一种多功能分布式光纤传感教学设备的制作方法

本实用新型属于分布式光纤传感技术领域，特别涉及基于光时域反射(OTDR)、偏振光时域反射(POTDR)、拉曼光时域反射(ROTDR)技术的分布式传感教研设备。

背景技术：

光波入射到不均匀介质中，介质不均匀性造成密度起伏以及折射率的波动，进而引起朝向四面八方的散射，被称为瑞利散射。1977年，Barnoski等人提出了光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)，在光纤的前端注入探脉冲光，利用脉冲光的后向瑞利散射光强度的变化来测量光纤沿线各个位置的损耗情况，损耗的位置信息可以通过注入探测脉冲光与接收到背向瑞利散射光之间的时间差来获得，从而既获得了损耗的大小又获得了损耗的位置信息，实现分布式光纤传感。从此之后OTDR被广泛应用于对光纤中损耗和弯曲的测量和定位等场合。

1928年，印度科学家拉曼在Nature杂志上报道了拉曼散射实验现象，之后拉曼光谱学蓬勃发展，尤其是在激光出现之后，拉曼光谱逐渐发展为常规的光谱测量手段，逐渐应用于参数测量、光谱分析、光纤传感等领域。分布式光纤拉曼测温系统是基于拉曼散射光的温度效应进行温度测量的，当入射光进入光纤后，由于光纤纤芯折射率的不均匀性，光子与分子发生作用，产生后向拉曼散射光。后向拉曼散射光的强度受其所处的环境温度影响，所以通过光电探测器检测拉曼散射光功率的强弱变化，即可获取温度场信息。

偏振是光波所具有的重要物理特性之一。当光波在光纤中传播时，其偏振态对光纤的形变、振动、电磁场等多种情况敏感，通过探测光波偏振态的变化可实现对光纤沿线相应变化的检测。基于偏振效应的光纤传感技术主要为偏振光时域反射计(Polarization Optical Time Domain Reflectometer，POTDR)，最早由Rogers于1980年提出，用于测量光纤受到的电场、压力和温度等。随后，POTDR更多被用于测量光纤中的整体偏振模色散(Polarization Mode Dispersion，PMD)及双折射等与光通信相关的参量，在光纤通信线路的性能评估、PMD补偿、提高通信速率等方面起到了重要的作用。近年来，由于偏振态对光纤外界参量敏感的特性，POTDR在光纤外界参量测量方面的研究也不断增多。

近十几年来，分布式光纤传感技术因其不带电、本质安全、传感距离长、可连续监测光纤沿线任意位置处的信息等优点，已被广泛应用于公路、桥梁、隧道、周界和电力等多种环境的状态监测。与此同时，随着国内高校和科研院所对分布式光纤传感系统的研究的不断深入，越来越多的科研成果亟待转化为实际产品。但是由于目前市场上的分布式光纤传感设备基本都是基于单一的传感原理，且往往价格昂贵，体积较大，整个系统是一个黑箱，无法看到内部具体的系统结构。这无疑妨碍了高校开设分布式光纤传感的实验课程，从而阻碍了这一类技术的推广和应用。

针对目前现有的分布式光纤传感设备都是基于单一的传感原理，且价格昂贵，体积较大，整个系统是一个黑箱，无法看到内部具体的系统结构等问题，本实用新型提出了一种集成了OTDR、POTDR和ROTDR三种功能的分布式光纤传感教研设备，成本低、体积小、整个系统被分割成了若干模块，便于观察和拆装，具有很强的实用价值。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提出了一种多功能分布式光纤传感教学设备，包括：电源模块、光源模块、第一探测器模块、第二探测器模块、数据采集卡模块、环形器模块、偏振分束器模块、波分复用器模块。

当使用本实用新型的OTDR功能时：电源模块分别与光源模块、第一探测器模块、数据采集卡模块相连接，给后三者供电；光源模块与数据采集卡模块相连接，将产生的脉冲时钟信号传输给数据采集卡模块，光源模块还与环形器模块、待测光纤依次顺序连接，其产生的脉冲激光经过环形器模块进入待测光纤，环形器模块还与第一探测器模块相连接，第一探测器模块与数据采集卡模块相连接，待测光纤产生的背向传输的瑞利散射光经过环形器模块进入第一探测器模块，第一探测器模块再将接收到的光信号转化为电信号传送到数据采集卡模块，数据采集卡模块将接收到的信号转化为数字信号并输出到计算机。

