铁路工程光纤监测技术研究汇报

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1、中国中铁二院地勘岩土公司复旦大学光纤研究中心铁路工程光纤监测技术研究汇报中铁二院地勘岩土公司复旦大学光纤研究中心2008年1月一、 光纤监测技术应用概述（一）应用背景工程结构物变形及地质灾害危及铁路安全，长期以来，变形及灾害监控采用人工巡道为主、辅以基于电信号、离散的各种离散电传感器监控，在针对大面积、长距离的对象时，存在选点易遗漏、监测数据可靠性低、传感器易受环境腐蚀、长期使用维护困难，基本不能实现远距离自动监测等缺点。近年来，我国铁路建设以提速为主旋律，以客运专线为代表的低（零）沉降、高安全度要求迫切需要开展实时动态监测工作，而光纤监测技术在提高采样率和抗干扰能力、实现监测设备小型化、特别

2、是在地形艰险、地质复杂地区，可利用带状铁路工程的既有光纤通道，开展远程监测方面具有明显的优越性和巨大的发展潜力。（二）应用范围光纤传感监测技术的应用范围可概括为四个方面：1铁路、公路隧道，地铁变形监测隧道、地铁等地下工程施工变形监控量测，是地下工程施工不可缺少的工作内容，是工程设计及选择支护措施的主要依据。特别是大变形隧道，变形监控量测更显重要。光纤传感监测可以实现对隧道、地铁变形的实时监测。2铁路、公路路基变形检测铁路、公路路基工后沉降是路基填实程度及施工质量检验的主要技术指标。特别是铁路客运专线路基地段采用无碴轨道技术，对路基工后沉降要求极高，要求施工过程及施工完成后均要对路基沉降量进行监

3、测，检验路基沉降是否收敛，工后沉降是否满足技术要求。客运专线运营期间路基沉降变形超限，可能引起行车安全事故，路基沉降变形监测十分必要。光纤传感监测可以在路基施工期间对施工质量、工后沉降和运营期间的沉降进行实时监测。3地质灾害监测、预报滑坡、崩塌、错落、危岩等不良地质对铁路施工、运营安全危害极大，但其发生、发展均有其内在规律，加强对不良地质体变形的监测，是不良地质预测、预报的基础。光纤传感监测可以实现对不良地质体的实时监测，为不良地质的预测、预报提供监测数据。4落石、人、畜蓄侵入侵形成越界事件的监测、定位和预警落石、人、畜蓄侵入侵铁路限界可能造成行车安全事故。光钎监测系统可以实现对越界事件的监测

4、、定位和预警。（三）国内外技术现状目前，国际上适用的长距离光纤监测技术、以采用布里渊时域反射机理（BOTDR）和光栅机理(FBG)为主，且已由国内数家单位用于隧道变形、滑坡监控，但却存在不足。首先是技术路线上有缺陷，如温度控制问题、只能测静态、准静态变化等。最大的问题在于，以BODTR为代表的先进分布式光纤传感系统，其核心技术，乃至成套设备，几乎都垄断于国外公司。其价格昂贵（高端产品达到1030万美元/台）。而且由于核心技术和设备受制于人，即便国内具体应用环境和用户需求有特异性，这类进口设备本身难以二次开发，国内科研院所和工程部门均只是应用单位，多是在购入进口设备后，在应用方式和后端处理上进行

5、研发，从未来开发一个庞大的产业市场的观点来看，国内机构几乎只是利润贡献者，而不能创造、享有设备开发、制造和应用带来的巨大利润。因此，当务之急是根据结合现有光纤应用技术的不足，尤其是针对原创性设备开发上存在的巨大缺失，开发具有完整自主知识产权、创新性的光纤传感监测系统。，结合我国在工程建设应用领域巨大的市场需求，加以推广应用，最终使我国不仅成为建设大国，更成为监控技术领先的国家。在全球范围内，光纤技术在工程监测上的应用尚属方兴未艾的新颖课题，国内和国外在原理性技术研发上差距不大，而在应用规模、应用领域和设备制造等各个环节，则落后于欧美、日本甚至韩国。对此，国家已经给予高度重视。在今年“十一五”国

