吳統(tǒng)一 王勃慧

（青海省核工業(yè)地質(zhì)局，西寧 810008）

根據(jù)國內(nèi)外對滑坡監(jiān)測技術(shù)的研究，滑坡監(jiān)測的復(fù)雜性在于工程巖體的復(fù)雜性?；略谛纬珊痛嬖诘恼麄€地質(zhì)過程中，經(jīng)歷多次的地質(zhì)變化，承受構(gòu)造力的影響，諸多影響互相聯(lián)系互相作用，決定了復(fù)雜性是滑坡的本質(zhì)屬性。

1 同OTDR相關(guān)技術(shù)介紹

《滑坡地質(zhì)災(zāi)害TDR監(jiān)測技術(shù)研究》一文，以開展滑坡監(jiān)測的TDR 技術(shù)研究為主體，TDR監(jiān)測技術(shù)產(chǎn)生于上世紀(jì)30年代，TDR的輸出信號是脈沖電壓，測試對象是反射系數(shù)。其在滑坡監(jiān)測中的作用越來越引起人們重視。TDR技術(shù)又稱“閉路雷達(dá)”，與雷達(dá)技術(shù)的工作原理基本相同。TDR滑坡監(jiān)測技術(shù)的原理：在待監(jiān)測的巖體或土體中鉆孔，將同軸電纜放置于鉆孔中，頂端與TDR 測試儀相連，并以砂漿填充電纜與鉆孔之間的空隙，以保證同軸電纜與巖體或土體的同步變形。巖體或土體的位移和變形使埋置于其中的同軸電纜產(chǎn)生剪切、拉伸變形，從而導(dǎo)致其局部特性阻抗的變化，電磁波將在這些阻抗變化區(qū)域發(fā)生反射和透射，并反映于TDR 波形之中。通過對波形的分析，結(jié)合室內(nèi)標(biāo)定試驗建立起的剪切和拉伸與TDR 波形的量化關(guān)系，便可掌握巖體或土體的變形和位移狀況。

同時隨著社會的發(fā)展，OTDR技術(shù)也在滑坡監(jiān)測系統(tǒng)中不斷的得到了完善，OTDR 即“光時域反射計 (Optical Time Domain Reflection，簡稱OTDR)是1977年Barnoski博士發(fā)明的，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障檢測的一種有利手段。由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，射入一束光脈沖會產(chǎn)生瑞利(Rayleigh)散射。”[2]有許多文獻(xiàn)都對OTDR技術(shù)進(jìn)行了研究，分析滑坡監(jiān)測的基本原理與監(jiān)測方法。因此采用光纖的光時域反射法進(jìn)行滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測，是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)。

光時域反射這項技術(shù)的原理在于：OTDR輸出光脈沖信號，通過對光強(qiáng)的測試，來確定傳感型傳感器整個連續(xù)光纖的長度上以距離的連續(xù)函數(shù)的形式傳感處被測參數(shù)隨光纖長度方向的變化，因此較典型的是形成了光時域反射計。

滑坡監(jiān)測和預(yù)警過程，需要檢測人員將室外現(xiàn)場觀測、實驗室試驗和理論分析三方面有機(jī)地結(jié)合，才能做出科學(xué)的、實用性的監(jiān)測結(jié)果。某種程度上而言，光時域反射的檢測方法是一種智能化的、實時化和信息化的監(jiān)測技術(shù)方法，過程中要提高監(jiān)測的精度和可靠性，監(jiān)測數(shù)據(jù)就需要進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

