综述：地下岩体原位微变形监测的高精度光学测量方法综述

《Frontiers in Earth Science》：A review of high-precision optical measurement methods for in-situ micro-deformation monitoring of underground rock masses

　　

深部地下工程的安全性和稳定性评估依赖于对岩体小幅度变形响应的监测，包括毫米到亚毫米级的表面位移、微应变水平的局部或分布式应变，以及纳应变到皮应变水平的地球物理应变。随着地下空间利用深度的增加和对深地科学研究需求的增长，传统的机械和电磁测量技术在精度、抗干扰能力和长期稳定性方面越来越受限。本文回顾了地下岩体微变形测量技术的发展历史，并批判性地分析了机械、电磁和光学测量方法的工作原理、应用现状和固有缺陷。特别强调了高精度光学测量技术，包括3D激光扫描（LiDAR）、光纤传感、光栅计量和激光干涉测量，并详细讨论了它们的最新进展和典型工程应用。基于来自日本神冈观测站（Kamioka Observatory）、意大利格兰萨索国家实验室（Gran Sasso National Laboratory）、俄罗斯巴克桑中微子天文台（Baksan Neutrino Observatory）和美国地球透镜计划（EarthScope）的案例研究，本文阐明了高精度光学测量在地球物理学和岩石力学中的应用价值。在回顾这些成熟的光学技术之后，本文进一步讨论了涡旋光束干涉测量作为一个新兴的视角焦点，并考虑中国锦屏地下实验室（CJPL）作为未来岩体原位微变形监测的代表性超深验证环境。

**1 引言**

深部地下工程是解决人类资源短缺、拓展空间利用和保障能源储备的关键途径。从深部矿产开采、水电工程地下厂房到高放废物地质处置库，地下岩体的长期稳定性直接关系到工程安全与环境保护。与浅部工程不同，深部岩体处于“三高一扰动”（高地应力、高地温、高渗透压、强开挖扰动）的复杂力学环境中，其流变特性和微破裂演化过程极为隐蔽和复杂。深部工程灾害防治迫切需要对地下岩体进行高精度原位探测。在深部工程领域，岩爆、坍塌等动力灾害并非突发无预警事件，而是通常经历隐蔽的能量积累和微破裂演化过程。经典岩石力学理论指出，在宏观破坏之前，岩体会出现显著的扩容现象，即微裂纹在压剪应力下张开导致非线性体积膨胀。这种纳米到微米级的扩容变形是岩体从弹性阶段向失稳破坏阶段转化的关键前兆。捕捉“寂静期”内的微变形信号，对于实现从灾害事后处理向灾前预警的跨越至关重要。在本综述中，“岩体微变形”作为一个操作性、方法中性的术语，而非单一精度等级，指低于常规工程尺度收敛但涉及损伤起始、裂纹扩展、蠕变演化和地球物理应变观测的地下岩体小幅度变形响应。根据传感原理和安装配置，这些响应可表现为表面位移或收敛、局部或分布式应变、动态应变/振动、倾斜或旋转敏感变形、基线延伸或光程变化。具体而言，综述的信号包括：（i）毫米到亚毫米级的表面几何位移或收敛，通常由地面激光扫描（TLS）、移动激光扫描（MLS）或摄影测量方法解析；（ii）微应变到纳应变水平的局部、准分布式或分布式应变和振动，通常由光纤布拉格光栅（FBG）、基于布里渊的分布式光纤传感（DFOS）和分布式声学传感（DAS）系统测量；（iii）纳应变到皮应变水平的高精度应变、基线延伸或光程变化，由钻孔应变计和激光干涉测量系统测量。涡旋光束干涉测量作为一种新兴光学方法，用于位移和潜在旋转敏感变形测量。因此，本文中的“微变形”并不意味着LiDAR、光纤传感、钻孔应变计、高斯光束干涉仪和涡旋光束干涉仪测量相同的物理量或提供等效测量精度。每种方法根据其自身的主测量量、分辨率或灵敏度、空间分辨率、监测范围和时间或频率响应进行评估。此外，在前沿地球科学探索中，对深地环境的深入理解需要更高精度的岩体微变形观测，这适用于地震孕育机制、板块滑动机制和地质体演化等科学问题的深入研究。2016年Obara等在《Science》上发表的研究指出，大震在动态破裂前可能经历极慢的成核阶段，常伴随慢滑移事件（SSEs）或传统地震仪难以感知的震前微蠕变。2023年Bletery等继续研究地震前的类似弱滑前兆。这类研究中，无论是固体潮的微幅响应还是断层带的超低频扰动，这些信号都包含地壳应力临界状态不可忽视的解码信息。对应变（纳应变，10^-9）甚至更高精度的需求，不仅是岩石力学与工程领域的关键技术要求，也是支撑前沿基础物理研究的重要保障。岩体微变形的精确测量具有科学与工程的双重价值：一方面为深部工程灾害预警提供关键物理基础，另一方面可捕捉岩体宏观破坏前的微观前兆信息，如岩石扩容和微裂纹萌生扩展。地层变形的高灵敏度观测可用于研究地壳运动、断层活动、地球自由振荡等地球物理现象，揭示地球内部动力学过程。因此，本文系统综述了典型机械、电磁和光学变形测量技术的原理、发展历史和应用现状，特别关注位移、应变、振动、旋转敏感变形和光程变化等可测量物理量与它们在岩体监测中的代表性分辨率、监测尺度和部署条件之间的方法特异性对应关系。本综述的组织结构为两层：首先，第2、3节对成熟的变形监测技术进行比较综述，强调机械、电磁、LiDAR、光纤、光栅和高斯光束干涉测量方法的物理测量量、分辨率范围、监测尺度、部署条件和局限性；其次，在此比较综述之后，第4节作为关于涡旋光束干涉测量的视角部分，这种新兴的基于轨道角动量（OAM）的光学计量方法并非替代成熟监测技术，而是作为紧凑型干涉位移测量和潜在旋转敏感或矢量变形传感的补充候选。在该视角中，CJPL因其低背景条件和与未来高精度原位光学变形监测的相关性，被讨论为代表性超深地下验证环境。

