朱宗玖，李仁浩

(安徽理工大学电气与信息工程学院，安徽淮南 232000)

近年来，核能发电发展迅速，这在带来高效能源的同时，也存在着核泄漏和核辐射的风险，特别是福岛核事故后，核工业冷却水的安全性及潜在风险已引起了核工业界的关注[1-2].含有放射性的核工业冷却水如果出现泄漏，后果非常严重，危害是巨大的.

分布式光纤传感器是一种具有抗电磁干扰、绝缘、防腐蚀、响应快、灵敏度高、可实现分布式检测等优点的检测装置，其发展受到普遍关注[3-5].GCL（Geosynthetic Clay Liner，简称GCL）是一种专门用于防漏工程的土木合成材料，其特性是遇水后能迅速膨胀，且膨胀体积巨大，并和渗漏量呈正比关系[6-7].根据这一特性，本文提出一种基于光纤微弯损耗检测核工业水管泄露并且定位泄露位置的方法，该方法适用于核工业冷却水管等需要长期动态监测的场所，具有安装简单、灵敏度高、抗干扰能力强等特点.利用该方法可实现远距离实时在线测量与监控等功能.

1 检测原理

1.1 光纤微弯损耗原理

激光在检测光纤内部传播时，若光纤某一个位置产生微弯形变，激光在检测光纤中的传播角度就会发生改变，这样就有一部分的光能因不满足全反射条件而从纤芯泄漏到包层中，从而产生光能的损耗，如图1所示，这个现象就是光纤的微弯损耗[8-10].利用这一特性可较好地检测物体产生的微小形变.

本文所设计的核反应堆冷却水水管的纵深剖面图如图2所示.检测光纤放置在GCL层和主防漏层中间，当冷却水泄漏时，GCL与之反应而体积膨胀，检测光纤受到形变的压迫，会因为微弯曲产生光能损耗[11]，所以通过检测出射的激光功率就可以计算得知GCL膨胀与否.进一步，由于光在传播过程中，能量会随着传播距离的增加而慢慢降低，所以可据此计算得到反应堆水管渗漏的位置.

图1 光纤微弯示意图

图2 核反应堆冷却水水管纵深剖面图

1.2 光时域反射原理

在检测光纤的起始端加上一个激光脉冲信号，比较泄露点和正常部分的光能量曲线会发现，泄漏点的激光功率出现了明显的“阶梯状”衰减[12-14].通过该能量衰减计算出对应的泄露位置，其理论基础就是光时域反射原理.当一束激光从起始端入射检测层的光纤后，其中一部分沿着检测光纤传输通道按照V的速度传播，

式中，C为真空光速，n为光纤的纤芯折射率.

激光在光纤中传播时，其中一部分会沿着光纤传输通道传播，另一部分则会由于光纤中存在折射率的微观不均匀性而产生后向散射，这里面光强度最大的且难以消除的部分被称为瑞利散射[15-16]，如图3所示.

入射激光在光纤中传播时，遇到障碍就会返回入射点，通过测量激光从入射到被光电探测器探测到后向瑞利散射光的时间差，就能够计算折射率改变的点到起始端的距离L：

式中，V为（1）式中光在光纤内的传播速度，t为激光入射到被接收的时间差.

把光时域反射技术应用于光纤微弯损耗检测冷却水管渗漏定位模型上，通过直接监测整条光纤的能量损耗，即可实现对冷却水管是否泄露的检测以及泄漏点坐标的定位.

2 渗漏模型的建立

图3 后向瑞利散射示意图

由于渗漏点漏水导致GCL材料膨胀，分布在GCL上层的检测光纤会凹凸不平，检测光纤会相应地产生多个位置的微弯损耗.从理论上精准计算激光的微弯损耗比较困难，但可以根据光纤的弯曲损耗原理与入射到纤芯的激光特性以及 GCL防漏工程材料的特性，建立一个实验模型，通过观察实验现象，分析实验数据，了解入射激光的损耗情况.

测试示意图如图4所示.从光时域反射仪后连接一根跳线，跳线后面连接尾纤，尾纤后面再接检测光纤，检测光纤螺旋状缠绕在待测水管外壁.为保证尾纤不产生弯曲损耗（尾纤产生弯曲损耗会影响检测结果），实验过程中保证尾纤呈直线状态.

由光纤反射点计算实际形变点的计算示意图见图5，计算公式如下：

式中，L为光纤反射点到光纤首端的距离，θ为光纤围绕水管的铺设角度，h为形变点距离地面的高度.

图4 测试示意图

图5 计算渗漏点示意图

2.1 检测测量系统

系统设计中，首先运用 GCL的材料特性使渗漏点产生微小形变，然后通过光时域反射仪（Optical Time Domain Reflectometer，简称OTDR）来检测环绕在GCL外层的光纤产生微弯损耗的位置.工作时，激光器向光纤发射激光，待确认 GCL浸水膨胀后，从各个弯曲点散射的后向瑞利散射光将返回到光纤分路器中，进入检测电路，通过放大器放大整形、A/D转换以及分析，就能够得到检测结果曲线，曲线上的各点则分别对应光纤上的位置点和该位置的光功率[17-18]，如图6，除去前端盲区和噪声电平，中段稳定下降的部分就是系统主要检测的衰减范围，中间仪器监测到的能量衰减突变为GCL膨胀后导致传感光纤形变产生的事件点，即渗漏点.

