地质和岩土工程光纤传感监测技术综述

隋海波,施斌,张丹,王宝军,魏广庆,朴春德
( 南京大学光电传感工程监测中心南京210093)

工程地质学报,2008,16(1)

摘 要: 光纤传感器与常规传感器相比具有很大的优越性, 已经成为地质和岩土工程监测领域中的研究热点。本文介绍了光纤传感监测系统的种类、基本测量原理和目前国内外的研究发展状况, 并对各种传感技术的性能和特点进行了比较, 指出了光纤传感监测技术应用于地质和岩土工程监测尚需研究的相关课题。

关键词: 光纤传感器,地质工程, 岩土工程,监测,课题

1 引 言

随着我国经济的快速发展, 各类基础工程建设在规模和数量上都得到了迅猛发展, 与此同时, 地质 和岩土工程的安全问题引起了人们的密切关注, 如堤坝的垮塌、隧道火灾和山体滑坡等工程事故的频繁发生, 造成了重大的人员伤亡和财产损失; 大量现役的基础工程设施陆续进入了维修期或老化期; 地震、洪水和台风等自然灾害对工程设施造成不同程度的损伤等。对地质和岩土工程进行监测, 评估和预测工程稳定性以趋利避害, 已经成为工程发展的迫切要求[1]。此外, 随着人们对工程施工过程和现役工程长期监测的重要性认识不断深入, 以及国家相关工程安全法规的实施, 工程监测得到了迅速发展, 成为地质和岩土工程的一个重要研究课题。

传感监测技术是工程监测系统的重要组成部分, 它为工程监测提供精确、可靠的基础性测量数据。常规的传感器, 如差动电阻式、钢弦式、电阻应变计式和电感式传感器等, 普遍存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性等较差的缺点, 难以适应现代工程监测的要求。而近年来兴起的光纤传感器则具有本质安全、抗电磁干扰、防水防潮、抗腐蚀和耐久性长等特点, 其体积小、重量轻, 便于铺设安装, 且埋入监测对象中不存在匹配的问题, 对监测对象的材料性能和力学参数等影响较小。另外, 光纤传感技术采用光纤进行信号传输, 传输损耗小, 容易实现远距离信号传输和自动监测控制。光纤传感技术正是由于以上优点而成为工程监测系统中的研究热点, 国内外学者在土木工程、水利工程和航空航天等领域已经开展了广泛的光纤传感技术理论和应用研究, 取得了一系列研究成果[ 2~ 6] , 但是在地质和岩土工程的安全和健康监测中, 所见系统的研究报道不多, 这主要是由于岩土工程本身的复杂性所决定的。本文重点介绍了近年来在地质和岩土工程监测中研究较多、应用前景较广的几种光纤传感技术, 以期推动光纤传感技术在我国地质和岩土工程监测中的应用。

2 光纤传感器类型

2.1 基于迈克尔逊干涉原理的位移传感器

国内外在基于迈克尔逊(Michelson) 干涉原理的应变传感系统方面的研发开展较早, 取得了许多成果[ 7, 8]。其中, 商业化生产比较成功的是由瑞士联邦工学院开发, 瑞士SMARTEC公司商业化生产的SOFO ( 法语Surve illance d. Ouvrages par Fibres Optiques的首字母缩写, 意为光纤结构监测)光纤变形监测系统。

SOFO光纤变形监测系统基于低相干干涉测量原理(图1)。传感器实际上是一个由测量光纤和参考光纤组成的全光纤迈克尔逊干涉仪, 称为测量干涉仪。测量光纤通过保护管与待测结构固定在一起, 可以随结构变形而改变光纤的长度; 参考光纤自由地放置在保护管中, 用于补偿由温度变化引起的光纤折射率的变化以消除温度变化对测量结果的影响。读数仪内置由固定臂和扫描臂组成的参考干涉仪, 固定臂末端装有固定反射镜, 扫描臂装有由微调位移平台控制的可移动反射镜。进行测量时, 激光光束被耦合器分为两束强度相同的光, 分别进入测量光纤和参考光纤, 光纤末端的反射镜将两束光反射回耦合器重新耦合, 同时带入由测量光纤随待测结构变形而产生的与参考光纤之间的光程差。耦合后的光束进入参考干涉仪, 被固定臂和扫描臂末端的反射镜反射, 通过移动可移动反射镜来补偿测量光纤与参考光纤间的光程差, 当参考干涉仪两臂之间的光程差与测量干涉仪产生的光程差相当, 即两干涉路径长度差在光源相干波长范围内时, 就会获得最强的干涉条纹。此时, 扫描臂反射镜的移动距离即等于测量光纤的变形量[7]。

