光纤检测论文

光纤检测论文

摘 要 在Internet/Intranet技术迅速发展并得到广泛应用的今天，网络安全越来越受到人们的重视。本文分析了内部网络在与互联网物理隔离的情况下存在的安全威胁，初步提出了一套安全体系来保护内部网络。
关键词 内部网络；网络安全

1 引言
目前，在我国的各个行业系统中，无论是涉及科学研究的大型研究所，还是拥有自主知识产权的发展中企业，都有大量的技术和业务机密存储在计算机和网络中，如何有效地保护这些机密数据信息，已引起各单位的巨大关注！
防病毒、防黑客、数据备份是目前常用的数据保护手段，我们通常认为黑客、病毒以及各种蠕虫的攻击大都来自外部的侵袭，因此采取了一系列的防范措施，如建立两套网络，一套仅用于内部员工办公和资源共享，称之为内部网络；另一套用于连接互联网检索资料，称之为外部网络，同时使内外网物理断开；另外采用防火墙、入侵检测设备等。但是，各种计算机网络、存储数据遭受的攻击和破坏，80%是内部人员所为！ (Computer World，Jan-uary 2002)。来自内部的数据失窃和破坏，远远高于外部黑客的攻击！事实上，来自内部的攻击更易奏效！
2 内部网络更易受到攻击
为什么内部网络更容易受到攻击呢?主要原因如下：
(1)信息网络技术的应用正日益普及，应用层次正在深入，应用领域从传统的、小型业务系统逐渐向大型、关键业务系统扩展。网络已经是许多企业不可缺少的重要的组成部分，基于Web的应用在内部网正日益普及，典型的应用如财务系统、PDM系统、ERP系统、SCM系统等，这些大规模系统应用密切依赖于内部网络的畅通。
(2)在对Internet严防死守和物理隔离的措施下，对网络的破坏，大多数来自网络内部的安全空隙。另外也因为目前针对内部网络安全的重视程度不够，系统的安装有大量的漏洞没有去打上补丁。也由于内部拥有更多的应用和不同的系统平台，自然有更多的系统漏洞。
(3)黑客工具在Internet上很容易获得，这些工具对Internet及内部网络往往具有很大的危害性。这是内部人员(包括对计算机技术不熟悉的人)能够对内部网络造成巨大损害的原因之一。
(4)内部网络更脆弱。由于网络速度快，百兆甚至千兆的带宽，能让黑客工具大显身手。
(5)为了简单和易用，在内网传输的数据往往是不加密的，这为别有用心者提供了窃取机密数据的可能性。
(6)内部网络的用户往往直接面对数据库、直接对服务器进行操作，利用内网速度快的特性，对关键数据进行窃取或者破坏。
(7)众多的使用者所有不同的权限，管理更困难，系统更容易遭到口令和越权操作的攻击。服务器对使用者的管理也不是很严格，对于那些如记录键盘敲击的黑客工具比较容易得逞。
(8)涉密信息不仅仅限于服务器，同时也分布于各个工作计算机中，目前对个人硬盘上的涉密信息缺乏有效的控制和监督管理办法。
(9)由于人们对口令的不重视，弱口令很容易产生，很多人用诸如生日、姓名等作为口令，在内网中，黑客的口令破解程序更易奏效。
3 内部网络的安全现状
目前很多企事业单位都加快了企业信息化的进程，在网络平台上建立了内部网络和外部网络，并按照国家有关规定实行内部网络和外部网络的物理隔离；在应用上从传统的、小型业务系统逐渐向大型、关键业务系统扩展，典型的应用如财务系统、PDM系统甚至到计算机集成制造(CIMS)或企业资源计划(ERP)，逐步实现企业信息的高度集成，构成完善的企事业问题解决链。
在网络安全方面系统内大多企业或是根据自己对安全的认识，或是根据国家和系统内部的相关规定，购置部分网络安全产品，如防火墙、防病毒、入侵检测等产品来配置在网络上，然而这些产品主要是针对外部网络可能遭受到安全威胁而采取的措施，在内部网络上的使用虽然针对性强，但往往有很大的局限性。由于内部网络的高性能、多应用、涉密信息分散的特点，各种分立的安全产品通常只能解决安全威胁的部分问题，而没有形成多层次的、严密的、相互协同工作的安全体系。同时在安全性和费用问题上形成一个相互对立的局面，如何在其中寻找到一个平衡点，也是众多企业中普遍存在的焦点问题。
4 保护内部网络的安全
内部网络的安全威胁所造成的损失是显而易见的，如何保护内部网络，使遭受的损失减少到最低限度是目前网络安全研究人员不断探索的目标。笔者根据多年的网络系统集成经验，形成自己对网络安全的理解，阐述如下。
4.1 内部网络的安全体系
笔者认为比较完整的内部网络的安全体系包括安全产品、安全技术和策略、安全管理以及安全制度等多个方面，整个体系为分层结构，分为水平层面上的安全产品、安全技术和策略、安全管理，其在使用模式上是支配与被支配的关系。在垂直层面上为安全制度，从上至下地规定各个水平层面上的安全行为。
4.2 安全产品
