實(shí)驗(yàn)簡介：

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目旨在讓學(xué)生深入學(xué)習(xí)和了解分布式光纖傳感技術(shù)的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，并以輸油管道監(jiān)測(cè)為例，引導(dǎo)學(xué)生掌握分布式光纖傳感技術(shù)在具體應(yīng)用中的思路和方法。

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式，由淺入深分階段展開分布式光纖傳感教學(xué)。

準(zhǔn)備階段，教學(xué)課程首先介紹對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)、輸油管道監(jiān)測(cè)需求、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等相關(guān)背景知識(shí)；其次，講解光纖中的光散射、布里淵光時(shí)域反射計(jì)和相位光時(shí)域反射計(jì)等相關(guān)原理，讓學(xué)生深入了解分布式光纖傳感技術(shù)；最后，逐一講解分布式光纖傳感系統(tǒng)中關(guān)鍵光電器件的原理和使用規(guī)范，為學(xué)生在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)課程中進(jìn)行傳感系統(tǒng)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)原理學(xué)習(xí)階段，學(xué)生需要根據(jù)準(zhǔn)備階段所學(xué)知識(shí)，自主選擇關(guān)鍵光電器件構(gòu)建分布式光纖傳感系統(tǒng)，并設(shè)置合理的工作參數(shù)，使系統(tǒng)可以正確運(yùn)行，并完成對(duì)自主設(shè)定的振動(dòng)和溫度事件的準(zhǔn)確測(cè)量。同時(shí)，為了符合實(shí)際應(yīng)用情況，通過設(shè)置不同的振動(dòng)和溫度事件，對(duì)光纜的敏感性做評(píng)估，并掌握不同事件發(fā)生時(shí)光纖中散射光的狀態(tài)變化和與之對(duì)應(yīng)的外部信號(hào)變化。

現(xiàn)場仿真測(cè)試階段，對(duì)比驗(yàn)證不同光纜布設(shè)條件、不同分布式光纖傳感原理和系統(tǒng)設(shè)置對(duì)輸油管道泄漏事件的感測(cè)效果；學(xué)習(xí)深度學(xué)習(xí)算法在分布式光纖輸油管道監(jiān)測(cè)中的具體應(yīng)用；掌握基于分布式光纖傳感技術(shù)對(duì)輸油管道監(jiān)測(cè)方法。

實(shí)驗(yàn)背景：

分布式光纖傳感技術(shù)利用光纖本身作為信號(hào)感應(yīng)介質(zhì)和傳輸介質(zhì)，可同時(shí)測(cè)量光纖路徑上時(shí)間和空間連續(xù)分布的信息。通過測(cè)量光纖中光波的強(qiáng)度、頻率、相位等物理參量，分布式光纖傳感技術(shù)可以對(duì)溫度、振動(dòng)、應(yīng)變等多種狀態(tài)變化進(jìn)行感知。該技術(shù)具有傳感距離長、抗電磁干擾、無需遠(yuǎn)程供電、體小質(zhì)輕、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)分布式測(cè)量等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為油氣管道、高速軌道交通、超/特高壓輸電線路、橋梁隧道等多種領(lǐng)域中健康監(jiān)測(cè)和診斷的有效技術(shù)手段，受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注，極具發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值。我國在“十三五”、“十四五”的“智能傳感器”、“重大基礎(chǔ)設(shè)施安全”、“智慧城市”、“重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)”、“地震成像”等多個(gè)重大方向均體現(xiàn)出對(duì)分布式光纖傳感技術(shù)的高度關(guān)注。

分布式光纖傳感技術(shù)主要?dú)w屬于光電信息工程、電子信息等專業(yè)，同時(shí)具有明顯的跨專業(yè)、跨學(xué)科特征。培養(yǎng)扎實(shí)掌握該技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)的專業(yè)人才，符合新工科專業(yè)建設(shè)的發(fā)展方向，對(duì)于推動(dòng)相關(guān)學(xué)科發(fā)展、服務(wù)國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的意義。

