面向斜滑坡安全监测的OFDR光纤应力传感系统*

杨 帆,欧中华,张旨遥,袁 飞,周晓军,刘 永

(电子薄膜与集成器件国家重点实验室,电子科技大学光电科学与工程学院,成都 610054)

图1 OFDR系统结构图

我国是斜滑坡地质灾害发生十分频繁且灾害损失极为严重的国家,尤其是西部山区和中东部地形地质条件复杂的地区,对当地居民人身和财产安全造成了巨大的威胁。目前,国内外对斜滑坡地质灾害的监测手段分为地表监测法和地下监测法两大类[1-6]。地表监测法包括简易观测法、大地测量法、地表倾斜测量法、地表裂缝监测法、全球卫星定位系统法、近景摄影测量法、干涉雷达法等,虽然能为研究斜滑坡甚至区域性的地表变形提供基础性资料,但不能反映深部岩土体的变形特征。传统的地下监测法包括内部倾斜监测法、内部相对位移监测法等,存在的主要问题在于不能实现岩土体内部应力的分布式测量,且测量精度低,无法实现高精确的预测预报。时间域反射(TDR)技术于上世纪80年代开始被用于地质勘察与监测,具有价格低廉、监测时间短、可遥测、安全性高以及数据提供快捷等优点,但不适用于需要检测倾斜的情况,仅能确定剪切面,无法确定滑坡移动的方向,并且灵敏度低,动态范围小。近年来,光纤传感技术被广泛应用于斜坡体监测。其中,光时域反射(OTDR)技术可以进行实时分布式应变测量。电子科技大学利用OTDR技术实现了对山体滑坡内部推力的监测,并已在三峡库区进行组网[7-8]。唐天国等人[9]将OTDR应用于大坝基座裂缝监测,并对四川石棉冶勒大坝进行监测,取得了显著效果。该技术在国外也得到了较多的工程应用,如Kihara等[10]将光纤分布于日本Niyodo河和Sendai河的河堤中,用偏振光时域反射(POTDR)来监测河堤的滑坡位移状况,取得了良好的效果。然而,OTDR监测法存在的主要问题在于空间分辨率、灵敏度和测量精度较低。布里渊时域反射(BOTDR)技术主要用于对大坝、大型建筑物、桥梁的应变进行分布式监测[11-12],目前该技术也应用于滑坡、大型工程边坡及洞室监测中。与OTDR相比,BOTDR技术可以实现应变和温度的同时测量,具有灵敏度高、测量精度高等优点,但是其空间分辨率低、响应速度较慢。相对于OTDR和BOTDR,光频域反射(OFDR)技术具有更高的空间分辨率、测试距离和灵敏度,近年来受到了国内外研究机构的极大重视,并应用于对应变、应力、振动、温度、3D形状、流速、折射率、磁场、辐射、气体等参量的传感[13-16]。虽然目前OFDR技术在实验室取得了大量研究成果,但还没有进行工程化应用。

本论文首次将OFDR技术应用于斜滑坡内部应力的监测,利用光纤微弯应力传感器作为内部应力探测装置,并采用去谐滤波算法补偿了光源非线性扫频带来的空间测量误差,在1 300 m的传感距离内实现了准分布式应力测量,空间分辨率小于5 cm,压强测量范围为0～20 MPa,最大相对误差为4.44%。在三峡库区进行的现场实地测试结果表明,该系统能准确地对应力点位置和应力大小进行同时测量。

1 工作原理

图1为基于OFDR的斜滑坡光纤应力传感监测系统结构示意图。可调谐激光器(TLS)输出的线性扫频激光通过光耦合器1分为两束,分别进入主干涉仪和辅助干涉仪。在主干涉仪中,扫频激光通过光耦合器2分为两束,一束通过环形器进入传感光纤(FUT),应力造成的后向瑞利散射光与另一束参考光通过光耦合器4合束发生拍频,其拍频信号的频率与瑞利散射光的产生位置成线性正比关系,通过探测器检测拍频频率实现定位。由于单模光纤中存在偏振衰落效应[17-20],本系统采用了偏振分集接收法,通过偏振分束器将主干涉仪输出的信号分成两束偏振信号后进行平衡探测。在实际应用中,由于线性扫频光源存在非线性扫频效应,限制了系统的测量距离和空间分辨率[21-23],因此本系统利用辅助干涉仪的拍频信号,并结合去谐滤波算法估算光源本征相位,实现非线性扫频效应的补偿。

