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分布式光纤监测技术在我国的发展

  
评论: 更新日期:2011年08月17日

3、频分复用
频分复用是将多个光源调制在不同的频率上,经过各分立的传感器汇集在一根或多根光纤总线上,每个传感器的信息即包含在总线信号中的对应频率分量上。采用光源强度调制的频分复用技术可用于光强调制型传感器,采用光源光频调制的频分复用技术可以用于光相位调制型传感器。
4、空分复用
空分复用是将各传感器的接收光纤的终端按空间位置编码,通过扫描机构控制光开关选址。这时,开关网络应合理布置,信道间隔应选择合适,以保证在某一时刻单光源仅与一个传感器通道相连。空分复用的优点是能够准确地进行空间选址,实际复用的传感器不能太多,以少于10个为佳。
目前国内北京品傲光电科技有限公司和武汉理工大学研制的准分布式光纤监测系统都是采用了光纤光栅传感器,传感信号为波长调制,系统采用波分复用技术。
三峡大学研制了由“光纤裂缝计”和“光纤测缝计智能分析仪”组成的准分布式光纤监测系统,采用的是根据光强调制的测缝计,询址采用的是时分复用技术。
准分布式光纤监测系统通过将多个相同类型或不同类型的传感在一条光纤上串接复用,减少了传输线路,方便了施工,大大简化了线路的布设。并且,可以实现多点同时测量,避免了以往逐点测量不同步的弊端。但是,准分布式光纤监测系统存在如下不足:
(1)由于分布式传光型光纤监测系统是通过一条光纤将若干个光纤传感器串接而成,系统的光功率损耗较大,因此,一条光纤只能接入有限的光纤传感器,如分布式光纤光栅监测系统一般仅能接入8—12个光纤传感器。
(2)分布式传光型光纤监测系统实质上是多个单测点光纤传感的串接复用系统。一旦系统埋设安装后,测点无法增加。
2.2分布式传感型(分布式)光纤监测系统
分布式传感型光纤监测系统的特点是,利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件,光纤总线不仅起传光作用,还起传感作用,所以分布式传感型光纤监测系统又称本征分布式光纤监测系统,或全分布式光纤监测系统,简称分布式光纤检测系统。
分布式传感型光纤监测系统有下列优点:
(1)信息量大。分布式传感型光纤监测系统能在整个连续光纤的长度上,以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化,即光纤任一点都是“传感器”,它的信息量可以说是海量信息。
(2)结构简单,可靠性高。由于分布式传感型光纤监测系统的光纤总线不仅起传光作用,而且起传感作用,因此结构异常简单,方便施工,潜在故障少,可维护性好,可靠性高。
(3)使用方便。光纤埋设后,测点可以按需要设定,可以取2m距离为一个测点,也可以取1m距离为一个测点等,按需要可以改变设定。因此,在病害定位监测时极其方便。
(4)性能价格比好。目前,光纤价格不高,一条光纤的测点又可达成百上千个,因此,每一个测点的价格就远远低于传统单测点的价格,性能价格比相当好。
分布式光纤监测系统相对于电信号为基础的传感监测系统和点式光纤监测系统而言,无论是从监测技术的难度、监测量的内容及指标,还是从监测的场合和范围都提高到了一个新的阶段。

3、展望
当前,分布式光纤监测系统主要是一种时域分布式光纤监测系统,它的技术基础是光时域反射技术OTDR(opticaltime—domainreflectormetry)。OTDR最初用于评价光学通信领域中光纤、光缆和耦合器的性能,是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的手段,其工作机理是脉冲激光器向被测光纤发射光脉冲,该光脉冲通过光纤时由于光纤存在折射率的微观不均匀性,以及光纤微观特性的变化,有一部分光会偏离原来的传播向空间散射,在光纤中形成后向散射光和前向散射光。其中,后向散射光向后传播至光纤的始端,经定向耦合器送至光电检测系统。由于每一个向后传播的散射光对应光纤总线上的一个测点,散射光的延时即反应在光纤总线上的位置。
由于从光纤返回的后向散射光有3种成分:
(1)由光纤折射率的微小变化引起的瑞利(RayLeigh)散射,其频率与入射光相同;
(2)由光子与光声子相互作用而引起的拉曼(Raman)散射,其频率与入射光相差几十太赫兹;
(3)由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引起的布里渊(Brillouin)散射。其频率与入射光相差几十吉赫兹。
因此,时域分布光纤检测系统按光的载体可分为三种形式:基于拉曼散射的分布式光纤检测系统、基于瑞利散射的分布式光纤监测系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统。当前,前二种形式的研究和应用较多,后一种形式是国际上近年来才研发出来的一项尖端技术,国内研究才刚刚起步。由于后一种形式可用来测量光纤沿线的应变分布,可以预计,不久在这方面将有所突破,并且前二种形式将发展成更多的应用种类,逐渐向大坝安全监测的各个领域渗透。光纤网络布置形式将更趋丰富多样,更趋科学合理。
与此同时,准分布式光纤监测系统将获得较大发展,以光纤应变计组成的三向应变和二向应变的准分布式监测系统将面世;同一坝段一些非物理场类监测量,如裂缝监测,以及同一区域一些非物理场类监测量,如预应力监测,将出现更多的准分布式光纤监测系统,从而使相关量获得同步观测,大大提高观测资料的质量。

4、结语
分布式光纤监测技术是当代高科技的结晶,是一种理想的大坝安全监测系统,广大安全监测工作者应予以积极推广。
分布式光纤经久耐用,安全可靠,由它构成的网络可以遍布坝体,这些光纤网络犹如神经系统,可以感知坝体各部位相关信息,大坝因此而有望成为一种机敏结构。
可以感觉到,光纤智能大坝正在悄悄地向我们走来。

参考文献
1、B.culshawJ.Dakin:光纤传感器(M)华中理工大学出版社1997.7
2、蔡德所:光纤传感技术在大坝工程中的应用(M)中国水利水电出版社2002.12
3、秦一涛,刘剑鸣等:分布式光纤温度监测系统在长调水电站中的应用实践(J)
大坝与安全2004.1
4、魏德荣,赵花城等:基于光纤温度测量的渗流监测技术(J)浙江水利科技2004.2

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