本發(fā)明屬于橋梁監(jiān)測方法技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種利用布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)進行橋梁健康監(jiān)測的系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對橋梁進行二維區(qū)域面和三維塊體的大范圍連續(xù)場的長距離、高空間分辨率、高精度、抗電磁干擾、無職能障礙的在線實時動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，并基于監(jiān)測數(shù)據(jù)進行自動診斷和報警。

背景技術(shù)：

橋梁在在使用過程中由于受各種因素的影響，結(jié)構(gòu)各部分會存在不同程度的損傷和劣化。如果這些損傷不能及時得到監(jiān)測和維修，輕則影響行車安全和縮短橋梁壽命，重則導致橋梁突然破壞和倒塌而引起災(zāi)難性事故，因而對該領(lǐng)域的傳感和安全監(jiān)測技術(shù)提出了更高的要求。目前廣泛應(yīng)用于橋梁監(jiān)測中的機械式傳感技術(shù)簡單實用，但該技術(shù)不易實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集，無法滿足災(zāi)害與事故實時監(jiān)測的需求；電阻式、壓電式、振弦式等原理的電類傳感技術(shù)目前在橋梁監(jiān)測中發(fā)揮主要作用，但是電類傳感器為有源器件，長期穩(wěn)定性差、易受電磁干擾、組網(wǎng)復雜、信號傳輸距離短等弊端不僅影響了監(jiān)測結(jié)果的準確度與穩(wěn)定性，而且需要額外的信號傳輸設(shè)備，增加了系統(tǒng)的復雜性；隨著自動檢測技術(shù)的發(fā)展，大量新興技術(shù)應(yīng)用于安全監(jiān)測中，如無線傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)、GPS、直流電阻率法、微震監(jiān)測等測量技術(shù)，但這些技術(shù)易受環(huán)境噪聲干擾，對于復雜環(huán)境中的監(jiān)測存在技術(shù)瓶頸。

與傳統(tǒng)的機械式、電式傳感監(jiān)測技術(shù)相比，光纖傳感技術(shù)的傳感系統(tǒng)與儀器具有抗電磁干擾、防水性能強、體積小、質(zhì)量輕、便于埋入材料或結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行無損檢測、動態(tài)范圍寬、靈敏度高、傳感信息傳輸距離遠、封裝工藝簡單靈活、通過復用技術(shù)實現(xiàn)大規(guī)模組網(wǎng)等突出特點。光纖傳感器分為點式、準分布式和全分布式，點式只適合測單個定點的參數(shù)，準分布式可以一次多點但性價比不高，而全分布式光纖傳感器能夠連續(xù)測量一整根光纖上的溫度、壓力和振動信息，并且傳輸距離遠，在一些遠距離連續(xù)測量的場合比點式光纖傳感器更適用，所以研發(fā)一種基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，為掌握橋梁安全狀態(tài)以及為橋梁維修加固的決策提供有效信息支持，是十分有價值的。

(一)布里淵散射的傳感機理

在光纖中傳播的光波，其大部分是前向傳播的，但由于光纖的非結(jié)晶材料在微觀空間存在不均勻結(jié)構(gòu)，有一小部分會發(fā)生散射。光纖中的散射過程主要有三種：瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。其中，布里淵散射式光波與聲波在光纖中傳播時相互作用產(chǎn)生的光散射過程，在不同條件下布里淵散射又分別以自發(fā)散射和受激散射兩種形式表現(xiàn)出來。

布里淵散射光的強度受溫度和應(yīng)變的影響，布里淵散射光強度如下式所示：

式中，I_B表示布里淵散射光強度，I_R表示瑞利散射光強度，T_F表示玻璃的假想溫度，ρ表示材料密度，B_T表示等溫壓縮率，V_A表示聲學聲子的速率，T表示絕對溫度。

從布里淵散射光強度公式可知，溫度是布里淵散射光強度的最直接相關(guān)變量，但由于材料密度和聲學聲子速率對溫度和應(yīng)變有一定的影響，因此，這兩個變量也可以說是布里淵散射光強度的間接影響變量。

布里淵散射光功率和頻移可以用來測量溫度和應(yīng)變的分布。如果布里淵散射光功率測量得到，首先需要進行光纖固有損耗的歸一化，通常選擇寬帶光源的瑞利散射OTDR信號軌跡相比對做這個歸一化處理。如果需要同時測量溫度和應(yīng)變，那么歸一化的布里淵散射光功率和布里淵頻移都需要被測量得到。布里淵散射光功率和頻移與被測量的傳感量溫度和應(yīng)變成線性關(guān)系，如下式所示：

P_B[T(z),ε(z)]-P_B[T₀(z₀),ε₀(z₀)]＝C_P,T[T(z)-T₀(z₀)]+C_P,ε[ε(z)-ε₀(z₀)]