为了检测施加在光纤上的横向应力,采用了基于光纤微弯效应的光纤应力传感头,其结构如图2所示。该传感头采用弹膜片作为应力敏感元件,固定在刚性壳体上,周期性齿压板由动齿板和定齿板组成,弹膜片下方连接动齿板。当横向应力作用在传感头上时,弹膜片产生形变,使固定在弹膜片中心的动齿板与定齿板之间产生相对位移,改变齿形压板间光纤的微弯幅度,光纤中导模的部分功率转化为辐射模功率并逸出光纤形成损耗。将光纤微弯应力传感头安装在待测光纤上,当施加横向应力时,受压点的损耗增加,使该位置以后的瑞利散射信号强度降低,造成拍频信号的受压点两侧信号存在强度差。强度差与传感器所受应力成正比关系,通过测量强度差从而确定所受应力值。

图2 光纤微弯应力传感头

去谐滤波算法最早被用于调频连续波合成孔径雷达中实现非线性校正[24]。本系统借助辅助干涉仪将该算法应用于补偿扫频光源的非线性扫频效应,提高压力点定位精度,算法流程如图3所示[22,25]。

图3 去谐滤波算法流程图

主干涉仪光电探测器输出的拍频信号为

(1)

式中:Rzeff为传感光纤位置z处瑞利散射的等效反射率,fb=γτz为传感光纤位置z处瑞利散射光与参考光的拍频,τz为传感光纤位置z处瑞利散射光与参考光的延时,γ为扫频光频率随时间的变化率,ν0为扫频光的起始频率,2πe(t)-2πe(t-τz)为光源非线性扫频效应引起的拍频信号非线性相位,会对传感系统的空间分辨率有严重的影响。

利用如图3所示的去谐滤波算法,得到最终的拍频信号为

(2)

式中相位只剩下常数项和随时间变化的线性项,主干涉仪拍频信号的非线性相位被完全消除。从理论上讲,如果能准确估算光源的非线性相位,光源的非线性扫频效应可被去斜滤波算法完全消除。

在非线性扫频效应被完全消除的理想情况下,OFDR系统的空间分辨率极限表达式为

(3)

式中:n为光纤纤芯的折射率,c为真空中的光速,Δν为在光源一个扫频周期内数据采集卡采样时间对应的频率扫描范围,表达式为

(4)

γ为光源扫频速率,M和N分别为数据采集卡的采样速率和采样点数。从式(3)和式(4)可以看到,空间分辨率与光源的扫频速率、数据采集卡的采样率和采样点数有着密切的关系,优化光源和采集卡参数即可提高空间分辨率。然而在实际应用中,无论硬件设计还是软件算法补偿均无法完全消除光源的非线性扫频效应;同时,数据采样时间必须小于等于光源扫频周期,频域分辨率受到扫频周期的限制。因此,光源的非线性扫频效应和有限的采样时间是限制OFDR系统空间分辨率的两个重要因素。

2 实验室结果及分析

传感系统采用NKT Photonics公司的E15型可调谐光源,扫频速率为400 GHz/s,中心波长为1 550 nm,扫频频率为50 Hz。平衡探测器为THORLABS公司的PDB430C,带宽为350 MHz。数据采集卡为SPECTRUM公司的M4i.4421,采样率为62.5 Msample/s,采样点数为1×106,触发延迟点数为5.72×105。光耦合器OC1的分光比为95∶5,其中95%的光进入主干涉仪,5%的光进入辅助干涉仪。光耦合器OC2的分光比为99∶1,其中99%的光通过光环行器进入传感光纤,1%的光作为参考光。光耦合器OC3、OC4、OC5均为3 dB光耦合器。