SOFO光纤变形监测系统采用长标距光纤传感器, 传感器标距从20cm到10m可选, 其分辨率可以达到2Lm。基于迈克尔逊干涉原理的监测系统有着很高的工作稳定性, 获取的变形信息与光的相干性有关, 而与光源的中心频率和光强无关, 光源功率波动、光纤光损和连接接头的光损变化只会引起干涉峰值高度的改变, 而不影响干涉峰的位置, 对测量结果不会产生影响。

2.2 非本征型法布里- 珀罗干涉传感器

非本征型法布里- 珀罗干涉(Extrinsic Fabry-Perot Interferometer, 简称EFPI)传感器结构如图2, 传感器由内置两段光纤的石英毛细管组成, 两段光纤之间留有几个到几十个微米的空气隙, 在石英管内处于自由状态, 并通过粘结剂固定在石英管两端出口处。光纤相对的两端面分别镀上反射镜与半透镜, 在端面之间形成F – P干涉腔。EFPI传感器基于光的多光束F- P 干涉测量原理, 采用埋入或表面粘贴的方式固定在待测结构上, 结构发生变形时,传感器也随结构一起变形, 相应的腔长D 发生同步变化, 从而导致光纤中光传输的光程差发生改变。当光程差是传输光半波长的整数倍时, 就能够检测到干涉条纹。通过对干涉条纹的检测, 可以得出腔长的变化量[ 9]。因而, 传感器的应变可表示为:

由于石英毛细管和光纤的热膨胀系数十分相近, EFPI传感器对温度的变化不敏感, 可用于单一应变量的测量, 而不需要进行温度补偿。

2.3 布拉格光栅传感器

光纤布拉格光栅( Fiber Bragg Gratting, 简称FBG)是利用光敏光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化效应, 使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布而得到。FBG类似于波长选择反射器, 满足布拉格衍射条件的入射光(波长为KB )在FBG处被反射, 其他波长的光会全部穿过而不受影响, 反射光谱在FBG中心波长KB 处出现峰值(图3)。布拉格衍射条件可表示为:

式中, KB 为FBG中心波长; neff 为纤芯的有效折射率; + 为FBG栅距。当光栅受到诸如应变和温度等环境因素影响时, 栅距+和有效折射率neff都会相应地发生变化, 从而使反射光谱中FBG中心波长发生漂移, 波长漂移量与应变和温度的关系可表示为:

式中, $K为FBG中心波长的变化量; P e 为有效光弹系数; E为光纤轴向应变; $T 为温度变化量; A为光纤的热膨胀系数; F为光纤的热光系数。因而, 通过测量FBG中心波长的漂移值就可得出相应的应变和温度变化量[10]。

用于工程监测时, FBG传感器的最大优势在于具有多分复用功能, 也就是将具有不同栅距+ 的
FBG制作在同一根光纤不同位置上, 采用波分复用技术实现应力和温度的准分布式测量。例如, Micron Optics公司的si425 系统解调仪采用4个通道可同时监测多达512个传感器, 其应变和温度分辨率可分别达到1个微应变和0. 1度。

另外, 大型工程的监测需要对工程结构体系在振动荷载, 如车辆动载荷、风和地震波等作用下变形能量和运动能量相互转换的过程进行监测, 获取结构动力放大系数以及通过模态分析进行损伤识别等, 这需要由动态监测系统来实现。传统的电磁类传感器的灵敏度低、频带范围窄、抗干扰能力差, 已经不能满足大型工程动态监测的要求。在振动监测方面, FBG 振动传感器是根据光栅的波长调制原理, 检测外界的微扰振动作用下光栅的栅距变化引起的中心波长动态变化量, 从而获得相关的振动参数[11]。与常规的振动传感器相比, FBG振动传感器
具有固有动态范围宽、灵敏度系数大和抗电磁干扰等优点, 能实现长期、实时在线测量。

2.4 分布式光纤传感器

光源发出的光在光纤内传输过程中会产生后向散射, 根据散射机理可以将光纤中的散射光分为三类: 瑞利(Rayle igh)散射光、布里渊( Br illou in)散射光和拉曼(Raman)散射光。其中, 瑞利散射为弹性散射, 散射光的频率不发生漂移, 而布里渊散射和拉曼散射均为非弹性散射, 散射光的频率在散射过程中要发生频移(图4), 其中A约为10~ 13GH z, B约为10~ 13THz。