安全产品是各种安全策略和安全制度的执行载体。虽然有了安全制度，但在心理上既不能把制度理想化，也不能把人理想化，因此还必须有好的安全工具把安全管理的措施具体化。 目前市场上的网络安全产品林林总总，功能也千差万别，通常一个厂家的产品只在某个方面占据领先的地位，各个厂家的安全产品在遵守安全标准的同时，会利用厂家联盟内部的协议提供附加的功能。这些附加功能的实现是建立在全面使用同一厂家联盟的产品基础之上的。那么在选择产品的时候会面临这样一个问题，即是选择所需要的每个方面的顶尖产品呢，还是同一厂家联盟的产品?笔者认为选择每个方面的顶尖产品在价格上会居高不下，而且在性能上并不能达到l+1等于2甚至大于2的效果。这是因为这些产品不存在内部之间的协同工作，不能形成联动的、动态的安全保护层，一方面使得这些网络安全产品本身所具有的强大功效远没有得到充分的发挥，另一方面，这些安全产品在技术实现上，有许多重复工作，这也影响了应用的效率。因此网络安全产品的选择应该是建立在相关安全产品能够相互通信并协同工作的基础上，即实现防火墙、IDS、病毒防护系统、信息审计系统等的互通与联动，以实现最大程度和最快效果的安全保证。目前在国内外都存在这样的网络安全联盟实现产品之间的互联互动，达到动态反应的安全效果。
4.3 网络安全技术和策略
内部网络的安全具体来说包括攻击检测、攻击防范、攻击后的恢复这三个大方向，那么安全技术和策略的实现也应从这三个方面来考虑。
积极主动的安全策略把入侵检测概念提升到了更有效、更合理的入侵者检测(甚至是内部入侵者)层面。内部安全漏洞在于人，而不是技术。因此，应重点由发现问题并填补漏洞迅速转向查出谁是破坏者、采取弥补措施并消除事件再发的可能性。如果不知道破坏者是谁，就无法解决问题。真正的安全策略的最佳工具应包括实时审查目录和服务器的功能，具体包括：不断地自动监视目录，检查用户权限和用户组帐户有无变更；警惕地监视服务器，检查有无可疑的文件活动。无论未授权用户企图访问敏感信息还是员工使用下载的工具蓄意破坏，真正的安全管理工具会通知相应管理员，并自动采取预定行动。
在积极查询的同时，也应该采用必要的攻击防范手段。网络中使用的一些应用层协议，如HTTP、Telnet，其中的用户名和密码的传递采用的是明文传递的方式，极易被窃听和获取。因此对于数据的安全保护，理想的办法是在内部网络中采用基于密码技术的数字身份认证和高强度的加密数据传输技术，同时采用安全的密钥分发技术，这样既防止用户对业务的否认和抵赖，同时又防止数据遭到窃听后被破解，保证了数据在网上传输的可靠性。攻击后恢复首先是数据的安全存储和备份，在发现遭受攻击后可以利用备份的数据快速的恢复；针对WWW服务器网页安全问题，实施对Web文件内容的实时监控，一旦发现被非法篡改，可及时报警并自动恢复，同时形成监控和恢复日志，并提供友好的用户界面以便用户查看、使用，有效地保证了Web文件的完整性和真实性。
4.4 安全管理
安全管理主要是指安全管理人员。有了好的安全工具和策略，还必须有好的安全管理人员来有效的使用工具和实现策略。经过培训的安全管理员能够随时掌握网络安全的最新动态，实时监控网络上的用户行为，保障网络设备自身和网上信息的安全，并对可能存在的网络威胁有一定的预见能力和采取相应的应对措施，同时对已经发生的网络破坏行为在最短的时间内做出响应，使企业的损失减少到最低限度。
企业领导在认识到网络安全的重要性的同时，应当投入相当的经费用于网络安全管理人员的培训，或者聘请安全服务提供商来维护内部网络的安全。
4.5 网络安全制度
网络安全的威胁来自人对网络的使用，因此好的网络安全管理首先是对人的约束，企业并不缺乏对人的管理办法，但在网络安全方面常常忽视对网络使用者的控制。要从网络安全的角度来实施对人的管理，企业的领导必须首先认识到网络安全的重要性，惟有领导重视了，员工才会普遍重视，在此基础上制定相应的政策法规，使网络安全的相关问题做到有法可依、有据可查、有功必奖、有过必惩，最大限度地提高员工的安全意识和安全技能，并在一定程度上造成对蓄意破坏分子的心理震慑。
目前许多企业已认识到网络安全的重要性，已采取了一些措施并购买了相应的设备，但在网络安全法规上还没有清醒的认识，或者是没有较为系统和完善的制度，这样在企业上下往往会造成对网络安全的忽视，给不法分子以可乘之机。国际上，以ISO17799/BSI7799为基础的信息安全管理体系已经确立，并已被广泛采用，企业可以此为标准开展安全制度的建立工作。具体应当明确企业领导、安全管理员、财物人员、采购人员、销售人员和其它办公人员等各自的安全职责。安全组织应当有企业高层挂帅，由专职的安全管理员负责安全设备的管理与维护，监督其它人员设备安全配置的执行情况。单位还应形成定期的安全评审机制。只有通过以上手段加强安全管理，才能保证由安全产品和安全技术组成的安全防护体系能够被有效地使用。
5 结论
要想保证内部网络的安全，在做好边界防护的同时，更要做好内部网络的管理。所以，目前在安全业界，安全重在管理的观念已被广泛接受。没有好的管理思想，严格的管理制度，负责的管理人员和实施到位的管理程序，就没有真正的安全。在有了“法治”的同时，还要有“人治”，即经验丰富的安全管理人员和先进的网络安全工具，有了这两方面的治理，才能得到一个真正安全的网络。
参考文献
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论文题目：常见光纤通信设备存在的故障及排除的经验 字数1万

