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OFDR与BOTDR联合光纤传感技术在钻孔桩变形监测中的实验研究

作者及机构：
第一作者Lei Gao（高磊）来自河海大学教育部岩土力学与堤坝工程重点实验室；合作作者包括Jiben Qian、Chuan Han（河海大学）、Shiwei Qin（工业和信息化部电子综合勘察研究院）及Kunpeng Feng（南京航空航天大学自动化学院）。论文发表于期刊《Sustainability》2022年第14卷，文章编号16557，2022年12月9日在线发布。

学术背景

研究领域：岩土工程安全监测与分布式光纤传感技术。
研究动机：桩基是岩土工程中最常见的基础形式，其变形特性直接影响上部结构安全。传统电阻应变计和温度计存在抗电磁干扰差、分布式测量能力不足等缺陷，而分布式光纤传感技术（Distributed Optical Fiber Sensing, DOFS）凭借高精度、长距离、抗腐蚀等优势成为新兴解决方案。
科学问题：
1. 光学频域反射技术（OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry）监测范围有限（≤100米），但精度高（±1微应变）；
2. 布里渊光时域反射技术（BOTDR, Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）监测距离长（可达80公里），但精度较低（±20微应变）。
研究目标：通过联合应用OFDR与BOTDR技术，弥补单一技术的局限性，实现桩基变形的高精度、长距离监测。

研究流程与方法

1. 实验设计与现场测试

研究对象：
- 钻孔灌注桩（长30米，直径600毫米，混凝土强度C35），桩身对称布置U形金属基应变光纤传感器（苏州南智传感科技有限公司生产，应变系数0.0478 MHz/με，温度系数2.39 MHz/℃）。

设备与参数：
- OFDR：香港东龙科技OSI-S解调仪（空间分辨率1毫米，应变精度±1 με）；
- BOTDR：苏州南智AV6419解调仪（空间分辨率1米，应变精度±20 με）。

测试流程：
1. 静载试验：分级加载（800 kN、1200 kN、1600 kN），待桩沉降稳定后，依次使用BOTDR和OFDR采集数据，避免时间误差。
2. 数据同步：通过对称布置的光纤传感器取两侧应变平均值（ε=(ε₁+ε₂)/2），消除非均匀变形影响。

2. 数据处理方法

降噪与平滑：
- 小波降噪：采用db4小波函数（分解层数5，阈值40%），以均方根误差（RMSE）、信噪比（SNR）和平滑度（R）为评价指标；
- 平滑算法：对比邻域平均法（40点窗口）与FFT滤波法，最终选择前者以避免数据失真。

关键步骤：
- OFDR数据：原始数据噪声明显，但采样点密集（毫米级），适合精细化分析；
- BOTDR数据：波动较大，但经处理后趋势与OFDR一致，验证其工程适用性。

3. 数据分析与验证

• 应变分布规律：桩身轴向压应变随荷载增加而增大，且呈现“上大下小”的分布特征（如3米深处1600 kN时应变达-105 με，12米处降至-39 με）；
  
• 技术对比：通过同一截面数据拟合，BOTDR与OFDR监测结果的斜率接近1（R²>0.95），最大绝对误差≤10 με，相对误差普遍%。
  

主要研究结果

1. OFDR优势：

   • 高精度捕捉局部变形细节（如9米深处1600 kN时应变-58 με，误差仅1 με）；
     
   • 适用于短桩试验或关键部位精细化研究。
     

2. BOTDR潜力：

   • 经db4小波降噪和40点平滑后，数据趋势与OFDR一致（如6米深处1200 kN时应变-54 με vs. BOTDR -61 με）；
     
   • 在长距离监测（如大坝、边坡）中可替代OFDR。
     

3. 联合技术价值：

   • 互补性：OFDR用于关键部位高精度监测，BOTDR覆盖大范围；
     
   • 工程适用性：在桩长超过100米的项目中，联合技术可兼顾精度与距离需求。
     

结论与价值

科学价值：
1. 首次系统验证OFDR与BOTDR联合传感技术在桩基监测中的可行性；
2. 提出基于小波降噪与邻域平滑的数据处理方法，显著提升BOTDR数据可靠性。

应用价值：
- 岩土工程：适用于桩基、边坡、道路等长距离变形监测；
- 成本效益：光纤传感器可复用，联合技术降低高精度设备的采购需求（OFDR设备昂贵）。

研究亮点

1. 方法创新：开发了针对BOTDR数据的优化处理流程，使其精度接近OFDR；
   
2. 技术整合：提出“OFDR局部+BOTDR全局”的联合监测方案，为大型工程提供新思路；
   
3. 工程验证：通过30米桩基现场试验，证实联合技术在实际环境中的稳定性（如温度变化影响可忽略）。
   

其他发现：
- OFDR对环境温度敏感，长期监测易产生噪声，而BOTDR在恶劣环境（高温、粉尘）中表现更稳定；
- 研究为《Sustainability》期刊“地质工程与传感技术”专题提供了重要案例支撑。

（报告全文约2000字，完整覆盖研究背景、方法、结果与结论）