6、家科技支撑计划中，科技部已提出了“重大地质灾害监测预警及应急救灾关键技术研究”重点项目课题，其中“地质灾害监测光纤传感技术应用研究”明确针对光纤传感器开发。在863计划支持中，也有相应部分。据了解，铁道部、科技部在该领域未来预期还会有大量科研项目、经费支持。但对申请单位，要求具有良好的前期研究基础，并且长期从事相关应用领域的监测技术研究工作，明确鼓励科研院所与工程设计应用第一线单位的紧密合作。二、 前期研究基础复旦大学光纤研究中心在光纤传感器原理创新、结构设计和软件开发上具有技术积累和人才优势，核心技术为基于白光干涉原理的分布式长距离光纤传感技术，并在光纤长距离动态监控技术方面取得了突出的成绩

7、，该技术利用普通光缆，在长距离范围内，对光缆附近的振动情况进行实时监测，分析判断现场情况并定位发生位置。目前该技术已经在长距离管道安全监测、大区域周界安防监测等领域获得实际应用。该技术已经由复旦企业编制了企业标准，此为国内目前光纤安防领域内的第一个标准。而与总参通讯部共同研发的通讯光缆安防系统，已于2006年通过专家鉴定，鉴定意见为：“该项目解决了国防通信建设中面临的光缆通信线路安全监测问题。填补了该领域的空白，其中首次提出并使用的单芯定位技术具有重大技术创新，系统总体达到了国内领先、国际先进的水平，应用前景广阔。”目前该项目已获得一定规模应用。中铁二院工程集团有限责任公司在工程勘察、设计、系

8、统集成等应用领域具备雄厚的实力，与复旦大学合作，致力光纤传感技术设备研发和工程监测的新应用，可实现优势互补，开发适合我国具体环境和工程需求的创新性设备，使光纤传感技术在工程监测中，由定性上升到定量，最终达到矢量化监测的目的。从当前工程建设对工程监测的要求和我公司与复旦大学所具备的雄厚技术条件看，通过研发，实现这一突破性发展，具有迫切的必要性和现实的可行性，并有望在短期内实现具有自主知识产权的先进光纤传感技术产业化。三、 技术方案(一) 传感器原理光纤传感单元主要由以下几个部分组成：导向装置、编码装置、光纤探头单元和牵引线、顶板、底板等组成。牵引线连接编码装置和沉降板，底板与固定底座连接；导向装

9、置固定在底板上，精确引导牵引线在一维方向上运动；作为核心部件的编码装置和光纤探头单元分别固定在顶板和底板上，当路基有沉降发生时，通过牵引线将沉降点相对于固定参考点产生的位移转换为编码尺和光纤探头间的相对位移。单个光纤传感器原理及安装示意图 该方案能购实现绝对测量的核心在于采用了绝对编码方式。由于后期有光电转换部分和输出软件，可以在后期利用软件根据距离单位转换成高度值，通常情况下只要用二进制方式编码即可。其中纯二进制码为有权码，这种码制的主要缺点是码盘制作或安装过程中的任何误差，只要有一个码道提前或延后改变，就可能会造成输出的粗误差。究其原因，是因为该种进位码，当某一较高位数码改变时，所有比它低

10、的各位数码均同时改变，这是有权码存在的共同问题。而格雷码就是为了解决这类问题而产生的。n位格雷码和二进制码一样，有2n种不同的编码。格雷码为无权码，格雷码从某个位置移动到相邻两个位置时，编码器n位中只有一位发生变化，因此只要适当控制各条码道的制作误差和安装误差，读数器就不会产生粗误差。因此，传感器设计选用了格雷码作为编码尺的编码方式。编码尺和光纤探头之间的配合采用光学反射的方式：编码尺由表面镀有高反射率的材料作为基体，在表面通过刻蚀的方法产生反射、透射依次间隔的横向条纹，当光从光纤探头垂直入射到编码尺表面时，遇到反射部位时光沿光纤原路返回，在探测终端产生数字信号“1”，当遇到编码尺透射的部位时

11、，没有光强返回，相应在终端产生数字信号“0”。编码尺的编码方案采用格雷码，以7位码为例，在编码尺上顺其长度方向平行刻蚀7条码道，7根光纤探头沿着编码尺横向排列，分别对应7条码道。当编码尺和光纤组之间有相对位移时，由于光纤探头对应的编码尺表面反射情况发生转换，7根光纤分别在终端形成“0000000”到“1111111”之间变化的数字信号，而这些数字编号则是和路基沉降的绝对位置一一对应的。传感单元所能表达的信息量由光纤探头的数目决定，当采用n位编码（n根光纤）时，共可表达2n个绝对位置的信息；传感精度依赖于编码尺的最小刻蚀分辨率，量程则由编码的位数和分辨率共同决定，仍以7位码为例，该传感单元共可表