实验项目名称：分布式光纤传感器在大型工程设施中的健康监测虚拟仿真系统
网址：http://vsp.cqooc.com/detail?classId=1435e3433ea4dd051999e4d84c5b1c12
实验功能：实验选用重庆市核心区域——渝中半岛作为实验的整体场景，主体受监测建筑物为千厮门嘉陵江大桥，学生可在三维场景中自由漫游，同时学习实验背景、实验原理以及实验技术等内容，通过三维旋转认知实验各主要实验设备结构，学习设备参数及使用方式，包含分布式光纤传感监测仪、光纤、连接设备以及显示设备等，让学生亲历大型工程监测实践过程，实现“以虚代实”，将先进实验技术及时引入本科生实验教学，提高将专业理论知识应用于实践的能力。实验以光纤传感领域头部厂商的光纤传感监测设备作为模型构建基础，利用实际监测的数据作为依托，将真实的、准确的数据模型嵌入到虚拟仿真实验内，还原了现场勘查过程、光纤铺设过程、传感测试过程、数据采集过程、故障演练过程以及完整的数据分析过程，提供了随时、随地进行专业实践的机会，同时学生也体会如何根据实验内容和理论知识进行科学研究的方法。
具体实验流程：
实验准备：登陆实验平台，获取实验要求。
输入网址，登录管理系统找到入口进入实验界面，进行加载，然后开始实验。
图1 获取实验任务
了解实验要求之后，准备开始实验，点击“开始实验”按钮正式进入“分布式光纤传感器在大型工程设施中的健康监测虚拟仿真系统”。
图2 实验首页
项目分为学习模式和考核模式，完成学习模式的学习任务后方可进入考核模式。
图3 模式选择
实验系统会提示实验步骤，相应步骤需要操作的实验对象会高亮显示。根据实验提示，学生操作鼠标点击高亮仪器后系统模拟实验操作过程，操作实验对象。修改实验设备的参数并进行实际的运行解算。
学习实验操作方式，分别通过电脑键盘上的W、A、S、D控制视角的前、后、左、右移动，长按鼠标右键拖动旋转视角，单击鼠标左键实现实验基本操作，实验功能性操作如下：
图4 系统设置与操作帮助界面
步骤1：整体实验背景及实验简介掌握。
点击系统简介对系统整体介绍进行认知，了解实验背景、理清知识体系并初步掌握系统整体功能等内容。
通过切换按钮进入实验目的学习环节，了解本实验需要掌握的知识内容和技能素养等，学生需要掌握的实验目的如下：
（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）能够自主构建常规分布式光纤传感系统；
（5）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。
（6）具备理论联系实际的能力，能够针对多种大型基础设施监测应用，提出基本的监测方案。
图5 实验背景及实验简介
步骤2：实验传感技术手段掌握。
点击知识学习按钮对系统涉及的原理知识进行学习，通过原理知识的学习，掌握需要设计的分布式光纤传感器相关系统结构，进而通过设计实验实现系统相应的实验功能，用户可通过“已阅读”按钮切换不同的学习内容。
图6 实验技术
步骤3：实验基础模块设备搭建。
学习完传感技术手段等知识后，来到虚拟实验室完成基础设备搭建环节，在右侧器材库长按选中设备，需要搭建的设备为激光器、调制器、调制器电源、放大器、环形器、滤波器以及光谱仪等。
图7 设备搭建
步骤4：实验基础设备线路连接。
搭建完毕各个实验模块后，依次对相应设备进行连接，点击各个设备接口完成模块之间的光纤数据传输。
图8 线路连接
步骤5：实验基础设备参数设置。
线路连接完毕后，需要对参数进行调制，然后依次打开各个设备的开关，激光器需要调制的参数为P：10，λ：1550nm-1550nm。
图9 参数设置
步骤5：瑞利散射实验原理学习。
学习完毕后，进入实验选择环节，虚拟仿真实验平台分为三个环节，分别为“瑞利散射”和“拉曼散射”以及“布里渊散射”三个环节，用户可选任意环节进行实验以获得不同学习内容。
图10 实验选择
学习瑞利散射实验涉及的原理知识，掌握瑞利散射传感机制，用户可通过“上一页”、“下一页”按钮切换不同的学习内容。
图11 瑞利散射原理
步骤6：实验设备认知学习。
点击设备认知按钮进入设备认知环节，在该环节中，学生需对系统涉及到的各部分组成模块进行认知性学习，可通过鼠标右键长按旋转各个设备模型，进而掌握较为全面的设备信息。
图12 设备认知
步骤7：实验设备搭建。