**2 微变形测量技术的发展演变**

在物理计量学、现场应用和测量精度需求提升的推动下，岩体变形测量技术从直观的机械测量发展到精密电磁测量，再到高精度光学测量。早期测量技术主要依赖机械系统，从最初的尺子、游标卡尺和百分表等手动测量，到后来机械引伸计等工具，通过物理接触传动机构获取变形数据，其精度常受限于机械加工公差和人工读数误差。随着电子信息技术的发展，电磁测量技术出现，利用电感、电容和电阻应变效应，将岩体微弱几何变形转换为高信噪比电信号，显著提升了测量灵敏度和自动化水平。现代光学测量技术凭借抗电磁干扰（EMI）、本质安全和高分辨率占据了技术前沿，利用光波的干涉、衍射和散射特性（如激光测距和光纤传感），现代测量技术可精确捕捉多物理场耦合下岩体的细微演化规律，标志着变形观测技术正式进入高精度智能光学传感时代。表1总结了这些测量技术的特性，表中列出的代表性值应解释为文献中报道的方法特异性分辨率或灵敏度范围，而非归一化精度排名，因为不同技术测量不同物理量，包括表面位移、局部应变、分布式应变或振动、基线延伸、光程变化和旋转敏感变形。

**2.1 机械变形测量技术**

机械测量是最早应用于岩土监测的技术，依靠物理接触传动机构，以熔融石英或超因瓦棒等稳定长度标准为基准，放大微小岩体位移。几十年来，该技术向实际深部岩体工程中的多点原位监测发展，主要进展表现为多点钻孔引伸计（MPBX）的标准化，成为评估隧道围岩稳定性的行业标准。尽管集成了高精度位移传感器，机械仪器的基本物理限制仍然突出，其精度受限于机械摩擦、传动间隙和读数装置分辨率，通常限制在微米级。此外，机械部件易受热膨胀和环境噪声影响，导致显著的温度和零漂，加之动态响应差，传统机械仪器难以捕捉现代深地工程所需的纳应变级微变形。尽管如此，现代化的石英管引伸计仍在高精度观测站中作为重要对比基准运行。