2.1 空间分辨率测量结果

在实验室条件下,将长度为715 m和610 m的两段单模光纤通过法兰盘连接构成1 325 m的传感光纤,将长度为216 m的单模光纤作为辅助干涉仪中的延时光纤。由于所设计的光纤微弯应力传感头直径为8.5 cm,如果将两个光纤微弯应力传感头紧密排布安置在传感光纤上,两个应力点的最小间隔为8.5 cm,不利于探究系统的空间分辨率极限。为了测试系统分辨两个事件点的空间分辨率极限,在传感光纤尾端连接一段尾纤,通过在距离域信号曲线中是否能分辨出两个相邻的菲涅尔反射峰来评估传感系统的空间分辨率。图4为传感光纤尾端连接长度5 cm尾纤时的距离域测试曲线,其中图4(a)为距离域测试曲线的全局图,图4(b)为传感光纤尾端附近的局部放大图。从图4(a)可以明显看出在715 m和1 325 m处均出现明显的菲涅尔反射峰。从图4(b)可以看到传感光纤的尾端出现两个菲涅尔反射峰,分别位于1 325.150 m和1 325.198 m。因此,传感系统能清晰辨别出长度约为5 cm的尾纤,说明该传感系统的空间分辨率小于5 cm。此外,通过增大光源扫频速率以及数据采样时间,可进一步减小分辨两个相邻事件点的距离间隔。为了充分发挥该应力传感系统的空间分辨率,需要进一步优化设计光纤微弯应力传感头,减小传感头尺寸。

图4 距离域测试曲线

2.2 应力测量结果

将图2所示传感头安置在传感光纤808 m处,在传感器上依次放置重量为5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、30 kg、54 kg和77.5 kg的砝码,对应的压强值分别为0.046 MPa、0.092 MPa、0.138 MPa、0.184 MPa、0.276 MPa、0.497 MPa和0.706 MPa。图5为测量得到的信号强度差-压强关系以及线性拟合曲线。从图5可以看到,信号强度差与压强大小呈良好的线性关系,线性拟合度为0.998 68,压强传感灵敏度为4.528 76 dB/MPa。此外,实验中还利用标准数字精密应力表对该传感系统进行校准,测试数据如表1所示。校准范围为0～20 MPa,测量的最大绝对误差为-0.451 6 MPa,最大相对误差为4.44%。

图5 测量得到的信号强度差-压强关系

图6 钻孔和传感器安装示意图以及现场施工图

3 野外现场实验

选择三峡库区的重庆市奉节县辽宁小学作为斜滑坡内部应力监测实验点,并在此处进行了监测点位的钻孔和传感头安装,如图6所示。该监测点实际共埋设3个光纤微弯应力传感头,敷设传感光纤长度为178.21 m。

图7为测量得到的距离域信号强度曲线,图8为测量获得的应力点压强值。从图7中可以看到,在63.78 m、146.26 m、171.17 m和178.21 m这4个位置处有明显的信号强度差,其中63.78 m、146.26 m和171.17 m处为传感头受到应力作用产生的信号强度差,178.21 m处带有强烈反射峰的信号强度差是由于传感光纤尾端菲涅尔反射造成的。应力位置的测试结果与传感光纤上安装的传感头位置吻合(传感头实际安装位置分别为63.76 m、146.23 m、171.13 m)。从图8可以看到,位于63.78 m、146.26 m和171.17 m的3个传感头所受压强值分别为0.191 1 MPa、0.574 3 MPa和0.402 2 MPa。

图7 测量得到的距离域信号强度曲线

图8 测量获得的应力点压强值

4 结束语

基于OFDR技术研制了斜滑坡光纤应力传感监测系统。在实验室条件下,传感系统测量距离达到1 300 m以上,空间分辨率小于5 cm,信号强度与外加应力呈现良好的线性关系,线性拟合度为0.998 68,压强传感灵敏度为4.528 76 dB/MPa,压强测量范围为0～20 MPa,最大相对误差为 4.44%。此外,野外现场实验结果表明,该传感系统能对应力传感头实现了精确定位并对应力大小进行了准确测量。基于OFDR的斜滑坡光纤应力传感监测技术具有大面积组网、多点实时监测等特点,相对于OTDR和BOTDR具有更高的空间分辨率。需要指出的是,本论文的系统方案需要借助额外的传感头实现应力测量,属于空间离散型分布式应力传感技术方案,距离空间连续型分布式应力测量还有差距,因此需要进一步研究应力直接作用在传感光纤上的OFDR应力传感机制,以实现真正意义上的分布式应力监测。