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摘要：分布式光纤传感是光学工程、土木工程、安全工程等学科的前沿交叉技术，在工程领域得到广泛应用，但适合高校教学与基础科研的综合实验平台相对匮乏。商用工程解调设备参数封闭，原始数据不对外开放，难以开展机理教学与算法研究；进口科研设备成本高，制约国内高校相关课程开展。本文设计一套国产化分布式光纤传感综合科研教学实验平台，集成拉曼DTS测温、瑞利DAS振动、布里渊应变多散射机理，硬件参数可配置，开放底层原始数据，配套标准化教学实验套件。平台既可用于研究生科学研究、算法开发，也可开展本科课堂教学演示与课程实验。工程实践表明，该平台能够完成多种光纤传感机理实验，满足高校新工科建设对实践教学的要求，具备良好推广应用价值。
关键词：分布式光纤传感；DTS；DAS；布里渊散射；高校实验室；科研教学平台；新工科
新工科背景之下，国内高等院校大力推进多学科交叉实践教学。分布式光纤传感技术融合光学、电子、材料、土木工程等多个学科，已经在热力管道、矿山、粮仓、桥梁隧道大量工程落地。与此对应的高校实验条件存在短板：市面上绝大多数光纤解调设备为工程项目开发，设备内部参数封闭，只输出最终监测结果，不输出原始光信号，学生无法理解散射光谱、信号解调底层机理；进口科研实验设备采购价格高，供货周期长，维护成本高，很多普通院校难以承担。
很多高校只能采用仿真软件开展理论教学，缺少实物实验平台，学生缺少动手实操条件，理论和工程实践脱节。构建国产化、多功能、开放接口的分布式光纤传感综合实验平台，既可以服务科学研究，开展解调算法、信号降噪、标定方法研究；又能够服务本科教学，完成散射光谱观测、温度‑振动‑应变多物理量的实物实验，对复合型传感技术人才培养有着重要现实意义。
激光脉冲注入传感光纤，产生拉曼散射，分为斯托克斯光与反斯托克斯光，反斯托克斯光强度对温度高度敏感。通过两路光强比值计算光纤沿线温度，实现分布式温度测量，多用于温度监测相关实验。
光脉冲在光纤内部产生瑞利后向散射；当光纤受到外界振动扰动，后向散射光相位会发生变化，通过相位解调获取扰动位置与振动波形，用于振动、入侵扰动相关实验。
光纤受拉伸、挤压发生形变时，布里渊散射频移随应变量发生线性改变；通过检测布里渊频移，得到光纤沿线应变分布，开展结构形变、应力标定相关实验。
本实验平台将三种散射机理集成到同一套系统，学生可以直观对比三类散射光谱的波形特征，理解不同技术的适用场景。
整套平台硬件由脉冲激光光源模块、光路分光单元、光电探测器APD、高速信号采集单元、传感光纤、模拟标定工装组成；软件分为科研模式与教学演示模式。
在科研模式下：激光器脉冲宽度、重复频率、采样率均可由用户设置；完整保存原始后向散射波形数据；提供SDK开发接口，支持Python、C语言读取原始数据，供科研人员自主编写解调、降噪、定位算法。
在教学演示模式：软件可视化展示瑞利、拉曼、布里渊散射光谱波形；内置标准化实验流程，引导学生完成温度标定、振动扰动、光纤拉伸应变实验；配套实验讲义，降低教学实施难度。
配套模拟工装：温控模拟工装模拟温度场变化；光纤拉伸工装，完成应变‑布里渊频移标定实验；振动激励装置模拟外界扰动，完成DAS振动定位实验。
学生通过软件界面，直观观测瑞利、斯托克斯、反斯托克斯、布里渊散射光谱，理解不同散射的物理特征，建立分布式光纤传感底层理论认知。
利用温控工装对局部光纤加热，完成温度标定实验；测量光纤沿线温度分布，验证DTS测温定位、测温精度指标。
对光纤施加振动扰动，观测后向散射相位变化，实现扰动事件定位，研究不同振动信号特征。
使用拉伸工装对传感光纤施加不同拉力，记录布里渊频移与应变对应关系，完成应变标定实验。
模拟管道温度泄漏、模拟结构体形变，在实验室环境复现工程现场物理现象，理解光纤传感在实际工程中的应用逻辑。
导出原始散射数据，学生自主编写降噪、解调、定位算法，对比不同算法处理效果，培养学生科研创新能力。
该综合实验平台投入高校实验室使用之后，可以同时服务科研与教学：
科研层面，研究生可以基于开放原始数据，开展解调算法、信号降噪、标定方法的课题研究，支撑硕士博士毕业论文以及各类纵向科研项目；
教学层面，本科学生可以动手完成实物实验，不再局限仿真软件，直观理解光纤散射物理机理，打通理论知识与实物实验的壁垒；可用于课程设计、大学生创新创业大赛、毕业设计。
国产化平台相比进口设备，大幅降低实验室建设经费，供货周期短，厂家可以提供技术培训，方便高校开展课程建设。
同时平台使用也存在注意事项：光学器件精密，需要做好防尘；教学使用需要对学生开展规范操作培训，避免激光违规操作。硬件采用模块化架构，后期可扩展新增功能模块，保护实验室前期投入。
针对高校缺少分布式光纤传感实物综合实验平台的现状，本文介绍一套国产化科研教学一体化实验平台。系统集成DTS、DAS、布里渊多散射机理，硬件参数可配置，开放底层原始数据与SDK接口，配套完整教学实验资源。平台兼顾科学研究和本科实践教学，能够完成多类光纤传感实物实验，解决传统教学偏重仿真、缺少实操的痛点，对新工科传感类人才培养，推动产学研结合具有较高应用价值。
参考文献
[1] GB/T 39862‑2021，分布式光纤测温系统通用技术条件[S]
分布式光纤传感科研教学平台、高校光纤传感实验台、DTS/DAS/布里渊科研教学仪器、光纤传感综合实验系统、研究所光纤解调科研样机
拉曼DTS测温、瑞利DAS振动、布里渊BOTDA应变、后向散射光谱观测、原始光信号输出、SDK二次开发
光纤散射光谱实验、温度标定实验、应变标定实验、振动扰动定位实验、算法开发实验、工程模拟仿真实验
高校新工科实验室、光学工程实验室、土木安全实验室、科研院所重点实验室、校企联合实验室
科研教学一体机、参数可配置、开放底层数据、模块化选配、国产化实验设备、配套教学讲义PPT
本科课程实验、研究生课题研究、毕业设计、大学生创新大赛、师资培训、产学研项目
高校分布式光纤传感教学实验台、研究所光纤传感科研测试系统、新工科光纤综合实验平台、可二次开发光纤解调科研设备
分布式光纤传感；DTS；DAS；布里渊散射；高校实验室；科研教学平台；新工科