　　我是搞光纤通信的，要说论文，现在没有一篇高质量的论文，我大体给你说说吧，可以参照这个自己写。

　　一、常见故障
　　作为光纤通信，以光纤为介质进行数据的传输，最重要的就属光缆了，光缆分很多种，有单模和多模，一般光纤通信的常见故障有

　　1、无光信号；
　　2、光衰减过大；
　　3、色散现象严重；

　　二、解决方法

　　1、无光信号，应检查光发射机的激光模块/激光器是否正常，是否有激光发出，可使用光功率计来测量；
　　2、光衰减过大，可检查发射和接受端光纤接头是否有污物，可用95%乙醇擦拭，擦拭时一定注意不要损伤接口表面，否则光功率会衰减非常大；
　　其次，检查接头是否对应，FC/UPC和FC/APC之间不能对接，因为由于接头接触面角度问题，会造成1-3dB不等的光衰减，要求发射和接受都采用相同规格型号的光纤接口；
　　最后，检查链路；可用OTDR检测光缆链路是否畅通，是否有过大反射，一般在某一点有相对大些的反射，说明该点曾被截断过，后又重新熔接，如果有比较大的反射，说明该点没有熔接到位，造成了过大衰减，可去排查；
　　光接收机接收灵敏度也决定了光功率，如果接收模块的灵敏度下降，那么也导致发射光功率不变的情况下 接受不到信号，或信号质量很弱；

　　3、色散现象；色散可导致光信号接收不到或者接收到错误的信号等等，使误码率提高，影响正常的数据通信；色散现象主要存在大功率远距离的光纤传输，建议在采用光中继的方法来实现超远距离的光通信；

　　以上是光纤通信设备常见的故障和排除方法，另外，还有一些因素也是影响光通信的原因，一下是一些经验，在排除故障时可先考虑：
　　1、单模光纤可以通过多模光纤传输，但是多模不可以通过单模传输
　　2、1310nm的光接收设备 可以接收1550nm的光信号，而1550nm的光接收设备无法接受1310nm的光信号；
　　3、在换算传输距离的时候，1310nm可用0.45dB/KM计算，1550nm可用0.25dB/KM计算，要取最大上限作为计算值，不要取下限值！

　　差不多就这些吧，其他的暂时想不起来了。多给点分吧。这问题我看了好几天了 都没人回答。

分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用

本项研究受国家杰出青年科学基金项目（40225006）和国家教育部重点项目（01086）资助。

施斌　丁勇　索文斌　高俊启

（南京大学光电传感工程监测中心，江苏南京，210093）

【摘要】分布式光纤传感技术，如布里渊散射光时域反射测量技术（简称BOTDR），是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术，应用非常广泛。本文着重介绍 BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等3个方面的应用。在工程监测过程中积累起来的大量监测数据表明，BOTDR分布式光纤传感技术，是一种全新而可靠的监测方法，它在工程实践中的应用为工程监测提供了一种新的思路，因而必将拥有一个广阔的发展前景。