**2.2 电磁变形测量技术**

为克服机械放大的局限性，20世纪中期出现了向“机电转换”的范式转变。通过引入能将微小机械位移转换为电信号的传感元件，该技术实现了信噪比和灵敏度的数量级提升。电位移计，最著名的是线性可变差动变压器（LVDT），成为测量岩石裂缝张开和隧道收敛的核心部件。对于纳应变（10^-9）级微变形检测，电容传感器技术脱颖而出，电容钻孔应变计利用电容板间距变化，实现10^-11到10^-12的峰值灵敏度。先进的电磁传感器，如YRY-4型压容式钻孔应变计，广泛用于地震科学阵列，能够记录高频地震波。然而，面对深部地下工程的极端环境，电磁传感器遭遇严重瓶颈：抗干扰能力弱，长传输电缆易耦合电磁干扰（EMI）淹没微弱应变信号；核心电子器件存在固有1/f噪声和随时间变化的零漂，影响长期稳定性；环境适应性受限，高温深部岩体中传统半导体器件性能急剧下降，且易燃地下环境中的严格“本质安全”标准限制了电气仪器的发展。

**2.3 光学变形测量技术**

随着物理光学和光电技术的飞跃，光学测量成为克服深部岩体监测挑战的关键手段。该技术以光波为载体，将物理机械量（位移、应变、振动）转换为强度、相位、偏振或频率等光学参数。历史上，光学变形测量的发展涵盖四大类别：（1）用于宏观几何监测和点云重建的3D激光扫描（LiDAR）；（2）从准分布式光纤布拉格光栅（FBG）发展到全分布式传感（如BOTDA、Φ-OTDR/DAS）的光纤传感，用于跨域多场监测；（3）依赖莫尔条纹和衍射的光栅测量，用于高灵敏度局部观测；（4）将测量推向“亚波长”时代的激光干涉测量。这些光学测量方法的示意图见图3。在现代，光学测量技术已成为传统机械和电磁传感器的重要补充，特别是在需要高精度、远距离传输、抗电磁干扰或本质安全的地下环境中。然而，这种趋势不应被解释为对机电仪器的普遍替代。机械引伸计、收敛计、LVDT、电阻应变片、振弦式应变计和电容钻孔应变计因其低成本、安装简便、数据解释成熟、操作稳健和适合常规监测，仍在实际地下工程中广泛使用。光学系统最好被理解为互补方法，在选定的高精度或恶劣环境场景中部分替代方案，而非普遍替代。光学方法日益增加的使用从根本上由三个核心物理优势驱动：第一，光学仪器提供本质安全和抗电磁干扰（EMI），光子绝缘光纤降低了电火花风险和地环路噪声，提高了数据可靠性；第二，光学测量系统提供高灵敏度和宽动态范围，激光干涉测量可实现皮米甚至飞米级位移分辨率，能够检测与固体潮和微震相关的纳应变级弱变形；第三，低损耗光纤可实现数十公里无中继遥感监测，使精密解调设备可置于受保护的地面监控室，减少地下维护需求。因此，现代光学技术突破了机械摩擦和电子热噪声的物理极限，为清晰描绘岩体演化和断裂孕育的微观轨迹提供了基础工具。

**3 岩体微变形的主要光学测量技术及高精度检测应用案例**

现代光学变形测量技术原理和形式多样，应用于岩体微变形高精度测量的主流光学技术可大致分为3D激光扫描技术、光纤变形测量技术、光栅测量技术和激光干涉测量技术。

**3.1 3D激光扫描技术（LiDAR）及其应用**

随着测绘科学与计算机视觉技术的深度融合，3D激光扫描（LiDAR）已成为地下工程宏观几何监测的革命性手段。与传统单点测量不同，LiDAR以非接触、全覆盖方式获取岩体表面高密度三维点云，实现了向三维体监测的飞跃。工程应用中，地面激光扫描（TLS）利用飞行时间（ToF）或相位测距原理，重建隧道表面毫米级精度数字孪生模型，通过多时相点云对比分析，可计算围岩收敛并识别潜在塑性挤压变形区，同时提取节理产状评估岩体质量。同时，为克服固定TLS的扫描盲区，集成同步定位与地图构建（SLAM）算法的移动激光扫描（MLS）系统出现，极大提高了超长隧道的数据采集效率。尽管LiDAR在宏观空间建模方面表现优异，但在高精度微变形领域面临显著物理瓶颈。受限于激光束发散、大气折射和系统仪器误差，TLS单点定位精度通常限制在毫米级（2-5 mm），MLS因SLAM累积误差，绝对精度为1-3 cm，因此LiDAR极难直接检测纳应变（10^-9）级前兆微变形。此外，激光无法穿透岩体介质，LiDAR观测严格限于表面几何变化，无法感知岩体内部微破裂萌生和应力重分布过程。

