О принципах работы и применении волоконно-оптических датчиков для мониторинга геотехнических сооружений

Введение

Ранее в журнале «Геоинфо» был опубликован перевод статьи итальянских исследователей Минардо и др. «Применение распределенных волоконно-оптических датчиков для геотехнического мониторинга» [1, 2], опубликованной в 2021 году в международном рецензируемом журнале Sensors («Датчики»). Целью той статьи было изучение возможности использования распределенных волоконно-оптических датчиков для создания эффективной системы мониторинга деформаций грунтов, слагающих склоны и обрывы. В статье был приведен краткий обзор типов и принципов работы волоконно-оптических (оптоволоконных) датчиков с акцентом на их использование для мониторинга развития оползней, а также подробно рассмотрены результаты лабораторных экспериментов по отслеживанию с помощью этих датчиков состояния физической модели склона при различных внешних воздействиях, а также результаты работы распределенной волоконно-оптической сенсорной системы на прибрежном утесе недалеко от г. Неаполя.

На этот раз кратко рассмотрим материалы доклада португальских специалистов Калдаш и Ларанжу «Волоконно-оптические датчики в геотехнике: обзор» [3], сделанного на 18-й Европейской конференции по механике грунтов и геотехнике. В нем была приведена информация по принципам работы и использованию оптоволоконных датчиков в геотехнике на основе обширного анализа литературных источников.

Авторы доклада подчеркнули, что геотехнические методы и решения широко используются в строительстве, в горнодобывающей промышленности и во многих других сферах. Они также отметили важность выполнения мониторинга состояния подземных конструкций и грунтов не только во время строительства, но и в процессе эксплуатации геотехнических сооружений для предотвращения аварийных ситуаций, для чего используются механические, электрические и оптические датчики.

Новые возможности для мониторинга геотехнических сооружений, как указали авторы доклада [3], открывают оптоволоконные датчики. В них используются изменения параметров света (интенсивности, фазы, состояния поляризации, длины волны или частоты), которые происходят при воздействии тех или иных внешних факторов. Эти датчики имеют такие преимущества, как высокая чувствительность измерений и при этом долговечность, нечувствительность к внешним воздействиям и небольшой вес. Их можно встраивать в грунты или в строительные конструкции, а также создавать на их основе распределенные системы измерений на больших расстояниях и общие измерительные системы из точечных и распределенных оптоволоконных датчиков. С их помощью можно одновременно отслеживать несколько параметров (напряжение, температуру, деформации и др.).

Далее Калдаш и Ларанжу [3] кратко рассказали о принципах работы оптоволоконных датчиков в геотехнике. В волоконно-оптическую систему от источника оптического излучения подается свет с определенными характеристиками. Он проходит оптический разветвитель или оптический циркулятор, после чего поступает в измерительный участок оптоволокна. Определяется спектр прошедшего или отраженного излучения.

Авторы [3] указали, что в геотехнической отрасли используют два типа оптоволоконных датчиков – точечные и распределенные – и рассказали о них подробнее.

Точечные оптоволоконные датчики

Наиболее распространен тип точечных оптоволоконных датчиков на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР), которая имеет тот или иной период модуляции показателя преломления (расстояние между максимумами этого показателя внутри сердцевины оптоволокна, то есть его светопроводящей жилы). При работе такого датчика очень небольшая часть сердцевины волокна подвергается периодической модуляции показателя преломления под воздействием мощного ультрафиолетового излучения. Когда через оптоволокно проходит широкополосный свет (с широким спектром волн разной длины), ВБР отражает обратно волну так называемой брэгговской длины, а остальные волны проходят дальше. При внешнем воздействии (например, при изменении температуры или при деформации) брэгговская длина волны меняется. Измерив смещение длины волны в спектре отраженного излучения, можно определить величину внешнего параметра.

Чуть менее распространены точечные датчики на основе длиннопериодной волоконной решетки (ДПВР). Такая решетка сходна с ВБР, но период модуляции показателя преломления у нее больше, что обусловливает резонансное взаимодействие мод и переход части энергии из мод сердцевины в моды оболочки оптоволокна (часть света изменяет режим распространения и вместо сердцевины начинает распространяться в оболочке оптоволокна, а остальная его часть продолжает проходить по сердцевине). В результате в спектре пропускания появляются «провалы» (отсутствующие длины волн), положение которых изменяется при воздействии внешних факторов на область ДПВР. Такая решетка может быть создана с использованием ультрафиолетового излучения, углекислотного лазера (CO₂-лазера) или метода электрической дуги.

