摘要：本文簡(jiǎn)述了分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在我國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況；詳細(xì)闡述了兩類分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理、主要特點(diǎn)及性能；對(duì)今后分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展作了展望。
關(guān)鍵詞：分布式監(jiān)測(cè)光纖

1、我國(guó)大壩分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用概況
20世紀(jì)70年代，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)。與傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
（1）光纖傳感器的光信號(hào)作為載體，光纖為媒質(zhì)，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，該傳感器具有耐腐蝕，抗電磁干擾，防雷擊等特點(diǎn)，屬本質(zhì)安全。
（2）光纖本身輕細(xì)纖柔，光纖傳感器的體積小，重量輕，不僅便于布設(shè)安裝，而且對(duì)埋設(shè)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無(wú)損埋設(shè)。
（3）靈敏度高，可靠性好，使用壽命長(zhǎng)。
分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)除了具有以上的特點(diǎn)外，還具有以下二個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：
（1）可以準(zhǔn)確的測(cè)出光纖沿線任一點(diǎn)的監(jiān)測(cè)量，信息量大，成果直觀。
（2）光纖既作為傳感器，又作為傳輸介質(zhì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅方便施工，潛在故障大大低于傳統(tǒng)技術(shù)，可維護(hù)性強(qiáng)，而且性能價(jià)格比好。
我國(guó)從20世紀(jì)90年代后期在新疆石門子水庫(kù)首次利用分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)測(cè)量碾壓砼拱壩溫度以來(lái)，至今已有多個(gè)工程應(yīng)用，并且，我國(guó)已有專門從事分布式光纖監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備制造廠——寧波振東光電有限公司，發(fā)展極為迅速。
由于水電水利工程中有許多物理場(chǎng)需要監(jiān)測(cè)，如溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、滲流場(chǎng)，等等。以往采用單點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法，測(cè)點(diǎn)少，成果不直觀，需要通過(guò)分析才能最終了解場(chǎng)的情況，這種傳統(tǒng)的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)方法不僅費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)錢，而且效果也不理想。而如果采用分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)就可以準(zhǔn)確地測(cè)定光纖沿線任一點(diǎn)上的溫度、應(yīng)力和位移，信息量大，成果直觀。如果將光纖按一定的網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩安全的全方位監(jiān)測(cè)，可以克服傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測(cè)容易漏測(cè)和滲流難以定位的弊端，極大提高安全監(jiān)測(cè)的有效性，如俄羅斯薩揚(yáng).舒申斯克重力拱壩，內(nèi)部?jī)x器埋設(shè)達(dá)2500多支，竟未測(cè)出壩基長(zhǎng)達(dá)486m的水平縫，直至該縫向壩內(nèi)延伸20余米，引起廊道漏水才被發(fā)覺，這充分說(shuō)明點(diǎn)式監(jiān)測(cè)的局限性，因此，分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)倍受青睞。從監(jiān)測(cè)內(nèi)容看，當(dāng)前我國(guó)應(yīng)用大致可分為四類。
第一類是溫度監(jiān)測(cè)。如設(shè)置于新疆石門子碾壓砼拱壩內(nèi)的分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置于三峽大壩內(nèi)的分布式測(cè)溫系統(tǒng)，設(shè)置于廣東長(zhǎng)調(diào)水電站砼面板的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，等等。由于分布式光纖監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)多，信息量大，都獲得了較好的監(jiān)測(cè)成果，較全面地反映了大壩溫度場(chǎng)的分布情況。
第二類是滲流定位監(jiān)測(cè)。如設(shè)置于廣東長(zhǎng)調(diào)水電站面板周邊縫的分布式光纖溫度——滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。水庫(kù)蓄水期間，即發(fā)現(xiàn)周邊縫有幾處滲漏點(diǎn)，對(duì)滲漏定位相當(dāng)有效。
第三類是位移和隨機(jī)裂縫監(jiān)測(cè)。如設(shè)置于隔河巖電站水庫(kù)覃家田滑坡中的螺旋型分布式光纖位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)置于湖北古洞口面板堆石壩面板上的隨機(jī)裂縫光纖自診斷系統(tǒng)。由于單模光纖抗拉強(qiáng)度不高，能測(cè)隨機(jī)裂縫的縫寬不大，當(dāng)裂縫大于2mm時(shí)，光纖易被拉斷。因此，對(duì)隨機(jī)裂縫的監(jiān)測(cè)生命期尚不長(zhǎng)。