2 OTDR的工作原理及優(yōu)劣

2.1 OTDR的工作原理

OTDR光時域反射計的工作原理是由其自帶的光源發(fā)出光脈沖，經(jīng)耦合器注入被測光纖，光電接收器接收到的瑞利背向散射和菲涅爾反射信號是一列按時間順序分布的光強(qiáng)度信號，每個時刻的信號強(qiáng)度對應(yīng)著相應(yīng)的光纖位置的瑞利背向散射或菲涅爾反射強(qiáng)度，接收器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，將其送到信號處理系統(tǒng)和計算機(jī)進(jìn)行處理和運(yùn)算，顯示器可以顯示出沿光纖整個路段返回的光強(qiáng)度的分布?！肮鈺r域反射計性能參數(shù)主要包括動態(tài)范圍、盲區(qū)、分辨率、精度等。”[3]文中介紹了光時域反射計有四種動態(tài)范圍定義：①IEC定義(Bellcore) ②RMS定義③N=0.1dB定義④端探測(End detection)。以及光時域反射計的四種主要分辨率指標(biāo):“取樣分辨率、顯示分辨率(又叫讀出分辨率)、事件分辨率和距離分辨率?！盵3]尤其列出了光時域反射計可執(zhí)行的測量，如：對每個事件:距離,損耗,反射；對每個光纖段:段長,段損耗dB或dB/Km,段回波損耗(ORL)；對整個終端系統(tǒng):鏈長度,鏈損耗dB,鏈ORL等。

該技術(shù)的原理涉及到瑞利后向散射光，并光在光纖中的傳播速度、光纖的折射率等要素而形成了計算公式。換句話說，傳感型傳感器是利用光纖本身的敏感特性，而我們利用光時域反射技術(shù)，就可以實現(xiàn)對光纖各測量點的空間定位。例如過渡光纖就是一段用于連接OTDR與待測光纖、常300~2000m的光纖，可以用于測量前端盲區(qū)處理和終端連接器插入損耗。因此光纖系統(tǒng)終端連接器插入損耗可通過OTDR加一段過渡光纖來測量。

2.2 OTDR的優(yōu)劣

（1）基于光時域反射的新技術(shù)在監(jiān)測過程中有諸多優(yōu)勢，如它能進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，能在易燃、易爆等各種危險環(huán)境下進(jìn)行工作。主要有以幾個方面的優(yōu)勢：

第一，傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù)，并不能精確的研究光纖的傳輸，光纖的雜質(zhì)以及其它缺陷會影響監(jiān)測結(jié)果。而利用光時域反射的技術(shù)，不僅能精確地測定光纖的衰減特性，而且能確定光纖的雜質(zhì)以及其它缺陷引起光能損失的空間位置分布。因此相比較于以往的傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)，具有很大的優(yōu)勢。在監(jiān)測過程中進(jìn)行推廣，能很好的提高滑坡監(jiān)測的準(zhǔn)確性、科學(xué)性和時效性。利用OTDR可以在滑坡監(jiān)測過程中，加強(qiáng)在常規(guī)監(jiān)測方法中的地表位移監(jiān)測和應(yīng)力監(jiān)測水平和效率，尤其是在為滑坡推力進(jìn)行監(jiān)測、抗滑支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測等方面，能得到顯著效果。

第二，根據(jù)滑坡監(jiān)測布設(shè)的原則，布設(shè)需要點面結(jié)合，監(jiān)測網(wǎng)由監(jiān)測線( 剖面) 和監(jiān)測點組成，因此布設(shè)網(wǎng)點不僅要成點、線、面、體的三維立體的布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)，還要確保監(jiān)測網(wǎng)能盡可能準(zhǔn)確的監(jiān)測崩滑體的主要變形方位、變形量、變形速度、變形發(fā)展趨勢。而OTDR技術(shù)通過對光纖各測量點的空間定位，能對各個監(jiān)測點搜集的數(shù)據(jù)形成整體的、系統(tǒng)的定位提高監(jiān)測技術(shù)的科學(xué)性，同時也能保證滑坡的實時化監(jiān)測。而且隨著技術(shù)的發(fā)展，不僅成本和價格有了很大降低，而且還在完善過程中形成了光纖斷點、光纖接頭松動等故障的查找;測量光纖長度;測量光纖總損耗、平均損耗;測量連接器、連接點的損耗;測量連接器的回波損耗五方面的應(yīng)用。

（2）該技術(shù)運(yùn)用時要注意的問題（即劣勢）

該技術(shù)的使用過程中存在以下問題：如連接器接頭的情節(jié)，接頭不清潔會導(dǎo)致測量不可靠、曲線多噪音甚至使測量不能進(jìn)行。另外，在監(jiān)測人員還需注意溶解增益、鬼影以及折射率與散射系數(shù)的校正情況，從光線兩端測出的衰減值有差別，應(yīng)當(dāng)去平均值。因此在運(yùn)用該技術(shù)的過程中，要不斷總結(jié)新的工作經(jīng)驗，使其在檢測過程中發(fā)揮最大效力。

