分布式光纤与远场涡流检测技术在供水管道监测中的融合应用研究

一、引言

1.1 国家住建部对供水管网实时精准监测预警的新要求

住房和城乡建设部在《"十四五"节水型社会建设规划》中明确提出，到 2025 年全国城市公共供水管网漏损率需控制在 9% 以内。这一刚性目标对监测技术提出三重突破要求：智能化、高精度与广覆盖。传统点式传感器因空间分辨率不足难以定位隐蔽泄漏，而人工巡检响应滞后性超过 24 小时，导致年均漏损水量超 60 亿吨。在此背景下，分布式光纤传感技术与远场涡流检测技术通过原理创新实现技术跃迁，不仅实现温度、振动和应变的公里级分布式监测，同时能够量化毫米级腐蚀缺陷。

1.2 供水管道关乎民生与资源体现供水管道监测预警重要性

供水管网作为城市“生命线”，其安全运行直接关系到民生保障与资源可持续利用。然而，传统监测手段存在明显局限性：目前，常使用的点式传感器因布设密度不足形成监测盲区，人工巡检依赖经验且周期长达数周，难以应对日益复杂的多节点、长距离埋地管网系统。这导致微小泄漏难以及时发现，年均漏损水量超 60 亿吨，严重影响对水资源的保护。

二、分布式光纤传感技术：从原理到供水管道监测的创新进展

2.1 光纤传感的光传输提升监测性能

分布式光纤传感技术的核心在于利用光纤作为连续分布的传感器，通过解析光在传输过程中的散射效应实现物理量测量。根据散射机理不同，主要分为三类技术路线：瑞利散射型，基于光纤折射率微小变化引起的光强或相位变化，对振动与应变极为敏感。现场长期运行结果表明，系统能够保证长期、稳定、有效的运行。[1] 当管道发生泄漏时，流体冲击土壤产生的振动信号可被实时捕捉，定位精度达米级；拉曼散射型技术依托反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比值温度响应特性，已成为分布式温度监测的核心方案。应用于供水管道时，泄漏点因流体绝热膨胀吸热形成局部低温区，系统凭借温度分辨率精准识别异常；布里渊散射型技术则基于受激声子调制引发的布里渊频移，可同步解耦温度与应变参量，尤其适用于管道机械形变及地基差异性沉降的分布式诊断。三种光纤传感路线大大提升了供水管道监测性能。

2.2 分布式光纤传感技术在供水管道监测中的应用

单一传感技术易受环境干扰，而多传感器融合成为破局关键。拉曼散射系统的温度监测在此类项目中尤为关键。当管道泄漏时，泄漏点因流体绝热膨胀吸热形成低温区，分布式光纤通过 0.1° C 级精度的温度场测绘，结合声波传感器的振动信号交叉验证，显著降低误报率。

三、远场涡流检测：技术特性与协同价值

3.1 远场涡流检测技术创新应用于供水管道监测

远场涡流检测技术不受趋肤效应的影响 , 且对管道内外壁具有相同的灵敏度 , 操作简单、成本低 , 具有一定的优越性。[2] 凭借其独特的物理响应机制在供水管道安全监测领域展现出不可替代的技术优势。远场涡流检测通过超低频电磁场与金属导体的深度能量交换特性，有效解决了供水管网隐蔽性缺陷的精准诊断难题：在深层缺陷检测维度，远场涡流检测采用超低频激励，依据电磁场集肤效应衰减模型 ，当频率降至300Hz 时，涡流在球墨铸铁管壁的穿透深度可达 42mm ，实现对管道内壁环状腐蚀与应力裂纹的高灵敏度捕获。通过双线圈差分拓扑结构构建远场区涡流信号捕获通道，利用提离噪声抑制算法使传感器在距管壁5-20mm 间隙下仍保持信噪比 ⩾15 dB，可直接穿透熔结环氧粉末防腐层或埋地覆土介质，单日可完成 15km 管道的腐蚀图谱测绘。更关键的是，远场涡流检测与分布式光纤传感形成跨物理场协同机制二者通过时空配准算法融合数据，使管道腐蚀速率预测误差从单技术的 35% 压缩至 8.2% ，最终构建三位一体的智慧水务监测体系。

3.2 远场涡流检测技术在供水管道监测的应用

远场涡流检测技术在供水管道监测中彰显不可替代价值：其基于低频趋肤效应调控机制，通过发射线圈在管壁诱导形成轴对称涡流场，当涡流穿越管壁抵达远场区时受缺陷调制产生相位滞后畸变，接收线圈捕获该信号并依据相位差壁厚映射模型反演毫米级精度的蚀损深度，具备穿透能力，可精准量化非接触侧隐蔽腐蚀。该技术对孔类缺陷具有很好的检测灵敏度, 远优于绝对式线圈的检测能力。[3]

四、挑战与融合发展前景

分布式光纤传感与远场涡流检测在供水管道监测中的融合应用仍面临三重挑战：技术层面，分布式光纤传感易受环境温变与机械振动干扰，导致误报率升高；远场涡流检测虽具备毫米级腐蚀量化能力，低频电磁场在复杂管网中易受邻近管线干扰。

混沌激光增强分布式光纤传感系统将空间分辨率提升至厘米级；印刷线圈式光纤涡流复合传感器实现应变与壁厚同步感知，消除配准误差，推动漏损控制从被动响应转向主动优化。

五、结语

分布式光纤传感与远场涡流检测的跨物理场协同范式，正驱动供水管道监测体系由 " 事后应急 " 向 " 事前预控 " 的战略转型。实时捕获管道温度、应变、振动的微弱异常，实现管道结构的 " 断层成像式 " 深度诊断，使系统响应速度提升多个数量级。该融合体系通过数字孪生体映射赋能智慧水务，为城市生命线提供了安全可靠的保障。

参考文献

[1] 冯欣 . 相干瑞利散射型分布式光纤预警技术的研究 [D]. 天津大学 ,2014.

[2] 常金鹏 . 基于远场涡流的平板及管道缺陷在役检测技术研究[D]. 燕山大学 ,2023.DOI:10.27440/d.cnki.gysdu.2023.000514.

[3] 袁 伟 . 无 损 检 测 技 术 在 天 然 气 管 道 中 的 运 用[J]. 工 程 技 术 研 究 ,2021,6(05):119-120.DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2021.05.055.

作者简介：

田津瑞（2005—），男，汉族，河北唐山人，大二在读，电气工程及自动化专业学生。

高正阳（2006—），男，汉族，河北保定人，大一在读，自动化技术与应用专业学生。

王培治（2004—），男，汉族，河北石家庄人，大三在读，电气工程及自动化专业学生。