高翔+张雨婕+黄鹏+朱彩球

摘要：分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射技术发展起来的一种新型传感技术。理工类专业中，实验教学培养动手能力是必不可少的，而在光纤传感实验方面，原有的昂贵的光纤传感电子实验设备无法满足更多学生的学习要求，针对这种情况，提出制作一种价格低廉且交互性友好的光纤传感实验设备，采用分布式数据采集结构和窄線宽大功率激光器，利用光电流幅值与两相干光束相位差的函数关系，观测光探测器的输出电流便可得到所需数据。学生在做光纤类实验中，可以更好地了解光纤传输，光纤传感的原理。

关键词：分布式光纤；围栏报警；实验教学

中图分类号：TN929.11 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）35-0222-02

Experimental Teaching System of Fiber Fence Warning Monitoring

GAO Xiang， ZHANG Yu-jie， HUANG Peng， ZHU Cai-qiu

（School of Information and Communication， Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004，China）

Abstract：Distributed optical fiber sensing technology is a new sensing technology Based on optical time domain reflectometry which is widely used in optical fiber engineering. The science and engineering specialty， experimental teaching and cultivating ability is essential， and in optical fiber sensing experiment， optical fiber sensing electronic experimental equipment the original expensive can not meet the requirements of more students， in this case， the optical fiber sensing experiment equipment for producing low price and friendly interaction， using the distributed data collection system and the narrow line wide power laser， the photoelectric current amplitude and phase difference of two coherent beam function， the output current of the detector can be obtained on photometric data needed. Students in the optical fiber experiment， you can better understand the optical fiber transmission， optical fiber sensing principle.

Key words： distributed optical fiber； fence alarm； experimental teaching

1 概述

光纤的抗电磁干扰和高传输质量的特性使得其在如今得到了广泛的应用，其如今在传感器上的应用上也占据了较高的地位[1]，最早的光纤传感器应用于混凝土结构的检测，日本、美国、德国等许多国家都先后对光纤传感系统在土木工程中的应用进行研究，其中美国是光纤传感器技术最高的国家，我国对光纤传感的研究还处于理论及实验研究阶段，近几年已得到快速的发展，在实验中了解光纤传感的原理特性在光电学的教学中尤为重要。

分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射技术发展起来的一种新型传感技术。光在光纤中传输会发生散射，包括由光纤折射率变化引起的瑞利散射、光学声子引起的拉曼散射和声学声子引起的布里渊散射三种类型[2]。应力感应主要是应用瑞利散射的原理，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲等事件而产生散射、反射，其中一部分经过与入射光相同的路径返回到光探测器中，根据入射信号和返回信号的时间差，就能计算出事件点的距离。而通过在光纤中加入衰减接头的作用下发生光信号衰减，背向散射光强就会在该处有一定的衰减，检测这一损耗大小就能实现对事件位置的检测。

本文利用分布式光纤传感技术的原理设计一套光纤围栏报警监测的实验教学系统，可满足学生实验中对数据实时性的需要，使用模块化设计，使原理清晰，操作简单，编写友好的上位机界面系统，采用小型化设计方案，摒弃了教学试验中用不到的功能，减少购置实验设备的金钱压力。

2 设计方案

由一个大功率激光器发出极窄线宽的相干光源，经过调制器后得到一个光脉冲，将其入射到敏感光纤中。相干光在光纤中会产生后向散射，若光纤某处光衰减条件发生改变，后向散射会发生衰减，高灵敏度的光探测器可以探测到散射光的衰减，且光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系。光探测器得到的数据实时传输到主控制器上，主控制器通过对多次采集的数据进行求和平均，可以得到信噪比较高的后向散射功率值，从而可以监测出试验中的情况并可确定其具体位置。经过主控制器的数据处理得到的结果实验学生提供数据以及通过界面显示系统可以实时有效的得出预警情况。endprint

3 设计实现

3.1 后向散射分析

光在光纤中传输会发生散射，包括由光纤折射率变化引起的瑞利散射、光学声子引起的拉曼散射和声学声子引起的布里渊散射三种类型。瑞利散射是光纤的一种固有特性，当光波在光纤中传输时，遇到光纤纤芯折射率n在微观上随机起伏而引起的线性散射。布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波相互作用的結果，这个传播的压力波等效于一个以一定速度（且具有一定频率）移动的密度光栅。因此，布里渊散射可看作是入射光在移动的光栅上的散射，多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。当某一频率的散射光与入射光、压力波满足相位匹配条件（对光栅来说，就是对应于满足布拉格（Bragg）衍射条件）时，此频率的散射光强为极大值。拉曼散射是入射光波的一个光子被一个声子散射成为另一个低频光子，同时声子完成其两个振动态之间的跃迁。瑞利散射其波长不发生变化，而拉曼散射和布里渊散射是光与物质发生非弹性散射时所携带出的信息，散射波长相对于入射波长发生偏移。

