壹、內容概述
光纖傳感技術是工程測量領域的壹項高新技術，光纖傳感器采用光作為信息的載體，用光纖作為傳遞信息的介質，具有抗電磁幹擾、耐腐蝕、靈敏度高、響應快、質量輕、體積小、外形可變、傳輸帶寬大以及可復用實現分布式測量等突出優點，在高層建築、智能大廈、橋梁、高速公路等在線動態檢測方面有著廣泛的應用。2006～2010年，在“十壹五”科技支撐計劃重點項目及中國地質調查局地質調查項目的支持下，研發了具有自主知識產權的光纖光柵監測解調系統、分布式光纖應變監測系統，並在三峽庫區地質災害監測中得到應用，取得了不錯的效果。
光纖傳感技術是通過對光纖內傳輸光的某些參數（如強度、相位、頻率、偏振態等）變化的測量，實現對環境參數的測量。分布式光纖傳感技術以其可復用、分布式、長距離傳輸的優點成為光纖傳感技術中最具前途的技術之壹，是光纖傳感監測技術的發展趨勢。其中，光纖布拉格光柵傳感技術（Fiber Bragg Grating，FBG）與布裏淵光時域反射傳感技術（Brillouin Optic Time Domain Reflectometry，BOTDR）是最具代表性的兩種分布式光纖傳感技術。
FBG是準分布式光纖傳感器的壹種，其所獲取的被測量信息在空間上並不是連續分布的，但可以在大範圍內對多點同時進行監測。Bragg光柵是壹種在光纖中制成的折射率周期變化的光柵，周期不同其反射的光波長也不同。當這種帶有布拉格光柵的光纖受到拉伸或壓縮以及所處溫度發生變化時，其周期發生變化，從而反射光的波長也改變，通過測量反射光波長的變化即可得知光纖所受的應變或所處的溫度值。光纖Bragg光柵測量原理如圖1所示。
圖1 光纖Bragg 光柵測量原理
BOTDR主要是利用了光波在光纖中傳播時產生的後向布裏淵散射光的頻譜與功率特征與外界環境（溫度、應變等）相關的特性。圖2是光纖中的背向散射光頻譜分布圖。
由圖2可以看出，在布裏淵散射中，散射光的頻率相對於泵浦光有壹個布裏淵頻移。當光纖材料特性受溫度或應變影響時，布裏淵頻移大小將發生變化，因此，通過測定脈沖光的後向布裏淵散射光的頻移就可以實現分布式溫度、應變測量。
圖2 光纖中的背向散射光頻譜分布圖
大量的理論和實驗研究證明，當環境溫度變化量小於或等於5℃時，光纖的軸向應變與布裏淵散射光頻率的漂移量之間的關系可表示為
VB（ε）＝ VB（O）＋Cε
式中：VB（ε）為光纖發生應變時布裏淵散射光頻率的漂移量；VB（O）為光纖無應變時布裏淵散射光頻率的漂移量；C為光纖應變系數，壹般為50 MHz/με；ε為光纖的軸向實際應變。BOTDR應變測量的原理如圖3所示。
圖3 BOTDR 應變測量原理
中國地質調查局水文地質環境地質調查中心通過攻關研究，在地質災害監測光纖傳感技術方面取得的研究成果包括系列光纖光柵傳感器、光纖監測儀器及光纖監測方法，擁有自主知識產權，可在國家重大工程建設中對滑坡、邊坡穩定性、重大工程健康監測等發揮很好的作用。
1）基於光柵傳感技術研制完成的光柵應變、位移傳感器、光柵鋼筋應變計3種類型的光柵傳感器，具有自主知識產權，性能已達同類產品水平，經濟成本與國內同類產品相比降低了 50%，並獲得了“滑坡裂縫監測用光纖光柵傳感裝置”（專利號：ZL200820135234.7）、“光纖光柵實驗標定工作臺”（專利號：ZL200820124713.9）兩項實用新型專利。
圖4 光纖光柵監測解調儀
2）利用光波分復用技術，解調光纖光柵傳感器陣列，研制完成的光纖光柵監測解調儀（圖4），可實現波長解調範圍為40nm，解調精度為5pm，實時傳輸監測數據，技術性能已達國際同類技術產品水平，經濟成本與國際國內同類產品相比降低了30%，並在三峽庫區滑坡裂縫監測中得到實際應用。
