浅析基于分布式光纤传感的PCCP监测技术应用

孙 钰 封 皓 沙 洲

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

PCCP(预应力钢筒混凝土管)的结构完整性对输水工程安全运行至关重要，一旦发生爆管，产生的环境影响、经济损失不可估量[1]。随着PCCP在国内大型输供水项目的应用和发展，项目的安全运行在地方经济社会发展中的作用越来越重要，PCCP结构安全作为预防性保障的核心问题之一，逐渐受到项目管理者的重视。

常规的PCCP主体结构中预应力钢丝是提供环向抗内水压力性能的重要结构，预应力钢丝一旦断裂，将恶化管道的整体抗内压能力，增加爆管概率[2-3]。因此，对预应力钢丝进行实时监测，准确掌握断丝发生的时间、位置、数量、规模，对于预防爆管、保障管道安全运行至关重要[4]。

预应力钢丝断裂的瞬间会释放出高能声波，这种声波大多呈现快速衰减的脉冲特征，具有较宽的频谱成分[4]。监测并识别这种特殊声波可对断丝事件进行发现和定位。分布式光纤传感有效地突破了传统的点式传感器监测受大规模组网、供电、布线、电磁干扰以及高昂的维护监控成本等因素限制，将光缆作为传感器和信号传输通道，一根光缆实现管道全线的振动监测和信号传输[6-7]。此外，光缆具有无源、耐腐蚀、抗电磁干扰等优良特性，能够显著降低传感器的部署难度和施工成本[8-9]。

国际或是国内，通过光纤传感探测物理量大多采用光学干涉原理。本文通过深入研究PCCP结构特性，尝试采用不同的干涉仪实践验证，最终确定了效果较好的相位敏感的光时域反射和马赫-曾德干涉仪优势组合模型。相位敏感的光时域反射仪(φ-OTDR)可实现多点同步定位、分段独立响应，具有较高的定位精度和作用距离，但其频率响应受到传感距离制约，一般为1～10kHz，对于高频分量丰富的信号其采样率稍显不足[10-11]。马赫-曾德干涉仪(MZI)不能对事件进行定位，但具有极高的频率响应[12-13]。这两种技术在分布式振动监测方面各有优劣，针对在PCCP断丝监测领域的需求，技术研发团队创新性地将这两种技术进行了融合，在实验室的理论模拟测试基础上，经过有针对性的现场实测，进一步验证了对PCCP断丝信号的监测、定位和识别的有效性，对促进基于分布式光纤传感的PCCP断丝监测技术的进步和推动该项技术在长距离供水工程中的应用具有重要意义。

1 φ-OTDR系统与MZI监测系统的特点

两种系统的时域信号的产生原理不同。φ-OTDR系统的时域信号是有限瑞利散射脉冲叠加形成的合光场的光强随时间的变化；MZI系统是连续光在整个光纤上的累积相位调制的结果。φ-OTDR系统的时域信号仅受局部振动的影响，而MZI时域信号是整条光纤上各个位置的振动累积影响的结果。φ-OTDR的特点是能够同时测量多点的振动信号，其时域图只选取了某一个特定位置的时域信号。MZI由于采样率很高，可以达到50kHz以上，且频率响应也宽，因此适合声音还原。而单MZI不能定位(双MZI可以实现定位)，因为它最后得到的就是一个最终的测量结果，这个最终的结果是所有位置的振动叠加影响出来的，没办法分开。φ-OTDR适合定位，MZI适合声音还原。

2 模拟融合系统

将φ-OTDR和MZI两个系统进行融合，使用融合系统对PCCP断丝事件进行监测，同时实现了高精度定位和声音还原的需求。其系统光路见图1。

图1 融合系统光路图NLL-窄线宽激光器；AOM-声光调制器；EDFA-掺铒光纤放大器；CIR-环形器；FBG-光纤布拉格光栅；PD-光电探测器；DAC-数据采集设备；PC-计算机；PG-脉冲产生模块；PS-光纤扰偏器；VOA-可调光纤衰减器；DFB-分布式反馈激光器

按图1所示，需要定制一根4芯光纤，φ-OTDR系统使用传感光缆中的1根纤芯，MZI系统使用传感光缆中的3根纤芯，两系统可以同时对系统覆盖范围内的PCCP断丝事件进行监测。

3 试验与数据分析

3.1 试验描述

经过试验室测试以后，技术团队开展了单体管道和管线系统性试验，本文仅对单体管道的试验进行阐述。

3.1.1 模拟融合监控系统

按照现场试验方案，分别在试验选取的单节、组队的DN3200 PCCP的内壁和外壁上采用黏结的方式固定光缆。试验选用的光缆型号为GYTA53，本次试验只根据需要选取了光缆中的4根纤芯接入定制的融合系统，并将其中的2根纤芯在尾端熔接2×1耦合器，汇入第3根纤芯，形成了MZI系统的闭合回路，完成传感光缆的布设。