分布式光纖傳感技術(shù)的服務(wù)應(yīng)用對(duì)象體量巨大、作用關(guān)鍵，實(shí)際中難以直接在課堂及實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行直觀有效的實(shí)驗(yàn)展示和講解。因此，利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的技術(shù)手段，通過情景體驗(yàn)式的教學(xué)方法，將分布式光纖傳感技術(shù)的原理進(jìn)行細(xì)致的講解和對(duì)真實(shí)現(xiàn)場應(yīng)用的高還原度演示，不僅可使學(xué)生能夠深入學(xué)習(xí)和掌握分布式光纖傳感技術(shù)的原理、應(yīng)用技術(shù)，同時(shí)能夠?qū)⒘⒌聵淙?、課程思政融入教學(xué)過程，使學(xué)生了解我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的偉大成效，激發(fā)學(xué)生的自豪感、使命感和愛國熱情。

本課程以輸油管道為監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行分布式光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)場仿真實(shí)驗(yàn)。油氣能源為國家的發(fā)展和建設(shè)提供了必不可少的動(dòng)力和原料，是國家飛速發(fā)展的重要支撐。管道輸送在油氣能源的供給中居于絕對(duì)主要的地位。到2020年，我國累計(jì)建成油氣管道14.4萬公里。然而我國現(xiàn)有的油氣管道距離長，鋪設(shè)地點(diǎn)和環(huán)境十分復(fù)雜，管道會(huì)經(jīng)過山川、河流、湖泊、草地、沙漠、荒野、鄉(xiāng)村、城郊、城市等多種地形和區(qū)域。在這樣復(fù)雜的環(huán)境中，油氣管道經(jīng)過長期運(yùn)行，會(huì)受到多種多樣的外界影響，如局部腐蝕、第三方施工破壞、打孔偷盜、自然災(zāi)害等，極有可能出現(xiàn)泄漏問題。因此對(duì)油氣管道的安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)十分重要。

由于光纖傳感技術(shù)具備抗干擾性好、耐久度高、后期維護(hù)成本低、可以實(shí)現(xiàn)高效靈敏的分布式傳感等優(yōu)點(diǎn)，光纖傳感檢漏法在管道泄漏檢測(cè)以及安全監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用正逐漸擴(kuò)大?，F(xiàn)階段應(yīng)用在管道安全檢測(cè)方面的光纖傳感技術(shù)主要包括以下幾種：光纖布拉格光柵技術(shù)（FBG）、基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)（BOTDR，BOTDA）、基于拉曼散射的光時(shí)域反射技術(shù)（ROTDR）、光時(shí)域反射技術(shù)（OTDR）和基于相位敏感的光時(shí)域反射技術(shù)（Φ-OTDR）。在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中主要使用的技術(shù)是BOTDR和Φ-OTDR。BOTDR是根據(jù)光纖中的背向布里淵散射光的頻移實(shí)現(xiàn)對(duì)管道運(yùn)行時(shí)的溫度的測(cè)量；F-OTDR是利用光相干效應(yīng)提取高靈敏度的相位變化，從而可以探測(cè)到管道沿途的極微弱光纖振動(dòng)，即本教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目利用BOTDR和Φ-OTDR兩種技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)管道運(yùn)行時(shí)的溫度和振動(dòng)兩種物理量的測(cè)量。

與此同時(shí)，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展和成熟，越來越多的管道監(jiān)測(cè)研究不僅僅拘泥于光纖傳感技術(shù)，而是試圖將其和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合在一起，期望光纖傳感高靈敏度的特點(diǎn)和機(jī)器學(xué)習(xí)高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)可以相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的管道安全監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)階段的研究可以發(fā)現(xiàn)，光纖傳感技術(shù)通常與支持向量機(jī)（SVM）、各類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林（Random Forest）、各種時(shí)間序列處理方法等機(jī)器學(xué)習(xí)模型相結(jié)合，在管道監(jiān)測(cè)方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

綜合上述的光纖傳感技術(shù)在管道監(jiān)測(cè)方面的研究進(jìn)展?fàn)顩r，可以看出光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在不斷擴(kuò)大和深入的同時(shí)，與相關(guān)技術(shù)的結(jié)合變得更加密切，這意味著管道安全監(jiān)測(cè)技術(shù)正得到提高和完善，并逐步邁向高效化。

設(shè)計(jì)原則：

課程設(shè)計(jì)的必要性：

（1）分布式光纖傳感技術(shù)在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中具有重要的作用，為國內(nèi)外重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)方向。

（2）分布式光纖傳感技術(shù)的服務(wù)應(yīng)用對(duì)象體量巨大、作用關(guān)鍵，受限于體積、成本、安全等因素，實(shí)際中難以直接在課堂及實(shí)驗(yàn)室對(duì)其進(jìn)行直觀有效的實(shí)驗(yàn)展示和講解。

