摘要：分布式光纖傳感是光學(xué)工程、土木工程、安全工程等學(xué)科的前沿交叉技術(shù)，在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但適合高校教學(xué)與基礎(chǔ)科研的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相對(duì)匱乏。商用工程解調(diào)設(shè)備參數(shù)封閉，原始數(shù)據(jù)不對(duì)外開放，難以開展機(jī)理教學(xué)與算法研究；進(jìn)口科研設(shè)備成本高，制約國內(nèi)高校相關(guān)課程開展。本文設(shè)計(jì)一套國產(chǎn)化分布式光纖傳感綜合科研教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，集成拉曼DTS測(cè)溫、瑞利DAS振動(dòng)、布里淵應(yīng)變多散射機(jī)理，硬件參數(shù)可配置，開放底層原始數(shù)據(jù)，配套標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)套件。平臺(tái)既可用于研究生科學(xué)研究、算法開發(fā)，也可開展本科課堂教學(xué)演示與課程實(shí)驗(yàn)。工程實(shí)踐表明，該平臺(tái)能夠完成多種光纖傳感機(jī)理實(shí)驗(yàn)，滿足高校新工科建設(shè)對(duì)實(shí)踐教學(xué)的要求，具備良好推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感；DTS；DAS；布里淵散射；高校實(shí)驗(yàn)室；科研教學(xué)平臺(tái)；新工科

1 引言

新工科背景之下，國內(nèi)高等院校大力推進(jìn)多學(xué)科交叉實(shí)踐教學(xué)。分布式光纖傳感技術(shù)融合光學(xué)、電子、材料、土木工程等多個(gè)學(xué)科，已經(jīng)在熱力管道、礦山、糧倉、橋梁隧道大量工程落地。與此對(duì)應(yīng)的高校實(shí)驗(yàn)條件存在短板：市面上絕大多數(shù)光纖解調(diào)設(shè)備為工程項(xiàng)目開發(fā)，設(shè)備內(nèi)部參數(shù)封閉，只輸出最終監(jiān)測(cè)結(jié)果，不輸出原始光信號(hào)，學(xué)生無法理解散射光譜、信號(hào)解調(diào)底層機(jī)理；進(jìn)口科研實(shí)驗(yàn)設(shè)備采購價(jià)格高，供貨周期長，維護(hù)成本高，很多普通院校難以承擔(dān)。

很多高校只能采用仿真軟件開展理論教學(xué)，缺少實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生缺少動(dòng)手實(shí)操條件，理論和工程實(shí)踐脫節(jié)。構(gòu)建國產(chǎn)化、多功能、開放接口的分布式光纖傳感綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既可以服務(wù)科學(xué)研究，開展解調(diào)算法、信號(hào)降噪、標(biāo)定方法研究；又能夠服務(wù)本科教學(xué)，完成散射光譜觀測(cè)、溫度?振動(dòng)?應(yīng)變多物理量的實(shí)物實(shí)驗(yàn)，對(duì)復(fù)合型傳感技術(shù)人才培養(yǎng)有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 分布式光纖傳感技術(shù)基本機(jī)理

2.1 拉曼散射（DTS分布式測(cè)溫）

激光脈沖注入傳感光纖，產(chǎn)生拉曼散射，分為斯托克斯光與反斯托克斯光，反斯托克斯光強(qiáng)度對(duì)溫度高度敏感。通過兩路光強(qiáng)比值計(jì)算光纖沿線溫度，實(shí)現(xiàn)分布式溫度測(cè)量，多用于溫度監(jiān)測(cè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2.2 瑞利散射（DAS分布式振動(dòng)傳感）

光脈沖在光纖內(nèi)部產(chǎn)生瑞利后向散射；當(dāng)光纖受到外界振動(dòng)擾動(dòng)，后向散射光相位會(huì)發(fā)生變化，通過相位解調(diào)獲取擾動(dòng)位置與振動(dòng)波形，用于振動(dòng)、入侵?jǐn)_動(dòng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

2.3 布里淵散射（BOTDA分布式應(yīng)變傳感）

光纖受拉伸、擠壓發(fā)生形變時(shí)，布里淵散射頻移隨應(yīng)變量發(fā)生線性改變；通過檢測(cè)布里淵頻移，得到光纖沿線應(yīng)變分布，開展結(jié)構(gòu)形變、應(yīng)力標(biāo)定相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將三種散射機(jī)理集成到同一套系統(tǒng)，學(xué)生可以直觀對(duì)比三類散射光譜的波形特征，理解不同技術(shù)的適用場景。

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體系統(tǒng)架構(gòu)

整套平臺(tái)硬件由脈沖激光光源模塊、光路分光單元、光電探測(cè)器APD、高速信號(hào)采集單元、傳感光纖、模擬標(biāo)定工裝組成；軟件分為科研模式與教學(xué)演示模式。

在科研模式下：激光器脈沖寬度、重復(fù)頻率、采樣率均可由用戶設(shè)置；完整保存原始后向散射波形數(shù)據(jù)；提供SDK開發(fā)接口，支持Python、C語言讀取原始數(shù)據(jù)，供科研人員自主編寫解調(diào)、降噪、定位算法。

在教學(xué)演示模式：軟件可視化展示瑞利、拉曼、布里淵散射光譜波形；內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)流程，引導(dǎo)學(xué)生完成溫度標(biāo)定、振動(dòng)擾動(dòng)、光纖拉伸應(yīng)變實(shí)驗(yàn)；配套實(shí)驗(yàn)講義，降低教學(xué)實(shí)施難度。

配套模擬工裝：溫控模擬工裝模擬溫度場變化；光纖拉伸工裝，完成應(yīng)變?布里淵頻移標(biāo)定實(shí)驗(yàn)；振動(dòng)激勵(lì)裝置模擬外界擾動(dòng)，完成DAS振動(dòng)定位實(shí)驗(yàn)。