3 OTDR技術(shù)在監(jiān)測技術(shù)中的運(yùn)用及意義

3.1 OTDR技術(shù)在理論上的運(yùn)用

“分布式光纖傳感技術(shù)是最能體現(xiàn)光纖分布伸展優(yōu)勢的傳感測量方法,它是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時域反射(OTDR)技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)?！盵4]光時域反射技術(shù)應(yīng)用到分布式光纖傳感器中，不僅能夠連續(xù)現(xiàn)實布設(shè)的整個光纖路線的距離變化下的損耗情況，而且作為一種非破壞性的測量方法，還有功能多樣，使用相對便捷的特點。該技術(shù)主要用于對光纖損傷點的檢測，這樣才能保證滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的順利進(jìn)行。

3.2 國內(nèi)OTDR技術(shù)的實踐應(yīng)用

就國內(nèi)而言，三峽大學(xué)的蔡德所、何薪基、李俊美基于微彎機(jī)制強(qiáng)度調(diào)制光時域反射(OTDR)技術(shù)的分布式光纖傳感，在室內(nèi)進(jìn)行了光纖模擬邊坡滑移狀態(tài)下的實驗，并且在較困難的作業(yè)環(huán)境下成功的進(jìn)行了埋設(shè)。中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所的周策、陳文俊和湯國起，利用OTDR技術(shù)進(jìn)行分布式壓力測量，對巖體推力進(jìn)行系統(tǒng)檢測，并對光線數(shù)據(jù)的空間分辨率和靈敏度等方面進(jìn)行了分析。還有其他一些通過OTDR技術(shù)展開的滑坡監(jiān)測系統(tǒng)的野外試驗，都證明了該技術(shù)的有效性和監(jiān)測系統(tǒng)工作的可靠性。

3.3 國際上OTDR技術(shù)的實踐應(yīng)用

國際上，日本的Ando公司利用該項技術(shù)開發(fā)出了光纖應(yīng)變測量儀,該測量儀在應(yīng)變測量的精度上達(dá)到±0.01%,距離分辨率達(dá)到1 m，作為基于布里淵散射的應(yīng)變測量儀，很好的提高了監(jiān)測的準(zhǔn)確性、合理性和科學(xué)性。我國也加強(qiáng)了散射頻移和強(qiáng)度的同時檢測技術(shù)，以實現(xiàn)溫度和應(yīng)變的同時傳感。

3.4 OTDR技術(shù)對我國的重大意義

我國是一個崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生十分頻繁和災(zāi)害損失極為嚴(yán)重的國家，尤其是中西部地區(qū)。根據(jù)國土資源部統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，2011年全國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害15664起，其中滑坡11490起，占73.4%，造成人員傷亡的地質(zhì)災(zāi)害119起，245人死亡、32人失蹤、138人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失40.1億元?；陆o人們的生命財產(chǎn)造成了嚴(yán)重的損害，同時在一定程度上也影響了地區(qū)的生產(chǎn)、生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此監(jiān)測人員應(yīng)當(dāng)采用最新技術(shù)對滑坡災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測，將OTDR在滑坡監(jiān)測系統(tǒng)中不斷加強(qiáng)應(yīng)用不斷推廣。

[1] 張青.滑坡地質(zhì)災(zāi)害TDR監(jiān)測技術(shù)研究[D].吉林：吉林大學(xué) ,2007（1-14）

[2] 仝達(dá)偉,張平之.滑坡監(jiān)測研究及其最新進(jìn)展[J].傳感器世界 .2005-6（3）

[3] 馬正先,熊建文,周篪聲,麥冠華. OTDR在光纖測量中的應(yīng)用[J].激光雜志,1999第2期（2-3）

[4] 倪玉婷,呂辰剛,葛春風(fēng),武星.基于OTDR的分布式光纖傳感器原理及其應(yīng)用[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù) ,2006，第 1 期（1-2）