基于BOTDR和光纤网格结构的隧道形变测量监控Word文档格式.docx
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其中南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中。
而且在实际应用中可以发现，利用光纤制作出的无源传感器阵列，具有灵敏度高，质量轻，抗外界干扰能力强的优点。
因此我们有理由相信，这是一套有着较高开发价值和应用价值的应变监测系统。
1BOTDR简介
1.1光纤传感技术简介
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具，由前香港中文大学校长高锟发明。
通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light
emitting
diode，LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。
在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤一般被用作长距离的信息传递。
光纤传感技术是20世纪70年代后期发展起来的一种新技术，已在航空、航天等领域中得到广泛地应用。
近十几年，光纤传感技术已逐步地应用于岩土工程和土木工程等领域，而且发展迅速。
与传统的差动电阻式和钢弦式传感器相比，光纤传感器具有如下优点[1]：
1.光纤传感器采用光信号作为载体，光纤的纤芯材料为二氧化硅，该传感器具有抗电磁干扰，防雷击，防水，防潮，耐高温，抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣的环境，与金属传感器相比具有更强的耐久性。
2.光纤本身轻细纤柔，光纤传感器的体积较小、重量较轻，便于铺设安装；
此外，将其埋入结构物中不存在匹配的问题，对埋设部位的材料性能和力学参数影响较小。
3.现代的大型或超大型工程，如隧道、堤防、边坡等，通常为数公里、数十公里甚至上百公里，要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的，但光纤本身即可以作为传感体又可以作为传输介质，而且可以比较容易实现长距离、全方位监测。
分布式光纤传感技术除了具有以上的特点外，其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线任一点上的应力、应变、温度、振动和损伤等信息。
如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网，实现对监测对象的全方位监测，克服传统点式监测方式漏检的弊端，提高监测的成功率。
1.2布里渊散射概述
布里渊散射（Brillouinscattering）是光与物质作用后产生的一种光现象。
很早人们就发现了光与物质相互作用的现象，如瑞利散射，它使大气显蓝色；
如丁达尔散射在乳浊悬浮液中的表现为颗粒的半氏散射。
我们称以上为弹性散射，其入射光频率与反射光频率一样。
从弹性反射的名称中我们能够体会到为其取名的人是何等自信光就是粒子。
既然有弹性反射，那就应该有非弹性反射，当然是有的：
在物质的微结构中，光照射在分子、原子等微粒的转动、振动、晶格振动及各种微粒运动参与的作用下，光的散射频率不等同于入射频率的现象叫非弹性散射。
最典型的当然要数拉曼、布里渊散射。
布里渊散射是布里渊于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。
布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。
与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。
正常情况下，光在光纤内传播时，由于光纤的中心层玻璃芯是由排列组合都极其规律的晶格组成，光在晶格之间进行规律的全反射来完成既定路径。
而布里渊散射就是光在传播过程中由于光纤介质受到了应力、温度等外界因素影响，产生了形变，导致了光纤内部晶格排列组合的不规则变化，从而改变了一部分光在光纤中的传播路径。
利用布里渊散射就是指利用其中传播方向变为反方向的这部分散射光。
由于是背向散射，我们在光的发射端就可以检测到这种散射光。
其散射光光谱如图1-1所示，包括了瑞利（Rayleigh）散射、布里渊散射和拉曼（Raman）散射。
图1-1光纤反向散射光谱
Fig.1-1Backscatteringspectraofopticalfiber
布里渊频移光谱图如图1-2所示。
图1-2布里渊频移光谱
Fig.1-2Spectraofbrillouinshift
BOTDR技术主要是利用光纤中的布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变和温度之间的线性关系（见图1-3）。
图1-3布里渊散射光频率漂移与应变、温度的关系