**3.2 光纤变形测量技术及其应用**

光纤传感技术凭借抗电磁干扰、耐腐蚀、远距离传输和“传感知一体化”等独特优势，成为获取深部岩体多场信息（应力、应变、温度、振动）的革命性手段。根据沿光纤轴向的空间连续性，该技术主要分为全分布式和准分布式/点式两大类，详见表2。由于大多数光纤传感机制同时对机械和热扰动响应，其工程性能不仅取决于标称应变分辨率，还取决于温度补偿、光纤-岩石耦合、传感长度、带宽和环境鲁棒性。

**3.2.1 分布式光纤传感（DFOS）**

DFOS技术利用光子传输过程中光纤纤芯内产生的背向散射光特性来反演外部物理场。根据散射机制不同，分布式光纤传感主要分为三类：第一类基于布里渊散射原理，代表技术包括布里渊光时域分析（BOTDA）和布里渊光时域反射（BOTDR），利用布里渊频移与光纤轴向应变和温度的良好线性关系，适用于数十公里范围内的长距离准静态监测，应变测量精度约20 με，空间分辨率米级；第二类基于瑞利散射原理，代表技术为相位敏感光时域反射（Φ-OTDR），也称分布式声学传感（DAS），利用瑞利散射中心的相干光干涉效应，以极高采样率捕获沿光纤每一点的动态相位变化，将光纤转化为长达数公里的虚拟高频接收器，能感知纳应变（10^-9）级微震波场，特别适用于岩体微破裂和水力压裂过程的实时声发射监测；第三类基于拉曼散射，主要用于分布式温度传感（DTS），常作为应变监测的温度补偿方法。分布式光纤传感在深部开采岩层监测、隧道围岩全生命周期监测及地层结构高精度刻画与探测方面有重要应用。针对矿山开采引起的覆岩移动，传统点式位移计难以捕捉岩层内部连续变形剖面，Zhang等（2015）在垂直钻孔全断面嵌入特种传感光纤，利用BOTDR成功重构了采动覆岩“三带”（垮落带、裂隙带、弯曲下沉带）高度，实现了岩层离层位置和断裂演化过程的精确定位（精度约10-20微应变），验证了岩层移动的关键层理论。在隧道工程中，从开挖卸载弹性变形到支护后流变塑性变形是连续过程，Mohamad等（2012）在隧道管片与围岩之间安装分布式光纤，不仅量化了围岩收敛变形，还成功追踪了混凝土衬砌中裂纹的萌生和扩展路径。近年来，基于相干瑞利背向散射的光频域反射（OFDR）作为高空间分辨率分布式传感技术出现，可提供毫米到厘米级空间分辨率，特别适用于实验室岩石力学试验、局部裂缝张开测量以及节理、断层等小尺度结构面的精细滑移或变形监测。然而，其空间分辨率优势不应被解释为深部钻孔部署的普遍优越性，OFDR的有效传感范围通常短于长距离布里渊或相位敏感OTDR系统，在深部钻孔中，温度梯度、水压、弯曲损耗、灌浆或粘接蠕变以及不确定的岩石-光纤应变传递会进一步放大这些限制，因此OFDR更适合作为短距离精细监测的互补高分辨率方法。