OTDR是基于测量后向瑞利散射光信号的实用化测量仪器。利用OTDR可以方便地从单端对光纤进行非破坏性的测量，它能连续显示整个光纤线路的损耗相对于距离的变化。OTDR测试是通过将光脉冲注入到光纤中，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的路径延时返回到OTDR中。OTDR根据入射信号与其返回信号的时间差Τ，利用下式就可计算出上述事件点与OTDR的距离：

d=cΤ/（2n） （1）

式中c为光在真空中的速度，n为光纤纤芯的有效折射率。

3.2 光纤实验系统搭建

光纤中的瑞利后向散射和菲涅尔现象是基于瑞利散射的分布式光纤传感技术的基础，以此技术研制成功的光时域反射仪（OTDR）是一种典型的基于后向瑞利散射的分布式光纤全感技术。系统的搭建首先需要选择窄线宽的激光器，入射光首先通过脉冲驱动电路调制的电光调制器，产生光脉冲，然后光脉冲经过两级掺铒光纤放大器（EDFA）放大，对光微弱信号进行放大和光功率放大，到达被测光纤，APD 光电探测器接收出来的被测光纤各事件点的后向瑞利散射信号，进行 A/D 转换，在信号控制及处理单元的处理后得到探测曲线，并在显示设备上显示，通过显示可以迅速定位到光纤散射点的功率、损耗点、断点以及连接点等信息。实验系统图如1所示。

4 数据采集

分布式光纤传感系统后端的信号处理需实时对大量的数据进行处理，这不仅要求前端数据采集设备的配置足够高，还需要实时的对采集到的数据进一步处理。数据的交换可以使用硬件实现，可以通过 FPGA 使用硬件语言开发，也可以使用借用计算机强大的存储和计算能力，在后端使用软件进行信号的处理和控制，本文数据采集系统就是在数据采集卡硬件基础上使用 Microsoft Visual C++ 6.0 开发环境对数据采集设备再开发。

4.1 数据平均处理与存储

现在我们针对 OTDR 系统，对求和平均法进行分析。假设在 OTDR 系统中，从光电探测器出来的信号经过数据采集设备采集，并经过抽样和量化处理后的信号为：

X（t）=U（t）+N（t） （2）

其中有用信号为 U（t），N（t）为噪声。

OTDR 系统经过光电探测模块后需要对采集到的模拟信号数字化，继而经过放大和滤波到达数字信号采集设备，对采集到的数据进行处理。模拟信号被抽样信号抽样，经过这个过程后数据采集设备需要对数据进行处理，求和平均法是一种简单的数据处理算法，虽然简单，但却是很多复杂数据算法的基础。

OTDR 系统中数据采集平台在采集到这些模拟信号后首先需要对其进行存储。有两种方式将其存储在计算机的内存中。可以使用链表进行存储，链表的优势就是不需要必须使用连续的内存来存储。现以单链表为例，代码实现如下：

struct NodeTest{

double data； //使用 double 类型变量 data 保存数据

struct node* next； //保存下一个节点的地址

}*NodeHead，NodeTest；

5 总结

利用分布式光纤传感技术设计的围栏报警监测实验系统具有抗电磁干扰的独特性质，在电磁波环境中能够稳定精确的探测数据，并且光纤传输的高效特性增强了系统的实时性，可满足学生实验中实时性的需要。光纤传感具有分布式监测的特性，同时其传输带宽大且可复用的特性，提高了数据的可靠性，同时为数据的采集和处理提供了极大的帮助。经过主控制器的数据处理得到的结果为实验学生提供数据以及通过界面显示系统可以实时有效的得出预警情况。

光纤围栏报警监测的实验教学系统的设计摒弃了摒弃了教学试验中用不到的功能，方便老师教学和学生操作，具有较高实用性。

参考文献：

[1] 廖延彪.我国光纤传感技术现状和展望[J].光电子技术与信息，2003，16（5）：1-6.

[2] 黄民双，陈伟民，黄尚廉.光纤中光散射及在分布式传感技术中的应用[J].传感器术，1995（2）：49-51.

[3] 刘亚荣，唐朝毅.基于物联网的光纤传感技术应用方案[J].光通信研究，2012（3）：36-38.

[4] 张在宣.光纤分子背向散射的温度效应及其在分布光纤温度传感网络上应用研究的进展[J].原子与分子物理学报，2000，17（3）：559-565.

[5] 强冰.高速光时域反射仪的研制[D].南京：南京理工大学，2010.

[6] 耿文倩，耿军平，李焱，等.光时域背向拉曼散射分布式光纤传感器与光频域背向拉曼散射分布式光纤传感器对比研究[J].贵州工业大学学报：自然科学版，2002，31（5）：49-53.

[7] 闫俊芳，裴丽.光纤传感技术在物联网中的应用[J].光电技术应用，2012，27（1）：37-40.

[8] 刘波，杨亦飞，牛文成，等.光纤围栏技术特点及研究现状[J].光子技术，2006（4）：208-213.endprint