滑坡监测技术最新进展——OTDR技术

吴统一 王勃慧

（青海省核工业地质局，西宁 810008）

根据国内外对滑坡监测技术的研究，滑坡监测的复杂性在于工程岩体的复杂性。滑坡在形成和存在的整个地质过程中，经历多次的地质变化，承受构造力的影响，诸多影响互相联系互相作用，决定了复杂性是滑坡的本质属性。

1 同OTDR相关技术介绍

《滑坡地质灾害TDR监测技术研究》一文，以开展滑坡监测的TDR 技术研究为主体，TDR监测技术产生于上世纪30年代，TDR的输出信号是脉冲电压，测试对象是反射系数。其在滑坡监测中的作用越来越引起人们重视。TDR技术又称“闭路雷达”，与雷达技术的工作原理基本相同。TDR滑坡监测技术的原理：在待监测的岩体或土体中钻孔，将同轴电缆放置于钻孔中，顶端与TDR 测试仪相连，并以砂浆填充电缆与钻孔之间的空隙，以保证同轴电缆与岩体或土体的同步变形。岩体或土体的位移和变形使埋置于其中的同轴电缆产生剪切、拉伸变形，从而导致其局部特性阻抗的变化，电磁波将在这些阻抗变化区域发生反射和透射，并反映于TDR 波形之中。通过对波形的分析，结合室内标定试验建立起的剪切和拉伸与TDR 波形的量化关系，便可掌握岩体或土体的变形和位移状况。

同时随着社会的发展，OTDR技术也在滑坡监测系统中不断的得到了完善，OTDR 即“光时域反射计 (Optical Time Domain Reflection，简称OTDR)是1977年Barnoski博士发明的，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障检测的一种有利手段。由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，射入一束光脉冲会产生瑞利(Rayleigh)散射。”[2]有许多文献都对OTDR技术进行了研究，分析滑坡监测的基本原理与监测方法。因此采用光纤的光时域反射法进行滑坡地质灾害监测，是近几年发展起来的新技术。

光时域反射这项技术的原理在于：OTDR输出光脉冲信号，通过对光强的测试，来确定传感型传感器整个连续光纤的长度上以距离的连续函数的形式传感处被测参数随光纤长度方向的变化，因此较典型的是形成了光时域反射计。

滑坡监测和预警过程，需要检测人员将室外现场观测、实验室试验和理论分析三方面有机地结合，才能做出科学的、实用性的监测结果。某种程度上而言，光时域反射的检测方法是一种智能化的、实时化和信息化的监测技术方法，过程中要提高监测的精度和可靠性，监测数据就需要进行系统的分析。

2 OTDR的工作原理及优劣

2.1 OTDR的工作原理

OTDR光时域反射计的工作原理是由其自带的光源发出光脉冲，经耦合器注入被测光纤，光电接收器接收到的瑞利背向散射和菲涅尔反射信号是一列按时间顺序分布的光强度信号，每个时刻的信号强度对应着相应的光纤位置的瑞利背向散射或菲涅尔反射强度，接收器将光信号转换成电信号，将其送到信号处理系统和计算机进行处理和运算，显示器可以显示出沿光纤整个路段返回的光强度的分布。“光时域反射计性能参数主要包括动态范围、盲区、分辨率、精度等。”[3]文中介绍了光时域反射计有四种动态范围定义：①IEC定义(Bellcore) ②RMS定义③N=0.1dB定义④端探测(End detection)。以及光时域反射计的四种主要分辨率指标:“取样分辨率、显示分辨率(又叫读出分辨率)、事件分辨率和距离分辨率。”[3]尤其列出了光时域反射计可执行的测量，如：对每个事件:距离,损耗,反射；对每个光纤段:段长,段损耗dB或dB/Km,段回波损耗(ORL)；对整个终端系统:链长度,链损耗dB,链ORL等。

该技术的原理涉及到瑞利后向散射光，并光在光纤中的传播速度、光纤的折射率等要素而形成了计算公式。换句话说，传感型传感器是利用光纤本身的敏感特性，而我们利用光时域反射技术，就可以实现对光纤各测量点的空间定位。例如过渡光纤就是一段用于连接OTDR与待测光纤、常300~2000m的光纤，可以用于测量前端盲区处理和终端连接器插入损耗。因此光纤系统终端连接器插入损耗可通过OTDR加一段过渡光纤来测量。

