淺析基于分布式光纖傳感的PCCP監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

孫 鈺 封 皓 沙 洲

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

PCCP(預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管)的結(jié)構(gòu)完整性對(duì)輸水工程安全運(yùn)行至關(guān)重要，一旦發(fā)生爆管，產(chǎn)生的環(huán)境影響、經(jīng)濟(jì)損失不可估量[1]。隨著PCCP在國(guó)內(nèi)大型輸供水項(xiàng)目的應(yīng)用和發(fā)展，項(xiàng)目的安全運(yùn)行在地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中的作用越來(lái)越重要，PCCP結(jié)構(gòu)安全作為預(yù)防性保障的核心問(wèn)題之一，逐漸受到項(xiàng)目管理者的重視。

常規(guī)的PCCP主體結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力鋼絲是提供環(huán)向抗內(nèi)水壓力性能的重要結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力鋼絲一旦斷裂，將惡化管道的整體抗內(nèi)壓能力，增加爆管概率[2-3]。因此，對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確掌握斷絲發(fā)生的時(shí)間、位置、數(shù)量、規(guī)模，對(duì)于預(yù)防爆管、保障管道安全運(yùn)行至關(guān)重要[4]。

預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂的瞬間會(huì)釋放出高能聲波，這種聲波大多呈現(xiàn)快速衰減的脈沖特征，具有較寬的頻譜成分[4]。監(jiān)測(cè)并識(shí)別這種特殊聲波可對(duì)斷絲事件進(jìn)行發(fā)現(xiàn)和定位。分布式光纖傳感有效地突破了傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感器監(jiān)測(cè)受大規(guī)模組網(wǎng)、供電、布線、電磁干擾以及高昂的維護(hù)監(jiān)控成本等因素限制，將光纜作為傳感器和信號(hào)傳輸通道，一根光纜實(shí)現(xiàn)管道全線的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸[6-7]。此外，光纜具有無(wú)源、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)良特性，能夠顯著降低傳感器的部署難度和施工成本[8-9]。

國(guó)際或是國(guó)內(nèi)，通過(guò)光纖傳感探測(cè)物理量大多采用光學(xué)干涉原理。本文通過(guò)深入研究PCCP結(jié)構(gòu)特性，嘗試采用不同的干涉儀實(shí)踐驗(yàn)證，最終確定了效果較好的相位敏感的光時(shí)域反射和馬赫-曾德干涉儀優(yōu)勢(shì)組合模型。相位敏感的光時(shí)域反射儀(φ-OTDR)可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步定位、分段獨(dú)立響應(yīng)，具有較高的定位精度和作用距離，但其頻率響應(yīng)受到傳感距離制約，一般為1～10kHz，對(duì)于高頻分量豐富的信號(hào)其采樣率稍顯不足[10-11]。馬赫-曾德干涉儀(MZI)不能對(duì)事件進(jìn)行定位，但具有極高的頻率響應(yīng)[12-13]。這兩種技術(shù)在分布式振動(dòng)監(jiān)測(cè)方面各有優(yōu)劣，針對(duì)在PCCP斷絲監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的需求，技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將這兩種技術(shù)進(jìn)行了融合，在實(shí)驗(yàn)室的理論模擬測(cè)試基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)有針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)PCCP斷絲信號(hào)的監(jiān)測(cè)、定位和識(shí)別的有效性，對(duì)促進(jìn)基于分布式光纖傳感的PCCP斷絲監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)在長(zhǎng)距離供水工程中的應(yīng)用具有重要意義。

1 φ-OTDR系統(tǒng)與MZI監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

兩種系統(tǒng)的時(shí)域信號(hào)的產(chǎn)生原理不同。φ-OTDR系統(tǒng)的時(shí)域信號(hào)是有限瑞利散射脈沖疊加形成的合光場(chǎng)的光強(qiáng)隨時(shí)間的變化；MZI系統(tǒng)是連續(xù)光在整個(gè)光纖上的累積相位調(diào)制的結(jié)果。φ-OTDR系統(tǒng)的時(shí)域信號(hào)僅受局部振動(dòng)的影響，而MZI時(shí)域信號(hào)是整條光纖上各個(gè)位置的振動(dòng)累積影響的結(jié)果。φ-OTDR的特點(diǎn)是能夠同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，其時(shí)域圖只選取了某一個(gè)特定位置的時(shí)域信號(hào)。MZI由于采樣率很高，可以達(dá)到50kHz以上，且頻率響應(yīng)也寬，因此適合聲音還原。而單MZI不能定位(雙MZI可以實(shí)現(xiàn)定位)，因?yàn)樗詈蟮玫降木褪且粋€(gè)最終的測(cè)量結(jié)果，這個(gè)最終的結(jié)果是所有位置的振動(dòng)疊加影響出來(lái)的，沒(méi)辦法分開。φ-OTDR適合定位，MZI適合聲音還原。