第四類是裂縫監(jiān)測(cè)。如設(shè)置于古洞口面板堆石壩周邊縫面板間縫的準(zhǔn)分布式光纖測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)，也獲得了光纖測(cè)縫計(jì)埋設(shè)處縫寬變化的較好效果。
當(dāng)前，在建和擬建的水電水利工程，如索風(fēng)營(yíng)水電站、景洪水電站、三板溪水電站、水布埡水電站、坦肯水電站、錦屏一級(jí)水電站、瀑布溝水電站、拉西瓦水電站等等，在大壩安全監(jiān)測(cè)中，都正在或計(jì)劃采用分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在碾壓混凝土壩的應(yīng)用發(fā)展較快，繼新疆石門子碾壓混凝土拱壩后，索風(fēng)營(yíng)碾壓混凝土重力壩，景洪碾壓混凝土重力壩都已經(jīng)和準(zhǔn)備應(yīng)用。對(duì)碾壓混凝土壩，分布式光纖監(jiān)測(cè)具有較大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼘?duì)施工干擾小，它既具有監(jiān)測(cè)溫度場(chǎng)的功能，又兼有對(duì)碾壓層面進(jìn)行滲流定位監(jiān)測(cè)的功能。從目前應(yīng)用情況來(lái)看，光纖網(wǎng)絡(luò)布置有二種形式。一種是平面網(wǎng)絡(luò)形式，光纖連續(xù)地沿壩體橫斷面自下而上作蛇形布置；另一種是空間網(wǎng)絡(luò)形式，取某壩段作監(jiān)測(cè)對(duì)象，光纖自下而上連續(xù)地沿水平截面從左至右或從右至左作蛇形布置。空間網(wǎng)絡(luò)布置不僅可以監(jiān)測(cè)多個(gè)橫斷面的溫度場(chǎng)，了解施工期和運(yùn)行期壩體溫度空間分布和變化情況，而且可以對(duì)碾壓層面進(jìn)行滲流定位監(jiān)測(cè)。

2、兩種分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其實(shí)是分布調(diào)制的是光纖傳感系統(tǒng)。所謂分布調(diào)制，就是沿光纖傳輸路徑上的外界信號(hào)以一定的方式對(duì)光纖中的光波進(jìn)行不斷調(diào)制（傳感），在光纖中形成調(diào)制信息譜帶，并通過(guò)獨(dú)特的檢測(cè)技術(shù)，介調(diào)調(diào)制信號(hào)譜帶，從而獲得外界場(chǎng)信號(hào)的大小及空間分布。因此，分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常由激光光源，傳感光纖（纜）和檢測(cè)單元組成，是一種自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
按照調(diào)制方式的不同，分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為分布式傳光型光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和分布式傳感型光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
2.1分布式傳光型(準(zhǔn)分布式)光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
分布式傳光型光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：將呈一定空間分布的相同調(diào)制類型的光纖傳感器耦合到一根或多根光纖總線上，通過(guò)尋址、介調(diào)檢測(cè)出被測(cè)量的大小。分布式傳光型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是多個(gè)分立式光纖傳感器的復(fù)用系統(tǒng)，故又稱準(zhǔn)分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或非本征型分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。光纖總線僅起傳光作用，不起傳感作用。根據(jù)尋址方式不同，分布式傳光型光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用、頻分復(fù)用、偏分復(fù)用和空分復(fù)用等幾類。其中，時(shí)分復(fù)用、波分復(fù)用和空分復(fù)用技術(shù)較成熟，復(fù)用的點(diǎn)數(shù)較多。
1、時(shí)分復(fù)用
時(shí)分復(fù)用靠耦合于同一根光纖上的傳感器之間的光程差，即光纖對(duì)光波的延遲效應(yīng)來(lái)尋址。當(dāng)一脈寬小于光纖總線上相鄰傳感器之間的傳輸時(shí)間的光脈沖自光纖總線輸入端注入時(shí)，由于光纖總線上各傳感器距光脈沖發(fā)射端的距離不同，在光纖總線的終端（或始端）將會(huì)接收到許多光脈沖，其中每一個(gè)光脈沖對(duì)應(yīng)光纖總線上的一個(gè)傳感器，光脈沖的延時(shí)即反應(yīng)傳感器在光纖總線上的地址，光脈沖的幅度或波長(zhǎng)的變化即反應(yīng)該點(diǎn)被測(cè)量的大小。在這里，注入的光脈沖越窄，傳感器在光纖總線上的允許間距越小，可耦合的傳感器越多，但是，對(duì)介調(diào)系統(tǒng)的要求越苛刻。
2、波分復(fù)用
波分復(fù)用是通過(guò)光纖總線上各傳感器的調(diào)制信號(hào)的特征波長(zhǎng)來(lái)尋址。當(dāng)光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光（經(jīng)光波長(zhǎng)編碼）注入光纖總線時(shí)，在光纖傳感器與監(jiān)測(cè)量發(fā)生耦合作用，對(duì)該寬帶光有選擇地反射回相應(yīng)的一個(gè)窄帶光，并沿原傳輸光纖返回，其余寬帶光則直接透射過(guò)去繼續(xù)前進(jìn)，遇到第2個(gè)光纖傳感器，又有選擇地反射回相應(yīng)的一個(gè)窄帶光。由于各傳感器的特征波長(zhǎng)不同，通過(guò)濾波/解碼系統(tǒng)即可求出被測(cè)信號(hào)的大小和位置。該法由于一些實(shí)際部件的限制，總線上允許的傳感器數(shù)目不多，一般為8—12個(gè)。