当使用偏振光时域反射功能时，电源模块分别与光源模块、第一探测器模块、数据采集卡模块相连接，给后三者供电；光源模块与数据采集卡模块相连，将产生的脉冲时钟信号传输给数据采集卡模块，光源模块还与环形器模块、待测光纤依次顺序连接，其产生的脉冲激光经过环形器模块进入待测光纤，环形器模块还与偏振分束器模块、第一探测器模块依次顺序连接，待测光纤产生的瑞利散射光经过环形器模块进入偏振分束器模块，偏振分束器模块将入射光分为偏振方向正交的两束线偏振光，并将其中的任一束传输到第一探测器模块，第一探测器模块再将接收到的光信号转化为电信号传送给数据采集卡模块，数据采集卡模块将接收到的信号转化为数字信号并输出到计算机。

当使用拉曼光时域反射功能时，电源模块分别与光源模块、第一探测器模块、第二探测器模块、数据采集卡模块相连，给后四者供电；光源模块与数据采集卡模块相连，将产生的脉冲时钟信号传输给数据采集卡模块，光源模块还与波分复用器模块、待测光纤依次顺序连接，其产生的脉冲激光经过波分复用器模块进入待测光纤，波分复用器模块分别与第一探测器模块、第二探测器模块相连，待测光纤中产生的背向传输的拉曼散射光中的斯托克斯光经过波分复用器模块进入第一探测器模块，产生的反斯托克斯光经过波分复用器模块进入第二探测器模块，两个探测器模块再将接收到的光信号转化为电信号传送给数据采集卡模块，数据采集卡模块将接收到的信号转化为数字信号并输出到计算机。

本发明的有益效果在于：本实用新型利用OTDR、ROTDR、POTDR三种分布式传感方案对于光源、探测器、数据采集卡的要求基本一致这一特点，整个系统只采用了一个光源，一个数据采集卡和两个探测器，大幅度降低了制造成本。

本实用新型对构成整个系统的所有模块都进行了封装加固处理，使得模块间可以通过连接线实现组装和拆分，提高了系统的灵活性，赋予了其可以展示内部结构的特点。

本实用新型将各模块分开封装，解决了器件发热集中的问题，从而无需使用风扇等有源散热装置，有效缩减了整个系统的体积。

本实用新型将整个系统分解为若干模块，因此可以在只更换特定模块的情况下实现系统功能的扩展与更新，为开发人员和用户提供了极大的便利。

附图说明

图1是本实用新型使用OTDR功能时的系统组装结构示意图。

图2是本实用新型使用OTDR功能时的原理图。

图3是本实用新型使用POTDR功能时的系统组装结构示意图。

图4是本实用新型使用POTDR功能时的原理图。

图5是本实用新型使用ROTDR功能时的系统组装结构示意图。

图6是本实用新型使用ROTDR功能时的原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1和2所示，多功能分布式光纤传感教学设备在实现OTDR功能时的系统结构，包括：多功能分布式光纤传感教学设备1、待测光纤2、计算机3，其中，多功能分布式光纤传感教学设备1又包括：电源模块4、光源模块5、环形器模块6、第一探测器模块7、数据采集卡模块8；电源模块4的4_1端口与光源模块5的5_1端口相连，电源模块4的4_2端口与数据采集卡8的8_1端口相连，电源模块4的4_3端口与第一探测器模块7的的7_1端口相连，光源模块5的5_2端口与环形器模块6的6_1端口相连，光源模块5的5_3端口与数据采集卡模块8的8_2端口相连，环形器模块6的6_2端口与待测光纤2相连，环形器模块6的6_3端口与第一探测器模块7的7_2端口相连，第一探测器模块7的7_3端口与数据采集卡模块8的8_3端口相连，数据采集卡模块8的8_4端口与计算机3相连。

本实用新型实现OTDR功能的工作方式为：开启电源模块4后，光源模块5产生的脉冲激光经过环形器模块6进入待测光纤2中，随着入射光的传输，待测光纤2中产生的背向传输的瑞利散射光又经过环形器模块6进入第一探测器模块7，第一探测器模块7将接收到的光信号转化为电信号后，传送给数据采集卡模块8，同时，光源模块5的脉冲时钟信号也传输给数据采集卡模块8，数据采集卡模块8将接收到的信号转化为数字信号，传输给计算机3。

