实验简介：
本实验教学项目旨在让学生深入学习和了解分布式光纤传感技术的关键知识点，并以输油管道监测为例，引导学生掌握分布式光纤传感技术在具体应用中的思路和方法。
本实验教学项目通过虚拟仿真实验的方式，由浅入深分阶段展开分布式光纤传感教学。
准备阶段，教学课程首先介绍对分布式光纤传感技术、输油管道监测需求、机器学习技术等相关背景知识；其次，讲解光纤中的光散射、布里渊光时域反射计和相位光时域反射计等相关原理，让学生深入了解分布式光纤传感技术；最后，逐一讲解分布式光纤传感系统中关键光电器件的原理和使用规范，为学生在后续的实验课程中进行传感系统的学习打下基础。
实验原理学习阶段，学生需要根据准备阶段所学知识，自主选择关键光电器件构建分布式光纤传感系统，并设置合理的工作参数，使系统可以正确运行，并完成对自主设定的振动和温度事件的准确测量。同时，为了符合实际应用情况，通过设置不同的振动和温度事件，对光缆的敏感性做评估，并掌握不同事件发生时光纤中散射光的状态变化和与之对应的外部信号变化。
现场仿真测试阶段，对比验证不同光缆布设条件、不同分布式光纤传感原理和系统设置对输油管道泄漏事件的感测效果；学习深度学习算法在分布式光纤输油管道监测中的具体应用；掌握基于分布式光纤传感技术对输油管道监测方法。
实验背景：
分布式光纤传感技术利用光纤本身作为信号感应介质和传输介质，可同时测量光纤路径上时间和空间连续分布的信息。通过测量光纤中光波的强度、频率、相位等物理参量，分布式光纤传感技术可以对温度、振动、应变等多种状态变化进行感知。该技术具有传感距离长、抗电磁干扰、无需远程供电、体小质轻、可实现连续分布式测量等诸多优点，已成为油气管道、高速轨道交通、超/特高压输电线路、桥梁隧道等多种领域中健康监测和诊断的有效技术手段，受到了国内外广泛的关注，极具发展前景和应用价值。我国在“十三五”、“十四五”的“智能传感器”、“重大基础设施安全”、“智慧城市”、“重大科学仪器设备开发”、“地震成像”等多个重大方向均体现出对分布式光纤传感技术的高度关注。
分布式光纤传感技术主要归属于光电信息工程、电子信息等专业，同时具有明显的跨专业、跨学科特征。培养扎实掌握该技术基础知识的专业人才，符合新工科专业建设的发展方向，对于推动相关学科发展、服务国家经济建设具有重要的意义。
分布式光纤传感技术的服务应用对象体量巨大、作用关键，实际中难以直接在课堂及实验室对其进行直观有效的实验展示和讲解。因此，利用虚拟仿真实验的技术手段，通过情景体验式的教学方法，将分布式光纤传感技术的原理进行细致的讲解和对真实现场应用的高还原度演示，不仅可使学生能够深入学习和掌握分布式光纤传感技术的原理、应用技术，同时能够将立德树人、课程思政融入教学过程，使学生了解我国经济发展的伟大成效，激发学生的自豪感、使命感和爱国热情。
本课程以输油管道为监测对象进行分布式光纤传感技术的现场仿真实验。油气能源为国家的发展和建设提供了必不可少的动力和原料，是国家飞速发展的重要支撑。管道输送在油气能源的供给中居于绝对主要的地位。到2020年，我国累计建成油气管道14.4万公里。然而我国现有的油气管道距离长，铺设地点和环境十分复杂，管道会经过山川、河流、湖泊、草地、沙漠、荒野、乡村、城郊、城市等多种地形和区域。在这样复杂的环境中，油气管道经过长期运行，会受到多种多样的外界影响，如局部腐蚀、第三方施工破坏、打孔偷盗、自然灾害等，极有可能出现泄漏问题。因此对油气管道的安全状态进行监测十分重要。
由于光纤传感技术具备抗干扰性好、耐久度高、后期维护成本低、可以实现高效灵敏的分布式传感等优点，光纤传感检漏法在管道泄漏检测以及安全监测方面的应用正逐渐扩大。现阶段应用在管道安全检测方面的光纤传感技术主要包括以下几种：光纤布拉格光栅技术（FBG）、基于布里渊散射的光纤传感技术（BOTDR，BOTDA）、基于拉曼散射的光时域反射技术（ROTDR）、光时域反射技术（OTDR）和基于相位敏感的光时域反射技术（Φ-OTDR）。在本实验教学项目中主要使用的技术是BOTDR和Φ-OTDR。BOTDR是根据光纤中的背向布里渊散射光的频移实现对管道运行时的温度的测量；F-OTDR是利用光相干效应提取高灵敏度的相位变化，从而可以探测到管道沿途的极微弱光纤振动，即本教学实验项目利用BOTDR和Φ-OTDR两种技术实现对管道运行时的温度和振动两种物理量的测量。