**3.2.2 准分布式/点式传感（FBG）**

光纤布拉格光栅（FBG）通过紫外全息曝光等工艺在纤芯中写入周期性折射率调制结构，其工作原理遵循布拉格方程λ_B=2n_effΛ。当外部应力或温度改变光栅周期Λ或有效折射率n_eff时，反射中心波长λ_B发生漂移。通过波分复用（WDM）技术，可在单根光纤上串联数百个FBG传感器，形成准分布式网络。尽管DFOS发展迅速，FBG因其成熟的封装技术和极高的单点灵敏度，在高温高压等特定场景仍具有不可替代的优势。通过专门的增敏封装结构，FBG传感器可检测极微弱的地壳应变信号，实现地震前兆和微应变的捕捉。Yang等（2019）设计了双光栅差分结构，通过引入温度补偿机制有效消除了环境温度漂移干扰，增强了对地震前兆低频应变波的捕获能力。在美国“地球透镜”（EarthScope）计划的圣安德烈亚斯断层深部观测站（SAFOD）项目中，研究人员利用耐高温光纤光栅阵列替代易损坏的电子应变片，克服了井下高温（>100°C）和强腐蚀环境，实现了断层核心带应力积累和释放过程的长期原位监测，验证了FBG在极端地质环境中的生存能力。在俄罗斯巴克桑激光干涉仪实验中，光纤传感器数据用于关键环境参数校准，研究人员利用FBG网络精确监测干涉仪臂的温度场梯度和背景微振动，通过数据融合算法消除环境噪声，确保了引力波和地球物理信号检测的纯净度。目前，将FBG传感器封装在空心锚杆内形成的“智能锚杆”已成为评估地下洞室围岩稳定性的重要工具，可感知锚杆轴力分布和岩体中性点位置的变化，直接反映围岩松动圈范围。光纤传感技术正从单一物理量测量向多场耦合监测发展，BOTDA/Φ-OTDR和FBG技术的有机互补构建了从宏观全场到微观节点的体岩体传感网络。近期研究进一步表明，光纤传感已从孤立实验室验证走向集成化的斜坡、滑坡、地下结构和地下储能场地现场监测。

**3.3 光栅测量技术及其应用**

光栅测量技术利用光学衍射或几何干涉效应将机械位移转换为光强或相位变化，主要包括基于几何干涉的莫尔条纹光栅和基于物理光学的衍射光栅。莫尔干涉法利用试件光栅与参考光栅重叠产生的放大效应，现代高灵敏度莫尔干涉法（HSMI）利用高频全息光栅实现亚微米级面内位移测量灵敏度，在实验岩石力学中作为强大的“显微镜”，用于全场变形映射以可视化分析应变局部化带和岩石裂纹尖端断裂过程区（FPZ）等微观破坏机制。然而，由于其严苛的光栅制备和环境稳定性要求，其应用仍主要局限于准静态实验室尺度岩石试件观测。为从实验室全场观测转向精密点式现场监测，衍射光栅传感器基于多普勒频移原理利用光栅衍射效率和相位特性，集成光学编码器和利特罗（Littrow）配置的系统可通过电子细分实现纳米级（10^-9 m）线性位移分辨率。与电容传感器相比，基于衍射光栅的光学换能器可提供低噪声底、高动态范围和优异的井下抗电磁干扰能力，因此衍射光栅基光学地震计和相位光栅位移传感器仍适用于局部位移、振动和缓慢变化变形测量，尤其是在传感头不宜使用电气元件的场景。然而，经典莫尔和衍射光栅计量应与更广泛的光栅相关和分布式光纤传感技术区分开来，前者主要用于高灵敏度实验室全场变形测量或局部点式位移传感，而近期地下岩体和岩土监测的现场进展更多由光纤系统驱动，包括FBG阵列、BOTDA/BOTDR、OFDR、DAS和高分辨率光纤传感神经。

**3.4 激光干涉测量技术及其应用**

在追求地球物理观测和岩石力学测量的终极精度方面，激光干涉测量无疑代表了当前测量精度的巅峰。基于光波干涉原理的仪器，凭借其直接溯源于光波波长的计量特性，能克服传统电传感器的物理障碍，实现皮米（10^-12 m）到飞米（10^-15 m）级的位移分辨率。根据所利用光场的物理特性，该技术主要分为基于传统高斯光束的干涉测量和基于轨道角动量（OAM）的涡旋光束干涉测量。表3比较了长基线高斯光束激光应变计和涡旋光束干涉仪的方法特异性特性，旨在阐明它们不同的观测对象、基线配置、验证水平和部署条件，而非对两种干涉方法进行排名。