И наконец, Калдаш и Ларанжу [3] кратко рассмотрели принцип работы волоконно-оптического интерферометрического датчика (ВОИД). В этом случае свет от оптического источника разделяется на два пучка – сигнальный (измерительный) и опорный (референсный), при последующем совмещении которых возникает интерференция, причем при воздействии внешних факторов интерференционный спектр изменяется, что позволяет определять соответствующие внешние параметры.

Распределенные оптоволоконные датчики

Распределенные волоконно-оптические датчики могут измерять внешние параметры вдоль всей длины волокна на основе эффектов рамановского, бриллюэновского и рэлеевского рассеяния света. Когда свет распространяется по оптоволокну, он взаимодействует с атомами и молекулами и его траектория отклоняется от прямой из-за неоднородности среды, что вызывает обратное рассеяние. В результате малая часть светового пучка возвращается к источнику. Важно, что внешние воздействия (например, изменения температуры или давления) меняют характеристики этого отраженного света, что позволяет оценивать состояние волокна и количественно определять деформации (в том числе вибрации) и температуру материала вдоль всего оптоволоконного кабеля.

Где применяют оптоволоконные датчики?

Оптоволоконные датчики применяются для мониторинга состояния фундаментов зданий и сооружений, в том числе плотин, грунтовых анкеров или нагелей, горных выработок, подземных сооружений, вмещающих их грунтов, а также оползневых процессов. Например, с использованием точечных датчиков на основе волоконных брэгговских решеток или распределенных оптоволоконных датчиков можно определять распределение деформаций в сваях по их длине при строительстве и эксплуатации свайных фундаментов.

С использованием оптоволоконных датчиков отслеживают в том числе состояние наземных и подземных конструкций мостов. Авторы доклада [3] подчеркнули, что, например, мониторинг трещинообразования в бетоне многими другими методами затруднен, но его можно успешно выполнять (определять расположение трещин, отслеживать изменения их ширины во времени) на основе распределенных волоконно-оптических датчиков. Для выявления изменений температуры и влажности бетона уже существуют оптоволоконные датчики с точечным принципом измерений на основе волоконных брэгговских решеток или интерферометрических конфигураций.

Критически важна также возможность непрерывного отслеживания состояния тоннелей и вмещающих их грунтов во время строительства и эксплуатации. С учетом большой протяженности, значительных поперечных размеров, особенно при проходке в сложных геологических (в том числе гидрогеологических), сейсмоопасных, городских условиях, решения на основе точечных или распределенных оптоволоконных датчиков могут быть особенно успешными.

Сейчас все чаще используют такой возобновляемый источник энергии, как ветер, а для преобразования его воздействий в электрическую энергию служат ветроэнергетические установки. Естественно, наземные и подземные конструкции таких установок подвергаются большим нагрузкам. Для мониторинга воздействий этих нагрузок в последние годы применяют в том числе оптоволоконные датчики.

Необходимо также не делать ошибок при строительстве и поддерживать последующую работоспособность трубопроводов, используемых для транспортировки нефти, природного газа, воды, для прокладки телекоммуникационных кабелей и т.д. Для этого необходим постоянный мониторинг их состояния для своевременного обнаружения утечек, коррозии и деформаций. И здесь существенными преимуществами обладают именно оптоволоконные датчики [3].

Отметим для примера, что, как сообщалось в журнале «Геоинфо» в октябре 2025 года [4], исследователи из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого разработали и успешно испытали новую систему на основе единой сети оптоволоконных датчиков, которая позволит в режиме реального времени и с очень высокой точностью контролировать состояние протяженных трубопроводов. С помощью спектрального опроса и цифровой обработки сигналов эта система способна фиксировать данные от каждого элемента, обеспечивая точное определение мест малейших деформаций или микротрещин. Это позволит оперативно реагировать на изменения и предотвращать аварии, вызванные оползнями, сейсмическими колебаниями, осадками или просадками грунта и другими природными или техногенными воздействиями. Разработанная система может применяться и в других областях инженерной безопасности – для мониторинга сейсмической активности, состояния фундаментов, мостов, плотин, тоннелей и других геотехнических сооружений.