分布式光纤传感技术通过测量光在光纤中传输时所产生的散射光, 根据散射光所携带的温度、应变等信息, 同时采用光时域反射(OTDR )技术, 对沿光纤传输路径上温度、应变等信息进行检测。分布式光纤传感技术是光纤传感技术中最具发展前景的技术之一, 目前应用比较多的主要有基于光时域反射的光纤传感技术、基于拉曼散射的分布式温度传感技术和基于布里渊散射的分布式传感技术。

2.4.1 基于光时域反射的分布式传感器

光时域反射计(Optical T ime – Doma in Reflectometer, 简称OTDR )是最早出现的分布式光纤传感系统, 它主要用于测量通信系统中光纤光损、断裂点的位置。光时域反射技术采用类似于雷达的测量原理: 从光纤一端注入光脉冲, 光在光纤纤芯传播过程中遇到纤芯折射率的微小变化就会发生瑞利散射, 形成背向散射光返回到光纤入射端。瑞利散射光的强度与传输光功率之比是光纤的恒定常数, 如果光纤某处存在缺陷或因外界扰动而引起微弯, 该位置
散射光强会发生较大衰减, 通过测定背向散射光到达的时间和功率损耗, 便可确定缺陷及扰动的位置和损伤程度。光纤上任意一点至入射端的距离Z可以由公式( 4)计算得到:

式中, c为真空中的光速; n 为光纤的折射率; T 为发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。

近年来, 国内外研究者将基于OTDR 的分布式光纤传感技术应用于裂缝监测, 取得了不少成
果[ 12, 13]。但由于OTDR 分布式光纤传感技术主要基于光纤微弯损耗机制, 光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素都会对探测光强产生影响, 传感参量难以标定, 限制了该技术在工程中的推广应用。

2.4. 2 拉曼分布式温度传感器

拉曼散射是脉冲光在光纤中传输时, 光子与光纤中的光声子非弹性碰撞作用的结果。光注入光纤中时, 反散射光谱中会出现两个频移分量: 反斯托克斯光(Anti- Stokes)和斯托克斯光( Stokes) (图4)。 斯托克斯光和反斯托克斯光的强度比与光纤局部温度具有如下的关系[14] :

式中, R (T ) 为待测温度的函数; Ias 为反斯托克斯光强度; Is 为斯托克斯光强度; Mas 为反斯托克斯光频率; Ms 为斯托克斯光频率; c真空中的光速; $M为拉曼频移量; h 为普朗克常数; K为玻尔兹曼常数; T 为绝对温度。因此, 通过检测背向散射光中斯托克斯光和反斯托克斯光的强度, 由式( 5)结合OTDR 技术就可以对光纤沿线的温度进行测量和空间定位,实现基于拉曼散射的分布式温度传感。

目前, 由英国Sensornet商业化生产的基于拉曼散射的分布式温度传感系统Sentine lDTS系统, 在0~ 10km监测范围内1m空间分辨率下, 其温度分辨率可以达到0. 01e 。在大坝监测应用中, 0. 01e 的温度分辨率可以确保实现对渗流的监测, 对大坝内部结构的侵蚀状况进行分析。

2.4. 3 布里渊散射分布式光纤传感器

布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时产生非弹性碰撞而出现的光散射过程。在不同条件下, 布里渊散射又分为自发散射和受激散射两种。

在注入光功率不高的情况下, 自发热运动而产生的声学声子在光纤传播过程中, 对光纤材料折射率产生周期性调制, 形成以一定速率在光纤中移动的折射率光栅。入射光受折射率光栅衍射作用而发生反向散射, 同时使布里渊散射光发生多普勒效应而产生布里渊频移, 这一过程称为自发布里渊散射; 通过向光纤两端分别注入反向传播的脉冲光(泵浦光)和连续光(探测光), 当泵浦光与探测光的频差处于光纤相遇区域中的布里渊增益带宽内时, 由电致伸缩效应而激发声波, 产生布里渊放大效应, 从而使布里渊散射得到增强, 这一过程称为受激布里渊散射。对于受激布里渊散射, 泵浦光、探测光和声波三种波相互作用, 泵浦光功率向斯托克斯光波和声波转移, 由声波场引起的折射率光栅衍射作用反过来耦合泵浦光和探测光。泵浦光和探测光在作用点 发生相互间的能量转移, 当泵浦光的频率高于探测光的频率时, 泵浦光的能量向探测光转移, 称为增益型受激布里渊散射; 当泵浦光的频率低于探测光的频率时, 探测光的能量向泵浦光转移, 称为损耗型受激布利渊散射。前者的泵浦光在光纤内传播过程中其能量会不断地向探测光转移, 在传感距离较长的情况下会出现泵浦耗尽, 难以实现长距离传感; 而后者能量的转移使泵浦光的能量升高, 不会出现泵浦耗尽情况, 使得传感距离大大增加, 在长距离光纤传感技术中应用较多。