**3.4.1 高斯光束干涉测量**

传统激光应变计（LSM）的核心架构基于迈克尔逊或法布里-珀罗不等臂干涉仪，其基本原理利用高稳定性单频激光（如碘稳频He-Ne激光）作为光源，分束后进入固定长度参考臂和随地壳变形的测量臂，两束光在探测器处会合产生干涉条纹，地壳或岩体的微小伸缩引起光程差变化，从而驱动干涉条纹移动（相位变化）。为消除空气折射率波动影响，测量光路通常置于高真空管（低于10^-2 Pa）内，使测量精度仅受限于激光频率稳定性和量子散粒噪声。在地质体微位移精密检测的实际应用案例中，日本神冈观测站、意大利格兰萨索国家实验室、俄罗斯巴克桑观测站和美国板块边界观测站（PBO）的相关干涉实验较为著名。日本早在1979年就在天ヶ瀬地壳运动观测所（34°53′N, 135°50′E，深度70.3 m）进行了激光干涉仪与超因瓦棒引伸计的系统对比研究。神冈观测站自1996年建设，是国际知名地下实验室，在1000米深隧道内安装了100米激光应变计系统。该站位于硬岩基岩中，弹性波速高达5000 m/s，200米埋深处地震动幅度比城市地表低100倍以上，低频噪声改善尤为显著。2016年9月实验室地球物理干涉仪（GIF）试运行期间，应变分辨率达到10^-12到10^-10（频率依赖），成功观测到幅度约为理论值90%的潮汐应变信号，揭示了地形效应影响。2023年，Takamori等报告了部署在KAGRA引力波望远镜隧道内的1500米级激光应变计（GIF）首次清晰观测到2022年Hunga Tonga-Hunga Ha'apai火山喷发事件，充分展示了超长基线激光应变计捕捉地质灾害事件弱变形信号的卓越能力。意大利格兰萨索国家实验室的激光应变计部署可追溯到Crescentini等1997年记录的90米基线系统，该设备观测了2004年苏门答腊-安达曼地震的地球自由振荡，并揭示了地下水流动与岩石变形之间的内在联系，确认了地下水孔隙压力梯度变化是驱动变形的主导机制，而非简单的水位变化。俄罗斯斯特恩伯格国家天文研究所（Shternberg State Astronomical Institute）在北高加索地区建造并运行了一台75米长基线激光干涉仪，1992年俄罗斯科学院提出两种新型地震预测激光应变计，结构简单紧凑，适用于受限空间测量，为后续巴克桑实验室的干涉仪观测奠定了基础。2019年，Milyukov等详细介绍了安装在深部隧道中的OGU-1激光干涉仪，具有75米不等臂真空光路，应变灵敏度优于10^-13。利用该设备极低的背景噪声，研究团队不仅清晰记录了远强大地震激发的地球自由振荡（球型和环型模式）和超低频地震波，更重要的是成功检测到了厄尔布鲁士火山下方的岩浆房活动引起的微小地壳振动——一种周期性非潮汐变形，展示了深部长基线干涉仪在火山灾害超早期预警中的独特价值。2018年，Milyukov等对格兰萨索和巴克桑两个激光应变计的海潮负荷和局部畸变效应进行了系统定量评估，揭示了深地应变测量中环境耦合和地质结构干扰的关键机制。此外，美国地球透镜计划（EarthScope）中的板块边界观测站（PBO）也进行了地质微变形的精密检测，该计划安装了200个钻孔应变计和5个激光应变计，用于研究美国西部活动板块边界的变形。2011年，Barbour和Agnew的研究表明，PBO在南加州安扎地区安装了8个钻孔应变计，分析其噪声水平后发现微震频段（0.1 Hz-1 Hz）的噪声由微震活动决定。除PBO早期系统外，加州大学圣迭戈分校（UCSD）运营的Pi?on Flat观测站（PFO）也是全球地壳形变观测的基准站。2014年，Agnew和Wyatt指出，PFO部署的三分量激光应变计（臂长732 m）是目前全球长期稳定性最好的地壳形变观测设备。在美国PBO计划中，LSM被用作校准钻孔应变计的对比基准，更重要的是，它捕捉到了传统地震仪无法记录的圣安德烈亚斯断层系统上的慢滑移事件（SSEs）和震颤，这些持续数天至数周的无声断层滑动对于理解应力积累和大震孕育机制至关重要。

