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本報記者 孫言梅

中國電科41所研發(fā)人員正在進行光纖應變分布測試技術攻關。 孫雷 攝

“利用我們41研究所研發(fā)的分布式光纖應變測試儀器，就如同打造了一個擁有異能的‘超強大腦’，可實時監(jiān)測山體滑坡、地面沉降等地質(zhì)災害以及大型建筑設施工程的健康狀態(tài)，實現(xiàn)智能感知、準確預警，做到防患于未然?！敝袊娍?1研究所研究員級高級工程師閆繼送作為團隊核心成員，提及親自參與的這項創(chuàng)新成果，言語里滿是自豪。近日，在全省科學技術獎勵大會上，由該所自主完成的“分布式光纖應變測試技術及應用“項目，獲得2018年度安徽省科技進步一等獎。

光纖測試

變身“感知神經(jīng)”

說到分布式光纖應變測試技術，不得不提到光纖傳感。光纖傳感是20世紀70年代隨著光纖通信的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的新型傳感技術，其以光波為信息載體，不受雷電等電磁干擾、可靠性好、壽命長、本質(zhì)安全，特別適合在易燃易爆、高溫、高壓、潮濕、強電磁場、強腐蝕性等惡劣條件下應用。

鑒于光纖傳感應用的廣泛性及其廣闊的市場前景，其研究和開發(fā)在世界范圍內(nèi)引起了高度的重視，各發(fā)達國家更是競相研究開發(fā)。然而，由于該產(chǎn)品技術難度大、系統(tǒng)內(nèi)部組成復雜，最初只有少數(shù)發(fā)達國家能夠研制，且價格非常昂貴，相關測試技術與國內(nèi)市場之前一直被國外壟斷。

2006年，依托國家項目的支持，中國電科41研究所組建研發(fā)團隊，研究分布式光纖應變測試技術及產(chǎn)品開發(fā)。歷經(jīng)十多年的科研攻關，項目組突破了微弱信號測試、布里淵譜構建、擬合與分析、光纖應變校準等多項關鍵技術，成功研制了具有自主知識產(chǎn)權的系列化商用產(chǎn)品，打破了國外技術壁壘，實現(xiàn)了分布式光纖傳感技術高端測試儀器的國產(chǎn)化。

分布式光纖應變測試技術作為一種新型無損感測技術，與傳統(tǒng)點式或電參量感測技術相比，具有分布式、長距離、長壽命、抗電磁干擾等突出優(yōu)勢。測試儀器可以通過傳感光纖檢測出外界的溫度、壓力及形變等信息。將傳感光纖預置在山體或各類大型建筑物體內(nèi)，就好比給山體或建筑物裝上敏感強健的“感知神經(jīng)”，只要測試出傳感光纖所受應變分布的變化，可及時感知山體或建筑物等深部的形變異動并發(fā)出預警?？梢哉f，如果把光纖比作“感知神經(jīng)”，那么分布式光纖應變測試儀器就像它們的“超強大腦”。

攻堅克難

搶占發(fā)展先機

“科研成果的取得并非一蹴而就，我們在研發(fā)過程中突破了光纖應變產(chǎn)生與可溯源標定及產(chǎn)品工程化等多項關鍵技術。”項目組相關技術人員告訴記者，該技術在應變測試精度、應變測試重復性及測試速度等方面明顯優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

比如，項目首次提出了一種基于布里淵本征譜抑制的空間分辨率提升方法。理論上，光纖中的光學聲子壽命只有約10納秒，對應的空間分辨率理論上只有1米，該項目基于布里淵散射增益譜疊加原理，通過對光纖應變區(qū)域布里淵散射增益譜的演變趨勢進行分析建模，創(chuàng)新性提出了一種基于光纖布里淵散射本征譜識別分析與抑制并通過智能尋峰從而提高儀器空間分辨率的方法，打破了1米空間分辨率的理論極限，達到了0.5米的空間分辨率。

“我們還提升了儀器的應變測試精度及動態(tài)范圍，單端測試距離超過70千米。同時建立了鏡像數(shù)據(jù)整合模型，有效地解決了針對鏈路損耗較大的長距離光纖鏈路應變分布的測試難題，應變雙向測試距離范圍超過110千米。”項目組技術人員介紹，通過一系列創(chuàng)新性的開發(fā)，從而實現(xiàn)對測試量程中光纖有效距離范圍之外噪聲數(shù)據(jù)的自動過濾，有效地避免了對光纖距離范圍之外噪聲數(shù)據(jù)的無謂分析，從而動態(tài)縮短了光纖應變分布的測試時間，平均測試速度比國外同類產(chǎn)品提高約2.1倍，同時也顯著改善了光纖應變分布測試曲線的顯示效果。

該項目實施期間，中國電科41所申請發(fā)明專利20項，授權13項，獲得2017年度安徽省專利優(yōu)秀獎1項。2013年，中國電科41所研制的分布式光纖應變測試儀產(chǎn)品正式投入批量生產(chǎn)，使我國成為國際上為數(shù)不多的全面掌握光纖應變分布測試技術及產(chǎn)品工程化的國家之一。目前，其系列化產(chǎn)品已廣泛應用于軍用、民用工程領域，取得了良好的社會經(jīng)濟效益。

精準監(jiān)測

助力民生工程

采訪中記者了解到，分布式光纖應變測試技術應用領域十分廣泛，不僅可用于光纖陀螺、光纖水聽器及光纖光纜等的研制與生產(chǎn)檢測，還可用于隧洞與煤礦巷道形變監(jiān)測，軌道路基與高速公路沉降與邊坡監(jiān)測，堤壩、油氣管道、電力電纜等健康狀態(tài)監(jiān)測等領域，特別是在山體滑坡與地面沉降等地質(zhì)災害監(jiān)測中可發(fā)揮重要作用。

我國地質(zhì)條件復雜，地質(zhì)災害較為嚴重，每年發(fā)生山體滑坡、地面沉降等各類地質(zhì)災害數(shù)百起，造成重大人員傷亡及財產(chǎn)損失，防災減災工作艱巨而緊迫。2011年，國務院印發(fā)《國務院關于加強地質(zhì)災害防治工作的決定》。2018年10月10日，習近平總書記在的中央財經(jīng)委員會第三次會議上強調(diào)，加強自然災害防治關系國計民生，要建立高效科學的自然災害防治體系。國家部署了“地質(zhì)災害綜合防治”“自然災害監(jiān)測預警”等重點工程。

地質(zhì)災害具有規(guī)模大、影響因素復雜、隱蔽性強、跨越區(qū)域多、環(huán)境惡劣、實時性監(jiān)測要求高、監(jiān)測周期長等特點，給災害的預測預警帶來巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的點式或電參量監(jiān)測手段無法滿足地質(zhì)體深部分布式、長距離、長壽命、抗雷擊等要求?！拔覀兝梅植际焦饫w傳感技術，只要將傳感光纖植入地質(zhì)體內(nèi)部，猶如給地質(zhì)體植入了‘感知神經(jīng)’，能夠全天候?qū)崟r感知地質(zhì)體底層深部形變，通過對形變趨勢研判分析，可實現(xiàn)對地質(zhì)災害預測預警，及時轉(zhuǎn)移財產(chǎn)及人群，做到防患于未然。”中國電科41研究所相關技術人員表示，下一步還將加大研發(fā)力度，不斷豐富測試功能，拓展應用范圍，進行更深入的工程應用開發(fā)，以期在未來物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市建設及綜合治理等國民經(jīng)濟建設中發(fā)揮積極作用。