用户开始组装实验设备，实验设备包含分布式光纤传感监测仪、PC等，三维人物模拟移动过程，此时视角由第三人称视角转为第一人称视角进行观察，用户需使用鼠标长按设备库内实验设备，将其拖动到高亮区域依次完成搭建操作。
图13 设备搭建
步骤8：实验设备数据连接。
连接设备间线路，首先需要连接分布式光纤传感监测仪电源线，将电源线插在设备左侧空地上，然后从左侧器材库内选择数据连接线，连接PC和分布式光纤传感监测仪数据接口，确保数据能够正常显示。
图14 线路连接
步骤9：传感光纤铺设。
学生自行铺设光纤，比如监测桥梁主体健康状况，学生把光纤按一定方式铺设在桥梁的主体结构上。
图15 光纤铺设
步骤10：发射激光脉冲，获取背向散射回信号的功率强弱，频率大小等参量。
从激光器发射激光脉冲，脉冲在光纤中传输，由于散射可以在接收端得到背向散射信号，利用检测器可以得到背向散射回信号的功率强弱，频率大小等参量。
图16 获取数据
步骤11：背向散射回信号的功率强弱，频率大小等参量查看及分析。
功率强弱，频率大小等参量分析。
图17 数据分析
步骤12：光纤链路上设置多种故障，监测接收信号的强度或频率。
故障类型设定：在实际工程技术中，由于路基塌陷、扭曲或铁轨裂缝等故障都会带来安全隐患，在具体仿真实验中根据需要假定合适的故障进行实验，再监测接收信号的强度或频率，这些会发生变化，根据光来回的时间，可以判断故障点的位置。
图18 设置故障
步骤13：更改故障类型和故障点，得到多组数据，分析实验结果。
更换故障类型：实验中，可以更换故障类型，进行不同需求，不同场景的应用仿真，达到灵活使用传感进行工程技术健康监测的目的，学生分析实验结果，总结实验经验，然后对仿真过程中的各项数据进行记录，并重点观测由于故障所导致的参数数量变更。
图19 综合分析
步骤14：拉曼散射实验原理学习。
完成“瑞丽散射”实验后，学生选择“拉曼散射”实验环节，开展实验内容。
图20 实验选择
学习拉曼散射实验涉及的原理知识，掌握拉曼散射传感机制。
图21 拉曼散射原理
步骤15：获取拉曼散射实验背向散射回信号的功率强弱，频率大小等参量。
拉曼散射实验操作方式和瑞利散射实验大体相同，用户开始组装分布式光纤传感监测仪、PC等，使用鼠标长按设备库内实验设备，将其拖动到高亮区域依次完成搭建操作。
图22 设备搭建
从激光器发射激光脉冲，获取测量数据等内容，同时学生需要多次更改故障类型和故障点，得到多组数据，学生分析实验结果，总结实验经验。
图23 设置故障
步骤16：更改拉曼散射故障类型和故障点，得到多组数据，分析实验结果。
更换故障类型：实验中，可以更换故障类型，进行不同需求，不同场景的应用仿真，达到灵活使用传感进行工程技术健康监测的目的，学生分析实验结果，总结实验经验，然后对仿真过程中的各项数据进行记录，并重点观测由于故障所导致的参数数量变更。
图24 数据分析
步骤17：布里渊散射实验原理学习。
完成“拉曼散射”实验后，学生选择“布里渊散射”实验环节，开展实验内容。
图25 实验选择
学习布里渊散射实验涉及的原理知识，掌握布里渊散射传感机制。
图26 布里渊散射原理
布里渊散射实验操作方式拉曼散射实验大体相同，用户开始组装分布式光纤传感监测仪、PC等，使用鼠标长按设备库内实验设备，将其拖动到高亮区域依次完成搭建操作。
图27 设备选型
步骤18：获取布里渊散射实验背向散射回信号的功率强弱，频率大小等参量。
从激光器发射激光脉冲，获取测量数据等内容，同时学生需要多次更改故障类型和故障点，得到多组数据，学生分析实验结果，总结实验经验。
图28 数据整合
步骤19：更改布里渊散射实验故障类型和故障点，分析实验结果。
从激光器发射激光脉冲，获取测量数据等内容，同时学生需要多次更改故障类型和故障点，得到多组数据，学生分析实验结果，总结实验经验。
图29 设置故障
分析比较数据：根据实验记录数据，分析传感在不同的应用场景所带来的安全保障，说明传感技术在现代工程技术中所扮演的重要角色。
步骤20：综合测试。
完成测试题目，检验对基础知识和实验操作的掌握情况。
图30 实验测试
步骤21：提交实验报告。
完成实验后，学生要撰写实验报告。阐述实验的完成情况，阐述自己对分布式光纤传感器相关实验内容的整体认知。包括实验目的是否达到、各环节涉及的问题分析及问题总结内容是否正确处理、布置作业的完成、实验结论以及对该实验设计的评价和建议，提交给老师评阅。
