光纤应变灾害监测技术及应用
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摘 要 为了实时监控测量与灾害有关的各种自然因素变化数据；采用布式光纤灾害监测技术；建立基于光纤为传感器，监控沿光纤不同位置的应力应变的变化的系统模式；与光纤传输系统联网，实现系统的遥测和控制，连续测量光纤沿线各点的产生的沉降、变形、渗漏、断裂和侵蚀等工程问题。
中图分类号X4 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）97-0207-02
0 引言
采用分布式光纤对灾害有关的各种自然因素变化数据进行监视、监测、测量，可以为灾害预报、预警提供重要依据。如，监视隧道中电缆温度的变化以预报线路运行状态；监视山体岩石的运动和应力的变化以预报地震和山体滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷和地裂缝等。分布式光纤灾害监测系统是一种实时灾害预报传感系统。该系统利用光纤作为传感器，监控沿光纤不同位置的应力应变的变化，与光纤传输系统联网，实现系统的遥测和控制，连续测量光纤沿线各点产生的沉降、变形、渗漏、断裂和侵蚀等工程问题。
1光纤应变测量原理
光在光纤中传播时，在反方向会产生散射光，包括了瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射。大多数光纤传感系统将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏正态等）发生变化，称为被调制的光信号，再利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量。
光纤在外力作用下长度会发生变化，会随负荷的变化产生伸长量，光纤伸长应变ε由下式给出：
布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，由布里渊散射实验原理可测出散射峰的频移，线宽及强度。由频移可直接算出声速，而声速主要依赖于光纤所受的应力。 因此，布里渊频移与光纤中的拉伸应变密切相关。这里所说的应变是指光纤长度方向上的拉伸应变，而忽略横向压力引起的应变，因为横向应力达到2.2kg/m时对布里渊频移的影响仍很小。
2分布式光纤应变监测原理
光纤应变监测使用单模光纤。光在单模光纤中传输除了受光纤本身的模内色散（即材料色散和波导色散）的影响外，还会受到沿着光缆在光缆近处的各种振动、位移、应力应变及温度的影响，这些影响最终导致光波的振幅、波长和传播速度发生变化。
应变监测原理采用的是Brillouin散射光，布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线存在轴向应变时，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（νB）就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息，应变分析系统将这些信息收集起来并进行处理，就可以监测光纤沿途所出现的各种位移、应力应变的情况，系统就会做出报警并对危害点准确定位。
3分布式光纤应变监测系统
监测系统检测原理是利用激光的散射现象。由外界影响光缆近处的振动、位移、应力变化等都将改变光波在光纤中传输的条件，从而改变了光波的散射，波长等参数。
分布式光纤应力应变传感系统组成：
1）将GFRP分布式应变传感光缆布放在需要监控的山体上，同时利用光纤来感测信号和传输信号；
2）采用先进的OTDR技术和Brillouin散射光对应变敏感的特性，使用传感分析仪探测出沿着光纤不同位置的应力应变的变化，监测光纤的变形，推断山体的变化。
4 应用场合及方法
在BOTDR光纤监测系统中，光纤同时作为传感元件和传输介质，便于分布式监测，可以与通信传输系统实现联网，达到系统遥测、实现无人执机控制的目的。此外，光纤体积小、柔软可弯曲，能够容易的复合在基体结构，而不影响基体的性能，连续测量光纤沿线各点的产生的沉降、变形、渗漏、断裂和侵蚀等工程问题。
目前，国外产品的测量距离在1km～30km范围内，空间定位精度达到1m之内，应变分辨率达到2με。具有不间断的自动测量的特点，特别适用于需要大长度、大面积、多点监测的应用场合。这种光纤传感技术采用紧套G625单模光纤，根据布放环境可以采用钢带铠装层增加强度，因而，在各种特殊场合都具有广泛的应用前景。
山体滑坡监测的应用：光纤被锚定在山体上，监测光纤的变形推断山体的变化。
隧道安全监测的应用（应变与位移）：光纤沿隧道布放，监测光纤的应变和位移推断隧道安全状态。
由于分布式光纤温度应变监测系统（BOTDR）所使用的传感介质是光纤，所以它可以应用于各种场合，系统可以测试测量应力应变，并且分布式测量。
5 结论
分布式光纤应变灾害监测技术在国外已广泛应用，在国内已经起步并开始应用。可以预计的应用场合包括地铁沿线隧道环境应变的监测；地震多发地区的山体运动的监测，山区铁路沿线山体状态的监测；山区泥石流易发生路基损坏状态的监测等等。相信随着该技术的成熟和推广，将对我国各种自然灾害的发生能启动预警发挥重大作用，同时对灾害多发区的公路、铁路运行等做出重要贡献。
参考文献
[1]张森，等.光纤传感技术的发展及应用.光纤与电缆及其应用技术，2007（3）.
[2]黄春林，李永清，等. BOTDR技术在山体滑坡监测中的应用研究.工程抗震与加固改造，2009（12）.