ν_B[T(z),ε(z)]-ν_B[T₀(z₀),ε₀(z₀)]＝C_ν,T[T(z)-T₀(z₀)]+C_ν,ε[ε(z)-ε₀(z₀)]

式中，z表示沿傳感光纖上的位置，P_B(T,ε)表示分布式布里淵散射光功率，ν_B(T,ε)表示分布式布里淵散射光頻移，P_B(T₀,ε₀)表示通過實驗在z₀位置處標定的參考布里淵散射光功率，ν_B(T₀,ε₀)表示通過實驗在z₀位置處標定的參考布里淵散射光頻移，C_P,T、C_P,ε、C_ν,T和C_ν,ε表示通過實驗標定出來的線性系數(shù)。

根據(jù)傳感光纖上沿線不同位置處反射回來的布里淵散射光強度和頻移量，可實現(xiàn)基于布里淵散射的分布式溫度和應(yīng)變傳感，如下式所示：

式中，ΔT為溫度變化量，Δε為應(yīng)變變化量。

目前，基于布里淵散射的溫度/應(yīng)力傳感技術(shù)主要有布里淵光時域反射(BOTDR)技術(shù)、布里淵光時域分析(BOTDA)技術(shù)、布里淵光頻域分析(BOFDA)技術(shù)和布里淵相關(guān)域分析(BOCDA)技術(shù)這幾種典型的傳感方案，其中BOTDA技術(shù)的信號檢測相對比較容易，國內(nèi)外的研究也比較成熟，已有成套的基于BOTDA技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)。

(二)BOTDR光纖傳感系統(tǒng)工作流程

以BOTDA技術(shù)為例進行說明：處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光(泵浦光)與一連續(xù)光(探測光)注入傳感光纖，當泵浦光與探測光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時，在該區(qū)域就會產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)，兩光束相互之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移；當光纖的某一部分溫度或應(yīng)變發(fā)生變化時，那里的布里淵頻移便隨之發(fā)生變化，引起該部分的BOTDA信號變化，通過調(diào)諧使入射脈沖光和連續(xù)光之間的頻差等于新的布里淵頻移，便能接收到該點的布里淵散射信號；由于布里淵頻移與溫度、應(yīng)變存在線性關(guān)系，因而對兩激光器的頻率進行連續(xù)調(diào)節(jié)的同時，通過檢測從光纖一段耦合出來的連續(xù)光的功率，就可以確定光纖個小段區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達到最大時所對應(yīng)的頻率差，從而得到溫度、應(yīng)變和振動信息。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有橋梁監(jiān)測傳感技術(shù)中機械式、電式傳感技術(shù)的弊端，以及已有的監(jiān)測方法僅可以進行單點監(jiān)測的不足，提供一種基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的橋梁監(jiān)測系統(tǒng)，這種方案不僅有比傳統(tǒng)方法更好的適用性，而且可以實現(xiàn)對橋梁進行二維區(qū)域面和三維塊體的大范圍連續(xù)場的實時監(jiān)測，使單位信息的獲取成本大大降低，大大提高了性價比。

為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案。

設(shè)計一種基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，該監(jiān)測系統(tǒng)主要包括光纖傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)和評估與報警系統(tǒng)；光纖傳感系統(tǒng)主要包括傳感光纖和光解調(diào)儀，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對光纖傳感系統(tǒng)輸出的光信號功率進行智能采集，采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)向數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)進行傳輸，數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)遠程傳送至數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，得到監(jiān)測信息并呈現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果，評估與報警系統(tǒng)負責對監(jiān)測結(jié)果進行評估以掌握被監(jiān)測的橋梁健康安全情況，若超過閾值則及時發(fā)出報警信息。

本發(fā)明的優(yōu)點：傳感器以二氧化硅為纖芯材料，光信號作為載體，具有抗電磁干擾、防水、耐高溫等特點，比金屬傳感器具有更好的耐久性；光纖傳感器體積小、質(zhì)量輕，便于鋪設(shè)；可以實現(xiàn)對特大橋?qū)崿F(xiàn)長距離、全方位監(jiān)測；本系統(tǒng)可以準確測量光纖沿線各點的應(yīng)力、應(yīng)變、損傷等信息，使單位信息的獲取成本大大降低，更加經(jīng)濟；本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對橋梁損傷和劣化實時監(jiān)測的分析，對損傷和劣化自診斷并及時預(yù)警。

附圖說明

圖1為BOTDA光纖傳感系統(tǒng)工作流程圖，其中，EOM1和EMO2為光電調(diào)制器，EDFA為摻鉺光纖放大器，ISO為隔離器，PC為偏振控制器。