【关键词】BOTDR　光纤传感　工程监测　应变

1　引言

随着人们对工程安全要求的日益提高，近年来，一批新式的传感监测技术得到发展，它们不是对传统传感监测技术简单地加以改良，而是从根本上改变了传感原理，从而提供了全新的监测方法和思路。其中，尤以 BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目，它利用普通的通讯光纤，以类似于神经系统的方式，植入建筑物体内，获得全面的应变和温度信息。该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。

南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中，取得了一批重要成果，为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。

2　BOTDR分布式光纤传感技术的原理

布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量（vB）就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。BOTDR的应变测量原理如图1所示。

为了得到光纤沿线的应变分布，BOTDR需要得到光纤沿线的布里渊散射光谱，也就是要得到光纤沿线的vB分布。BOTDR的测量原理与OTDR(Optical Time-Domain Reflectometer）技术很相似，脉冲光以一定的频率自光纤的一端入射，入射的脉冲光与光纤中的声学声子发生相互作用后产生布里渊散射，其中的背向布里渊散射光沿光纤原路返回到脉冲光的入射端，进入 BOT-DR的受光部和信号处理单元，经过一系列复杂的信号处理可以得到光纤沿线的布里渊背散光的功率分布，如图1中（b）所示。发生散射的位置至脉冲光的入射端，即至 BOTDR的距离 Z可以通过式（1）计算得到。之后按照上述的方法按一定间隔改变入射光的频率反复测量，就可以获得光纤上每个采样点的布里渊散射光的频谱图。

图1　BOTDR的应变测量原理图

如图1中（c）所示，理论上布里渊背散光谱为洛仑滋形，其峰值功率所对应的频率即是布里渊频移 vB。如果光纤受到轴向拉伸，拉伸段光纤的布里渊频移就要发生改变，通过频移的变化量与光纤的应变之间的线性关系就可以得到应变量。式中：c—真空中的光速；

地质灾害调查与监测技术方法论文集

n——光纤的折射率；

T—发出的脉冲光与接收到的散射光的时间间隔。

目前国际上最先进的BOTDR监测设备以日本 NTT公司最新研制开发的最新一代 AQ8603型BOTDR光纤应变分析仪为代表。表1为AQ8603的主要技术性能指标。

表1　AQ8603光纤应变分析仪的主要技术性能指标

3　隧道安全监测

BOTDR分布式光纤传感技术在隧道方面的应用，目前已经在国内日渐成熟。我们在几条隧道变形监测系统的建设过程中，已形成了一整套的成功经验，为该技术在岩土和地质工程安全监测中的推广提供了坚实的技术基础。

3.1　光纤铺设

为了使光纤精确地反映被测构筑物的应变状态，必须将之与构筑物紧密相连，铺设在结构物上。铺设的好坏，直接关系到监测的实际效果，因而在工程应用中，有着十分重要的意义。

根据光纤监测系统的设计原则，结合工程实际情况以及AQ8603应力分布式光纤传感器的特点，基本有以下两种铺设方法：全面接着式铺设和定点接着式铺设，如图2所示。

图2　全面接着和定点接着

3.1.1　全面接着式铺设

分别沿隧道纵深方向和横断面按全面接着方式布设传感光纤。沿纵深方向布设的传感光纤用于监测隧道纵向的整体变形情况，而沿横断面布设的光纤则是用于监测隧道横向的变形情况。

全面接着式铺设的特点是可以全程监测隧道的健康状况，监测对象为隧道整体，监测结果为隧道整体的变形情况。此种接着方式应用特定的铺设工艺，使用实验测定的效果优良的混合胶粘剂（以环氧树脂为主），将传感光纤按照设计线路粘着在混凝土的表面，并在传感光纤的末段接驳光缆，将监测信号传送至隧道监控中心。

3.1.2　定点接着式铺设

此种接着方式的特点是重点监测变形缝、应力集中区等潜在（或假定）变形处的变形情况。监测对象为变形缝等潜在（或假定）变形处，监测结果为变形缝等潜在（或假定）变形处的应力应变特征。此种接着方式的铺设方法大体等同于全面接着式铺设方式，所不同的是在设计施工面上选择一些特殊点进行粘着，即将光纤每隔1m至1.5m确定一个固定点，粘贴在混凝土墙面上，以此来检测隧道局部接缝处的变形（见图3）。在某些特点地点，根据实际情况，选择在特定的线路上在特定的位置安装接缝传感器，以监测变形缝的变形情况（见图4）。

