用分布式光纤解决机场路基健康隐患

进入新世纪，国际机场面临着巨大的发展机遇，ZG民用航空随着民航事业的发展及客货运量的不断增长，国际航线数量和国际航班的密度稳步提高，机场进行了大规模的扩建与新建。于此同时，大面积的机场跑道面临着地质条件复杂、施工难度较大的问题。

机场路基施工时遇到大量的土石方的深挖和高填施工。高填方路基施工完工后，随着时间的延长和飞机重复载荷的作用，常出现路基的整体沉陷或局部沉陷、纵横向开裂、边坡失稳、路基不均匀沉降、排水设施不合理等健康隐患，严重影响机场的安全运营。为了准确及时的掌握路基健康状况，采用分布式光纤感测技术对路基结构进行监测，从而进一步预测其隐形灾害，并做到预报预警，指导防灾减灾措施的建立和实施，确保机场施工期与运营期的安全。同时，机场在抗灾救灾中扮演着举足轻重的角色，但也面临着在地震等灾害发生后，如何对受灾区或附近机场进行快速的结构健康状态评估的问题，分布式光纤感测技术由于其性能稳定、寿命长、可快速整体检测等优势，在机场健康监测中具有广泛的应用前景。

分布式光纤温度感测技术（Distributed Temperature Sensing–DTS），是一种利用激光在光纤中传输时产生的背向拉曼散射信号来获取空间温度分布信息的监控系统，是近年发展起来的一种用于实时监控温度场的高新技术。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，系统采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，有两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集。

拉曼温度测量原理图

光在光纤中传播，由于光纤中的超声波会发生拉曼散射，拉曼散射的能量分布与温度直接相关，通过该技术可探测到光纤沿线的每一点温度。分布式光纤测温系统能够连续测量光纤沿线所在处的温度，ZD测量距离在20km以上，适用于大范围多点测量。

目前拉曼光时域的测温系统（Raman Optical Time Domain Reflectometer，简称ROTDR）测温精度在0.5℃以内，分辨率为0.1℃。拉曼光频域的测温系统（Raman Optical Frequency Domain Reflectometer，简称ROFDR）测温精度在0.1℃以内，分辨率为0.01℃。

当光纤注入一束激光，光纤中每点均会发生布里渊光散射效应，布里渊散射光的ZX频率漂移量与光纤各点的轴向应变相关。利用相应的解调和分析技术可以实现光纤中每一点应变的分布式检测。脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，与光纤中的声子产生布里渊散射，其中的背向布里渊散光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，得到光纤沿线各个采样点的散射光谱。当光纤沿线的存在轴向应变时，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变化呈良好的线性关系。

布里渊应变测量原理图

目前发展较为成熟的布里渊分布式光纤应变感测技术主要包括布里渊光时域反射技术（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，简称BOTDR），布里渊光时域分析技术（Brillouin Optical Time Domain Analysis，简称BOTDA）和布里渊光频域分析技术（Brillouin Optical Frequency Domain Analysis，简称BOFDA）。其中BOTDA和BOFDA技术利用受激布里渊散射，空间分辨率和精度较高，但需要双端测量；而BOTDR利用自发布里渊散射，只需单端测量，是岩土与地质工程优选监测设备。

布里渊分布式光纤应变监测系统的测试距离均在20km以上，其中BOTDR测试距离可达到120km，空间分辨率1m，应变测试精度±50με以内；BOTDA空间分辨率为10cm，应变测试精度±4με以内；BOFDA空间分辨率为20cm，应变测试精度±4με以内。

FBG利用光纤材料的光敏特性（外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用形成折射率的性变化），在纤芯内形成空间相位光栅，从而改变和控制光在其中的传播行为。它的折射率沿光纤轴向呈固定的周期性调制分布，是一种均匀光栅，具有良好的波长选择性。当宽带光进入光纤后，满足特定条件波长的入射光在光栅处被耦合反射，其余波长的光会全部通过而不受影响，反射光谱在FBGZX波长处出现峰值。

外界应力和温度变化会引起折射率和栅距的变化，导致FBG波长的移位，波长的变化量与ZX波长的比值与温度和应变满足一定的线性关系。

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）是目前重要的光纤传感核心元器件之一，市场上基于FBG的应力、位移、温度、渗流等各类传感器件已达百余种。

光纤传感技术是二十世纪八十年代伴随着光导纤维及光纤通讯技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号的新型传感技术。

目前研制成功的光纤传感器可以实现绝大部分物理量的监测，包括应变、温度、振动、位移、压力、声、流量、粘度、光强以及其它化学、生物医学和电流、电压参量等，已广泛地应用于航空航天、国防军事、土木、水利、计量测试、电力、能源、环保、智能结构、自动控制和生物医学等众多领域。该技术在机场工程应用中表现出众多优势：

• 长距离、大范围监测。

分布式监测（数十公里）可对道路、隧道、管线等线性工程进行长距离无盲区的全覆盖监测；机场工程为大范围工程，满足其长距离、大范围监测的需求；

• 分布式不漏监。

分布式感测光缆可以实现做到机场跑道的全覆盖，对于覆盖到每一点都可以监测，避免ZD灾害发生漏监；

• 耐腐蚀、抗电磁干扰，长期稳定好。

分布式感测光缆其本质为二氧化硅，性质稳定、天生绝缘，长期稳定工作传感性质不发生变化；

• 多参量测量技术。

通过一根光缆，采用不同调制解调技术，可以实现对应变、温度、以及震动等多变量感测，从压力、温度、震动、变形等多角度进行渗漏探测。

• 绝缘、无需现场供电。

光纤传感器内传输的是光信号，解调仪器设备通过发射和接收光信号，来对光纤传感器进行测试。传感器无需现场供电，能耗低，避免对飞机造成干扰。

• 系统成本低，易于集成。

对于大面积、大范围线性工程监测，光纤传感技术均摊成本低廉；通过波分、时分复利用技术可以实现光纤传感器多点多参量串联监测，易于构建网络化监测；其测试解调系统可实现模块化，易于系统集成；

• 测试精度高，定位JZ。

JZ定位可以测试异常区进行JZ定位，光纤监测技术可以实现几个微应变的测试精度。

• 灾后快速评估。

分布式光纤于机场工程监测的突出优势还体现在，灾害过后，可对机场进行快速的结构健康状态评估，为机场是否能够投入抗灾提供依据。

分布式温度测试系统包含：

• 机场跑道温度监测

分布式应变测试系统包含：

• 机场跑道的开裂、脱空、剪切、沉降等变形监测；
• 机场内管道、廊道变形监测。

光纤光栅测试系统包含：

• 高填土路基的不均匀沉降监测；
• 高填土路基的坡岸稳定性监测;
• 飞机降落区域动应变监测。

机场跑道温度监测

冰雪天气情况下，跑道温度下降，会发生跑道结冰、造成路面湿滑现象，这不仅会给飞机的起降带来安全隐患，且会延误航班的正点到达。因此,为了避免由于温度导致的隐患，减少机场在恶劣天气情况下的关闭时间,需要对跑道温度的精确监测。在飞机跑道内布设温度感测光缆，利用分布式光纤温度感测技术可对跑道全线每一点的温度进行实时监测，在夏天高温情况下，可识别出高温异常区，指导工作人员进行针对性降温；在冬天或高寒地区，极易出现低温道面结冰情况，通过测量道面温度场可识别结冰区，指导进行除冰措施，保证飞机起降安全。