2 模擬融合系統(tǒng)

將φ-OTDR和MZI兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行融合，使用融合系統(tǒng)對(duì)PCCP斷絲事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高精度定位和聲音還原的需求。其系統(tǒng)光路見(jiàn)圖1。

圖1 融合系統(tǒng)光路圖NLL-窄線寬激光器；AOM-聲光調(diào)制器；EDFA-摻鉺光纖放大器；CIR-環(huán)形器；FBG-光纖布拉格光柵；PD-光電探測(cè)器；DAC-數(shù)據(jù)采集設(shè)備；PC-計(jì)算機(jī)；PG-脈沖產(chǎn)生模塊；PS-光纖擾偏器；VOA-可調(diào)光纖衰減器；DFB-分布式反饋激光器

按圖1所示，需要定制一根4芯光纖，φ-OTDR系統(tǒng)使用傳感光纜中的1根纖芯，MZI系統(tǒng)使用傳感光纜中的3根纖芯，兩系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)系統(tǒng)覆蓋范圍內(nèi)的PCCP斷絲事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)描述

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室測(cè)試以后，技術(shù)團(tuán)隊(duì)開展了單體管道和管線系統(tǒng)性試驗(yàn)，本文僅對(duì)單體管道的試驗(yàn)進(jìn)行闡述。

3.1.1 模擬融合監(jiān)控系統(tǒng)

按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，分別在試驗(yàn)選取的單節(jié)、組隊(duì)的DN3200 PCCP的內(nèi)壁和外壁上采用黏結(jié)的方式固定光纜。試驗(yàn)選用的光纜型號(hào)為GYTA53，本次試驗(yàn)只根據(jù)需要選取了光纜中的4根纖芯接入定制的融合系統(tǒng)，并將其中的2根纖芯在尾端熔接2×1耦合器，匯入第3根纖芯，形成了MZI系統(tǒng)的閉合回路，完成傳感光纜的布設(shè)。

3.1.2 清理擬斷絲部位

隨機(jī)在PCCP外部選取3處擬斷絲部位，采用人工手持機(jī)械鑿除的方式在相應(yīng)的管外砂漿保護(hù)層部位開槽，操作過(guò)程中控制力度不應(yīng)對(duì)鋼絲造成外傷，慢慢剔除擬斷絲點(diǎn)位鋼絲的外表面砂漿，使選取點(diǎn)位的預(yù)應(yīng)力鋼絲裸露在外。

3.1.3 模擬斷絲和外部破壞性入侵事件

準(zhǔn)備工作就緒后，將融合監(jiān)測(cè)設(shè)備開機(jī)上電，接入相應(yīng)纖芯并調(diào)試妥當(dāng)后，開啟信號(hào)監(jiān)測(cè)軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析、處理和存儲(chǔ)。人工切割裸露在外的單根預(yù)應(yīng)力鋼絲，直到切斷。鋼絲斷裂的瞬間在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)可以聽(tīng)到比較悶的“砰”的一聲。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 斷絲信號(hào)特征分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件進(jìn)行處理并形成φ-OTDR系統(tǒng)的時(shí)空?qǐng)D，見(jiàn)圖2。

圖2 斷絲信號(hào)時(shí)空?qǐng)D

時(shí)空?qǐng)D顯示的是300Hz的高通濾波結(jié)果。從圖中可以看到，300Hz高通濾波基本濾除了全部環(huán)境信號(hào)的干擾，圖中2250m附近的白色橫線是斷絲在時(shí)空?qǐng)D上留下的痕跡。斷絲信號(hào)具有非常高的信噪比。

本次試驗(yàn)結(jié)果表明，采用φ-OTDR系統(tǒng)可以對(duì)PCCP斷絲信號(hào)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。

從圖3中可以看到，在斷絲發(fā)生的瞬間，波形會(huì)產(chǎn)生快速的、雜亂的變化。信號(hào)的高頻分量在斷絲瞬間突然增加，基本覆蓋了0～500Hz整個(gè)帶寬范圍，與非斷絲時(shí)段的信號(hào)差異十分明顯。信號(hào)的頻率范圍較廣，在圖中的480～500Hz段可見(jiàn)明顯的能量分布。