布里渊散射同时受应变和温度的影响, 当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时, 光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移, 频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系, 因此通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频移量就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。

2.4. 3. 1 基于自发布里渊散射的分布式光纤传感器

自发布里渊散射信号相当微弱, 比瑞利散射约小两个数量级, 检测比较困难。T. Kurash ima等人采用相干检测的方法实现了自发布里渊散射信号的探测和分布式应变和温度的测量[15]。日本ANDO公司于1996 年研发了基于自发布里渊散射原理的AQ8602型布里渊光时域反射计( Br illou in Optical Time- Domain Reflectometer, 简称BOTDR ), 到2001年推出了高精度、高稳定性的AQ8603。

BOTDR测量原理: 脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射, 入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射, 背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端, 进入BOTDR的光电转换和信号处理单元, 经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布(图5b)。发生散射的位置至脉冲光的入射端的距离Z 可以通过光时域分析由式(4)计算得到。按照上述的方法以一定间隔改变入射光的频率进行反复测量, 就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图(图5c)。理论上布里渊背散光谱为洛仑兹形, 将散射光谱拟合成洛仑兹曲线, 拟合曲线峰值功率所对应的频率即是布里渊频移MB 。如果
光纤受到轴向拉伸, 拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变, 通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量[16]。

光纤的轴向应变、温度与布里渊散射光频移的关系可表示为:

式中, E为光纤的应变; T 为温度; CS 为布里渊频移) 应变系数; CT 为布里渊频移) 温度系数; MB 是光纤的布里渊频移; MB 0、E0 和T0 是光纤初始状态的布里渊频移量、应变和温度。

该技术突破了传统点式传感的概念, 对被测对象进行分布式监测, 可以形象地得到被测对象的整体性态。目前, 该仪器可以检测最长80km范围内光纤的应变, 应变的测量范围可以达到 1. 5%, 应变测量精度为0. 003%, 空间分辨率可达到lm, 空间采样间隔最小为0. 05m, 空间定位精度最高可以达到0. 32m, 这些指标基本上能够满足地质和岩土工程监测的要求。

2.4. 3. 2 基于受激布里渊散射的分布式光纤传感器

基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析技术 ( Brillouin Optical Time-Domain Analysis, 简称BOTDA)最初由T. Horiguch i等人于1989年提出, 用于光纤通信中的光纤无损测量[17]。近十几年来, 许多知名科研机构和公司致力于BOTDA 系统的研发, 如瑞士Smartec和Omnisense公司联合研制的DiTeSt系统, 在检测范围小于10km情况下, 空间分辨率可以达到1m, 温度和应变测量精度分别为1e 和20LE。

当BOTDA系统采用的泵浦脉冲宽度减小时, 布里渊频谱发生增宽, 同时峰值信号的强度也会随之降低。因此, 仅通过减小脉冲宽度来提高空间分辨率的方法难以实现。X. Bao等通过在泵浦脉冲光前面添加泄漏光的方法, 可同时获得高空间分辨率和窄的布里渊频谱, 在实验室环境下实现了1ns脉冲宽度的受激布里渊散射, 获得了米级的空间分辨率[18]。但进行监测时, 传感光纤长度改变以后需要对测量设置进行修改, 并且随着监测范围的增大, 信号的噪音也随之增大, 使得长距离检测难以实施, 这两个技术缺陷的存在, 使得该技术难以商业化应 用。K. Kishida等基于泄漏光泵浦脉冲的理论模型, 引入预泵浦脉冲方法, 实现了厘米级的分布式传感, 并由日本Neubrex公司研制出NBX- 6000型脉冲 预泵浦布里渊光时域分析仪( Pulse- PrePump Brillouin Optica l T ime – Doma in Ana lyzer, 简称PPP-BOTDA)。

