光纖圍欄報警監(jiān)測的實驗教學(xué)系統(tǒng)

高翔+張雨婕+黃鵬+朱彩球

摘要：分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時域反射技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)。理工類專業(yè)中，實驗教學(xué)培養(yǎng)動手能力是必不可少的，而在光纖傳感實驗方面，原有的昂貴的光纖傳感電子實驗設(shè)備無法滿足更多學(xué)生的學(xué)習(xí)要求，針對這種情況，提出制作一種價格低廉且交互性友好的光纖傳感實驗設(shè)備，采用分布式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)和窄線寬大功率激光器，利用光電流幅值與兩相干光束相位差的函數(shù)關(guān)系，觀測光探測器的輸出電流便可得到所需數(shù)據(jù)。學(xué)生在做光纖類實驗中，可以更好地了解光纖傳輸，光纖傳感的原理。

關(guān)鍵詞：分布式光纖；圍欄報警；實驗教學(xué)

中圖分類號：TN929.11 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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

光纖的抗電磁干擾和高傳輸質(zhì)量的特性使得其在如今得到了廣泛的應(yīng)用，其如今在傳感器上的應(yīng)用上也占據(jù)了較高的地位[1]，最早的光纖傳感器應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)的檢測，日本、美國、德國等許多國家都先后對光纖傳感系統(tǒng)在土木工程中的應(yīng)用進(jìn)行研究，其中美國是光纖傳感器技術(shù)最高的國家，我國對光纖傳感的研究還處于理論及實驗研究階段，近幾年已得到快速的發(fā)展，在實驗中了解光纖傳感的原理特性在光電學(xué)的教學(xué)中尤為重要。

分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時域反射技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)。光在光纖中傳輸會發(fā)生散射，包括由光纖折射率變化引起的瑞利散射、光學(xué)聲子引起的拉曼散射和聲學(xué)聲子引起的布里淵散射三種類型[2]。應(yīng)力感應(yīng)主要是應(yīng)用瑞利散射的原理，當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，會由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲等事件而產(chǎn)生散射、反射，其中一部分經(jīng)過與入射光相同的路徑返回到光探測器中，根據(jù)入射信號和返回信號的時間差，就能計算出事件點的距離。而通過在光纖中加入衰減接頭的作用下發(fā)生光信號衰減，背向散射光強(qiáng)就會在該處有一定的衰減，檢測這一損耗大小就能實現(xiàn)對事件位置的檢測。

本文利用分布式光纖傳感技術(shù)的原理設(shè)計一套光纖圍欄報警監(jiān)測的實驗教學(xué)系統(tǒng)，可滿足學(xué)生實驗中對數(shù)據(jù)實時性的需要，使用模塊化設(shè)計，使原理清晰，操作簡單，編寫友好的上位機(jī)界面系統(tǒng)，采用小型化設(shè)計方案，摒棄了教學(xué)試驗中用不到的功能，減少購置實驗設(shè)備的金錢壓力。

2 設(shè)計方案

由一個大功率激光器發(fā)出極窄線寬的相干光源，經(jīng)過調(diào)制器后得到一個光脈沖，將其入射到敏感光纖中。相干光在光纖中會產(chǎn)生后向散射，若光纖某處光衰減條件發(fā)生改變，后向散射會發(fā)生衰減，高靈敏度的光探測器可以探測到散射光的衰減，且光電流的幅值將與兩光束的相位差成函數(shù)關(guān)系。光探測器得到的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)街骺刂破魃希骺刂破魍ㄟ^對多次采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和平均，可以得到信噪比較高的后向散射功率值，從而可以監(jiān)測出試驗中的情況并可確定其具體位置。經(jīng)過主控制器的數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果實驗學(xué)生提供數(shù)據(jù)以及通過界面顯示系統(tǒng)可以實時有效的得出預(yù)警情況。endprint

3 設(shè)計實現(xiàn)

3.1 后向散射分析

光在光纖中傳輸會發(fā)生散射，包括由光纖折射率變化引起的瑞利散射、光學(xué)聲子引起的拉曼散射和聲學(xué)聲子引起的布里淵散射三種類型。瑞利散射是光纖的一種固有特性，當(dāng)光波在光纖中傳輸時，遇到光纖纖芯折射率n在微觀上隨機(jī)起伏而引起的線性散射。布里淵散射是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果，這個傳播的壓力波等效于一個以一定速度（且具有一定頻率）移動的密度光柵。因此，布里淵散射可看作是入射光在移動的光柵上的散射，多普勒效應(yīng)使得散射光的頻率不同于入射光。當(dāng)某一頻率的散射光與入射光、壓力波滿足相位匹配條件（對光柵來說，就是對應(yīng)于滿足布拉格（Bragg）衍射條件）時，此頻率的散射光強(qiáng)為極大值。拉曼散射是入射光波的一個光子被一個聲子散射成為另一個低頻光子，同時聲子完成其兩個振動態(tài)之間的躍遷。瑞利散射其波長不發(fā)生變化，而拉曼散射和布里淵散射是光與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射時所攜帶出的信息，散射波長相對于入射波長發(fā)生偏移。