Fig.1-3RelationbetweenBrillouinscatteringlightfrequencyshiftandstrain&
temperature
布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量，就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。
1.3BOTDR应变测量原理及过程
BOTDR应变测量正是应用布里渊散射光频移与应力之间的线性关系来对光纤铺设处的形变进行测量和监控。
其测量原理如图1-4所示。
图1-4BOTDR应变测量原理图
Fig.1-4StrainmeasuringprincipleofBOTDR
如图，BOTDR应变测量的目的是计算光纤上任意一点至入射端的距离及光纤的应变。
实现方法是使BOTDR仪器，依据布里渊频移现象监测光纤应变百分比，在超过一定应变时发出警报并计算具体位置。
其测量过程为：
探测的脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子相互作用产生布里渊散射，其中，背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入BOTDR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到该探测频率光纤沿线的布里渊背散光功率。
光纤上任意一点至入射端的距离Z可以由公式（1-1）计算得到：
（1-1）
其中，c为真空中的光速；
n为光纤的折射率；
T为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。
之后，按一定间隔不断变化入射脉冲光的频率，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊背向散射光增益谱（简称布里渊增益谱）。
理论上，布里渊增益谱呈洛仑兹（Lorentz）形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移。
如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，由布里渊频移的变化量与光纤应变之间的线性关系可以得到光纤的应变。
去除温度影响后，光纤轴向应变与布里渊散射光频率的漂移量可用公式（1-2）表示：
（1-2）
式中，
为光纤轴向拉伸时布里渊散射光频率；
为光纤轴向无应力时布里渊散射光频率；
为应变系数；
为光纤的轴向应变。
应变系数取决于探测光的波长和所采用的光纤的类型，试验前需要对其进行标定。
布里渊散射光与其他散射光相比的另一个突出优点是它的频移变化量与温度相关性比应变的相关性要小得多（0.002%/℃）。
因此，如果温度的变化不超过5℃，通常可以忽略不计。
但当温度变化较大，可以通过式（1-3）进行温度补偿：
（1-3）
其中，
为温度系数；
为温度的变化量；
其他与式（1-2）相同。
1.4BOTDR应变测量标定方法
由于布里渊光频率的漂移量
与光纤的温度
和所受应变相关，其关系可用式（1-4）表示：
（1-4）
由式
（1）可知，对于任意一种单模传感光纤，对其温度系数和应变系数的标定可以分成两步进行。
首先通过对一段自由传感光纤进行逐级加温（降温），应用最小二乘法对所得数据进行拟合，可得温度—布里渊频率漂移量关系曲线，从拟合曲线上可以直接得到温度系数和
下的
值；
然后再保持温度不变的条件下，通过逐级加荷的拉伸实验可以得到应变-布里渊频率漂移量关系曲线，即可获得应变系数[2]。
1.4.1温度系数的标定原理
首先考虑用自由的（不受应变的）传感光纤进行温度系数和
下
的标定。
由于传感光纤处于自由状态，式（1-4）就变成如下形式：
（1-5）
因此就可以用式（1-5）设计标定实验，将一段自由光纤置于恒温箱中，对其进行逐级加温。
考虑隧道工程应用实践以及传感护套单模光纤的工作参量，标定选取的加温区间和加温梯度，对所得数据进行拟合后即可得温度系数和
值。
1.4.2应变系数的标定原理
由于BOTDR仪器的空间分辨率是1m，并且实际工程中光纤传感器是全面接着在被测结构物上的，因此，要对分布式光纤传感器进行标定，其理想状态是在接着长度至少为1m的被测物上进行应变测量。
我们依据材料力学的理论知识，使用一种基于等强度梁的分布式光纤应变系数的标定方法，其标定原理和标定过程如下：
根据材料力学相关理论可知，等强度梁任意一点的应变，可以通过该点的挠度、横截面宽度和距固定端距离获得，并满足式（1-6）：
（1-6）
式中：
为梁的横截面高度，
为距固定端距离，
为计算点挠度，
为该点应变。
等强度梁示意图如图1-5所示。
图1-5等强度梁示意图
Fig.1-5Suchasbeamintensitydiagram
温度系数标定后，得到了
因此，根据式（1-2）和式（1-4），在标定应变系数时，使室内温度保持在
（或某一温度）的条件下，在等强度梁上进行应变系数的标定。
由于BOTDR测得的
和依据
拟合的