圖2為本發(fā)明一種實施例的監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖。

圖3為本發(fā)明一種實施例的傳感光纖布設(shè)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

為了進一步闡述本發(fā)明為達到預(yù)定目的所采用的技術(shù)手段，現(xiàn)用實施實例進行說明。

本發(fā)明提供一種基于布里淵分布式光纖傳感技術(shù)的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱監(jiān)測系統(tǒng)，參見圖1-3)，該監(jiān)測系統(tǒng)主要包括光纖傳感系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)和評估與報警系統(tǒng)。光纖傳感系統(tǒng)主要包括傳感光纖和光解調(diào)儀，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對光纖傳感系統(tǒng)輸出的光信號功率進行智能采集，采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)向數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)進行傳輸，數(shù)據(jù)通訊與傳輸系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)遠程傳送至數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，得到監(jiān)測信息并呈現(xiàn)監(jiān)測結(jié)果，評估與報警系統(tǒng)負責對監(jiān)測結(jié)果進行評估以掌握被監(jiān)測的橋梁健康安全情況，若超過閾值則及時發(fā)出報警信息。

所述監(jiān)測信息包括被監(jiān)測橋梁溫度、應(yīng)力、裂縫、振動、鋼筋銹蝕等。

所述數(shù)據(jù)分析及處理系統(tǒng)為PC應(yīng)用平臺。

所述傳感光纖為分布式傳感光纖，其布設(shè)方式有預(yù)埋和敷設(shè)兩種，預(yù)埋時可以直接澆筑在橋梁構(gòu)件的混凝土中，敷設(shè)時可以直接粘貼在結(jié)構(gòu)表面。傳感光纖可通過S形、直線布設(shè)、網(wǎng)狀(#形)布設(shè)等形式實現(xiàn)對橋梁進行二維或三維的監(jiān)測，具體布設(shè)時根據(jù)被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的物理力學特點和監(jiān)測重點視具體情況選擇。如圖3所示，根據(jù)監(jiān)測目的和橋梁特點規(guī)劃傳感光纖的布設(shè)方案，在此假設(shè)欲監(jiān)測梁構(gòu)件中的受力鋼筋內(nèi)力、混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變；為監(jiān)測鋼筋內(nèi)力，可采用沿受力筋表面粘貼傳感光纖的布設(shè)方法，如圖3中(a)所示；粘貼前首先將傳感光纖保持一定的預(yù)拉應(yīng)力，然后將粘貼劑將傳感光纖完全粘貼在被測的受力鋼筋的表面，并在端側(cè)預(yù)留一定長度的傳感光纖，然后將帶有傳感光纖的鋼筋澆筑在混凝土中；為測量應(yīng)變，可將分布式傳感光纖粘貼在梁試件的上下表面，如圖3中(b)所示。

所述光纖傳感系統(tǒng)為基于布里淵光時域分析(BOTDA)技術(shù)的分布式光纖傳感系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述傳感光纖以二氧化硅為纖芯材料。

現(xiàn)結(jié)合圖1對BOTDA光纖傳感系統(tǒng)的工作流程進行說明。入射端激光器發(fā)出激光，激光通過耦合器分為均等的兩路信號：一路激光信號通過一個光電調(diào)制器(EOM1)的調(diào)制變?yōu)橐皇}沖光(即為泵浦光脈沖)，然后通過摻鉺光纖放大器(EDFA)的放大作用放大后再通過隔離器(ISO)進入傳感光纖，另一束光信號通過光電調(diào)制器(EOM2)并被調(diào)制。為了能夠?qū)崿F(xiàn)輸出信號的最大化和傳輸特性的平坦化，光信號在通過EOM2之前需由偏振控制器(PC)進行偏振態(tài)的控制。兩路光信號進入傳感光纖后，當傳感光纖一個區(qū)域的布里淵頻移等于該處探測光與泵浦光的頻差時，在這個地方就會有布里淵放大效應(yīng)發(fā)生，兩個光信號之間的能量就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，但總能量還是不變的。因為溫度、應(yīng)變與布里淵頻移是線性相關(guān)的，所以只要在對兩路光信號頻率進行連續(xù)調(diào)節(jié)的同時，通過檢測從傳感光纖另一端耦合出來的光信號功率，就可以得到傳感光纖延長度方向上各個區(qū)域段上的發(fā)生最大能量轉(zhuǎn)移時所對應(yīng)的頻率差，這樣就實現(xiàn)了通過傳感光纖分布式測量結(jié)構(gòu)的溫度和變形。

所述監(jiān)測系統(tǒng)在使用前，優(yōu)選的，進行參數(shù)標定和設(shè)置，具體操作為：對梁結(jié)構(gòu)施加不同等級的荷載，輔以其他測量手段，對光纖傳感系統(tǒng)參數(shù)進行標定和設(shè)置，以取得最好的測試效果。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。