与此同时，随着机器学习技术的发展和成熟，越来越多的管道监测研究不仅仅拘泥于光纤传感技术，而是试图将其和机器学习技术结合在一起，期望光纤传感高灵敏度的特点和机器学习高准确度的特点可以相结合，从而实现更高质量的管道安全监测。根据现阶段的研究可以发现，光纤传感技术通常与支持向量机（SVM）、各类神经网络、随机森林（Random Forest）、各种时间序列处理方法等机器学习模型相结合，在管道监测方面已经取得了一定的进展。
综合上述的光纤传感技术在管道监测方面的研究进展状况，可以看出光纤传感技术应用在不断扩大和深入的同时，与相关技术的结合变得更加密切，这意味着管道安全监测技术正得到提高和完善，并逐步迈向高效化。
设计原则：
课程设计的必要性：
（1）分布式光纤传感技术在国家经济建设和社会发展中具有重要的作用，为国内外重点关注的技术方向。
（2）分布式光纤传感技术的服务应用对象体量巨大、作用关键，受限于体积、成本、安全等因素，实际中难以直接在课堂及实验室对其进行直观有效的实验展示和讲解。
（3）分布式光纤传感技术为具有显著学科交叉特征的新工科专业，涉及的知识点多且内容交叉度高。传统课堂教学方式难以取得良好的教学效果。
（4）输油管道承担着能源供给的重任，是国家经济发展的生命线，对其安全隐患进行实时监测意义重大，关乎国家发展、人民生命财产安全与生态环境；
课程设计的先进性：
（1）课程紧密结合南京大学现代工程与应用科学学院的“光纤技术”课程和“光纤传感技术”模块化实验课程的相关内容，还依托南京大学智能光传感与调控教育部重点实验室在分布式光纤传感技术领域的先进科研成果，及在油气管道等大型结构监测上的丰富成功案例与经验。通过将领先的技术和高准确度的数据仿真模型引入本套虚拟实验系统中，能够实现产-教-研的高度融合。
（2）课程综合采用了多种先进的技术手段，高度还原并全面覆盖了分布式光纤传感技术及在输油管道监测应用场景中的整个学习流程，充分引导学生感知与领悟监测过程及其原理，全方位讲解了所涉及的知识点，并通过科学合理的学习过程设计，强化学习效果。
课程设计的合理性：
（1）始终以学生为中心，充分培养学生自主、探究式的学习能力，利用逼真的虚拟实验模型和面面俱到的解析，加深学生对光纤传感输油管道监测的理解，激发学习兴趣，同时培养学生解决复杂问题的能力；
（2）课程教学过程以学生的认知过程为指导，采取由点到面、点面结合的知识讲解方式，并将引导式、探究式教学手段相结合，充分发挥出虚拟仿真实验教学直观生动、互动性强、允许试错的优势。
（3）充分发扬改革创新的精神，改造传统教学内容和模式，面向光纤传感输油管道监测的相关案例提供可视化、全面性、交互性、高还原度的情景模拟。
实验目标：
1.应达到的知识水平
（1）熟悉相关光电器件工作原理、功能和使用方法。
（2）掌握不同分布式光纤传感系统的原理；
（3）掌握分布式光纤传感系统关键参数的相互影响、相互制约关系；
（4）掌握分布式光纤传感系统在输油管道监测应用中所需的关键功能特征；
（5）掌握基于分布式光纤传感系统对输油管道进行监测的系统架构和信号分析方法。
2.应达到的能力水平
（1）能够自主构建常规分布式光纤传感系统；
（2）能够针对输油管道监测的场景，构建基于分布式光纤传感技术的监测系统。
（3）具备理论联系实际的能力，能够针对其他大型基础设施监测应用，提出基本的监测方案。
实验要求：
（1）专业与年级要求
专业要求：本实验项目面向光电信息科学与工程、通信工程、电子信息工程等电子信息类（信息与通信）大类专业方向的本科生。
年级要求：大三或大四
（2）基本知识和能力要求
要求了解光电子技术、光纤技术、光纤传感原理与技术、数字信号处理等课程内容。具有自学能力和一定的动手能力，具有一定的科学计算软件使用能力。