为绝对值，而参考应变为相对值，所以应变系数就可由式（1-7）获得：
（1-7）
以不加荷载时的
为初值，其他各级均与其作差，
为逐级真实参考应变。
1.5BOTDR应变测量检测方法
由于自发布里渊散射光极其微弱，相对于瑞利散射来说要低大约两、三个数量级，而且相对于人射光来说布里渊频移很小（对于一般光纤1550nm时约11GHz左右），检侧起来较为困难。
因此人们提出了多种方法来侧量该光纤中由于外应力引起的布里渊后向散射光频移。
通常采用的检侧方法有直接检侧和相干检测两种[3]。
直接检测是利用F-P或Mach-Zebnder干涉仪将微弱的布里渊散射光从瑞利后向散射光中分离出来。
但由于F-P干涉仪工作不稳定，插人损耗较大，且布里渊散射较弱，测得的布里渊频移往往不够准确。
而M-Z干涉仪实现了自发布里渊散射和瑞利散射光的分离。
在M-Z干涉仪的输人端同时注人布里渊散射和瑞利散射光，当设置干涉仪的自由程为两倍输出端分别输出，从而实现光纤背向散射中自发布里渊散射与瑞利散射信号的分离。
相干检测的方法则需要采用光学移频装置将光波在人纤前先移频约11GHz，以使得布里渊散射光与本征参考光的差频位于传统窄带宽的外差接收机的频带范围内。
该相干检测的方法相对于直接检测，系统构成较复杂，但测量距离增大及测量时间缩短，因此对相干检测研究较多。
目前主要有三种相干检测技术，因此可将BOTDR以此分为三种：
声光频移的BOTDR、电光频移的BOTDR及微波外差检测的BOTDR。
1.5.1声光移颇的BOTDR系统
1994年KaoruShimizu等人首次在光路中引人了一个光移频环路实现了一个高精度的BOTDR相干检侧系统。
激光器发出的连续相干光被分束器分成了参考与探测光波，探测光被声光调制器调制成脉冲光，并且人射进由EDFA及声光移频器构成的光学移频环路。
通过在光学移频环路中循环一定的次数可以使得探测脉冲光移频的量
与布里渊频移量
大致相同，然后探测脉冲光被EDFA放大后人射到测试光纤中。
测试光纤中返回的后向布里渊散射光直接被外差接收机检测，参考光波作为本征振荡波。
由于布里渊散射，返回的后向布里渊散射光的频率接近于参考光波的频率，因此外差的差频
为可以小于100MHz，而这是传统外差接收机的典型频带范围。
调整移频环路中的声光移频器（AO）频率可以调整探测脉冲光的频率。
连续改变探测脉冲光的频率可以测得布里渊频谱，布里渊频谱的峰值即为布里渊频移。
根据（2-2）式中布里渊频移与应力的关系，可以解调光纤的轴向应力分布。
但是由于AO通常一次最大只能移频120MHz，需要经上百次的频移才可达到11GHz。
为构建布里渊频谱还需探测脉冲光可以扫频，这就要求AO输出的频率精确可调。
这些都对声光移频器的性能提出了更高要求。
并且，声光移频环路的采用增加系统光学部分的复杂度，影响了系统的稳定性，从而影响了系统的侧量精度。
1.5.2电光移颇的BOTDR系统
采用微波电光调制技术产生频率可调的本地参考光，再和后向布里渊散射光进行光相干检测，同样采用普通的外差接收机检测。
和声光移频的BOTDR系统不同的是，采用单只电光移频器取代了声光移频环路，电光移频器一次就可以移频11GHz，相对简化了系统的光路，但是电光调制器对光路的偏振控制特性提出了更高要求。
同样为获得布里渊频谱，要求电光移频器的频率精确可调。
国内目前该方法尚处于实验室研究阶段。
国外目前有将电光移频技术用于布里渊频谱的检测的报道，但尚未见有商业仪器的研制成品。
1.5.3微波外差检测的BOTDR系统
使用微波外差检测的仪系统总的原理为：
从光源发出的光（频率为
）被分成探测光和参考光两束，其中参考光作为光学本振光。
对探测光采用声光调制器进行脉冲调制，然后采用EDFA将该信号功率放大到合适值。
当光在光纤中发生布里渊散射时，后向的布里渊散射光相对于原来的人射光要产生一个布里渊频移，在1550nm时普通单模光纤中产生频移为
（约为11GHz）的后向布里渊散射光。
将该后向布里渊散射光和参考光混频，差频项就是
。
该差频信号由宽带光电二极管检测。
此后，该信号被进一步放大，并通过电容来去除直流成分。
此时，只有差频项
，将其和微波频率源产生的频率再次混频。
两次外差可将差频信号降至基带范围内。
通过连续改变微波频率源的频率，可构建布里渊频谱。
经模数转换后，进行数据的分析与处理。
对频谱进行洛伦兹曲线拟合可计算得到
在国外，英国Southampton大学最早提出微波外差检测方法，但比较成熟地开展并应用此项技术的主要研究单位是日本NTT公司及Ando电子公司，他们在2001年已将该项技术成功地应用于BOTDR（型号为AQ8603），相对以前采用声光移频装置的BOTDR而言，采用该微波外差检侧技术可简化BOTDR的系统构成，使得BOTDR更加稳定，应力测量准确度更高，并且造价减半。
和电光移频的BOTDR相比，微波外差检测技术更为成熟，系统也更为稳定。
因此，微波外差检测的BOTDR分布式光纤传感器在桥梁、大坝、隧道等人居工程、灾害监测与山体滑坡自然灾害方面将都有很好的应用前景。
AQ8603型BOTDR将在下文中的2.1节中做详细介绍。
