進入新世紀，國際機場面臨著巨大的發(fā)展機遇，ZG民用航空隨著民航事業(yè)的發(fā)展及客貨運量的不斷增長，國際航線數(shù)量和國際航班的密度穩(wěn)步提高，機場進行了大規(guī)模的擴建與新建。于此同時，大面積的機場跑道面臨著地質(zhì)條件復雜、施工難度較大的問題。

機場路基施工時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，隨著時間的延長和飛機重復載荷的作用，常出現(xiàn)路基的整體沉陷或局部沉陷、縱橫向開裂、邊坡失穩(wěn)、路基不均勻沉降、排水設施不合理等健康隱患，嚴重影響機場的安全運營。為了準確及時的掌握路基健康狀況，采用分布式光纖感測技術對路基結構進行監(jiān)測，從而進一步預測其隱形災害，并做到預報預警，指導防災減災措施的建立和實施，確保機場施工期與運營期的安全。同時，機場在抗災救災中扮演著舉足輕重的角色，但也面臨著在地震等災害發(fā)生后，如何對受災區(qū)或附近機場進行快速的結構健康狀態(tài)評估的問題，分布式光纖感測技術由于其性能穩(wěn)定、壽命長、可快速整體檢測等優(yōu)勢，在機場健康監(jiān)測中具有廣泛的應用前景。

分布式光纖溫度感測技術（Distributed Temperature Sensing–DTS），是一種利用激光在光纖中傳輸時產(chǎn)生的背向拉曼散射信號來獲取空間溫度分布信息的監(jiān)控系統(tǒng)，是近年發(fā)展起來的一種用于實時監(jiān)控溫度場的高新技術。當入射的光量子與光纖物質(zhì)分子產(chǎn)生碰撞時，產(chǎn)生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時，光量子和物質(zhì)分子之間沒有能量交換，光量子的頻率不發(fā)生任何改變，表現(xiàn)為瑞利散射光保持與入射光相同的波長；在非彈性碰撞時，發(fā)生能量交換，光量子可以釋放或吸收聲子，表現(xiàn)為產(chǎn)生一個波長較長的斯托克斯光和一個波長較短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感，系統(tǒng)采用以斯托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號通道，有兩者的比值可以消除光源信號波動、光纖彎曲等非溫度因素，實現(xiàn)對溫度信息的采集。

拉曼溫度測量原理圖

光在光纖中傳播，由于光纖中的超聲波會發(fā)生拉曼散射，拉曼散射的能量分布與溫度直接相關，通過該技術可探測到光纖沿線的每一點溫度。分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠連續(xù)測量光纖沿線所在處的溫度，ZD測量距離在20km以上，適用于大范圍多點測量。

目前拉曼光時域的測溫系統(tǒng)（Raman Optical Time Domain Reflectometer，簡稱ROTDR）測溫精度在0.5℃以內(nèi)，分辨率為0.1℃。拉曼光頻域的測溫系統(tǒng)（Raman Optical Frequency Domain Reflectometer，簡稱ROFDR）測溫精度在0.1℃以內(nèi)，分辨率為0.01℃。

當光纖注入一束激光，光纖中每點均會發(fā)生布里淵光散射效應，布里淵散射光的ZX頻率漂移量與光纖各點的軸向應變相關。利用相應的解調(diào)和分析技術可以實現(xiàn)光纖中每一點應變的分布式檢測。脈沖光以一定的頻率自光纖的一端入射，與光纖中的聲子產(chǎn)生布里淵散射，其中的背向布里淵散光沿光纖原路返回到脈沖光的入射端，得到光纖沿線各個采樣點的散射光譜。當光纖沿線的存在軸向應變時，背向布里淵散射光的頻率將發(fā)生漂移，頻率的漂移量與光纖應變變化呈良好的線性關系。

布里淵應變測量原理圖

目前發(fā)展較為成熟的布里淵分布式光纖應變感測技術主要包括布里淵光時域反射技術（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry，簡稱BOTDR），布里淵光時域分析技術（Brillouin Optical Time Domain Analysis，簡稱BOTDA）和布里淵光頻域分析技術（Brillouin Optical Frequency Domain Analysis，簡稱BOFDA）。其中BOTDA和BOFDA技術利用受激布里淵散射，空間分辨率和精度較高，但需要雙端測量；而BOTDR利用自發(fā)布里淵散射，只需單端測量，是巖土與地質(zhì)工程優(yōu)選監(jiān)測設備。

布里淵分布式光纖應變監(jiān)測系統(tǒng)的測試距離均在20km以上，其中BOTDR測試距離可達到120km，空間分辨率1m，應變測試精度±50με以內(nèi)；BOTDA空間分辨率為10cm，應變測試精度±4με以內(nèi)；BOFDA空間分辨率為20cm，應變測試精度±4με以內(nèi)。

