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地质与岩土工程中分布式光纤监测的SWOT分析
时间:2020-09-19 22:26 | 栏目:岩土工程 | 浏览:次
硕士论文网第2020-09-19期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇岩土工程文章《地质与岩土工程中分布式光纤监测的SWOT分析》，供大家在写论文时进行参考。
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由于ＤＦＯＳ技术体积小、重量轻、全分布式、长距离、多场监测等特点，它不断被应用到地质与岩土工程监测的各个领域。然而由于地质与岩土工程不同应用领域的监测环境大不相同，所以对监测技术的要求也不大相同，ＤＦＯＳ技术应用在地质与岩土工程监测的不同领域内遇到的技术难点也不相同。
第一章 绪论
１．１地质与岩土工程的特点与监测要求
地质灾害监测的对象是成分多样、结构不均一的地质体。与建筑工程监测的均一性的结构系统如钢结构和混凝土材料等的结构不同，大地是地球形成过程中的产物，由不同类型的土壤、岩石及水组成。岩体坚硬，结构不规则，而土体松软，且具有孔隙构造和强度变化范围大等特征，而且它们还在直接或间接地受到气候和人类活动的改造。从地质与岩土工程监测的方面来看，地质体有五个特点：（１）结构构造复杂，空间变异性大组成地球的各种地质体是经过了无数次海陆变迁逐渐形成的，因此，经历过无数次地质活动形成的地质体是没有统一规律的结构和构造的，表现为在空间上呈现出各向异性。所以，监测地质体的感测技术就必须具备长距离、大范围、多参量测量等特点，如此方可以在大范围内感测到复杂的地质体的系统性的结构变化。（２）规模广，距离长，深度大，作为地质与岩土工程主要监测对象的地质体在面积、体积、深度上都要比其上覆的人造结构体大很多。如整体长度可达几百公里的河流大堤，体积可达几万万方的超大型边坡体，面积可达几百万平方公里的冻土，深度可以深达几百，甚至上千米的矿山。因此，要监测如此广阔的地质体的状态，所使用的感测系统必须要具有长距离、分布式监测等特点，才能获得地质体多场场参量的信息，在此之上才能随时掌握地质与岩土工程结构体的温度、应力、位移等多种状态，从而对其灾害进行实时监测。（３）不易穿透，隐蔽性强，上天难、入地更难。除非借助能穿越固体结构物的探测手段，科研工作者是无从了解地下土壤、岩石等结构体的变化的。但表层松散土体很难在不影响周围结构的情况下获取试样，深部坚硬岩石更难钻孔，而一些地物监测方法只间接地得知地底深处的信息。（４）多场作用，影响因素复杂，由于人类活动主要涉及的地表处在岩石圈、水圈、大气圈和生物圈的交界处，它也处在应力场、温度场、水分场等多场作用的交界处，因此影响地表地质与岩土工程结构体的应力、应变、温度、位移、水分等物理参量的因素十分复杂。（５）形态不规则，地质环境多样，与人造的结构规则的混凝土工程结构不同，天然形成的地质体形态形态高低起伏（如图１－１）。形态不规则的地质体对于感测元件的安装会造成很大的不利影响。此外，地貌的构造也是各种各样的，如高山峡谷，地下溶洞，黄土冻土等，所以地质体监测系统的安装与保护面临着极大挑战。
１．２岩土类常用监测技术分析
