華僑網 科技教育 合肥的光纤能探测到台湾的地震,这意味着什么? | 科技袁人

合肥的光纤能探测到台湾的地震,这意味着什么? | 科技袁人

导言:

分布式光纤传感系统可以监测温度、应变和振动,拓展到传统方式无法或难以监测的区域。这类监测还可以及时发现大型设施的潜在故障,在输电网络、石油化工、大型仓库及深地和深海探测中,都能得到应用。

■ 视频链接:

ixigua.com/709859745797

本视频发布于2022年5月20日,观看量已达9.1万

■ 精彩呈现:

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2021年10月,我看到一条新闻(stdaily.com/index/kejix),说的是我的科大同事和朋友、合肥微尺度物质科学国家研究中心陈旸教授等人的成果。他们用部署在合肥紫蓬山的光纤,测量到了定远县2.3级地震、宣城2.7级地震、菲律宾6.6级地震、台湾宜兰县5.8级地震等(ahwang.cn/hefei/2022040)。合肥的光纤能探测到台湾的地震,请想想这意味着什么。

当时由于我马上就要去香港讲课,没来得及向大家科普。最近,我看到这项技术一个更加贴近生活的应用《中国科大采用综合地球物理方法定位合肥南站地下管道渗漏点,服务2022年春运》(news.ustc.edu.cn/info/1)。

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2013年建站的时候,合肥南站候车大厅采用了低碳环保的地源热泵空调系统。然而随着时间的积累,地下管道出现了漏水。2021年下半年,合肥南站的四台空调机组中已有三台不能正常工作。

要修,就首先要在数百米的地下管线中找到十几厘米的地下渗漏点。怎么找?合肥南站找到多家专业公司,但他们都表示束手无策。抱着一线希望,2021年年底,合肥南站又辗转联系到科大的专家团队。

2022年元旦,陈旸教授和地空学院王宝善教授等人在出差回到合肥南站后,就地开展了现场勘查。地球物理专业主要是做地球内部成像以及地下结构的工作,他们决定从这一角度对漏水问题重新进行考量,并准备开展地下结构的探测工作(ahwang.cn/hefei/2022040)。

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由于空调地下管线经过公交场站,为避免影响公共交通,攻关小组于2022年1月7日夜里11:30开始,利用多种自行研制或牵头联合研制的高性能地球物理设备开展了综合探测,工作一直持续到8日早上6点。当夜合肥温度已至零下,但多位老师和同学们克服了种种困难,一直奋战在第一线。综合多物理场探测结果,他们在早上6点就圈定了漏水点位置,随后又根据进一步数据分析推断了漏水点的深度。

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经实地开挖,发现地下埋深1.8米的管道存在约20厘米的漏水口,与科大团队确定的漏水点位置和深度仅有厘米级的偏差。在接下去的几天里,又成功定位了另外几处漏水点,并进行修补。2022年1月中旬,合肥南站的空调系统赶在春运启动前完全恢复了正常运行,实现了旅客的温暖出行。中国铁路上海局集团有限公司合肥站给科大发来了感谢信,这次实验也生动地向参与的十几位同学们展示了先进科技如何服务社会,激发了同学们的热情。

最后,我来向大家介绍一下原理(stdaily.com/index/kejix)。这里有两种光纤测量技术,分别叫做DAS(分布式光纤声波/振动传感)和DTS(分布式光纤温度监测)。

光有一种现象叫做瑞利散射,发生在散射的粒子尺寸远小于入射光波长的时候。对于一个基本问题“天空为什么是蓝的”,标准回答就是瑞利散射。瑞利散射对光纤的折射率、长度等变化极其敏感。当光纤受到扰动时,瑞利散射光的强度和相位会发生变化,从中可获得外界振动信息。

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科大和中国地震局合作,在地震局内的花坛和南门等地铺设了600多米的DAS。当人踏步和地铁驶过时,屏幕上都会显示出相应的波形。这为在城市地区开展地震密集/超密集台阵观测提供了新的解决思路,可以成为现有监测系统的补充。

光有另一种现象叫做拉曼散射,即光波在被散射后频率会发生变化。拉曼散射源于光子与分子振动的相互作用,其强度和分子温度相关。所以,对光的散射进行解析,就能测量温度。

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不久前举行了冬奥会,温度就对冰雪运动有很大影响,例如零下7℃最有利于滑冰运动,零下3℃最有利于滑雪运动。传统测温手段如水银温度计和红外测温仪,往往是单点测量,无法全面及时反映温度的时空变化。DTS正可以解决这一痛点。埋设一条温度测量光纤,就能对整条赛道每隔1米甚至更短距离的温度变化进行监测,测量精度可达0.1℃。

陈旸老师介绍,分布式光纤传感系统可以监测温度、应变和振动,拓展到传统方式无法或难以监测的区域。例如人类现在对地下的认知还非常匮乏,要实现地下测温更是困难重重。但如果把光纤沿井口放入地下,就好办得多,只需在地面用设备接收并解析数据即可。这类监测还可以及时发现大型设施的潜在故障,在输电网络、石油化工、大型仓库中,在深地和深海探测中,都能得到应用。

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最后我想问大家,你还能想到哪些更有价值的应用?

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■ 作者简介:本文作者袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心副研究员,中国科学技术大学科技传播系副主任,中国科学院科学传播研究中心副主任,科技与战略风云学会会长,“科技袁人”节目主讲人,安徽省科学技术协会常务委员,中国青少年新媒体协会常务理事,中国科普作家协会理事,入选“典赞·2018科普中国”十大科学传播人物,微博@中科大胡不归,知乎@袁岚峰(zhihu.com/people/yuan-l)。

■ 责任编辑:SS

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