翼光测控 · DAS-EDU

高校 DAS 分布式光纤声波传感综合教学实验套装 — 模块化、开放式平台,完整覆盖「窄线宽激光输出 → 脉冲调制 → 相干探测与拍频 → 高速采集与相位解调」全链路。

相干探测 · 相位解调 250 MSps 高速采集 双模式 · 算法开放
Overview

产品概述

「翼光测控 · DAS-EDU」是一款专为光电信息科学与工程、测控技术与仪器、地球物理勘探、通信工程等专业本科及研究生教学打造的模块化、开放式分布式光纤声波传感(DAS)综合教学实验平台。

产品基于光纤后向瑞利散射(Rayleigh Scattering)效应相干探测原理设计,利用光纤作为分布式传感载体,实时采集与解调沿线的振动 / 声波信号。系统将工业级 DAS 的核心光路与信号处理链路拆解为分立式教学模块,完整覆盖「窄线宽激光输出 → 分束与脉冲调制 → 光放大与环形器 → 相干探测与拍频 → 高速采集与相位解调」全链路。

DAS 技术具有监测距离长、响应速度快、信噪比好、灵敏度高、抗电磁干扰能力强等优势,是替代传统点式振动传感器的重要技术方向。本产品将这一前沿技术引入高校教学,为学生提供从原理认知到系统搭建的完整实训平台。

核心设计理念

不同于工业级 DAS 设备的「黑箱」式设计,本产品采用「黑箱调控 + 白箱光路 + 开放算法」三层架构,原理透明、层次清晰。

有源器件层

黑箱调控

涵盖窄线宽激光器、EDFA 光放大器、平衡光电探测器。全金属屏蔽封装,面板带调节旋钮与监测接口;学生通过调参观察系统响应。

无源光路层

白箱光路

涵盖光耦合器、光衰减器、AOM 声光调制器、光环形器、传感光纤。透明化设计,学生亲手连接光路,理解相干探测干涉光路与光信号传输路径。

算法开发层

开放算法

高速采集卡采用 FPGA+ARM 架构,支持原始数据输出与算法二次开发;学生可从原始数据到相位解调,理解 DAS 核心信号处理算法。

相干探测,教学友好

系统将探测光与本振光在探测器表面进行光学混频(拍频),通过提取拍频信号的相位变化感知外界振动。相比直接探测,相干探测灵敏度高、可提取相位信息,是当前 DAS 主流方案;模块化、可视化设计便于分步讲解与实验验证。

一机多用,跨课程支撑

一套设备覆盖多门核心课程实验教学。

《光纤传感技术》

DAS 原理、瑞利散射、相干探测、Φ-OTDR

《光电子技术》

声光调制、光放大、相干拍频

《信号与系统》

相位解调、IQ 解调、信号频谱分析

《数字信号处理》

滤波算法、FFT 分析、振动信号识别

《地球物理勘探》

分布式地震波监测、油气勘探模拟

完整信号流程

光路部分

窄线宽激光器(1550nm CW 连续光)→ 1×2 光耦合器(分束)

探测光路(90%)

→ AOM 声光调制器 → EDFA → 光环形器(1 进 2 出)→ 传感光纤 → 环形器(3 收返回光)

本振光路(10%)

→ 可调光衰减器 VOA(功率控制)
返回探测光 + 本振光 → 2×2 光耦合器(合束拍频)→ 平衡光电探测器 BPD

电路部分

BPD 输出 → 高速采集卡(250MSps 同步采样)

模式一 · 实时解调

FPGA 相位解调 → 幅度数据 + 相位数据(振动信号)

模式二 · 原始数据

输出原始 IQ 数据,供 MATLAB / Python 自行解调
→ 上位机软件(波形显示 + 频谱分析 + 事件识别 + 数据导出)

产品组成

系统组成总览

(一)光源系统窄线宽激光器模块 1 台(1550nm,线宽 ≤3kHz,全金属屏蔽封装)
(二)分束与调制系统1×2 光耦合器 1 台;可调光衰减器 VOA 1 台;声光调制器 AOM 1 台(带驱动电源)
(三)光放大与环行系统EDFA 1 台;光环形器 1 台(三端口,透明化设计)
(四)相干探测系统2×2 光耦合器 1 台;平衡光电探测器 BPD 1 台(SMA 差分输出)
(五)采集与处理系统高速采集卡 1 台(250MSps,内置相位解调,支持原始数据输出)
(六)传感系统传感光纤多盘(单模,长度可定制,FC/APC 接口)
(七)软件系统上位机软件 1 套(波形、频谱、事件标记、数据导出)