2.2 OTDR的优劣

（1）基于光时域反射的新技术在监测过程中有诸多优势，如它能进行远距离监控，能在易燃、易爆等各种危险环境下进行工作。主要有以几个方面的优势：

第一，传统的监测技术，并不能精确的研究光纤的传输，光纤的杂质以及其它缺陷会影响监测结果。而利用光时域反射的技术，不仅能精确地测定光纤的衰减特性，而且能确定光纤的杂质以及其它缺陷引起光能损失的空间位置分布。因此相比较于以往的传统监测技术，具有很大的优势。在监测过程中进行推广，能很好的提高滑坡监测的准确性、科学性和时效性。利用OTDR可以在滑坡监测过程中，加强在常规监测方法中的地表位移监测和应力监测水平和效率，尤其是在为滑坡推力进行监测、抗滑支挡结构应力监测等方面，能得到显著效果。

第二，根据滑坡监测布设的原则，布设需要点面结合，监测网由监测线( 剖面) 和监测点组成，因此布设网点不仅要成点、线、面、体的三维立体的布设监测网，还要确保监测网能尽可能准确的监测崩滑体的主要变形方位、变形量、变形速度、变形发展趋势。而OTDR技术通过对光纤各测量点的空间定位，能对各个监测点搜集的数据形成整体的、系统的定位提高监测技术的科学性，同时也能保证滑坡的实时化监测。而且随着技术的发展，不仅成本和价格有了很大降低，而且还在完善过程中形成了光纤断点、光纤接头松动等故障的查找;测量光纤长度;测量光纤总损耗、平均损耗;测量连接器、连接点的损耗;测量连接器的回波损耗五方面的应用。

（2）该技术运用时要注意的问题（即劣势）

该技术的使用过程中存在以下问题：如连接器接头的情节，接头不清洁会导致测量不可靠、曲线多噪音甚至使测量不能进行。另外，在监测人员还需注意溶解增益、鬼影以及折射率与散射系数的校正情况，从光线两端测出的衰减值有差别，应当去平均值。因此在运用该技术的过程中，要不断总结新的工作经验，使其在检测过程中发挥最大效力。

3 OTDR技术在监测技术中的运用及意义

3.1 OTDR技术在理论上的运用

“分布式光纤传感技术是最能体现光纤分布伸展优势的传感测量方法,它是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射(OTDR)技术发展起来的一种新型传感技术。”[4]光时域反射技术应用到分布式光纤传感器中，不仅能够连续现实布设的整个光纤路线的距离变化下的损耗情况，而且作为一种非破坏性的测量方法，还有功能多样，使用相对便捷的特点。该技术主要用于对光纤损伤点的检测，这样才能保证滑坡监测系统的顺利进行。

3.2 国内OTDR技术的实践应用

就国内而言，三峡大学的蔡德所、何薪基、李俊美基于微弯机制强度调制光时域反射(OTDR)技术的分布式光纤传感，在室内进行了光纤模拟边坡滑移状态下的实验，并且在较困难的作业环境下成功的进行了埋设。中国地质科学院探矿工艺研究所的周策、陈文俊和汤国起，利用OTDR技术进行分布式压力测量，对岩体推力进行系统检测，并对光线数据的空间分辨率和灵敏度等方面进行了分析。还有其他一些通过OTDR技术展开的滑坡监测系统的野外试验，都证明了该技术的有效性和监测系统工作的可靠性。

3.3 国际上OTDR技术的实践应用

国际上，日本的Ando公司利用该项技术开发出了光纤应变测量仪,该测量仪在应变测量的精度上达到±0.01%,距离分辨率达到1 m，作为基于布里渊散射的应变测量仪，很好的提高了监测的准确性、合理性和科学性。我国也加强了散射频移和强度的同时检测技术，以实现温度和应变的同时传感。

3.4 OTDR技术对我国的重大意义

我国是一个崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生十分频繁和灾害损失极为严重的国家，尤其是中西部地区。根据国土资源部统计的数据，2011年全国共发生地质灾害15664起，其中滑坡11490起，占73.4%，造成人员伤亡的地质灾害119起，245人死亡、32人失踪、138人受伤，直接经济损失40.1亿元。滑坡给人们的生命财产造成了严重的损害，同时在一定程度上也影响了地区的生产、生活和经济发展。因此监测人员应当采用最新技术对滑坡灾害进行监测，将OTDR在滑坡监测系统中不断加强应用不断推广。

[1] 张青.滑坡地质灾害TDR监测技术研究[D].吉林：吉林大学 ,2007（1-14）

[2] 仝达伟,张平之.滑坡监测研究及其最新进展[J].传感器世界 .2005-6（3）

[3] 马正先,熊建文,周篪声,麦冠华. OTDR在光纤测量中的应用[J].激光杂志,1999第2期（2-3）

[4] 倪玉婷,吕辰刚,葛春风,武星.基于OTDR的分布式光纤传感器原理及其应用[J].光纤与电缆及其应用技术 ,2006，第 1 期（1-2）