图3　隧道接缝布线示意图

3.2　变形计算

由于引起隧道变形的原因比较复杂，有温度造成的构筑物热胀冷缩的整体变形，也有不同方向裂缝开裂和错动引起的局部变形，因此，将 BOTDR所测到的隧道的应变转换到变形，有时比较困难。因此比较可行的解决方法一是要合理地布置光纤监测网，分别监测隧道的整体应变和局部应变及其方向，结合变形特点，计算出构筑物的整体变形与局部变形；二是要采用相应的计算方法，将光纤的应变换算为隧道的变形。

图4　接缝传感器示意图

例如，对于均匀应变，可以由下式计算变形：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中：ε为应变，d为应变段长度，δ为变形。

对于不均匀变形，可以采用按一定间距定点接着的方式铺设光纤，两个粘结点间的应变近似地认为是均匀应变，按上式同样可以得到光纤沿线的不均匀变形。

如果隧道发生整体的不均匀沉降，可以按照挠度的计算方法（见式（3）近似计算它的沉降变形量：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中：ε1、ε2分别为铺设在构筑物顶部和底部的两条光纤的应变，d为两条光纤的间距。

此外，结合数值模拟技术也可以实现变形的计算。可以将光纤的应变作为数值计算的边界条件或者已知条件，通过有限元或有限差分等计算方法，得到构筑物不同部位的各种变形。

总之，从隧道的应变转换到变形的计算常常比较复杂，但是只要通过合理地布置光纤监测网，采用正确的计算方法，隧道变形的计算是可以得到满意的结果。

4　基坑变形监测

基坑变形监测是岩土工程领域的基本问题之一，基坑稳定性的重要性不言而喻。近半年来，课题组通过大量的室内外试验研究，将 BOTDR技术成功地应用到了南京市的几个深大基坑工程中，取得了一些十分有价值的成果。

众所周知，基坑变形原因复杂、类型繁多，但总体来说，主要是由基坑开挖引起的坑体水平位移问题和基底隆起问题。传统的监测方式，如土压力盒、测斜管等，由于自身传感方式的限制，往往有精度不高、抗腐蚀性差、损耗较大、浪费人力等缺点。课题组通过研究，成功地研制了一种具有专利技术的基于BOTDR技术的基坑位移监测分布式光纤传感系统（分布式光纤传感智能测斜管）。

图5　基坑位移监测分布式光纤传感系统

如图5所示，利用传统的测斜管器件与先进的BOTDR技术相结合，开发出上述传感器。应用传统的测斜管器件的目的在于：①经传统方法验证，测斜管能够较理想地反映土体变形，是一种良好的材料；②测斜管自身带有卡槽，免去了人工开槽的工作；③该材料是常用的基坑监测材料，方便易得，比较经济；④应用与传统监测方式一致的材料，方便对新、旧技术进行类比。该系统的构成，简言之是将光纤按照一定的施工工艺，用经室内外试验和工程实践验证过的特殊的胶黏着在测斜管上，构成传感系统，我们称之为分布式光纤传感智能测斜管。该传感器具有分布式光纤传感器的一切优点，并可进行准实时监测。

应用BOTDR技术的分布式光纤传感器所得到的监测结果，是沿光纤传感器的轴向物理信息（应变、温度等），因此，如何获得沿光纤传感器分布的基坑水平变形量，也就成了问题的核心。经过研究，应用计算挠度的方法来近似计算基坑的水平变形量。

由材料力学相关知识可知，沿线各点的挠度可利用下式计算。

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中：εx为所求点的光纤实测应变，其值为沿测斜管两侧的两条光纤的应变差；d为粘贴在测斜管两侧的光纤之间的距离；积分起点为深部某无应变点，v(x）为各点的挠度，可以近似地认为是基坑的水平变形量。

5　连续配筋混凝土路面检测

连续配筋混凝土路面（CRCP）是全部省略接缝的连续混凝土板，是为了减轻因接缝而引起的振动与噪音，或为改善平整度、提高行车舒适性而使用的路面。对于这种高性能的路面结构形式，其钢筋应力状态、混凝土应力状态和路面的裂缝分布是反映该路面使用性能的主要因素[8.9]。将 BOTDR这项优秀的无损检测技术应用于监测 CRCP路面钢筋、混凝土应力和路面裂缝，具有重要意义。