（3）分布式光纖傳感技術(shù)為具有顯著學(xué)科交叉特征的新工科專業(yè)，涉及的知識(shí)點(diǎn)多且內(nèi)容交叉度高。傳統(tǒng)課堂教學(xué)方式難以取得良好的教學(xué)效果。

（4）輸油管道承擔(dān)著能源供給的重任，是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生命線，對(duì)其安全隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)意義重大，關(guān)乎國家發(fā)展、人民生命財(cái)產(chǎn)安全與生態(tài)環(huán)境；

課程設(shè)計(jì)的先進(jìn)性：

（1）課程緊密結(jié)合南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的“光纖技術(shù)”課程和“光纖傳感技術(shù)”模塊化實(shí)驗(yàn)課程的相關(guān)內(nèi)容，還依托南京大學(xué)智能光傳感與調(diào)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的先進(jìn)科研成果，及在油氣管道等大型結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)上的豐富成功案例與經(jīng)驗(yàn)。通過將領(lǐng)先的技術(shù)和高準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)仿真模型引入本套虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)-教-研的高度融合。

（2）課程綜合采用了多種先進(jìn)的技術(shù)手段，高度還原并全面覆蓋了分布式光纖傳感技術(shù)及在輸油管道監(jiān)測(cè)應(yīng)用場景中的整個(gè)學(xué)習(xí)流程，充分引導(dǎo)學(xué)生感知與領(lǐng)悟監(jiān)測(cè)過程及其原理，全方位講解了所涉及的知識(shí)點(diǎn)，并通過科學(xué)合理的學(xué)習(xí)過程設(shè)計(jì)，強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。

課程設(shè)計(jì)的合理性：

（1）始終以學(xué)生為中心，充分培養(yǎng)學(xué)生自主、探究式的學(xué)習(xí)能力，利用逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃兔婷婢愕降慕馕?，加深學(xué)生對(duì)光纖傳感輸油管道監(jiān)測(cè)的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力；

（2）課程教學(xué)過程以學(xué)生的認(rèn)知過程為指導(dǎo)，采取由點(diǎn)到面、點(diǎn)面結(jié)合的知識(shí)講解方式，并將引導(dǎo)式、探究式教學(xué)手段相結(jié)合，充分發(fā)揮出虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)直觀生動(dòng)、互動(dòng)性強(qiáng)、允許試錯(cuò)的優(yōu)勢(shì)。

（3）充分發(fā)揚(yáng)改革創(chuàng)新的精神，改造傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容和模式，面向光纖傳感輸油管道監(jiān)測(cè)的相關(guān)案例提供可視化、全面性、交互性、高還原度的情景模擬。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：

1.應(yīng)達(dá)到的知識(shí)水平

（1）熟悉相關(guān)光電器件工作原理、功能和使用方法。

（2）掌握不同分布式光纖傳感系統(tǒng)的原理；

（3）掌握分布式光纖傳感系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的相互影響、相互制約關(guān)系；

（4）掌握分布式光纖傳感系統(tǒng)在輸油管道監(jiān)測(cè)應(yīng)用中所需的關(guān)鍵功能特征；

（5）掌握基于分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)輸油管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)架構(gòu)和信號(hào)分析方法。

2.應(yīng)達(dá)到的能力水平

（1）能夠自主構(gòu)建常規(guī)分布式光纖傳感系統(tǒng)；

（2）能夠針對(duì)輸油管道監(jiān)測(cè)的場景，構(gòu)建基于分布式光纖傳感技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

（3）具備理論聯(lián)系實(shí)際的能力，能夠針對(duì)其他大型基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)應(yīng)用，提出基本的監(jiān)測(cè)方案。

實(shí)驗(yàn)要求：

（1）專業(yè)與年級(jí)要求

專業(yè)要求：本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目面向光電信息科學(xué)與工程、通信工程、電子信息工程等電子信息類（信息與通信）大類專業(yè)方向的本科生。

年級(jí)要求：大三或大四

（2）基本知識(shí)和能力要求

要求了解光電子技術(shù)、光纖技術(shù)、光纖傳感原理與技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理等課程內(nèi)容。具有自學(xué)能力和一定的動(dòng)手能力，具有一定的科學(xué)計(jì)算軟件使用能力。