摘 要：滑坡灾害在我国分布广泛, 实施有效的监测预警和风险管理措施是该领域防灾减灾的关键。近几十年来, 分布式光纤传感技术(distributed fiber optic sensing, 简称DFOS)在滑坡监测领域取得了显著进展, 相较于常规监测方法具有分布式、长距离、大量程和多参量监测的优势。首先介绍了几种有代表性的光纤传感技术, 提出滑坡光纤神经感测系统的概念, 并详细阐述了各类光纤传感器的工作原理及其布设工法。在此基础上, 介绍了2个利用超弱反射光纤布拉格光栅(ultra-weak fiber Bragg grating, 简称UWFBG)监测技术的典型滑坡案例, 并进一步讨论了当前存在的技术瓶颈。案例分析结果表明, 光纤神经感测系统能实现远程、实时、高精度的地下多参量数据采集, 可准确探测潜在滑面及其他关键界面位置, 界面处的多物理量变化为揭示滑坡地下演化过程提供了重要的数据支持, 为滑坡预测预警提供了新的思路。
论文框架：
1 光纤传感技术的工作原理
1.1 光纤布拉格光栅(FBG)技术
1.2 超弱反射布拉格光栅(UWFBG)技术
1.3 布里渊光时域反射和分析(BOTDR/ A)技术
1.4 分布式温度感测(DTS)技术
2 光纤神经感测系统
2.1 概念及系统组成
2.2 布设工法
3 滑坡光纤神经感测系统应用案例
3.1 新铺滑坡
3.2 猪头山滑坡
4 当前关键瓶颈问题
4.1 光纤解调和数据传输方案
4.2 光纤传感器的布设和保护
4.3 滑坡多场数据解译和状态判识
5 结论
(1)分布式光纤技术相比于传统技术具有耐腐蚀、抗电磁干扰、精度高和分布监测等优点,能够实现滑坡连续性监测,但监测精度相对较低、实时自动化监测仍存在挑战。随着准分布式FBG技术的成熟,UWFBG技术结合了分布式和准分布式优点,不仅能够实时连续监测,还能提供高精度的监测结果。
(2)2个监测案例验证了多源传感器的组合或高空间分辨率的UWFBG监测技术在地下关键界面识别方面显著的优势。通过延长数据集的时间尺度,可能为揭示滑坡变形机制的分析、触发因素的识别提供关键的数据支撑,也为在类似工程地质条件下的监测应用提供重要的参考。
(3)滑坡光纤神经感测系统面临三大瓶颈问题,即光纤解调性能与成本约束、传感器环境适应性与现场保护、监测数据解译效率与滑坡状态判识。针对这些挑战,未来的技术发展需着重优化解调设备成本效益、增强感测系统的鲁棒性,以及改进数据处理算法,以提高判识系统的实时性和准确性。
图片赏鉴：
KT.温度比例系数；Kε.应变比例系数; λ.波长; Δλ.波长变化量; ΔT.温度变化量; Δε.光纤轴向应变量
FBG传感原理图（改自ZHU H H等,2024）
t.同一入射光下的反射时间差；λ1, λ2, …, λn-1, λn.不同光栅的位置
UWFBG分布式测量原理图（改自YE X等,2022）
BOTDR/A传感原理（改自WANG D Y等,2023） 
t.刚性加载板厚度, mm; B.刚性加载板宽度, mm; b.临坡距, mm; P.强度；H.管道上覆土层厚度，mm; D.管道外径, mm；H1，H2，H3.xoz平面S型布设的3层横向光缆的水平高度; θ边坡坡脚角度, (°)
边坡与管道相互作用模型光纤分布图（改自喻文昭等,2024）
离心机边坡模型光纤分布图（改自ZHANG L等,2019）
基于光纤传感器的高速公路边坡监测系统（改自ZHU H H等,2012）
表征水库滑坡热-水-力学行为的光纤神经感测系统（改自YE X等,2022）
新铺滑坡及测点布置平面图（改自ZHU H H等,2024）
集成多物理监测系统（改自ZHU H H等,2024）
深部钻孔测斜(a)和应变监测(b)结果以及降雨、库水位数据(c)（改自ZHU H H等,2024）
猪头山滑坡平面图(a)及其光纤监测钻孔布置(b)
钻孔 BH3 孔隙水压力曲线(a)与应变时空剖面(b)(箭头对应不同时间暴雨事件)
来 源：《地质科技通报》2024年第43卷第6期，DOI:10.19509/j.cnki.dzkq.tb20240422
作 者：马宁1, 李韶凯2, 田峰1, 叶霄1, 朱鸿鹄1,3*
单 位：1.南京大学地球科学与工程学院, 南京 210023; 2.南京江北新区规划和自然资源局,南京 210032; 3.江苏省大地感知与控灾工程研究中心, 南京 210023
引用格式：马宁, 李韶凯, 田峰, 叶霄, 朱鸿鹄. 滑坡光纤神经感测系统: 技术与应用[J]. 地质科技通报, 2024, 43(6): 26-38.