2.2 确定适合检测参数

对于OTDR来说，影响其测试结果的主要因素有三个：脉冲宽度、波长和时间.分析这三个因素，确定最适合检测的参数范围.

图6 模拟光纤微弯损耗分布图

1）脉冲宽度的影响.脉冲宽度决定测试长度，减小脉冲宽度可以减小死区范围，把相近的事件清晰地区分开来[19].但是，随着脉冲宽度的减小，其动态范围会不断降低，噪声的影响会逐渐变大，从而影响光纤的最大可测量长度.本实验中所需要的检测范围不是很大，所以取用窄脉宽（80 ns的脉宽）来测量，使定位更加精准.

2）测试波长.波长和功率呈反比，波长越长，光纤的损耗功率也就越小，相对应的敏感度就越高[20].然而波长过长，瑞利散射的能量达到峰值以后就会下降，会产生红外线衰减现象，从而对整个实验产生影响，导致实验结果不真实.为了更好地检测光纤的弯曲损耗，我们采用波长为1 310 nm与1 550 nm的激光同时进行检测，确保实验的准确性.

3）采样时间.对实验数据进行合理的采集能够在一定程度上降低一些随机事件的影响.采用较长的平均采样时间，可以减小OTDR的噪声电平，增加其动态范围，提高测试精度.实验选择平均采样时间为2 min.

2.3 实验方法

由于光纤本身比较纤细，且核反应冷却水环境难以实现，因此我们要对实验环境进行一个相应的模拟.

首先，模拟核反应堆冷却水水管的环境，建造一个空心圆柱体水泥区域，规格是内径2 m、外径2.5 m、高70 m.最外层是平整的水泥面，防止因为最外层因素导致的光纤弯曲影响实验结果.在水泥层的内侧依次加上细沙、高密度聚乙烯渗透膜（防止水泄露到外面）、GCL、检测光纤、GCL、高密度聚乙烯渗透膜、细沙、水泥层.检测光纤应较测试需要的光纤略长，以防止光纤前端的盲区效应影响实验结果，这里光纤总长度取 L =2.3 km.在最内层的高密度聚乙烯渗透膜和同位置的上层水泥上面随机制造 3个洞，模拟渗漏的情况，如图 7所示.将检测光纤环绕在圆柱体内，铺设角选为θ = 2°.铺设完毕后，在最内层的水泥上浇水，这里仅使用正常水进行模拟，等待水通过内层水泥和内层的高密度聚乙烯膜并且充分浸染 GCL，使其发生膨胀形变.之后再利用光时域反射计进行数据的监测和收集.

3 实验结果与理论分析

图7 模拟渗漏示意图

图8 OTDR测试仪器结果

图8 是基于OTDR给出的系统的测试结果.实验由波长为1 310 nm（曲线A）与1 550 nm（曲线B）的激光同时进行测量，为防止有误测数据产生，仅将两次测试结果均出现事件的点记录为事件点.

从图8能够清楚看出，一共有9处出现了反射事件，最后一处为光纤末尾，不予记录，则检测到的反射事件点为 8处.分析图 8可得，8处事件点可分为三组，1、2、3为一组，4、5、6为一组，7、8为一组，分别对应三组渗漏点.将三组数据汇总，8个事件点的位置为 Xn(n=1,2,… ,8 )，按照公式（3）算出对应的渗漏点高度坐标为 Hn(n = 1 ,2,…,8 )，每组测得数据的平均渗透点高度为 Yn(n = 1 ,2,3)，实验前模拟的渗漏位置为 Zn(n = 1 ,2,3)，见表1.

由表1可知，所测结果与实际渗漏点大致相同，检测装置能较好地检测到水管由于渗漏导致的形变位置.由于渗漏点处水与 GCL结合后形成的不规则形变，导致形变区有多条检测光纤经过，所以出现多个反射事件.由公式（3）可知，铺设角θ越小，光纤铺设越密集，对同一形变处得到的反射事件的数量就越多.以上现象为后续的研究提供了思路：想要更直观地观测水管外壁的形变程度，只需选择合适的光纤检测材料和铺设夹角θ，就可以改变针对同一形变的反射事件数量.对水管外壁形变的规模大小和严重程度建立一个具体的数学模型，可以更好地分析水管渗漏的情况.

表1 OTDR测试结果

4 结 语

本文利用 GCL能够在水管破裂时与水结合发生膨胀并且压迫光纤的现象，结合光纤的弯曲损耗原理，给出了基于光纤弯曲损耗的渗漏检测方法.实验结果表明，本方法可以实现较为准确的定位，且具有安全、快速和经济等优点.

另外，从实验可知，铺设的光纤材料和角度的选择，会影响对事件点的测量.改变光纤材料和铺设角度，可以获得更多的监测数据.由此可建立更为完善的数学模型，从而实现对核工业水管渗漏情况的更为系统的检测.