Об использовании оптоволоконных датчиков при мониторинге оползневых процессов

Вернемся к статье итальянских специалистов Минардо и др. [1, 2]. Они решили изучить возможности создания эффективной системы мониторинга деформаций несвязных дисперсных и непрочных скальных вулканических пород, слагающих склоны и обрывы в густонаселенных окрестностях г. Неаполя и создающих опасность камнепадов, обвалов и потоков обломочного материала. И в целях преодоления ограничений традиционных методов отслеживания оползневых процессов данные исследователи выбрали распределенные оптоволоконные датчики, работающие на основе вынужденного рассеяния Бриллюэна (бриллюэновского рассеяния).

Для проверки эффективности работы распределенного оптоволоконного датчика в лабораторных условиях в специальном лотке был создан мелкомасштабный искусственный склон из вулканического песка, оборудованный сложной системой мониторинга. Эта физическая модель подвергалась воздействию искусственного дождя вплоть до разрушения. И результаты измерений показали, что изученная сенсорная система обнаруживает развивающиеся деформации склона раньше, чем другие датчики, а также способна различать поля деформаций в верхней и нижней частях модели. То есть указанные датчики способны выявлять увеличение деформаций грунта, предшествующее разрушению с возникновением потока обломочного материала, камнепада или обвала.

Минардо и др. [1, 2] также проводили соответствующий мониторинг состояния двух трещиноватых туфовых блоков на утесе Корольо в течение трех лет. Анализ полученных результатов показал, что распределенная волоконно-оптическая измерительная система, использующая принцип бриллюэновского рассеяния, способна отслеживать как тепловое расширение пород, так и прогрессирующие деформации трещин.

Таким образом, итальянские исследователи [1, 2] подтвердили большой потенциал применения рассмотренных датчиков для мониторинга деформаций склонов и обрывов, сложенных как несвязными дисперсными, так и непрочными скальными грунтами. Они сделали вывод, что методы распределенного оптоволоконного зондирования как в частотной, так и во временной области могут широко применяться в зонах геотехнического мониторинга, причем первый больше подходит для мелкомасштабных лабораторных экспериментов с высоким разрешением, а второй – для крупномасштабных реальных условий. С помощью изученных датчиков можно своевременно обнаруживать раскрытие трещин и разрушение склона или обрыва и разрабатывать на их основе системы раннего предупреждения об оползнях как в рыхлых, так и в скальных грунтах. Поэтому авторы исследования [1, 2] предложили широко использовать распределенные оптоволоконные системы для подобных целей.

Отметим также, что разработанная и испытанная в г. Санкт-Петербурге система мониторинга [4], рассмотренная ранее, также может применяться для раннего предупреждения об оползневой опасности.

Заключение

Системы геотехнического мониторинга на основе оптоволоконных датчиков, их разработка и использование привлекают все больше внимания во всем мире благодаря их высокой эффективности и точности, о чем говорит все увеличивающееся количество публикаций на эти темы. Здесь мы попытались рассказать лишь о некоторых из таких работ.

Список литературы

1. Минардо А., Дзени Л., Коскетта А., Каталано Э., Дзени Д., Дамиано Э., Де Кристофаро М., Оливарес Л. Применение распределенных волоконно-оптических датчиков для геотехнического мониторинга (пер. с англ.) // Геоинфо. 2022. № 11. С. 54 –65.
2. Minardo A., Zeni L., Coscetta A., Catalano E., Zeni G., Damiano E., De Cristofaro M., Olivares L. Distributed optical fiber sensor applications in geotechnical monitoring // Sensors. 2021. Vol. 21. № 22. Article 7514. DOI: doi.org/10.3390/s21227514. URL: mdpi.com/1424-8220/21/22/7514.
3. Caldas P., Laranjo M.L. Fiber optic sensors in geotechnical works – a review // Geotechnical Engineering Challenges to Meet Current and Emerging Needs of Society: Proceedings of the XVIII European Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ECSMGE 2024). 2024. P. 2144–2147. DOI: 10.1201/9781003431749-405. URL: www.taylorfrancis.com; researchgate.net/publication/384850418_Fiber_optic_sensors_in_geotechnical_works_-_a_review.
4. Оптоволоконная сеть защитит российские трубопроводы от оползней и просадок грунта // Геоинфо. Служба новостей. 2025. 31 октября. URL: https://geoinfo.ru/product/sluzhba-novostej-geoinfo/optovolokonnaya-set-zashchitit-rossijskie-truboprovody-ot-opolznej-i-prosadok-grunta-58674.shtml.