根据2025年基础设施报告卡[1]，美国基础设施的整体评级为C级，表明其状况一般或中等，这为维护和改善基础设施状况带来了巨大的资金缺口[2]。随着基础设施的老化[3]，这一缺口会进一步扩大。更多裂缝的出现将危及基础设施的安全性和使用寿命[4]。对裂缝进行实时监测对于早期预警和最佳维护至关重要[5]。
目前用于检测裂缝的方法包括人工检查、机器人辅助检查、无损检测（NDT）和原位传感器。由于依赖人工，人工检查在时间、劳动力和成本方面效率低下。机器人辅助检查减少了数据收集中的人工干预，并能够进入难以到达的区域[6]。然而，机器人的操作需要熟练的操作员。此外，人工检查和机器人辅助检查主要关注表面可见的裂缝，而基础设施往往存在不可见或隐藏的裂缝，这些裂缝在施工和运营阶段都可能严重威胁结构安全。
为了检测不可见的裂缝，已经开发了多种无损检测技术，如声发射（AE）[7]和非线性超声检测[8]。这些技术显示出检测隐藏裂缝的能力。然而，这些技术也存在多个缺点。首先，这些技术通常是定期进行的，而非实时监测。尽管理论上可以实时操作，但实际操作涉及高昂的无损检测设备成本和劳动力成本。其次，这些技术使用点式传感器，提供离散的检测数据。例如，监测一座桥梁需要大量传感器和多通道数据采集（DAQ）系统，进一步增加了传感器的安装和管理成本[9]。
原位传感器已被应用于民用结构的实时监测。典型的传感器包括加速度计、温度传感器和应变传感器。加速度计通常用于测量结构振动[10]，振动数据可用于识别结构参数（如频率和模态形状[11]），进而评估刚度和阻尼比的变化。然而，使用加速度数据难以评估裂缝状况。应变传感器被用来监测裂缝，因为裂缝的起始和扩展可以通过应变变化方便地识别[12]。然而，传统的点式应变传感器仅提供局部测量数据，跨越裂缝的概率较低。
在过去十年中，分布式光纤传感器被开发并应用于裂缝监测。与传统点式传感器相比，分布式光纤传感器沿光纤电缆提供连续的空间测量，大大提高了跨越裂缝的概率。分布式光纤传感器用于裂缝监测的工作原理已在参考文献[13]、[14]、[15]中详细阐述。已经开发了多种方法来检测、定位和量化裂缝[16]、[17]、[18]、[19]。最近，提出了机器学习方法来自动化处理和分析来自分布式光纤传感器的大量数据以监测裂缝[20]、[21]。然而，现有的基于分布式光纤传感器的方法仅限于近场裂缝，这意味着光纤电缆必须跨越裂缝。当光纤电缆远离裂缝时，传感器的灵敏度会大大降低。这一限制阻碍了分布式光纤传感器的应用，因为许多裂缝位于电缆远离裂缝的位置。
分布式声学传感（DAS）技术已被应用于从远场事件（如地震[23]和天然气勘探[24]）中收集信号，在地球物理学领域取得了进展。远场测量能力激发了这项关于民用基础设施远场裂缝监测的研究。尽管参考文献[25]、[26]、[27]中提到了DAS技术的潜力，但它尚未被用于裂缝监测。DAS系统涉及几个关键配置参数，如测量长度[28]、通道间距[29]和采样率[30]。这些参数对DAS系统裂缝监测性能的影响尚不清楚。
本研究的目标是开发一种基于DAS的方法来监测混凝土桥面的远场裂缝。这项研究涉及关键的知识空白和技术挑战。首先，鉴于大规模实验的实际和财务限制，数值建模是裂缝分析的有效替代方法。然而，对DAS的建模仍然具有挑战性，因为不清楚如何重建与复杂配置（如测量长度和通道间距）相关的DAS数据。其次，钢筋引起的弹性波的传播非常复杂。弹性波与钢筋之间的相互作用以及这些相互作用对远场声学测量的影响尚不清楚。第三，目前尚不清楚DAS系统是否能够在弹性波传播并受到钢筋干扰后仍能捕获裂缝信号。此外，也不清楚DAS信号是否包含足够的信息来定位裂缝。第四，尚不清楚DAS配置如何影响裂缝检测和定位的性能。
鉴于上述知识空白和技术挑战，本文提出了以下研究问题：（1）裂缝引起的弹性波与DAS信号之间有什么关系？（2）裂缝引起的弹性波在钢筋混凝土桥面中如何传播？（3）DAS如何检测和定位钢筋混凝土桥面的远场裂缝？（4）DAS配置参数如何影响裂缝监测性能？
基于这些问题，研究目标如下：（1）开发一种多物理场建模方法，用于模拟和重建DAS对裂缝引起波的响应；（2）通过分析波场、振幅和频率特性来表征这些波；（3）通过分析DAS信号的波形特征来检测裂缝，并使用先进的自适应方法定位裂缝；（4）研究DAS配置参数（如测量长度、通道间距和采样率）对DAS信号以及裂缝检测和定位性能的影响。这些目标是相互关联的，以实现研究目标。
本研究的主要贡献包括：（1）开发了一种基于DAS的方法，实现远场裂缝的实时监测；（2）加深了对钢筋混凝土中裂缝引起波传播的基本理解；（3）建立了一个高保真的信号处理框架，用于重建DAS信号；（4）揭示了DAS系统配置对基于DAS的裂缝监测性能的影响；（5）基于一座典型的钢筋混凝土公路桥，评估了该方法的检测和定位性能。
本文的其余部分组织如下。第2节介绍了基于DAS的裂缝监测方法和研究方法。第3节展示了弹性波、裂缝监测和裂缝定位的结果。第4节分析了影响监测和定位性能的关键因素，特别是系统配置的影响。第5节分析了裂缝监测技术的性能和成本效益。第6节讨论了这项研究的优势和局限性。第7节总结了新的发现。