3.1.2 清理拟断丝部位

随机在PCCP外部选取3处拟断丝部位，采用人工手持机械凿除的方式在相应的管外砂浆保护层部位开槽，操作过程中控制力度不应对钢丝造成外伤，慢慢剔除拟断丝点位钢丝的外表面砂浆，使选取点位的预应力钢丝裸露在外。

3.1.3 模拟断丝和外部破坏性入侵事件

准备工作就绪后，将融合监测设备开机上电，接入相应纤芯并调试妥当后，开启信号监测软件，进行数据的实时采集、分析、处理和存储。人工切割裸露在外的单根预应力钢丝，直到切断。钢丝断裂的瞬间在试验现场可以听到比较闷的“砰”的一声。

3.2 现场测试数据分析

3.2.1 断丝信号特征分析

根据现场模拟试验收集的数据，通过软件进行处理并形成φ-OTDR系统的时空图，见图2。

图2 断丝信号时空图

时空图显示的是300Hz的高通滤波结果。从图中可以看到，300Hz高通滤波基本滤除了全部环境信号的干扰，图中2250m附近的白色横线是断丝在时空图上留下的痕迹。断丝信号具有非常高的信噪比。

本次试验结果表明，采用φ-OTDR系统可以对PCCP断丝信号进行有效监测。

从图3中可以看到，在断丝发生的瞬间，波形会产生快速的、杂乱的变化。信号的高频分量在断丝瞬间突然增加，基本覆盖了0～500Hz整个带宽范围，与非断丝时段的信号差异十分明显。信号的频率范围较广，在图中的480～500Hz段可见明显的能量分布。

图3 断丝信号频谱

图4显示了MZI系统响应信号的时域波形、局部放大波形及时频谱图。从图中可以看出，在断丝发生的瞬间信号中的高频分量有明显增加，最高频率分量超过15kHz。对信号进行带通滤波，并进行归一化后输入扬声器进行播放，可以清楚地听到角磨机砂轮切割预应力钢丝的声音以及预应力钢丝断裂瞬间产生的“砰”的一声。

图4 MZI系统信号频谱图

3.2.2 定位

时空图横轴代表距离，纵轴代表时间，颜色代表能量，时空图反映了能量随时间和距离的分布。色块在y轴方向的尺寸反映了事件的持续时间，色块在x轴方向的尺寸反映了事件的波及范围。可以通过观察时空图上色块的位置、大小、形状、颜色，获知振动事件发生的位置、时间、持续时长、波及范围以及振动强弱等信息。因此，通过计算振动事件对应色块特征点的横坐标，可以获得振动事件的发生位置，从而完成事件的定位。

按照光纤布设时设定的标尺，通过对时空图(见图2)信息提取，能够得到白色横线(事件点)的左侧边沿实地位置，即可获得断丝点的定位结果。在试验用的50Msps采样率下，空间定位分辨率可以达到2～4m。

3.2.3 入侵监测拓展

管道工程普遍距离长、管线上部大多不是永久性占地，经常会发生未经审批私自在管道沿线挖掘取土、打桩、堆土筑路的事件，还可能有一些定向钻、顶管等施工，这些都有可能造成管道的灾难性结构损伤。这些工程活动在进行的过程中一般伴随有强烈的振动，这些振动通过土壤的传导，可以被分布式光纤传感系统捕捉和辨识，会在时空图上暴露其踪迹，使系统能够对事件进行定位和辨识。不同类型的入侵事件，因振动信号的频率、波及范围、发生时间间隔等差异会表现为不同的振动特性，在时空图上均表现为一定的形态学特征。系统的分析算法通过对这些特征进行分析，实现事件类型的推测，在上述的入侵事件刚刚开始尚未触及管道之前，系统就可以感知到振动的存在，并对其进行辨识和定位，将事件类型和发生位置提供给运管单位，运管单位根据系统的定位结果，及时赶赴施工现场进行协调和维护。

4 结 论

通过在PCCP上开展的断丝监测试验，验证了基于相位敏感光时域反射仪和马赫-曾德干涉仪的两种技术融合形成的新型分布式光纤振动/声传感系统的理论模型是有效的，可以对PCCP断丝事件进行精确定位，定位精度在2m以内。在模拟系统中，水的振动、周边车辆通行以及人员说话等低频杂音基本可以被系统过滤，能够清晰还原出断丝时刻的声音，试验系统通过人工复听判断，进一步增加了识别的准确率。

该项技术实现了PCCP断丝事件的在线监测和定位需求，能够对作用在试验管道上的外部侵入事件进行有效的监测反馈，对促进基于分布式光纤传感的PCCP断丝监测技术的进步和推动该项技术在长距离供水工程中的应用具有重要意义。