要准确、快速、大范围获得地质体及其岩土工程结构的多场多参量数据及其随时间的变化规律需要依赖于长距离、全分布式的监测系统，同时也取决于先进的监测理论和监测方法。根据当前地质与岩土工程的观测与监测手段特点，相关的监测技术体系可分为三大类：第一类技术为遥感遥测技术。它主要是利用光、红外线、声波等多种物理介质，监测地面的形态、热量、颜色等参量。这类技术包括ＧＮＳＳ、ＶＬＢＩ、ＩｎＳＡＲ、机载激光雷达等。这些监测手段的优势是能监测大范围的地球表层的信息，劣势是无法监测地表以下的信息，在恶劣的气候下监测效果不稳定，而且无法做到动态监测。第二类技术为地球物理方法。常用的地球物理方法包括地温法勘探、地震勘探、磁法勘探、电法勘探以及重力勘探等。通过测量地球的引力场、电场、磁场等物理场及其在时空上的变化，来探测地质体内部的物质和结构。但是这种技术一般适用于深地大范围的探测以及浅层地表的事件探测，而且一般是静态探测，探测的结果也常常出现不同的解释，不适用于精度要求高的限定范围内的指定参量的实时监测。第三类技术为传感监测技术。传感监测技术是通过地质与岩土工程结构体内部安装传感器来进行监测的，因此不论是地表的位移信息，还是地下一定深度的地质与岩土工程相关的温度、应变、渗流等物理信息都可以被传感技术监测的到。因此，在以上三种监测技术中，传感监测技术是监测地质与岩土体内部应力应变等参量最为精准的技术手段。目前传统的传感监测技术主要包括两大类：电阻式和振弦式。这两类监测技术多为点式测量，缺点是经常会出现漏检的情况，而且由于是点式监测，必然无法实现长距离、大范围、分布式的岩土体监测。此外由于高温、低温、高压、高湿度等环境因素的变化，传统使用金属制造的监测元件和探头易生锈腐蚀，而且在长期的腐蚀下必然耐久性差。因此此类传感监测技术己远远无法满足地质与岩土工程问题的监测的需要，因此研发更先进的传感监测技术，以满足地质与岩土工程监测的需求。综上，遥感遥测技术只能监测地球表面的形态，起到宏观的监测作用，但是对于地表以下的应力应变却无法监测。地球物理方法虽然能测得地球深部的数据，但是一因多解，只能做到静态监测，再加上分辨率不够精细，只能适用于大尺度的大事件测量。传感监测技术是植入式的，这种特质决定了它的精度比较高、实时动态、多场多参量测量等特点。但是传统的传感监测技术缺乏宏观的长距离、大面积、无死角全覆盖的测量能力。所以我们需要研宄新的监测技术去满足这个需要。为了克服地质与岩土工程监测技术的瓶颈，近三十年来许多国家制定相关计划，投入大量人力和物力，研发各类新技术和新方法，期望能对各类地质灾害和岩土工程中的科学和技术问题提供强有力的监测手段，在地球科学和岩土工程监测提供有力手段，而分布式光纤监测技术就是这样的一种接触式监测技术，是当前一些发达国家竞相研发的一类高端监测技术。
第二章 分布式光纤感测技术优势分析
分布式光纤感测技术包括准分布以及全分布二类光纤感测技术，十分适合于地质与岩土工程的测试与监测要求，并显示出独特的优势。本章简要介绍几种常用的地质与岩土工程分布式光纤感测技术。
２．１光纤光栅感测技术
在紫外光的照射下，光敏光纤的折射率会发生改变，利用此效应使得纤芯内部折射率出现规律性的分布而获得ＦＢＧ。ＦＢＧ可看做波长筛选器，ＦＢＧ会将符合光栅衍射要求的入射光（波长为／ｌＢ）反射回光波注入端，不符合衍射要求的光波将全部穿过光栅，因此，反射回来的光会反应出ＦＢＧ筛选的波长ＡＢ，从而形成波峰。ＦＢＧ感测技术利用各种被测物理量与光纤光栅实测的应变值和温度值之间的转化关系，通过各种封装技术，可以研制出能够感测上百种物理量的ＦＢＧ传感器，并在地质与岩土工程等基础工程的安全监测中得到了广泛应用。ＦＢＧ的感测应用有一定的局限性，当应力或温度的波动范围较小时，测量精度会降低。