1.6BOTDR应变测量系统结构
目前普遍使用的基于布里渊散射术的应变传感系统BOTDR，其系统结构如图1-6所示。
图1-6布里渊散射应变传感系统
Fig.1-6Brillouinscatteringstrainsensingsystem
1.7BOTDR应变测量的特点
BOTDR用于隧道形变测量和监控具有以下几个特点：
1.分布式——BOTDR实现了最大空间分辨率1m的分布式应变测量。
根据隧道现场情况，应用各种特定的铺设方式，可以避免监测点选择的主观臆断，能够对隧道结构整体情况进行监测。
2.累积损伤的监测——BOTDR适合对结构体累积损伤的监测。
通过与过往数据的比较，能够清晰地发现微小变化在时间轴上对于隧道结构体的影响。
通过数学模型等分析方法，对于结构体未来的发展方向进行预判，对可能出现的事故和质量问题进行提前预警。
3.长距离——BOTDR的标称测量距离最大可以达到80km，完全满足各种隧道结构体的要求。
1.8BOTDR应用概述
BOTDR技术起初应用于航天领域，在发达国家相继应用于电力、通讯、工程等领域。
工程领域主要应用于桥梁、大坝、隧道等大型基础工程的安全检测，并取得了很多成功的经验。
其在土木、交通、地质工程及地质灾害防治等领域的应用也受到了各国研究机构的普遍重视，发展前景十分良好。
从90年代开始，我国就开始了光纤传感技术的应用研究。
目前，国内BOTDR技术主要应用于隧道、桥梁、管道等构筑工程的变形监测中，并取得了一定成果。
2BOTDR监测仪及时域信号分析方法
2.1BOTDR监测仪
目前国内主要采用的BOTDR监测仪是由日本研制生产的AQ8603型光纤应变分析仪，该仪器可以监测最长80km光纤的应变，应变的测量范围可以达到±
1.5%，应变测量精度最高可以达到0.003%，空间分辨率为1m，基本能够满足工程安全监测的要求。
其主要技术性能指标见表2-1。
表2-1AQ8603光纤应变分析仪的主要性能指标
Tab.2-1SpecificationsofAQ8603strainanalyzer
测量范围（km）
1
2
5
10
20
40
80
空间采样间隔（m）
1.00
0.50
0.20
0.10
0.05
空间定位精度（m）
±
（2.0×
10－5×
测量范围（m）＋0.2m＋2×
距离采样间隔（m））
应变测量范围
-1.5%～1.5%（15000με）
脉冲宽度（ns）
50
100
200
空间分解度（m）
11
22
应变测量精度
0.004％（40με）
0.003％（30με）
重复性
<
0.04％
0.02％
AQ8603型光纤应变分析仪的默认参数设置见表2-2。
表2-2AQ8603光纤应变分析仪的默认参数设置
Tab.2-2DefaultparametersettingsofAQ8603strainanalyzer
入射光波长λ/μm
1.55
脉冲宽度/ns
采样间距/m
0.05
起始频率/GHz
10.760
扫频步长/GHz
2×
10-3
终止频率/GHz
11.118
vB（0）/GHz
10.835
该光纤应变分析仪的特点是：
●高应变测量精度：
0.003%。
●易于光纤缺陷定位。
●高重复性：
0.02%。
●高距离取样分辨率：
5cm。
●距离分辨率（最小1m）。
●高速度测量／数据处理：
数字取样技术可以达到高速数据处理和及时扫描显示。
●多样的分析功能：
应变分布，布里渊谱型分布，布里渊损耗分布波形等分析功能。
●备有以太网连接：
方便快速的数据下载。
●多种外部接口：
可连接外种外设（鼠标，键盘，打印机，显示器等等）。
●数据存储能力：
内置3.5英寸软驱和硬盘。
●大屏幕，高亮度TFTLCD显示器。
●内置高速打印机。
2.2BOTDR观测数据的小波处理
BOTDR只提供光纤采样点的应变值，要实现隧道结构的形变监测，还需对测量结果进行进一步的处理和分析。
小波变换是一种信号的时—频分析方法，具有多分辨分析的特点，且在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力，很适合检测正常信号中夹带的反常现象并显示其成分。
小波变换可实现对信号的消噪处理和异常值检测[4]。
现截取某隧道某一天的BOTDR观测成果中距离为120m的一段进行分析，数据点数为1200，采样间隔为0.1m。
利用小波变换对其进行去噪，采用的小波为DB（4），分解层数为5。
图2-1所示为BOTDR观测值序列及其小波变换分解图。
对高频系数进行阈值处理，而后进行信号重构。
图2-2（a）所示为含有测量噪声的BOTDR检测信号，图2-2（b）为该信号的小波消噪结果。
图2-1BOTDR观测信号及其小波分解
Fig.2-1BOTDRobservationsignalanditswaveletdecomposition
图2-2BOTDR检测信号及消噪信号
Fig.3-2BOTDRobservationsignalandde-noisedsignal
图2-3所示为信号消噪后
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