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用分布式光纤解决机场路基健康隐患
发布时间:2020-03-27

机场工程

进入新世纪,国际机场面临着巨大的发展机遇,中国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。

 

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分布式光纤监测

Monitor

 

受工程施工质量、地质条件、飞机起飞降落冲击力等因素影响,机场在建设及后期运营过程中存在一些安全问题,如跑道的不均匀沉降,路面产生裂缝、脱空变形等,结合分布式光纤传感技术,可对机场进行长期的结构健康评估,及时控制安全隐患。其主要监测内容有:

  • 机场跑道温度监测
  • 机场跑道的开裂、脱空、剪切、沉降等变形监测
  • 高填土路基的不均匀沉降监测
  • 飞机降落区域动应变监测
  • 高填土路基的坡岸稳定性监测
  • 机场内管道、廊道变形监测

 

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光纤传感技术

Monitor

 

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分布式感测技术

光纤传感技术可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量,同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。根据光介质不同的传导方式,分布式光纤监测常用的光纤传感技术为:分布式温度感测技术、分布式应变感测技术以及光纤布拉格光栅(FBG)感测技术。

 

基于拉曼光散射的分布式温度感测技术

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,最大测量距离在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℃

 

基于布里渊光散射的分布式应变感测技术

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,布里渊散射光的中心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,是岩土与地质工程首选监测设备。

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。

 

基于光纤布拉格光栅(FBG)感测技术

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永久性变化),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FBG中心波长处出现峰值。

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,波长的变化量与中心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)是目前最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。

 

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光纤传感技术的优势

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,避免重点灾害发生漏监;

  • 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,定位精准。

精准定位可以测试异常区进行精准定位,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

 

 

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分布式光纤监测技术路线与实施方案

Monitor

 

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 光纤监测技术路线

针对不同的光纤感测技术,形成3类分布式光纤测试系统:分布式温度测试系统、分布式应变测试系统以及光纤光栅测试系统。每个测试系统可监测多个测试内容,测试内容可根据需求选择。机场常用的测试需求结合测试系统对应如下:

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。

 

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 光纤监测实施方案

分布式温度测试系统

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。

 

德国夏季高温

机场跑道损坏

分布式温度感测光缆沿跑道滑行方向布设,共布设2条测线,布设在路面中间部位,布设深度以贴近路面为宜,可在道面施工时同步植入高强度铠装温度感测光缆,如图4.1所示,亦可在后期通过开槽方式植入温度感测光缆。各条测线通过多芯通信光缆引至监测站。

高强度铠装温度感测光缆

跑道温度监测光缆布设示意图

温度监测解调仪采用拉曼光频域分布式光纤温度测量仪。该测温仪采用最先进的拉曼光频域反射技术进行解调,具有极高的测温精度和空间定位精度,能精确测量光纤沿线温度变化以及温度变化位置,可实现感温光缆沿线几十公里的温度连续分布式测量,不会漏过任何点,大大减少漏报和误报。
 

DiTemp拉曼光频域分布式光纤温度测量仪

 

分布式应变测试系统

机场跑道的开裂、脱空、剪切、沉降等变形监测

山区机场大都为高填土机场,机场在后期运营期间,道面会应变差异沉降变形、地基沉降、飞机冲击,使得路面发生破裂变形,在局部沉降区,机场跑道路面还会发生局部脱空现象,由于道面脱空隐性不易被察觉,在发生事故前难以被发现察觉,后期脱空区极易在飞机降落冲击下发生突然下塌引发事故。通过在跑道内铺设应变感测光纤,利用光纤分布式应变测试技术,对跑道全局进行分布式监测,可根据获得的跑道路面每一点处的变形信息,通过变形分布可对道面长期变形特征进行掌控,对出现开裂的位置和宽度进行探测和定位,对可能出现隐蔽脱空区进行发现和规模评估,指导工作人员对路面的养护和对安全隐患处的及时修复。山区机场一大功能将是在发生重大灾害时,发挥最早救援作用,如地震发生时,机场跑道也会受到一定程度破坏,通过分布式应变测试技术可快速对跑道的受损程度进行快速全局评估,为指导灾后飞机起落提供最为有效、及时、可靠的数据支撑。

 

菲律宾地震

机场跑道受损

分布式应变感测光缆布设同温度光缆相同,共3-5条测线,3条测线布设于飞机降落时滑行最大概率区域内,亦可在跑道两侧布设2条测线布用于辅助测量,各条应变测线通过多芯光缆引至监测站。

 

跑道变形监测光缆布设示意图

机场内管道、廊道变形监测

由于材料的疲劳老化,周围环境荷载以及临近工程施工的影响,会产生对机场地下管道、廊道主体结构的损坏和劣化,例如在地下水、土体等产生的不均匀围压作用下,管廊结构整体变形,包括不均匀沉降、隆起、偏斜、错位等,以及由此引起的环向收敛。采用定点光缆以及碳纤维应变感测光缆对综合管廊结构变形及受力监测。

分布式应变测试系统采用的是布里渊光时域分析系统(BOTDA),实现对感测光缆的应变解调。通过对应变数据进行分析处理实现被测物体的变形信息提取。OSD-1分布式光纤温度和应变监测仪器,使用标准单模光纤,可在数十公里范围内提供分布式温度和应变测量,并提供数千个测量点。


OSD-1分布式光纤温度和应变监测仪器

 

光纤光栅测试系统

高填土路基的不均匀沉降监测

近来在建机场大都为填方路基结构。在机场投入使用后,高填方路基受自然环境的影响,同时由于自重和飞机荷载的共同作用,使得路基出现不均匀沉降对路用性能造成影响。特别是在飞机降落区域,路面受冲击力较大,更容易造成跑道的不均匀沉降。选择在飞机降落区域400m范围内每隔50m横向布设微型管式光纤光栅静力水准,共9个监测断面,静力水准管随混凝土或沥青浇筑于路面内,每个测管内的测点隔10m,共5个测点。

 

管式静力水准布设示意图

BA-FJL光纤光栅静力水准仪及参数

 

飞机降落区域动应变监测

飞机降落过程中,对跑道产生非常大的冲击力,易导致路面受损。通过在降落区域路面埋设光纤光栅应变计,对飞机降落过程进行动态采集,获取跑道应变信息,可对路面结构健康状况进行评估,及时发现并排除不安全隐患。在飞机降落区域400m内,间隔50m布设一个光纤光栅应变计测试断面,共9个断面,每个断面布设7个应变计,其中三个布设与飞机降落与地面接触位置,其余四个分布于跑道两侧。

 

光纤光栅应变计布设示意图

光纤光栅测试系统可分为静态与动态测试,上述高填土路基的不均匀沉降与坡岸稳定性监测属于静态监测,降落区域应变测试属于动态监测。如下图所示,静态监测设备选用FT310机架式光纤光栅解调仪;动态监测设备采用FT810高速高精光纤传感分析仪。
 

 FT310光纤光栅解调仪(液晶屏选配)







FT810高速高精光纤传感分析仪

 



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