OTDR是基于測量后向瑞利散射光信號的實用化測量儀器。利用OTDR可以方便地從單端對光纖進(jìn)行非破壞性的測量，它能連續(xù)顯示整個光纖線路的損耗相對于距離的變化。OTDR測試是通過將光脈沖注入到光纖中，當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，會由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光經(jīng)過同樣的路徑延時返回到OTDR中。OTDR根據(jù)入射信號與其返回信號的時間差Τ，利用下式就可計算出上述事件點與OTDR的距離：

d=cΤ/（2n） （1）

式中c為光在真空中的速度，n為光纖纖芯的有效折射率。

3.2 光纖實驗系統(tǒng)搭建

光纖中的瑞利后向散射和菲涅爾現(xiàn)象是基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)，以此技術(shù)研制成功的光時域反射儀（OTDR）是一種典型的基于后向瑞利散射的分布式光纖全感技術(shù)。系統(tǒng)的搭建首先需要選擇窄線寬的激光器，入射光首先通過脈沖驅(qū)動電路調(diào)制的電光調(diào)制器，產(chǎn)生光脈沖，然后光脈沖經(jīng)過兩級摻鉺光纖放大器（EDFA）放大，對光微弱信號進(jìn)行放大和光功率放大，到達(dá)被測光纖，APD 光電探測器接收出來的被測光纖各事件點的后向瑞利散射信號，進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，在信號控制及處理單元的處理后得到探測曲線，并在顯示設(shè)備上顯示，通過顯示可以迅速定位到光纖散射點的功率、損耗點、斷點以及連接點等信息。實驗系統(tǒng)圖如1所示。

4 數(shù)據(jù)采集

分布式光纖傳感系統(tǒng)后端的信號處理需實時對大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這不僅要求前端數(shù)據(jù)采集設(shè)備的配置足夠高，還需要實時的對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理。數(shù)據(jù)的交換可以使用硬件實現(xiàn)，可以通過 FPGA 使用硬件語言開發(fā)，也可以使用借用計算機(jī)強(qiáng)大的存儲和計算能力，在后端使用軟件進(jìn)行信號的處理和控制，本文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是在數(shù)據(jù)采集卡硬件基礎(chǔ)上使用 Microsoft Visual C++ 6.0 開發(fā)環(huán)境對數(shù)據(jù)采集設(shè)備再開發(fā)。

4.1 數(shù)據(jù)平均處理與存儲

現(xiàn)在我們針對 OTDR 系統(tǒng)，對求和平均法進(jìn)行分析。假設(shè)在 OTDR 系統(tǒng)中，從光電探測器出來的信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集，并經(jīng)過抽樣和量化處理后的信號為：

X（t）=U（t）+N（t） （2）

其中有用信號為 U（t），N（t）為噪聲。

OTDR 系統(tǒng)經(jīng)過光電探測模塊后需要對采集到的模擬信號數(shù)字化，繼而經(jīng)過放大和濾波到達(dá)數(shù)字信號采集設(shè)備，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。模擬信號被抽樣信號抽樣，經(jīng)過這個過程后數(shù)據(jù)采集設(shè)備需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，求和平均法是一種簡單的數(shù)據(jù)處理算法，雖然簡單，但卻是很多復(fù)雜數(shù)據(jù)算法的基礎(chǔ)。

OTDR 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集平臺在采集到這些模擬信號后首先需要對其進(jìn)行存儲。有兩種方式將其存儲在計算機(jī)的內(nèi)存中?？梢允褂面湵磉M(jìn)行存儲，鏈表的優(yōu)勢就是不需要必須使用連續(xù)的內(nèi)存來存儲?，F(xiàn)以單鏈表為例，代碼實現(xiàn)如下：

struct NodeTest{

double data； //使用 double 類型變量 data 保存數(shù)據(jù)

struct node* next； //保存下一個節(jié)點的地址

}*NodeHead，NodeTest；

5 總結(jié)

利用分布式光纖傳感技術(shù)設(shè)計的圍欄報警監(jiān)測實驗系統(tǒng)具有抗電磁干擾的獨特性質(zhì)，在電磁波環(huán)境中能夠穩(wěn)定精確的探測數(shù)據(jù)，并且光纖傳輸?shù)母咝匦栽鰪?qiáng)了系統(tǒng)的實時性，可滿足學(xué)生實驗中實時性的需要。光纖傳感具有分布式監(jiān)測的特性，同時其傳輸帶寬大且可復(fù)用的特性，提高了數(shù)據(jù)的可靠性，同時為數(shù)據(jù)的采集和處理提供了極大的幫助。經(jīng)過主控制器的數(shù)據(jù)處理得到的結(jié)果為實驗學(xué)生提供數(shù)據(jù)以及通過界面顯示系統(tǒng)可以實時有效的得出預(yù)警情況。

光纖圍欄報警監(jiān)測的實驗教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計摒棄了摒棄了教學(xué)試驗中用不到的功能，方便老師教學(xué)和學(xué)生操作，具有較高實用性。

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