如图6, 通过改变泵浦激光脉冲结构, 在光纤两端分别注入阶跃型泵浦脉冲光和连续光, 预泵浦脉冲PL 在泵浦脉冲PD 到达探测区域之前激发声波, 预泵浦脉冲、泵浦脉冲、探测光和激发的声波在光纤中发生相互作用, 产生受激布里渊散射。泵浦脉冲对应高空间分辨率( 1ns对应10cm的空间分辨率) 和宽布里渊频谱; 预泵浦脉冲对应低空间分辨率和窄的布里渊频谱, 可确保高测量精度。通过对探测激光光源的频率进行连续调整, 检测从光纤另一端输出的连续光功率, 就可确定光纤各小段区域上布里渊增益达到最大时所对应的频率差, 该频率差与光纤上各段区域上的布里渊频移相等, 根据布里渊频移与应变温度的线性关系就可以确定光纤沿线各点的应变和温度[19]。

目前, 应用这种新的测量技术, 在1km测量范围内空间分辨率最小可以达到10cm, 同时应变测量精度可达到 0. 0025%。同BOTDR 技术相比, 基于受激布里渊散射的PPP-BOTDA传感系统可以获得相对较强的散射信号, 空间分辨率也从1m提高到了10cm, 从而使应变、温度等信息的空间定位更加准确。但BOTDA技术采用双端检测, 需要从光纤两端分别注入泵浦脉光和探测光, 传感光纤必须构成测量回路, 给工程实际应用带来一定的困难。

3 性能和特点比较

光纤传感系统具有稳定性高、频带宽和可集成性好的特点, 传感信号采用光纤进行传输, 传输损耗小、速率高, 可实现远距离传输和自动监测。光纤传感器根据传感方式不同, 可分为点式、准分布式和分布式传感器3种类型, 性能和特点如下:

(1) 点式传感器, 如SOFO位移传感器和EFPI传感器都具有较高的测量精度, 且对温度变化不敏感, 将其用于工程结构局部变形的监测, 如隧道伸缩缝、坝体裂缝等, 可以得到准确的变形信息以及变形随时间的发展情况。但在多点监测应用时, 同FBG 传感器相比, 这类传感器实现多路复用相对比较困难。

(2) FBG传感器是一种准分布式传感器, 可以将多个FBG传感器按一定的拓扑结构离散或连续地组合在一起构成传感器网络, 采用波分复用结合时分复用、空分复用或频分复用等复用技术进行多点测量。相对于点式传感器, FBG传感器更适合于大型基础工程的多点监测, 如隧道、地铁和大坝等关键部位的变形监测。

(3) 分布式光纤传感技术中, OTDR技术基于分布式光功率检测, 传感器因微弯造成的光纤光损大和参量难以标定, 暂未得到广泛推广。拉曼分布式温度传感技术和布里渊分布式光纤传感技术是光纤传感技术中最具前途的技术, 它们应用光纤几何上的一维特性进行测量, 把被测参量作为光纤长度位置的函数, 可以给出大范围空间内某一参量沿光纤经过位置的连续分布情况。将传感光纤按照一定拓扑结构布置成二维或三维网络, 可以实现监测对象平面或立体的温度、应变监测, 克服传统点式监测方式漏检的弊端, 提高监测的成功率。分布式光纤传感技术在大型或超大型工程的整体应变、温度的监测方面更具优势, 如隧道和地铁的分布式火灾监测报警、油气管线泄漏监测、大坝和堤防渗漏监测及边坡分布式监测等, 可对监测目标进行远程、无人值守的自动监测。

4 相关课题及发展方向

(1) 传感器的封装与保护: 对于不同的工程应用, 传感器要安装在结构表面或埋入结构内部。光纤传感器比较脆弱, 在施工和后期监测过程中容易受到破坏, 尤其是埋入式光纤传感器, 一旦发生破坏, 对传感器进行修复十分困难。因此, 需要根据不同的工程应用, 制定相应的传感器封装技术和保护措施, 使传感器在在各种恶劣环境中能够正常地工作。目前, 国内外许多学者针对这个问题开展了大量的实验和应用研究, 如欧进萍等研发了管式、片式封装的FBG传感器, 已形成定型产品并在实际工程中进行了应用[ 20]。南京大学光电传感工程监测中心针对分布式光纤传感技术在隧道、桩基和边坡工程监测中的应用, 研发了多种传感光纤封装技术, 取得了一批重要成果[ 21~ 23]。