图6为BOTDR分布式光纤传感系统在连续配筋混凝土路面中的布置图。路面纵向钢筋共有11根。在其中9根钢筋上布设了传感光纤，温度补偿光纤4根，应变传感光纤5根，沿中心对称铺设。

图7为浇注混凝土开始5天内BOTDR检测的板表面混凝土应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向表面混凝土应变分布情况，而且可以根据最大拉应变的位置预测出路面可能产生裂缝的位置。如图中79m处最有可能出现裂缝。

图6　光纤传感系统布置

图7　板表面混凝土应变分布

图8为浇注混凝土开始5天内 BOTDR检测的钢筋应变变化。从图上可以清楚看出沿路面纵向钢筋应变分布情况。在混凝土硬化这段时间里，钢筋应变不是均匀的，通过连续监测钢筋应变，有助于预测路面的使用性能。

本实验测试结果表明，BOTDR分布式光纤传感系统能够在线对连续配筋混凝土路面板中的钢筋和混凝土应变进行有效的检测。这说明BOTDR在路面板、桥面板及其他一些类似工程中具有良好的适用性及广阔的应用前景。

6　结语

分布式光纤传感技术在我国尚处于起步阶段，虽然在隧道、基坑等部分领域取得了一定成功，但仍然有许多研究工作有待进一步开展，这包括两个方面，一是分布式光纤传感监测技术本身的进一步改良；二是要不断地解决在工程监测中的技术问题。可以相信，随着这一技术的不断研发和成熟，越来越多的大型基础工程将采用这一技术进行分布式监控和健康诊断，应用前景十分广阔，无法估量。

图8　钢筋应变分布

参考文献

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光纤通信光源技术论文(2)

　　光纤通信光源技术论文篇二
　　我国光纤通信技术综述

　　光纤通信的发展依赖于光纤通信技术的进步。近年来,光纤通信技术得到了长足的发展,新技术不断涌现,这大幅提高了通信能力,并使光纤通信的应用范围不断扩大。

　　1. 我国光纤光缆发展的现状

　　1.1普通光纤

　　普通单模光纤是最常用的一种光纤。随着光通信系统的发展,光中继距离和单一波长信道容量增大,G.652.A光纤的性能还有可能进一步优化,表现在1550rim区的低衰减系数没有得到充分的利用和光纤的最低衰减系数和零色散点不在同一区域。符合ITUTG.654规定的截止波长位移单模光纤和符合G.653规定的色散位移单模光纤实现了这样的改进。

　　1.2核心网光缆

　　我国已在干线(包括国家干线、省内干线和区内干线)上全面采用光缆,其中多模光纤已被淘汰,全部采用单模光纤,包括G.652光纤和G.655光纤。G.653光纤虽然在我国曾经采用过,但今后不会再发展。G.654光纤因其不能很大幅度地增加光纤系统容量,它在我国的陆地光缆中没有使用过。干线光缆中采用分立的光纤,不采用光纤带。干线光缆主要用于室外,在这些光缆中,曾经使用过的紧套层绞式和骨架式结构,目前已停止使用。

　　1.3接入网光缆

　　接入网中的光缆距离短,分支多,分插频繁,为了增加网的容量,通常是增加光纤芯数。特别是在市内管道中,由于管道内径有限,在增加光纤芯数的同时增加光缆的光纤集装密度、减小光缆直径和重量,是很重要的。接入网使用G.652普通单模光纤和G.652.C低水峰单模光纤。低水峰单模光纤适合于密集波分复用,目前在我国已有少量的使用。

　　1.4室内光缆

　　室内光缆往往需要同时用于话音、数据和视频信号的传输。并目还可能用于遥测与传感器。国际电工委员会(IEC)在光缆分类中所指的室内光缆,笔者认为至少应包括局内光缆和综合布线用光缆两大部分。局用光缆布放在中心局或其他电信机房内,布放紧密有序和位置相对固定。综合布线光缆布放在用户端的室内,主要由用户使用,因此对其易损性应比局用光缆有更严格的考虑。

　　1.5电力线路中的通信光缆

　　光纤是介电质,光缆也可作成全介质,完全无金属。这样的全介质光缆将是电力系统最理想的通信线路。用于电力线杆路敷设的全介质光缆有两种结构:即全介质自承式(ADSS)结构和用于架空地线上的缠绕式结构。ADSS光缆因其可以单独布放,适应范围广,在当前我国电力输电系统改造中得到了广泛的应用。国内已能生产多种ADSS光缆满足市场需要。但在产品结构和性能方面,例如大志数光缆结构、光缆蠕变和耐电弧性能等方面,还有待进一步完善。ADSS光缆在国内的近期需求量较大,是目前的一种热门产品。