圖3 斷絲信號(hào)頻譜

圖4顯示了MZI系統(tǒng)響應(yīng)信號(hào)的時(shí)域波形、局部放大波形及時(shí)頻譜圖。從圖中可以看出，在斷絲發(fā)生的瞬間信號(hào)中的高頻分量有明顯增加，最高頻率分量超過(guò)15kHz。對(duì)信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，并進(jìn)行歸一化后輸入揚(yáng)聲器進(jìn)行播放，可以清楚地聽(tīng)到角磨機(jī)砂輪切割預(yù)應(yīng)力鋼絲的聲音以及預(yù)應(yīng)力鋼絲斷裂瞬間產(chǎn)生的“砰”的一聲。

圖4 MZI系統(tǒng)信號(hào)頻譜圖

3.2.2 定位

時(shí)空?qǐng)D橫軸代表距離，縱軸代表時(shí)間，顏色代表能量，時(shí)空?qǐng)D反映了能量隨時(shí)間和距離的分布。色塊在y軸方向的尺寸反映了事件的持續(xù)時(shí)間，色塊在x軸方向的尺寸反映了事件的波及范圍?？梢酝ㄟ^(guò)觀察時(shí)空?qǐng)D上色塊的位置、大小、形狀、顏色，獲知振動(dòng)事件發(fā)生的位置、時(shí)間、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、波及范圍以及振動(dòng)強(qiáng)弱等信息。因此，通過(guò)計(jì)算振動(dòng)事件對(duì)應(yīng)色塊特征點(diǎn)的橫坐標(biāo)，可以獲得振動(dòng)事件的發(fā)生位置，從而完成事件的定位。

按照光纖布設(shè)時(shí)設(shè)定的標(biāo)尺，通過(guò)對(duì)時(shí)空?qǐng)D(見(jiàn)圖2)信息提取，能夠得到白色橫線(事件點(diǎn))的左側(cè)邊沿實(shí)地位置，即可獲得斷絲點(diǎn)的定位結(jié)果。在試驗(yàn)用的50Msps采樣率下，空間定位分辨率可以達(dá)到2～4m。

3.2.3 入侵監(jiān)測(cè)拓展

管道工程普遍距離長(zhǎng)、管線上部大多不是永久性占地，經(jīng)常會(huì)發(fā)生未經(jīng)審批私自在管道沿線挖掘取土、打樁、堆土筑路的事件，還可能有一些定向鉆、頂管等施工，這些都有可能造成管道的災(zāi)難性結(jié)構(gòu)損傷。這些工程活動(dòng)在進(jìn)行的過(guò)程中一般伴隨有強(qiáng)烈的振動(dòng)，這些振動(dòng)通過(guò)土壤的傳導(dǎo)，可以被分布式光纖傳感系統(tǒng)捕捉和辨識(shí)，會(huì)在時(shí)空?qǐng)D上暴露其蹤跡，使系統(tǒng)能夠?qū)κ录M(jìn)行定位和辨識(shí)。不同類型的入侵事件，因振動(dòng)信號(hào)的頻率、波及范圍、發(fā)生時(shí)間間隔等差異會(huì)表現(xiàn)為不同的振動(dòng)特性，在時(shí)空?qǐng)D上均表現(xiàn)為一定的形態(tài)學(xué)特征。系統(tǒng)的分析算法通過(guò)對(duì)這些特征進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)事件類型的推測(cè)，在上述的入侵事件剛剛開始尚未觸及管道之前，系統(tǒng)就可以感知到振動(dòng)的存在，并對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)和定位，將事件類型和發(fā)生位置提供給運(yùn)管單位，運(yùn)管單位根據(jù)系統(tǒng)的定位結(jié)果，及時(shí)趕赴施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和維護(hù)。

4 結(jié) 論

通過(guò)在PCCP上開展的斷絲監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了基于相位敏感光時(shí)域反射儀和馬赫-曾德干涉儀的兩種技術(shù)融合形成的新型分布式光纖振動(dòng)/聲傳感系統(tǒng)的理論模型是有效的，可以對(duì)PCCP斷絲事件進(jìn)行精確定位，定位精度在2m以內(nèi)。在模擬系統(tǒng)中，水的振動(dòng)、周邊車輛通行以及人員說(shuō)話等低頻雜音基本可以被系統(tǒng)過(guò)濾，能夠清晰還原出斷絲時(shí)刻的聲音，試驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)人工復(fù)聽(tīng)判斷，進(jìn)一步增加了識(shí)別的準(zhǔn)確率。

該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了PCCP斷絲事件的在線監(jiān)測(cè)和定位需求，能夠?qū)ψ饔迷谠囼?yàn)管道上的外部侵入事件進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)反饋，對(duì)促進(jìn)基于分布式光纖傳感的PCCP斷絲監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)在長(zhǎng)距離供水工程中的應(yīng)用具有重要意義。