摘要：本文簡述了分布式光纖監(jiān)測技術在我國大壩安全監(jiān)測中的應用情況；詳細闡述了兩類分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)的原理、主要特點及性能；對今后分布式光纖監(jiān)測技術的發(fā)展作了展望。
關鍵詞：分布式監(jiān)測光纖

1、我國大壩分布式光纖監(jiān)測技術應用概況
20世紀70年代，光纖監(jiān)測技術伴隨著光導纖維及光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來。與傳統(tǒng)的監(jiān)測技術相比，光纖監(jiān)測技術有一系列獨特的優(yōu)點：
（1）光纖傳感器的光信號作為載體，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，屬本質(zhì)安全。
（2）光纖本身輕細纖柔，光纖傳感器的體積小，重量輕，不僅便于布設安裝，而且對埋設部位的材料性能和力學參數(shù)影響甚小，能實現(xiàn)無損埋設。
（3）靈敏度高，可靠性好，使用壽命長。
分布式光纖監(jiān)測技術除了具有以上的特點外，還具有以下二個顯著的優(yōu)點：
（1）可以準確的測出光纖沿線任一點的監(jiān)測量，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)構簡單，不僅方便施工，潛在故障大大低于傳統(tǒng)技術，可維護性強，而且性能價格比好。
我國從20世紀90年代后期在新疆石門子水庫首次利用分布式光纖監(jiān)測技術測量碾壓砼拱壩溫度以來，至今已有多個工程應用，并且，我國已有專門從事分布式光纖監(jiān)測儀器設備制造廠——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需要監(jiān)測，如溫度場、應力場、位移場、滲流場，等等。以往采用單點監(jiān)測方法，測點少，成果不直觀，需要通過分析才能最終了解場的情況，這種傳統(tǒng)的單點監(jiān)測方法不僅費工、費時、費錢，而且效果也不理想。而如果采用分布式光纖監(jiān)測技術就可以準確地測定光纖沿線任一點上的溫度、應力和位移，信息量大，成果直觀。如果將光纖按一定的網(wǎng)絡鋪設，可實現(xiàn)對大壩安全的全方位監(jiān)測，可以克服傳統(tǒng)點式監(jiān)測容易漏測和滲流難以定位的弊端，極大提高安全監(jiān)測的有效性，如俄羅斯薩揚.舒申斯克重力拱壩，內(nèi)部儀器埋設達2500多支，竟未測出壩基長達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，這充分說明點式監(jiān)測的局限性，因此，分布式光纖監(jiān)測技術倍受青睞。從監(jiān)測內(nèi)容看，當前我國應用大致可分為四類。
第一類是溫度監(jiān)測。如設置于新疆石門子碾壓砼拱壩內(nèi)的分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)，設置于三峽大壩內(nèi)的分布式測溫系統(tǒng)，設置于廣東長調(diào)水電站砼面板的溫度監(jiān)測系統(tǒng)，等等。由于分布式光纖監(jiān)測測點多，信息量大，都獲得了較好的監(jiān)測成果，較全面地反映了大壩溫度場的分布情況。
第二類是滲流定位監(jiān)測。如設置于廣東長調(diào)水電站面板周邊縫的分布式光纖溫度——滲流監(jiān)測系統(tǒng)。水庫蓄水期間，即發(fā)現(xiàn)周邊縫有幾處滲漏點，對滲漏定位相當有效。
第三類是位移和隨機裂縫監(jiān)測。如設置于隔河巖電站水庫覃家田滑坡中的螺旋型分布式光纖位移監(jiān)測系統(tǒng)，設置于湖北古洞口面板堆石壩面板上的隨機裂縫光纖自診斷系統(tǒng)。由于單模光纖抗拉強度不高，能測隨機裂縫的縫寬不大，當裂縫大于2mm時，光纖易被拉斷。因此，對隨機裂縫的監(jiān)測生命期尚不長。
第四類是裂縫監(jiān)測。如設置于古洞口面板堆石壩周邊縫面板間縫的準分布式光纖測縫計監(jiān)測系統(tǒng)。通過監(jiān)測，也獲得了光纖測縫計埋設處縫寬變化的較好效果。
當前，在建和擬建的水電水利工程，如索風營水電站、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)測中，都正在或計劃采用分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。
分布式光纖監(jiān)測技術在碾壓混凝土壩的應用發(fā)展較快，繼新疆石門子碾壓混凝土拱壩后，索風營碾壓混凝土重力壩，景洪碾壓混凝土重力壩都已經(jīng)和準備應用。對碾壓混凝土壩，分布式光纖監(jiān)測具有較大的應用優(yōu)勢，因為它對施工干擾小，它既具有監(jiān)測溫度場的功能，又兼有對碾壓層面進行滲流定位監(jiān)測的功能。從目前應用情況來看，光纖網(wǎng)絡布置有二種形式。一種是平面網(wǎng)絡形式，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)絡形式，取某壩段作監(jiān)測對象，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?？臻g網(wǎng)絡布置不僅可以監(jiān)測多個橫斷面的溫度場，了解施工期和運行期壩體溫度空間分布和變化情況，而且可以對碾壓層面進行滲流定位監(jiān)測。

2、兩種分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)
分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)其實是分布調(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以一定的方式對光纖中的光波進行不斷調(diào)制（傳感），在光纖中形成調(diào)制信息譜帶，并通過獨特的檢測技術，介調(diào)調(diào)制信號譜帶，從而獲得外界場信號的大小及空間分布。因此，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)通常由激光光源，傳感光纖（纜）和檢測單元組成，是一種自動化的監(jiān)測系統(tǒng)。
按照調(diào)制方式的不同，分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)分為分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)和分布式傳感型光纖監(jiān)測系統(tǒng)或準分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)和分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)。
2.1分布式傳光型(準分布式)光纖監(jiān)測系統(tǒng)
分布式傳光型光纖監(jiān)測系統(tǒng)的特點是：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，通過尋址、介調(diào)檢測出被測量的大小。分布式傳光型監(jiān)測系統(tǒng)實質(zhì)上是多個分立式光纖傳感器的復用系統(tǒng)，故又稱準分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)或非本征型分布式光纖監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)可分為時分復用、波分復用、頻分復用、偏分復用和空分復用等幾類。其中，時分復用、波分復用和空分復用技術較成熟，復用的點數(shù)較多。
1、時分復用
時分復用靠耦合于同一根光纖上的傳感器之間的光程差，即光纖對光波的延遲效應來尋址。當一脈寬小于光纖總線上相鄰傳感器之間的傳輸時間的光脈沖自光纖總線輸入端注入時，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）將會接收到許多光脈沖，其中每一個光脈沖對應光纖總線上的一個傳感器，光脈沖的延時即反應傳感器在光纖總線上的地址，光脈沖的幅度或波長的變化即反應該點被測量的大小。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，對介調(diào)系統(tǒng)的要求越苛刻。
2、波分復用
波分復用是通過光纖總線上各傳感器的調(diào)制信號的特征波長來尋址。當光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光（經(jīng)光波長編碼）注入光纖總線時，在光纖傳感器與監(jiān)測量發(fā)生耦合作用，對該寬帶光有選擇地反射回相應的一個窄帶光，并沿原傳輸光纖返回，其余寬帶光則直接透射過去繼續(xù)前進，遇到第2個光纖傳感器，又有選擇地反射回相應的一個窄帶光。由于各傳感器的特征波長不同，通過濾波/解碼系統(tǒng)即可求出被測信號的大小和位置。該法由于一些實際部件的限制，總線上允許的傳感器數(shù)目不多，一般為8—12個。