近日，我司聯(lián)合南京大學、內(nèi)蒙古電力勘測設計院有限責任公司、北京湜沅科技有限公司，于2023年6月發(fā)表在《光電子技術》期刊的論文“一種融合Φ-OTDR和MZI的PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)”，獲得2023年度《光電子技術》期刊優(yōu)秀論文獎。我司工程師趙世松、張道為該論文的共作者。

圖1  論文首頁

為了解決水資源時空分布不均勻的困境，我國目前正在興建一系列大規(guī)模引調(diào)水工程。預應力鋼筒混凝土管(PCCP)因其強度高、抗震好、防滲漏等優(yōu)點，被廣泛應用在長距離輸水管道的建設中。但是隨著服役年限的增加，PCCP管道存在預應力鋼絲斷裂的現(xiàn)象，積累到一定程度便有可能誘發(fā)爆管事故，因而迫切需要對PCCP斷絲進行實時在線監(jiān)測。分布式光纖傳感技術將整段光纖作為傳感器件，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)十km范圍內(nèi)光纖沿線任意位置處微弱擾動的高靈敏探測與精準定位，其相較于傳統(tǒng)的監(jiān)測技術具有連續(xù)分布式、監(jiān)測距離長、信號畸變低、便于大規(guī)模組網(wǎng)、環(huán)境適應性強等優(yōu)勢。且傳感光纜可以帶水布設，解調(diào)儀器僅需單端接入，便于傳感系統(tǒng)在現(xiàn)場的安裝部署。結(jié)合模式識別算法，該系統(tǒng)能夠可靠地對具有爆管風險的PCCP管節(jié)提前發(fā)出預警。因此無論是面向新建還是在役管線，該技術均能夠很好地勝任，在PCCP斷絲監(jiān)測上有著廣闊的應用前景。

然而長期以來，僅有西方發(fā)達國家少數(shù)企業(yè)掌握該項技術，且需回傳監(jiān)測數(shù)據(jù)至境外分析。在近年的國際大背景下，將涉及民生、工業(yè)的核心水務數(shù)據(jù)發(fā)送到國外，勢必造成敏感信息泄露的風險，威脅國家安全。因此這種數(shù)據(jù)采集與分析均委托于國外公司的模式，在相當長的可預見時間段內(nèi)都勢必難以維系，大型水利設施上的國產(chǎn)化技術替代已迫在眉睫。在此背景下，我司與合作單位北京水科院、北京湜沅科技有限公司共同承擔了“南水北調(diào)干線PCCP斷絲監(jiān)測國產(chǎn)化技術試驗項目”。提出了一種融合Φ-OTDR和MZI的PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高定位精度和寬測頻范圍的振動測量，且優(yōu)化后的IQ解調(diào)方法能夠極大地減小數(shù)據(jù)運算量。經(jīng)過實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)的測量距離不低于20 km，頻率響應不低于20 kHz，空間定位誤差在±2 m以內(nèi)，滿足PCCP管道斷絲監(jiān)測的需求，為未來PCCP管道斷絲監(jiān)測的工程應用提供了可靠的技術手段。

圖2  PCCP管道斷絲監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)已實地應用于南水北調(diào)工程中線北京段管線，監(jiān)測管道長度為16.7 km，監(jiān)測總時長接近2年。2023年該項目通過驗收鑒定，專家委員會認為：“該設備經(jīng)過實地測試，設備系統(tǒng)穩(wěn)定，功能、參數(shù)基本滿足PCCP斷絲聲（振動）監(jiān)測需求，軟件擴展性較好，界面友好，性能滿足使用要求。” 尤其需要指出的是，在滿足PCCP斷絲監(jiān)測需求的前提下，由項目組與合作單位打造的基于分布式光纖傳感的PCCP斷絲監(jiān)測系統(tǒng)享有完全的國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)，核心元器件實現(xiàn)了100%國產(chǎn)化，所有數(shù)據(jù)處理均在國內(nèi)的受控條件下完成，打破了國外監(jiān)測系統(tǒng)針對斷絲監(jiān)測領域的壟斷，規(guī)避了產(chǎn)生的數(shù)據(jù)安全問題。

圖3  獲獎榮譽證書

該項工作得到國家自然科學基金項目（U2001601，62175100，61975076）、中央高校基本科研業(yè)務費（0213-14380202）和深圳市科技創(chuàng)新基金（YFJGJS1.0）的資助。