3）利用微波電光調制、光相幹檢測的方法，研制完成的具有自主知識產權的分布式光纖應變監測系統（圖5）樣機，可實現20km以上的測試距離，空間分辨率為5m，應變測量精度為100με，技術性能接近國際同類產品水平，經濟成本降低了30%，並在三峽庫區滑坡監測中得到實際應用。
圖5 分布式光纖應變監測系統
4）探索了FBG與BOTDR聯合監測滑坡的應用方法。通過試驗，顯示FBG與BOTDR聯合監測滑坡，在整個滑坡體上鋪設監測光纖，利用BOTDR技術可獲得整個滑坡體的概要信息；在滑坡體變形的關鍵部位——變形縫安裝FBG傳感器，利用其監測靈敏度高的特點，獲得滑坡某些關鍵部位的應變值，既可克服BOTDR監測空間分辨率不高的缺點，又可彌補FBG只能實現離散點測量的不足，從而可實現由點到線再到面的滑坡監測，獲得滑坡體較完整的應變信息。
二、應用範圍及應用實例
FBG傳感器的測量精度能達到0.001%，並且系統測量時間短，可實現實時監測，基於這些優點，使FBG在結構檢測（例如橋梁、隧道的健康監測）上得到了廣泛的應用，用於地質災害監測時，主要用於變形位置已大致確定、形變較大的結構體的變形監測，將其用於滑坡監測時，主要用於監測滑坡後緣或已知的裂縫的實時變化。
BOTDR 傳感技術所采用的光纖體積小、柔軟可彎曲，能以任意形式復合於基體結構中而不影響基體的性能。對整個測試光纖，只要測得光纖各位置的布裏淵散射光功率和頻率，就可得到光纖上各處的應變和溫度分布。該傳感技術系統最具優勢的地方還在於光纖既是傳感元件又是傳輸媒介，屬於分布式監測，可以滿足長距離、不間斷監測的要求，便於與光纖傳輸系統聯網，以實現系統的遙測和控制。用於地質災害監測時，將光纖以神經網絡的形式植入監測體，便可對其實施從線到面的整體監測。
光纖傳感技術在殘聯滑坡監測中的應用：
殘聯滑坡位於重慶市巫山縣新縣城中心地帶，為河流谷坡地形。雖對其采取“清方減載＋格構錨＋護腳墻＋地表排水”的方案進行了治理，但滑坡下部仍然有明顯的地表變形。鑒於此，2004年8月運用BOTDR技術對其進行了監測，2006年10月又在其關鍵的變形部位安裝了FBG應變傳感器（圖6）。
圖6 殘聯滑坡下部分布式光纖布網及關鍵部位FBG 傳感器安裝
BOTDR監測顯示（圖7），沿光纖分布有4個明顯的高應變異常段，並呈兩兩對稱（光纖折回鋪設）。C1 異常段對應於剖面的92～93處，C2 異常段對應於剖面的142～143處。宏觀調查發現，這兩處地表存在明顯的拉裂和剪切變形，FBG監測數據（圖8）也表明變形仍在繼續，截止到2010年5月，裂縫變形應變量已達到642.76με。這樣，通過FBG與BOTDR的聯合監測，既獲得了滑坡體沿剖面方向的應變分布情況，又對變形關鍵部位加強了監測。
圖7 殘聯滑坡下部BOTDR 監測應變沿光纖分布圖
圖8 光纖光柵監測應變隨時間變化圖
三、推廣轉化方式
地質災害光纖傳感技術成果可通過宣傳報道、會議交流、人員培訓、技術咨詢的形式，提高市場認知，具有自主知識產權的系列光纖光柵傳感器、光纖光柵監測解調儀、分布式光纖監測系統等可以經過成果轉化，形成與監測技術相關的產品直接進行市場銷售，地質災害光纖監測技術方法可通過示範工程的方式進行推廣。
技術依托單位：中國地質調查局水文地質環境地質調查中心
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