而且由于ＦＢＧ使用的是反射类光栅，为了减少反射光对主要感测光的影响，一般都要使用隔离器ＬＰＧ则与ＦＢＧ不同，它没有后向反射，所以即使不需要使用其他器件隔绝反射光的干扰，也可以在应力或温度波动很小的时候获得准确的测量值。尽管ＬＰＧ的传感性能有许多优点，但是目前ＬＰＧ作为传感器的研究主要还处在实验室阶段。这是因为ＬＰＧ传感器有温度、应变或折射率、弯曲等物理量之间的交叉敏感问题，从而使测量精度大大降低，虽然有许多学者已提出了不少解决方案，但均需要两种或两种以上传感器的组合才能较好地解决该问题；另一方面，ＬＰＧ的制作比ＦＢＧ要复杂。目前ＬＰＧ的制作方法主要有紫外激光振幅掩模法和Ｃ０２激光逐点写入法等，前者制作工艺较为复杂，制作成本较高；后者虽然有较高的灵活性，周期易于控制，可以制作切趾ＬＰＧ，对光源的相干性没有要求，但由于需要微米间隔的精确控制，难度较大，而且受光点尺寸限制，光栅周期不能太小。因此，ＬＰＧ传感器的工程化应用尚需一定时曰。
２．２基于瑞利散射的全分布式光纤感测技术
瑞利散射是指量级比光的波长低很多的粒子对它的散射。相对于光纤中的Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ散射和Ｒａｍａｎ散射等其他散射，瑞利散射的能量最大，更加容易被检测，因此，目前已有很多关于利用瑞利散射来进行全分布感测的研究与应用，其中最为成熟的技术为光时域反射技术（全称Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ－Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ，简称ＯＴＤＲ）。ＯＴＤＲ是最早的应用型光纤感测手段，它被用作光纤光损、断裂点的定位，也是全分布式光纤感测研究的工作基础。因为ＯＴＤＲ的原理是光纤微弯损耗监测，但是光功率变化、光纤弯折效应及耦合损失等条件都有可能使得测量结果发生改变，感测参数也难以标定，而且大长距离的分布式监测会使得光纤中光传输损耗增加，影响了该技术在工程监测中定量监测，但是在一些大型岩土工程、基础工程和地质灾害的事件监测中，仍可发挥很好的作用，具有推广应用价值。光频域反射（ＯＦＤＲ）技术最早是德国Ｈａｍｈｕｒｇ－Ｈａｒｔｎｉｒｇ科技大学的Ｅｉｃｋｈｏ丨丫等在二十世纪八十年代年提出的，其基本原理是连续光波的频率扫描方法（ＦＭＣＷ），运用外差干涉的方法，辅以规律性重复的波长扫描的光信号，再将耦合器连入参考信号两臂。ＯＦＤＲ技术测温原理与ＦＢＧ测温原理类似，可以把温度传感光纤看作连续的分布的具有不同周期的光栅。光栅所处环境应变和温度的变化会使得光栅的反射波长发生漂移，同样，瑞利散射光谱也受到外界环境应变和温度的改变。将受到外界应变和温度变化影响后的瑞利散射光谱与未受到应变和温度变化的瑞利散射光谱进行互相关运算，通过运算可以获得瑞利散射光谱的变化量进而算出光纤中温度和应变的数值，从而实现了利用ＯＦＤＲ技术测温和测应变的分布式感测。
第三章 分布式光纤感测技术瓶颈与对策
３．１ ＤＦＯＳ在不同应用领域面临的挑战
３．２ 解决对策
第四章 地质与岩土工程分布式光纤监测市场需求及机会
４．１ 地质灾害监测市场分析
４．２ 岩土工程监测市场分析
４．３ 地质与岩土工程监测面临的机遇与挑战
第五章 分布式光纤感测技术行业竞争状况
５．１基于ＰＥＳＴ的分布式光纤监测市场宏观环境分析
５．２基于波特五力模型的分布式光纤监测技术行业竞争分析
第六章 总结与展望
６．１全文总结