**3.4.2 涡旋光束干涉测量**

尽管高斯光束干涉仪具有极高精度，但在原位岩体测量中仍面临挑战。传统基于干涉条纹的线性位移测量依赖光强检测，易受光源功率波动和环境光干扰，且位移与相位的关系固定为λ/2（半波长），进一步提高分辨率需要极其复杂的电子细分系统。为克服这一瓶颈，学术界进一步引入了携带轨道角动量（OAM）的涡旋光束，成为光子学与计量学交叉的前沿方向。涡旋光束具有螺旋相位波前结构e^ilθ，其中l为拓扑荷，导致光束中心呈现相位奇点（暗核）。涡旋光束干涉仪的独特优势在于将线性位移转换为角旋转。当涡旋光束与平面波（或共轭涡旋光束）干涉时，形成特殊的花瓣状或螺旋状干涉图案（称为旋转多普勒效应）。Lavery等及后续研究表明，当参考臂与测量臂之间发生微小轴向位移Δz时，干涉图案并非像传统干涉那样平移，而是绕光轴旋转。干涉图案的旋转角Δψ与位移Δz之间存在倍数关系。通过选择高阶拓扑荷（大l值），可显著放大旋转效应，微小岩体位移（纳米级）可导致干涉图案旋转数度。通过这种相位放大方法，可利用普通CCD相机结合图像处理算法实现超高精度位移反演。该技术为岩体微变形测量提供了全新的物理维度。与单纯监测光强相比，监测图案旋转在抵抗强光干扰和信噪比衰减方面具有固有优势。2019年Zhou等的实验证明，基于涡旋光束的微位移传感器在实验室环境中已可实现亚纳米级测量精度，且结构比传统干涉仪更紧凑。近期研究进一步表明，基于OAM的干涉计量从原理验证型位移传感向更多样的位移、角度和鲁棒性测量方案发展，包括基于计算视觉的涡旋干涉测量改善宽测量范围位移解调、方位角复频谱分析实现皮米级位移提取、双环共轭涡旋干涉通过内外花瓣结构差分旋转增强微位移灵敏度、共轭涡旋光束迈克尔逊干涉用于纳米级位移测量和运动状态监测、机器学习辅助光学涡旋干涉测量用于高精度小角度测量，以及像差校正和拓扑荷/相位探测策略用于改善涡旋干涉在畸变波前条件下的鲁棒性。这些研究指出，涡旋光束干涉测量的当前价值不在于成熟现场部署，而在于其不断扩展的物理可测量量、紧凑的干涉配置以及对位移-旋转耦合变形的潜在灵敏度。从巴克桑的长基线高斯光束干涉仪到实验室桌面上的涡旋光束系统，激光干涉测量技术正朝着更长（基线）和更精密（微观机制）两个维度发展。未来，涡旋光束技术的纤芯化有望在深部岩体狭窄空间内实现原位皮米级监测，为揭示极低应变率下岩石的本构行为提供前所未有的观测手段。以下部分因此作为视角而非一般综述的延续。前述小节表明，LiDAR、光纤传感、光栅光学测量和高斯光束激光干涉测量在地下工程和地球物理监测中已形成相对成熟的应用场景。相比之下，涡旋光束干涉测量仍处于早期发展阶段，但它引入了一种基于光学轨道角动量、螺旋相位分布和旋转敏感干涉图案的独特测量机制。该机制并非旨在取代已建立的光学监测方法，而是可能通过紧凑型干涉位移测量和在受限地下空间中对旋转或矢量变形分量的潜在灵敏度来补充它们。因此，涡旋光束干涉测量在此作为新兴视角焦点进行讨论，重点是其最近的计量学进展、部署挑战以及在超深地下环境中可能的验证路径。

**4 涡旋光束干涉测量作为地下岩体微变形监测新兴互补方法的视角**

涡旋光束干涉测量在此作为地下岩体微变形监测的新兴互补光学计量方法进行讨论。其潜在价值并非普遍优于现有技术，而在于提供一种基于光学轨道角动量（OAM）、螺旋相位分布和旋转敏感干涉图案之间耦合的独特测量机制。在实际地下监测中，不同光学技术服务于不同测量目标：LiDAR和摄影测量方法适用于几何重建和收敛监测；光纤传感系统，包括FBG、BOTDA/BOTDR、OFDR和DAS，适用于应变、温度和振动的局部、准分布式和分布式测量；光栅