如图3和4所示，多功能分布式光纤传感教学设备在实现POTDR功能时的系统结构，包括：多功能分布式光纤传感教学设备1、待测光纤2、计算机3，其中，多功能分布式光纤传感教学设备1又包括：电源模块4、光源模块5、环形器模块6、偏振分束器模块7、第一探测器模块8、数据采集卡模块9；电源模块4的4_1端口与光源模块5的5_1端口相连，电源模块4的4_2端口与数据采集卡9的9_1端口相连，电源模块4的4_3端口与第一探测器模块8的的8_1端口相连，光源模块5的5_2端口与环形器模块6的6_1端口相连，光源模块5的5_3端口与数据采集卡模块9的9_2端口相连，环形器模块6的6_2端口与待测光纤2相连，环形器模块6的6_3端口与偏振分束器模块7的7_1端口相连，偏振分束器模块7的7_2端口相与第一探测器模块8的8_2端口相连，第一探测器模块8的8_3端口与数据采集卡模块9的9_3端口相连，数据采集卡模块9的9_4端口与计算机3相连。

本实用新型实现POTDR功能的工作方式为：开启电源模块4后，光源模块5产生的脉冲激光经过环形器模块6进入待测光纤2中，随着入射光的传输，待测光纤2中产生的背向传输的瑞利散射光又经过环形器模块6进入偏振分束器模块7，偏振分束器模块7将入射光分为偏振方向正交的两束线偏振光，其中的一束偏振光传输到第一探测器模块8，第一探测器模块8将接收到的光信号转化为电信号后，传送给数据采集卡模块9，同时，光源模块5的脉冲时钟信号也传输给数据采集卡模块9，数据采集卡模块9将接收到的信号转化为数字信号，传输给计算机3。

如图5和6所示，多功能分布式光纤传感教学设备在实现ROTDR功能时的系统结构，包括：多功能分布式光纤传感教学设备1、待测光纤2、计算机3，其中，多功能分布式光纤传感教学设备1又包括：电源模块4、光源模块5、波分复用器模块6、第一探测器模块7、第二探测器模块8、数据采集卡模块9；电源模块4的4_1端口与光源模块5的5_1端口相连，电源模块4的4_2端口与数据采集卡9的9_1端口相连，电源模块4的4_3端口与第二探测器模块8的的8_1端口相连，电源模块4的4_4端口与第一探测器模块7的的7_1端口相连，光源模块5的5_2端口与波分复用器模块6的6_1端口相连，光源模块5的5_3端口与数据采集卡模块9的9_2端口相连，波分复用器模块6的6_2端口与待测光纤2相连，波分复用器模块6的6_3端口与第一探测器模块7的7_2端口相连，波分复用器模块6的6_4端口与第二探测器模块8的8_2端口相连，第一探测器模块7的7_3端口与数据采集卡模块9的9_3端口相连，第二探测器模块8的8_3端口与数据采集卡模块9的9_4端口相连，数据采集卡模块9的9_5端口与计算机3相连。

本实用新型实现ROTDR功能的工作方式为：开启电源模块4后，光源模块5产生的脉冲激光经过波分复用器模块6进入待测光纤2中，随着入射光的传输，待测光纤2中产生的背向传输的拉曼散射光中的斯托克斯光经过波分复用器模块6进入第一探测器模块7，待测光纤2中产生的背向传输的拉曼散射光中的反斯托克斯光经过波分复用器模块6进入第二探测器模块8，第一探测器模块7和第二探测器模块8将接收到的光信号转化为电信号后，传送给数据采集卡模块9，同时，光源模块5的脉冲时钟信号也传输给数据采集卡模块9，数据采集卡模块9将接收到的信号转化为数字信号，传输给计算机3。

本实用新型的一个具体实施例中，光源模块使用上海科乃特公司生产的DTS脉冲光源模块，型号为VFLS-155-M-DTS，中心波长为1550nm，线宽小于0.2nm，脉冲宽度和输出功率可调；数据采集卡模块使用北京星烁华创公司生产的型号为USB9825B-20的数据采集卡，分辨率为12位，双通道，采样率为20MS/s，信噪比为70dB；第一探测器模块和第二探测器模块均使用深圳飞博源公司生产的InGaAs-APD探测器，型号为IAM-6020，探测光功率为-60dBm；环行器模块使用四川致远科技生产的光环行器，隔离度在40-50dB之间。

以上所述及图中所示的仅是本实用新型的优选实施方式。本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理的前提下，还可以作出若干变型和改进，这些也应视为属于本实用新型的保护范围。