近日，我司聯(lián)合南京大學(xué)、內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(shù)》期刊的論文“一種融合Φ-OTDR和MZI的PCCP斷絲監測系統”，獲得2023年度《光電子技術(shù)》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(yè)

為了解決水資源時(shí)空分布不均勻的困境，我國目前正在興建一系列大規模引調水工程。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(diǎn)，被廣泛應用在長(cháng)距離輸水管道的建設中。但是隨著(zhù)服役年限的增加，PCCP管道存在預應力鋼絲斷裂的現象，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(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測。分布式光纖傳感技術(shù)將整段光纖作為傳感器件，能夠實(shí)現對數十km范圍內光纖沿線(xiàn)任意位置處微弱擾動(dòng)的高靈敏探測與精準定位，其相較于傳統的監測技術(shù)具有連續分布式、監測距離長(cháng)、信號畸變低、便于大規模組網(wǎng)、環(huán)境適應性強等優(yōu)勢。且傳感光纜可以帶水布設，解調儀器僅需單端接入，便于傳感系統在現場(chǎng)的安裝部署。結合模式識別算法，該系統能夠可靠地對具有爆管風(fēng)險的PCCP管節提前發(fā)出預警。因此無(wú)論是面向新建還是在役管線(xiàn)，該技術(shù)均能夠很好地勝任，在PCCP斷絲監測上有著(zhù)廣闊的應用前景。

然而長(cháng)期以來(lái)，僅有西方發(fā)達國家少數企業(yè)掌握該項技術(shù)，且需回傳監測數據至境外分析。在近年的國際大背景下，將涉及民生、工業(yè)的核心水務(wù)數據發(fā)送到國外，勢必造成敏感信息泄露的風(fēng)險，威脅國家安全。因此這種數據采集與分析均委托于國外公司的模式，在相當長(cháng)的可預見(jiàn)時(shí)間段內都勢必難以維系，大型水利設施上的國產(chǎn)化技術(shù)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“南水北調干線(xiàn)PCCP斷絲監測國產(chǎn)化技術(shù)試驗項目”。提出了一種融合Φ-OTDR和MZI的PCCP斷絲監測系統，能夠實(shí)現高定位精度和寬測頻范圍的振動(dòng)測量，且優(yōu)化后的IQ解調方法能夠極大地減小數據運算量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗結果證明，該系統的測量距離不低于20 km，頻率響應不低于20 kHz，空間定位誤差在±2 m以?xún)?，滿(mǎn)足PCCP管道斷絲監測的需求，為未來(lái)PCCP管道斷絲監測的工程應用提供了可靠的技術(shù)手段。

圖2  PCCP管道斷絲監測系統示意圖

該系統已實(shí)地應用于南水北調工程中線(xiàn)北京段管線(xiàn)，監測管道長(cháng)度為16.7 km，監測總時(shí)長(cháng)接近2年。2023年該項目通過(guò)驗收鑒定，專(zhuān)家委員會(huì )認為：“該設備經(jīng)過(guò)實(shí)地測試，設備系統穩定，功能、參數基本滿(mǎn)足PCCP斷絲聲（振動(dòng)）監測需求，軟件擴展性較好，界面友好，性能滿(mǎn)足使用要求。” 尤其需要指出的是，在滿(mǎn)足PCCP斷絲監測需求的前提下，由項目組與合作單位打造的基于分布式光纖傳感的PCCP斷絲監測系統享有完全的國內自主知識產(chǎn)權，核心元器件實(shí)現了100%國產(chǎn)化，所有數據處理均在國內的受控條件下完成，打破了國外監測系統針對斷絲監測領(lǐng)域的壟斷，規避了產(chǎn)生的數據安全問(wèn)題。

圖3  獲獎榮譽(yù)證書(shū)

該項工作得到國家自然科學(xué)基金項目（U2001601，62175100，61975076）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費（0213-14380202）和深圳市科技創(chuàng )新基金（YFJGJS1.0）的資助。