4 平臺(tái)主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

4.1 基礎(chǔ)光學(xué)散射觀測(cè)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生通過軟件界面，直觀觀測(cè)瑞利、斯托克斯、反斯托克斯、布里淵散射光譜，理解不同散射的物理特征，建立分布式光纖傳感底層理論認(rèn)知。

4.2 DTS拉曼分布式測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

利用溫控工裝對(duì)局部光纖加熱，完成溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)；測(cè)量光纖沿線溫度分布，驗(yàn)證DTS測(cè)溫定位、測(cè)溫精度指標(biāo)。

4.3 DAS分布式振動(dòng)傳感實(shí)驗(yàn)

對(duì)光纖施加振動(dòng)擾動(dòng)，觀測(cè)后向散射相位變化，實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)事件定位，研究不同振動(dòng)信號(hào)特征。

4.4 布里淵應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

使用拉伸工裝對(duì)傳感光纖施加不同拉力，記錄布里淵頻移與應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。

4.5 模擬工程仿真實(shí)驗(yàn)

模擬管道溫度泄漏、模擬結(jié)構(gòu)體形變，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境復(fù)現(xiàn)工程現(xiàn)場物理現(xiàn)象，理解光纖傳感在實(shí)際工程中的應(yīng)用邏輯。

4.6 算法二次開發(fā)實(shí)驗(yàn)

導(dǎo)出原始散射數(shù)據(jù)，學(xué)生自主編寫降噪、解調(diào)、定位算法，對(duì)比不同算法處理效果，培養(yǎng)學(xué)生科研創(chuàng)新能力。

5 平臺(tái)應(yīng)用效果分析

該綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)投入高校實(shí)驗(yàn)室使用之后，可以同時(shí)服務(wù)科研與教學(xué)：

科研層面，研究生可以基于開放原始數(shù)據(jù)，開展解調(diào)算法、信號(hào)降噪、標(biāo)定方法的課題研究，支撐碩士博士畢業(yè)論文以及各類縱向科研項(xiàng)目；

教學(xué)層面，本科學(xué)生可以動(dòng)手完成實(shí)物實(shí)驗(yàn)，不再局限仿真軟件，直觀理解光纖散射物理機(jī)理，打通理論知識(shí)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的壁壘；可用于課程設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、畢業(yè)設(shè)計(jì)。

國產(chǎn)化平臺(tái)相比進(jìn)口設(shè)備，大幅降低實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)費(fèi)，供貨周期短，廠家可以提供技術(shù)培訓(xùn)，方便高校開展課程建設(shè)。

同時(shí)平臺(tái)使用也存在注意事項(xiàng)：光學(xué)器件精密，需要做好防塵；教學(xué)使用需要對(duì)學(xué)生開展規(guī)范操作培訓(xùn)，避免激光違規(guī)操作。硬件采用模塊化架構(gòu)，后期可擴(kuò)展新增功能模塊，保護(hù)實(shí)驗(yàn)室前期投入。

6 結(jié)論

針對(duì)高校缺少分布式光纖傳感實(shí)物綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的現(xiàn)狀，本文介紹一套國產(chǎn)化科研教學(xué)一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。系統(tǒng)集成DTS、DAS、布里淵多散射機(jī)理，硬件參數(shù)可配置，開放底層原始數(shù)據(jù)與SDK接口，配套完整教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源。平臺(tái)兼顧科學(xué)研究和本科實(shí)踐教學(xué)，能夠完成多類光纖傳感實(shí)物實(shí)驗(yàn)，解決傳統(tǒng)教學(xué)偏重仿真、缺少實(shí)操的痛點(diǎn)，對(duì)新工科傳感類人才培養(yǎng)，推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合具有較高應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 39862?2021，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)通用技術(shù)條件[S]

分類全套關(guān)鍵詞

核心產(chǎn)品

分布式光纖傳感科研教學(xué)平臺(tái)、高校光纖傳感實(shí)驗(yàn)臺(tái)、DTS/DAS/布里淵科研教學(xué)儀器、光纖傳感綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、研究所光纖解調(diào)科研樣機(jī)

技術(shù)機(jī)理

拉曼DTS測(cè)溫、瑞利DAS振動(dòng)、布里淵BOTDA應(yīng)變、后向散射光譜觀測(cè)、原始光信號(hào)輸出、SDK二次開發(fā)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

光纖散射光譜實(shí)驗(yàn)、溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)、振動(dòng)擾動(dòng)定位實(shí)驗(yàn)、算法開發(fā)實(shí)驗(yàn)、工程模擬仿真實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用單位

高校新工科實(shí)驗(yàn)室、光學(xué)工程實(shí)驗(yàn)室、土木安全實(shí)驗(yàn)室、科研院所重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、校企聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室

設(shè)備特征

科研教學(xué)一體機(jī)、參數(shù)可配置、開放底層數(shù)據(jù)、模塊化選配、國產(chǎn)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備、配套教學(xué)講義PPT

教學(xué)場景

本科課程實(shí)驗(yàn)、研究生課題研究、畢業(yè)設(shè)計(jì)、大學(xué)生創(chuàng)新大賽、師資培訓(xùn)、產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目

標(biāo)書長尾關(guān)鍵詞

高校分布式光纖傳感教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、研究所光纖傳感科研測(cè)試系統(tǒng)、新工科光纖綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、可二次開發(fā)光纖解調(diào)科研設(shè)備

論文摘要關(guān)鍵詞

分布式光纖傳感；DTS；DAS；布里淵散射；高校實(shí)驗(yàn)室；科研教學(xué)平臺(tái)；新工科