分布式光纤感测技术因其多方面的技术优势，能够满足地质体和大型工程结构体长距离、大范围和耐久性等的监测要求，一经问世，便得到土木工程、岩土工程和地质界的广泛重视和应用，成为基础工程分布式监测的重要手段。自２０１２年起，光纤监测市场以约１８％的速度持续增长，伴随着技术瓶颈的不断突破，市场一片向好。但是目前对于地质与岩土工程分布式光纤监测技术的研宄却不全面。大部分地质工程领域内的学者对分布式光纤感测技术的研宂主要是针对技术方面，缺乏行业及市场研宄；而行业研宄领域内的机构只研宄整个光纤传感行业的市场，没有对该技术在地质与岩土工程领域中的应用开展研宄。因此，本文结合ＳＷＯＴ分析工具对地质与岩土工程分布式光纤监测技术进行了综合分析，全文总结如下：（１）光纤感测技术具有传统监测技术不可替代的优点，不同类型的分布式光纤感测技术应用范围不同，监测优势也不同。其中ＦＢＧ技术具有结构简单、重量轻、兼容性好、可靠性高、抗腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度、高分辨率、易构成准分布传感阵列等优点；全分布式光纤感测技术则可分为好几类，其优势共性是：动态范围大、测试时间短、精度高、空间分辨率高、可测绝对温度和应变等。在实际工程应用中，可结合工程需要选取其中几种技术，构建一套完整的分布式光纤监测系统。（２）详细论述了分布式光纤感测技术在地质与岩土工程监测各领域应用中所面临的技术挑战，并对这些技术挑战进统计分析，结果表明影响分布式光纤感测技术应用推广的关键因素有：解调设备过于昂贵、缺乏行业标准和规划、缺乏光缆布设工艺、有效的温度补偿及纤－土耦合方法等九种。本文根据课题组的研发成果，针对光缆标定、温度补偿、纤－土耦合这三项技术难题给出了解决对策。（３）根据国家统计局和住建部的宏观统计数据对我国地质灾害与岩土工程监测的市场需求进行了统计分析，结果表明地质灾害监测的市场需求总值约为１亿元／年，而岩土工程监测市场需求总值约为１６３亿元／年。预测地质与岩土工程分布式光纤监测市场将会以年１８％的增长率增长，并且随着关键技术的突破，分布式光纤感测技术将会进入产业高速发展阶段。（４）运用ＰＥＳＴ和波特五力模型两种分析工具对地质与岩土工程分布式光纤监测的行业竞争状态进行了分析，结果表明分布式光纤感测技术行业竞争状况呈断层“金字塔”式格局。针对该竞争状态，本文提出了三种发展战略：主干式发展战略、多元式发展战略和投资型战略。
６．２研宄展望
论文创新性地将商科分析工具灵活应用到地质与岩土工程分布式光纤感测技术的研宄之中，取得了一些初步成果。但由于此领域处于行业细分的中下游，缺乏更精细的统计数据，再加上研宄时间有限以及个人水平有限，研究并不全面，相关研宄还需继续深入进行：（１）论文对ＤＦＯＳ技术在地质与岩土领域应用推广过程中的技术挑战进行分析，但是ＤＦＯＳ应用推广过程中的挑战不仅包括本身的技术挑战，还面临着地球物理以及传统点式传感监测的市场挤压，此外人们对ＤＦＯＳ的认知不足也阻挡着它的普及化，文章下一步将继续研究ＤＦＯＳ应用推广过程中的其他挑战。（２）文内对于地质与岩土工程监测市场需求分析只针对整个地质与岩土工程监测市场，并未对细分市场进行研宄。下一步将继续积累行业数据，对分布式光纤感测技术在地质与岩土工程不同领域的应用进行分析，研究各领域内的企业、高校及研究所，找出最具发展潜力的研究方向并给出准确的市场需求预测。
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