FBG利用光纖材料的光敏特性（外界入射光子和纖芯內(nèi)鍺離子相互作用形成折射率的性變化），在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，從而改變和控制光在其中的傳播行為。它的折射率沿光纖軸向呈固定的周期性調(diào)制分布，是一種均勻光柵，具有良好的波長選擇性。當寬帶光進入光纖后，滿足特定條件波長的入射光在光柵處被耦合反射，其余波長的光會全部通過而不受影響，反射光譜在FBGZX波長處出現(xiàn)峰值。

外界應力和溫度變化會引起折射率和柵距的變化，導致FBG波長的移位，波長的變化量與ZX波長的比值與溫度和應變滿足一定的線性關系。

光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，簡稱FBG）是目前重要的光纖傳感核心元器件之一，市場上基于FBG的應力、位移、溫度、滲流等各類傳感器件已達百余種。

光纖傳感技術是二十世紀八十年代伴隨著光導纖維及光纖通訊技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號的新型傳感技術。

目前研制成功的光纖傳感器可以實現(xiàn)絕大部分物理量的監(jiān)測，包括應變、溫度、振動、位移、壓力、聲、流量、粘度、光強以及其它化學、生物醫(yī)學和電流、電壓參量等，已廣泛地應用于航空航天、國防軍事、土木、水利、計量測試、電力、能源、環(huán)保、智能結構、自動控制和生物醫(yī)學等眾多領域。該技術在機場工程應用中表現(xiàn)出眾多優(yōu)勢：

• 長距離、大范圍監(jiān)測。

分布式監(jiān)測（數(shù)十公里）可對道路、隧道、管線等線性工程進行長距離無盲區(qū)的全覆蓋監(jiān)測；機場工程為大范圍工程，滿足其長距離、大范圍監(jiān)測的需求；

• 分布式不漏監(jiān)。

分布式感測光纜可以實現(xiàn)做到機場跑道的全覆蓋，對于覆蓋到每一點都可以監(jiān)測，避免ZD災害發(fā)生漏監(jiān)；

• 耐腐蝕、抗電磁干擾，長期穩(wěn)定好。

分布式感測光纜其本質(zhì)為二氧化硅，性質(zhì)穩(wěn)定、天生絕緣，長期穩(wěn)定工作傳感性質(zhì)不發(fā)生變化；

• 多參量測量技術。

通過一根光纜，采用不同調(diào)制解調(diào)技術，可以實現(xiàn)對應變、溫度、以及震動等多變量感測，從壓力、溫度、震動、變形等多角度進行滲漏探測。

• 絕緣、無需現(xiàn)場供電。

光纖傳感器內(nèi)傳輸?shù)氖枪庑盘?，解調(diào)儀器設備通過發(fā)射和接收光信號，來對光纖傳感器進行測試。傳感器無需現(xiàn)場供電，能耗低，避免對飛機造成干擾。

• 系統(tǒng)成本低，易于集成。

對于大面積、大范圍線性工程監(jiān)測，光纖傳感技術均攤成本低廉；通過波分、時分復利用技術可以實現(xiàn)光纖傳感器多點多參量串聯(lián)監(jiān)測，易于構建網(wǎng)絡化監(jiān)測；其測試解調(diào)系統(tǒng)可實現(xiàn)模塊化，易于系統(tǒng)集成；

• 測試精度高，定位JZ。

JZ定位可以測試異常區(qū)進行JZ定位，光纖監(jiān)測技術可以實現(xiàn)幾個微應變的測試精度。

• 災后快速評估。

分布式光纖于機場工程監(jiān)測的突出優(yōu)勢還體現(xiàn)在，災害過后，可對機場進行快速的結構健康狀態(tài)評估，為機場是否能夠投入抗災提供依據(jù)。

分布式溫度測試系統(tǒng)包含：

• 機場跑道溫度監(jiān)測

分布式應變測試系統(tǒng)包含：

• 機場跑道的開裂、脫空、剪切、沉降等變形監(jiān)測；
• 機場內(nèi)管道、廊道變形監(jiān)測。

光纖光柵測試系統(tǒng)包含：

• 高填土路基的不均勻沉降監(jiān)測；
• 高填土路基的坡岸穩(wěn)定性監(jiān)測;
• 飛機降落區(qū)域動應變監(jiān)測。

機場跑道溫度監(jiān)測

冰雪天氣情況下，跑道溫度下降，會發(fā)生跑道結冰、造成路面濕滑現(xiàn)象，這不僅會給飛機的起降帶來安全隱患，且會延誤航班的正點到達。因此,為了避免由于溫度導致的隱患，減少機場在惡劣天氣情況下的關閉時間,需要對跑道溫度的精確監(jiān)測。在飛機跑道內(nèi)布設溫度感測光纜，利用分布式光纖溫度感測技術可對跑道全線每一點的溫度進行實時監(jiān)測，在夏天高溫情況下，可識別出高溫異常區(qū)，指導工作人員進行針對性降溫；在冬天或高寒地區(qū)，極易出現(xiàn)低溫道面結冰情況，通過測量道面溫度場可識別結冰區(qū)，指導進行除冰措施，保證飛機起降安全。