤传感器所共有的优点，此外，它可实现多达百万个监测测点和长达上百公里的超长距离分布式测量。
应用领域包括：石油天然气管道和存储罐的温度和变形监测，海底或陆地高压电缆/光缆的温度和应变监测，地质灾害（比如山体滑坡、泥石流等）的分布式监测，桥梁、大坝和隧道等大型建筑物的结构健康监测，飞行器和航天器的飞行状态监测以及火灾报警等。
技术
原理
分布式光纤传感根据光的散射方式可分为：拉曼散射型、瑞利散射型和布里渊散射型。
●基于拉曼散射的分布式光纤传感，斯托克斯和反斯托克斯光强比与温度呈线性关系，可用于温度测量和火灾报警，但是传感距离（~20 km）和空间分辨率（~1 m）有限。
●基于瑞利散射的分布式光纤传感主要用于光纤断点和损耗检测，近年来发展的相位光时域反射计可以实现分布式振动测量，主要用于光纤周界安防。
●基于布里渊散射的分布式光纤传感，散射光和入射光之间的频率差（布里渊频移）与光纤温度和应变呈线性关系，使用通信用单模光纤作为传感器，可以实现超长距离长（百公里）、超高空间分辨率高（厘米）和高精度的分布式应变和温度测量，特别适合大型基础设施、泥石流和山体滑坡等地质灾害监测。
技术
优势
传统的布里渊光纤传感器由于受到10 ns声子寿命的限制，空间分辨率较低（约为1 m），使之无法应用于对空间分辨率要求较高的高端监测领域。
针对这一问题，我们提出并发展了差分脉冲对布里渊光时域分析技术（DPP-BOTDA），如图3所示。该技术使用脉宽大于声子寿命的一对脉冲进行差分解析，有效克服了传统窄脉冲导致的信噪比劣化和光谱展宽的问题，突破了声子寿命对传统布里渊传感在空间分辨率上的限制，实现了2 cm的超高空间分辨率。
在DPP-BOTDA结构基础上，我们又提出了采用新型负色散光纤来抑制调制不稳定性，同时采用时分复用和频分复用技术实现空间分割测量，降低抽运脉冲光的抽空效应，从而成功地将传感距离显著提高至150 km。
为了验证系统的空间分辨率，我们对一段长度为3.2 m单模光纤应变施加区域分别为2 cm、5 cm、10 cm、20 cm和30 cm（熔接不同光纤来模拟应变），测得的应变分布如图4所示。测量结果清晰准确地反应出不同应变区域的长度，三维信号更加直观反应出测量结果与实际应变区域的一一对应。
哈尔滨工业大学董永康教授课题组和鞍山睿科光电技术有限公司最新研制的高性能分布式布里渊光纤传感仪（产品实物图见图5），工作原理基于DPP-BOTDA，可实现长距离、高空间分辨率和高精度的分布式光纤应变和温度传感，其优势在于：
空间分辨率：2 cm
传感距离：100 km
测量物理量：应变和温度
应变精度：10 με
温度精度：0.5℃
测量时间：2 秒~几分钟
应用案例一：厦门海沧大桥
为满足大型桥梁结构安全诊断和评价的重大需求，在国家863计划“大型桥隧空间分布式监测与安全诊断评价技术”项目的支持下，我们开展了基于分布式布里渊光纤传感技术的大型悬索桥结构健康监测研究。
本项目的监测对象是厦门海沧大桥。它是亚洲第一、世界第二（仅次于丹麦）的三跨连续全漂浮钢箱梁悬索桥。截止2015年，海沧大桥已服役15年，保证其结构安全是继续服役的首要条件。
为检测桥梁结构的工作状态和使用能力，2015年11月本项目对其开展了承载力荷载试验和线形测量，检验桥梁结构的安全程度。
采用本课题组自主研发的分布式布里渊光纤传感分析仪对各种工况下的大桥整体应变分布进行了测量，成功获取了千米级大跨度悬索桥全尺度应变连续分布结果，可以准确判断车辆荷载的位置信息以及由荷载引起的桥梁应变分布，为桥梁安全评估提供有力依据。
应用案例二：青藏高速公路
规划中的青藏高速公路将穿越高原腹地多年冻土区，如何解决由冻融引起的路基沉降病害问题尤为突出。为了建立青藏高原高速公路灾变监控与预警预报体系，在国家科技支撑计划“高海拔高寒地区工程构筑物灾变监控体系与预警预报技术”课题资助下，我们提出采用分布式光纤传感监测方案建立公路灾变监测与病害预警关键技术，在我国首条高海拔高寒多年冻土高速公路——青海省共和至玉树高速公路建立示范工程。
传感器符合高海拔多年冻土区的环境要求，保证了监测系统的耐久性和可靠性，测试结果可以全面反映出试验段的温度、应变信息，可对试验段路基沉降病害形成有效的监测网络，为下一步国家建设京藏高速公路提供有力的技术保障。
采用分布式光纤传感技术实现长距离、高空间分辨率的温度和应变实时监测，可以像神经网络一样感知待测物的健康状况，从而对结构变形、泄漏以及火灾等灾害实现早期预警和实时探测。