各模块教学功能详解

1. 光源与分束调制系统

(1)窄线宽激光器
  • 理解「窄线宽」对相干探测的意义——线宽越窄,相干长度越长,可探测距离越远。
  • 通过光谱仪观测输出光谱,测量线宽;调节功率观察对信噪比的影响。
(2)1×2 光耦合器
  • 理解 90:10 分束比设计——大部分光用于探测,小部分作为本振参与拍频。
  • 用光功率计测量两路输出功率,验证分束比。
(3)可调光衰减器 VOA
  • 调节本振光功率,观察拍频信号幅度变化,理解本振功率对探测灵敏度的影响。
(4)声光调制器 AOM
  • 调节脉冲宽度与重复频率,观察对空间分辨率的影响;理解移频原理与零频漂移抑制。
  • 用示波器观测调制后的光脉冲波形。

2. 光放大与环行系统

(1)EDFA 光放大器
  • 调节增益观察返回光幅度变化,理解放大对信噪比的双刃剑效应。
  • 测量噪声系数,理解光放大器工程指标。
(2)光环形器
  • 追踪光路:端口 1 进 → 端口 2 出 → 端口 3 收返回瑞利散射光。
  • 理解环形器方向性,实测插入损耗与隔离度。

3. 相干探测系统

(1)2×2 光耦合器(合束拍频)
  • 探测光与本振光光学混频,理解拍频物理本质;调节本振功率观察拍频幅度。
(2)平衡光电探测器 BPD
  • 差分输出接入示波器观测拍频时域波形;对比单端与平衡探测的共模噪声抑制效果。

4. 采集与处理系统

(1)模式一:实时解调
  • FPGA 内置相位解调,直接输出幅度与相位数据,上位机实时显示振动波形与频谱。
(2)模式二:原始数据
  • 输出原始 IQ 数据,学生用 MATLAB / Python 编写反正切解调、相位展开算法,对比内置算法结果。
  • 理解幅度反映散射光强度,相位反映光纤轴向应变(振动信号)。
(3)可调采集参数
  • 采样率、脉冲宽度与重复频率、累加平均次数——观察对带宽、分辨率、信噪比与实时性的影响。

5. 传感系统

  • 认知单模光纤模场直径、衰减系数等基本参数。
  • 不同长度光纤对比,观察信号衰减与可探测距离变化。
  • 沿线不同位置施加振动(敲击、扬声器、PZT 等),观察定位精度与响应灵敏度。

实验课程体系

L1

第一层:基础认知实验

  • 系统模块认知与光路搭建(全系统)
  • 窄线宽激光器参数测量(激光器+光谱仪)
  • 光路各节点功率 / 损耗测量(耦合器+光功率计)
L2

第二层:核心原理实验

  • AOM 脉冲调制与参数调节(AOM+示波器)
  • EDFA 放大与噪声特性(EDFA+光谱仪)
  • 相干探测与拍频信号观测(2×2 耦合器+BPD+示波器)
  • 平衡探测共模噪声抑制实验(BPD+示波器)
  • Φ-OTDR 原理与振动定位(全系统+软件)
L3

第三层:综合设计实验

  • 相位解调算法设计与验证(采集卡+MATLAB/Python)
  • 空间分辨率与传感距离测量(全系统)
  • 振动信号频谱分析与事件识别(软件+信号源)
L4

第四层:创新应用实验

  • 模拟管道泄漏 / 入侵监测(全系统)
  • 多类型振动源识别实验(全系统+多种振源)

技术参数

激光器波长1550nm
激光器线宽≤ 3kHz
传感距离标配 500m~2km(可扩展至 10km)
空间分辨率≤ 10m(标配)
采样率250MSps
数据传输速率1000Mb/s(千兆网口)
探测方式相干探测,平衡光电探测
输出数据幅度 + 相位(内置解调)/ 原始 IQ 数据(可选)
光纤接口FC/APC
工作电源AC 220V

配套教学资源

实验指导书

涵盖全部实验目的、原理、步骤、数据记录表格及思考题

教学 PPT 与视频

瑞利散射、相干探测、相位解调动画及操作演示

上位机软件

实时波形、频谱分析、事件标记、数据导出

算法源码库

MATLAB / Python 相位解调示例,支持二次开发

配件包

FC/APC 跳线、BNC 电缆、电源适配器、工具套装

产品亮点

原理透明,非「黑箱」

光耦合器、AOM、环形器等核心模块透明化,相干探测光路清晰可见。

模块化设计,灵活组合

各模块独立可拆,支持标准实验与创新性系统搭建。

相干探测,教学友好

完整呈现分束→调制→放大→环形→拍频→平衡探测全链路,分步易于理解。

双模式输出,算法开放

内置解调与原始 IQ 双模式,学生可编写算法对比验证。

一机多用,跨课程支撑

覆盖光纤传感、光电子、信号处理、地球物理勘探等多门课程。

安全可靠,适合教学

激光器 Class 1M 安全等级,EDFA 带过载保护。

工业级器件,教学级封装

核心器件与工业 DAS 同源,实验数据具有工程参考价值。

「翼光测控 · DAS-EDU」——让复杂的相干探测 DAS 技术变得可动手、可探究、可创新,是连接光纤声波传感理论与工程实践的理想教学平台。

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