　　2. 光纤通信技术的发展趋势

　　对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。

　　2.1超大容量、超长距离传输技术波分复用技术极大地提高了光纤传输系统的传输容量,在未来跨海光传输系统中有广阔的应用前景。近年来波分复用系统发展迅猛,目前1.6Tbit/的WDM系统已经大量商用,同时全光传输距离也在大幅扩展。提高传输容量的另一种途径是采用光时分复用(OTDM)技术,与WDM通过增加单根光纤中传输的信道数来提高其传输容量不同,OTDM技术是通过提高单信道速率来提高传输容量,其实现的单信道最高速率达640Gbit/s。

　　仅靠OTDM和WDM来提高光通信系统的容量毕竟有限,可以把多个OTDM信号进行波分复用,从而大幅提高传输容量。偏振复用(PDM)技术可以明显减弱相邻信道的相互作用。由于归零(RZ)编码信号在超高速通信系统中占空较小,降低了对色散管理分布的要求,且RZ编码方式对光纤的非线性和偏振模色散(PMD)的适应能力较强,因此现在的超大容量WDM/OTDM通信系统基本上都采用RZ编码传输方式。WDM/OTDM混合传输系统需要解决的关键技术基本上都包括在OTDM和WDM通信系统的关键技术中。

　　2.2光孤子通信

　　光孤子是一种特殊的ps数量级的超短光脉冲,由于它在光纤的反常色散区,群速度色散和非线性效应相互平衡,因而经过光纤长距离传输后,波形和速度都保持不变。光孤子通信就是利用光孤子作为载体实现长距离无畸变的通信,在零误码的情况下信息传递可达万里之遥。

　　光孤子技术未来的前景是:在传输速度方面采用超长距离的高速通信,时域和频域的超短脉冲控制技术以及超短脉冲的产生和应用技术使现行速率10~20Gbit/s提高到100Gbit/s以上;在增大传输距离方面采用重定时、整形、再生技术和减少ASE,光学滤波使传输距离提高到100000km以上;在高性能EDFA方面是获得低噪声高输出EDFA。当然实际的光孤子通信仍然存在许多技术难题,但目前已取得的突破性进展使人们相信,光孤子通信在超长距离、高速、大容量的全光通信中,尤其在海底光通信系统中,有着光明的发展前景。

　　2.3全光网络

　　未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。传统的光网络实现了节点间的全光化,但在网络结点处仍采用电器件,限制了目前通信网干线总容量的进一步提高,因此真正的全光网已成为一个非常重要的课题。

　　全光网络以光节点代替电节点,节点之间也是全光化,信息始终以光的形式进行传输与交换,交换机对用户信息的处理不再按比特进行,而是根据其波长来决定路由。

　　目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。

　　结语

　　光通信技术作为信息技术的重要支撑平台,在未来信息社会中将起到重要作用。虽然经历了全球光通信的"冬天"但今后光通信市场仍然将呈现上升趋势。从现代通信的发展趋势来看,光纤通信也将成为未来通信发展的主流。人们期望的真正的全光网络的时代也会在不远的将来如愿到来。

　　
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基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统研究

基金项目：国家杰出青年基金项目（40225006），国家教育部重点项目（010886），南京大学985工程项目。

索文斌　王宝军　施斌　刘杰

（南京大学地球科学系地球环境计算工程研究所，南京，210093）

【摘要】BOTDR是一种新型的分布式光纤传感监测技术，其分布式、高精度、长距离、实时性、远程控制等特点，已逐渐受到工程界的广泛关注。由于监测是分布式的，所以得到的数据与地理位置具有重要的相关性。结合工程实践中遇到的具体问题，研发了一套基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统。本文重点论述系统的设计要求，包括设计目标、技术框架和特色功能。结合某隧道 BOTDR监测工程开发的一套相应的监测数据管理系统，实现了工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化、监测信息的对比查询等功能，是一套集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。

【关键词】BOTDR　GIS　分布式光纤传感器　监测系统

1　引言

光纤传感技术以其良好的耐久性、抗腐蚀、抗电磁干扰，适合于在恶劣环境中长期工作等优点受到越来越多的工程建设者和科研人员的重视[～3]。BOTDR(Brillouin Optic Time-Domain Reflectometer）布理渊光时域反射计，作为新型的分布式传感技术，逐渐得到工程界的认可。日本、加拿大、瑞士等国已成功地将该技术应用到水坝、桩基、边坡、堤岸等工程的监测中[～3]。我国自2001年由南京大学地球环境计算工程研究所率先从日本引进该技术以来，开展了大量的室内外实验研究，并成功地完成了多个工程项目，取得了一系列重要的研究成果[4-7]。