(2) 传感器的标定: 实际监测应用中需要对光纤传感器进行封装保护, 封装材料会吸收一部分结构应变, 从而会改变传感器的应变传递性能。因此, 需要通过理论模型分析和标定实验来校正误差, 对光纤传感器的应变传递系数进行标定, 使监测数据和工程结构实际变形更加吻合。Q ingbin L i等将光纤护套视为理想弹塑性材料, 通过理论模型分析, 得到光纤护套在弹性、弹塑性和塑性变形阶段的应变传递系数, 并通过室内实验对理论拟合的效果进行了验证[24]。南京大学光电传感工程监测中心针对分布式光纤应变传感器的标定, 研发了由等强度悬臂梁、动静力加载系统、动静态应变参考测量系统、三点挠度测量系统以及数据分析软件组成的分布式光纤应变传感器率定仪, 并取得了国家发明专利 [25] 。

(3) 温度补偿: 应变和温度变化都会引起FBG中心波长的漂移, 使FBG传感器对应变和温度具有交叉敏感作用, 实际应用中需要采取相应的温度补偿措施。通常的解决办法是采用在FBG传感器旁边放置特殊封装、只对温度敏感的FBG温度传感器来测量温度变化, 实现传感光栅的温度补偿。基于布里渊散射的分布式光纤传感器也存在应变和温度的交叉敏感问题, 需要设置相应的温度补偿装置或者采用单一敏感的调制解调技术来实现温度与其他测量分量的准确分离。比较通用的方法是在传感光纤旁边并排铺设自由光纤, 通过测量自由光纤的布里渊频移变化计算温度变化, 来实现传感光纤的温度补偿[23]。目前, 由英国Sensornet公司研制的DTSS分布式温度与应变传感系统, 能够单独进行温度和应变测量, 从而可以很好地解决温度和应变的交叉敏感问题。集分布式温度和应变传感于一体的监测系统是分布式光纤传感技术的一个重要发展方向。

(4) 传感器的优化布置: 传感器的优化布置是工程监测的重要研究课题, 是建立和实现有效监测系统的关键因素。传感器的优化布置需要在综合考虑工程地质条件、结构特点、功能要求和性价比等因素的基础上, 给出传感器数目和测点定位的最优设计方案。M. Meo等对传感器优化中常用的几种方法,即有效独立法、有效独立激励点残差法、动能法、奇异值向量乘积法和非最优激励点法在悬索桥传感器优化布置中的应用效果进行了评价, 并提出一种基于最大信息子集技术的变异方法, 该方法的最大优势在于能够给出最优的传感器数目[26]。国
内方面, 清华大学土木系李戈等将遗传算法用于搜索悬索桥结构健康监测系统中传感器的最优测点, 并在实际工程应用获得了稳定可靠的结果[27]。

(5) 监测数据分析: 监测数据中通常存在各种因素造成的误差, 为了得到被测量的变化趋势, 通常需要对监测数据进行拟合, 如采用小波分析、时间序列分析、灰色系统方法和回归分析等, 来削弱偶然误差的影响。徐洪钟等将小波分析用于BOTDR 光纤传感器的信号处理, 研究采用的基于小波分析的噪声消除和异常点检测方法, 不需要过程先验知识, 特别适用于BOTDR 采集的海量数据[28]。另外, 将GIS技术应用于工程监测中, 实现数据的采集与管理、监测结果可视化和监测信息对比与查询功能, 建立集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统也是监测数据分析的重要手段 [29] 。最后, 将地质和岩土工程监测、反分析及正分析结合起来, 对岩土体变形和工程稳定性进行评价和预测, 在指导工程设计、施工和维护等方面具有着重要的实用价值和应用前景[30]。

5 结语

目前, 光纤传感监测技术已成为一些发达国家如美国、日本、加拿大、瑞士和法国等竞相研发的尖端传感监测技术, 它必将对现有的地质和岩土工程检测和监测技术带来革命化的影响。但相对于常规传感器, 光纤传感器和解调仪器的价格普遍较高, 影响了其在地质和岩土工程监测中的普遍应用。可以相信随着科学技术的不断进步和国产化技术的日益成熟, 高性能、低成本的光纤传感器和解调设备不久将会出现, 光纤传感技术在地质和岩土工程监测中 的应用将更加普遍。