光纖傳感技術是工程測量領域的高新技術。光纖傳感器以光作為信息載體，以光纖作為信息傳輸介質。它具有抗電磁幹擾、耐腐蝕、靈敏度高、響應快、重量輕、體積小、形狀可變、傳輸帶寬大、可重復使用的分布式測量等突出優點。廣泛應用於高層建築、智能建築、橋梁、高速公路的在線動態檢測。2006-2010在“十壹五”科技支撐計劃重點項目和中國地質調查局地質調查項目的支持下，研制了具有自主知識產權的光纖光柵監測解調系統和分布式光纖應變監測系統，並應用於三峽庫區地質災害監測，取得了良好的效果。
光纖傳感技術是通過測量壹些參數(如強度、相位、頻率、偏振態等)來測量環境參數。)在光纖中傳輸的光。分布式光纖傳感技術以其可重復使用、分布式、長距離傳輸等優點成為光纖傳感技術中最有前途的技術之壹，是光纖傳感監測技術的發展趨勢。其中，光纖布拉格光柵(FBG)和布裏淵光時域反射(BOTDR)是兩種最具代表性的分布式光纖傳感技術。
FBG是壹種準分布式光纖傳感器。FBG獲得的測量信息在空間上不是連續分布的，但它可以同時監測大範圍內的多個點。布拉格光柵是光纖中折射率周期性變化的壹種光柵，不同周期其反射光波長不同。當具有布拉格光柵的光纖被拉伸或壓縮並且其溫度改變時，其周期改變，反射光的波長也改變。通過測量反射光的波長變化，可以知道光纖的應變或溫度值。光纖布拉格光柵的測量原理如圖1所示。
圖1光纖光柵測量原理
BOTDR主要利用光波在光纖中傳播產生的後向布裏淵散射光的頻譜和功率特性與外界環境(溫度、應變等)有關的特性。).圖2是光纖中反向散射光的光譜分布圖。
從圖2可以看出，在布裏淵散射中，散射光的頻率相對於泵浦光具有布裏淵頻移。當光纖的材料特性受到溫度或應變的影響時，布裏淵頻移會發生變化。因此，通過測量脈沖光的後向布裏淵散射光的頻移，可以實現分布式溫度和應變測量。
圖2光纖中反向散射光的光譜分布
大量理論和實驗研究證明，當環境溫度變化小於等於5℃時，光纖軸向應變與布裏淵散射光頻率漂移的關系可以表示為
VB(ε)= VB(O)+Cε
其中:VB(ε)為光纖應變時布裏淵散射頻率的漂移；VB(O)是光纖無應變時布裏淵散射頻率的漂移；c為光纖的應變系數，壹般為50m Hz/με；ε是光纖的實際軸向應變。BOTDR應變測量原理如圖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研究中心通過攻關，在地質災害監測光纖傳感技術方面取得了成果，包括壹系列光纖光柵傳感器、光纖監測儀器和光纖監測方法。具有自主知識產權，在國家重大工程的滑坡、邊坡穩定、健康監測中能起到很好的作用。
1)基於光柵傳感技術，光柵應變傳感器、位移傳感器、光柵鋼應變片三類光柵傳感器具有自主知識產權，性能達到同類產品水平。與國內同類產品相比，經濟成本降低50%，獲得“滑坡裂縫監測光纖光柵傳感裝置”(專利號:ZL200820135234.7)“光纖光柵傳感器”。
圖4光纖布拉格光柵監測解調器
2)利用光波分復用技術對光纖光柵傳感器陣列進行解調，研制的光纖光柵監測解調儀(圖4)可實現波長解調範圍40nm，解調精度5pm，並實時傳輸監測數據。技術性能達到國際同類技術產品水平，經濟成本比國內外同類產品降低30%，並在三峽庫區滑坡裂縫監測中得到實際應用。
3)利用微波電光調制和光學相幹檢測技術，研制出具有自主知識產權的分布式光纖應變監測系統(圖5)樣機。測試距離可達20km以上，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30%，並在三峽庫區滑坡監測中得到應用。
圖5分布式光纖應變監測系統
4)探索了FBG和BOTDR聯合監測滑坡的應用方法。實驗表明，FBG和BOTDR聯合監測滑坡，在整個滑坡上鋪設監測光纖，利用BOTDR技術可以獲得整個滑坡的大致信息；在滑坡變形的關鍵部位——變形縫處安裝FBG傳感器，利用其較高的監測靈敏度，可以獲得滑坡某些關鍵部位的應變值，不僅可以克服BOTDR監測空間分辨率低的缺點，還可以彌補FBG只能測量離散點的不足，實現滑坡監測由點到線再到面，獲得滑坡更完整的應變信息。
二、適用範圍及應用實例
FBG傳感器測量精度可達0.0065438±0%，系統測量時間短，可實現實時監測。基於這些優點，FBG被廣泛應用於結構檢測(如橋梁和隧道的健康監測)。用於地質災害監測時，主要用於監測變形較大的構築物的變形，用於滑坡監測時，主要用於監測滑坡後緣或已知裂縫的實時變化。
BOTDR傳感技術中使用的光纖小巧、柔軟、柔性好，可以在不影響矩陣性能的情況下，以任何形式組合在矩陣結構中。只要測量整個測試光纖的布裏淵散射功率和頻率，就可以得到光纖各部分的應變和溫度分布。傳感技術系統最大的優點是光纖既是傳感元件又是傳輸介質，屬於分布式監測，可以滿足遠距離、不間斷監測的要求，便於與光纖傳輸系統組網，實現系統的遙測和控制。用於地質災害監測時，可將光纖以神經網絡的形式植入監測體內，從線到面進行全程監測。
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，屬河谷斜坡地形。雖然采取了“清淤減荷+格構錨桿+趾墻+地表排水”的方案進行治理，但滑坡下部仍有明顯的地表變形。鑒於此，2004年8月，采用BOTDR技術對其進行監測，2006年6月，10，在其關鍵變形部位安裝FBG應變傳感器(圖6)。
圖6殘聯滑坡下部分布式光纖網絡及關鍵部位FBG傳感器安裝。
BOTDR監測顯示(圖7)沿光纖有四個明顯的高應變異常段，成對對稱(光纖放回)。C1異常段對應剖面92 ~ 93，C2異常段對應剖面142 ~ 143。宏觀調查顯示，這兩個地方存在明顯的拉伸裂縫和剪切變形，FBG監測數據(圖8)也顯示變形仍在繼續。截至2010年5月，裂縫變形應變已達642.76με。這樣，通過FBG和BOTDR的聯合監測，不僅得到了滑坡沿剖面方向的應變分布，而且加強了對關鍵變形部位的監測。
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的示意圖
第三，促進轉變方式
地質災害光纖傳感技術成果可以通過宣傳、會議交流、人員培訓、技術咨詢等方式提高市場認知度。壹系列具有自主知識產權的光纖光柵傳感器、光纖光柵監測解調儀、分布式光纖監測系統，可以轉化為監測技術相關產品，直接在市場上銷售。可以通過示範工程推廣光纖監測地質災害的技術方法。
技術支持單位:中國地質調查局水文地質環境地質調查中心。
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