在具体应用中，BOTDR所提供的监测结果存在诸如直观表现差、数据配准和空间定位困难、综合管理功能弱等方面的缺陷，未经过系统培训的工程技术人员，很难读懂 BOTDR的监测结果，后期成果处理也非常繁琐。本文针对大型工程分布式光纤传感监测领域存在的数据分析与管理中存在的不足，提出了一套比较切合工程实际的解决方案，并结合具体工程实例设计和开发了一套应用系统。实践表明，该系统可以很好地实现对监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示以及监测信息的对比查询等功能。

2　问题的提出

2.1 BOTDR的监测原理[1]

激光在光纤中传播时，光波与光声子相互作用即会产生布理渊散射光。当环境温度的变化量不大（T≤5°）时，布理渊光频率漂移量（vB）与光纤所受的应变量（ε）成正比，其关系式如下式所示：式中：υB（ε）表示光纤受到ε应变时的布理渊频率漂移量；υB(0）表示光纤不受应变时的布理渊频率漂移量； 为比例系数，约为0.5GHz；ε为光纤的实际应变量。

地质灾害调查与监测技术方法论文集

为了得到沿光纤分布的应变信息，只需测量沿光纤分布的布理渊频率漂移量的变化情况，沿光纤距离光源为Z长度的点可由下式求得：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中：c为光速，n为光纤折射率，T为自激光发射与接收到布理渊散射光所经历的时间。

监测原理如图1所示。

图1　BOTDR的应变监测原理图

2.2 BOTDR在结果表现上存在的问题

在实际工程应用中，根据工程实际情况的不同，可按照不同的黏着方式将传感光纤粘贴在所需监测结构（或材料）的表面，从而获得被粘贴结构（或材料的）沿光纤的径向应变分布信息。但 BOTDR所提供的监测结果存在以下几个方面的缺陷：

（1）海量数据的综合管理缺陷。BOTDR提供的监测数据是沿光纤径向的每一点的应变信息（点之间的间距和仪器的距离分解度相关），而这些点的应变信息是以数据点的形式给出的，造成原始数据繁多复杂。

（2）实际里程与监测结果的数据配准问题。分布式光纤传感器在实际铺设过程中，出于定位需要，经常预留一些冗余光纤，为了将所测得的应变量和实际的光纤里程对应起来，必须获得发生应变部位距离光纤光源的实际里程，而 BOTRD提供的监测里程是光纤的实际长度（包括冗余部分），并不是工程实际里程，也就是说监测结果与实际里程之间存在数据配准问题。

（3）监测结果的直观表现不佳。BOTDR原始监测系统并不提供阈值设定功能，即对于特定的工程而言，我们必须人为地设定阈值寻找应变异常信息。

（4）实测数据影响因子多。BDTOR监测结果是在诸如温度影响在内的多种因子的影响下测得的数据，未经处理的实测数据可信度差。

（5）缺乏面向最终用户的监测数据。BOTDR监测结果是未经配准和处理的纯文本文件，这些数据并不是面向最终用户，而是面向具有 BOTDR操作经验的科研人士，也就是说未经专业培训的工程技术人员很难读懂 BOTDR的原始成果。

3　基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统设计

3.1　系统设计目标

针对上述所存在的问题，基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统应该遵循以下的总体设计目标：

（1）完成对所监测工程的日常健康诊断，分析工程安全性。以应变分析为核心，建立工程安全评价体系，完成对影响规划、管理、决策及科学研究的数据进行储存更新、查询检索、智能评价、统计分析、类比判别和制图制表等任务，提高工程管理质量和效率。

（2）利用BOTDR提供的数据，经系统处理后再配合工程实地调查数据，完成以工程质量为目标的各项监测工作。应用横向纵向两方面类比模式监测工程安全性，即利用不同光纤反馈回来的数据，以及同一根光纤不同时间测试的数据进行类比分析，得出工程可信的结果。

3.2　系统技术框架

结合目前GIS的发展趋势，并考虑工程实际的可操作性，系统应用ESRI公司提供的MapOb-jects组件，在Visual Basic 6.0环境下开发了以组件式GIS为核心的管理系统，系统的技术框架如图2所示：

图2　系统技术框架图

从图2的技术框架图中可以直观地看出，系统设计以各种不同用户的需求作为指导，并在开发中通过信息反馈不断更新和完善系统功能及工作模式。系统以基础地理及属性数据库为基础利用GIS的开发实现空间数据的提取，结合光纤监测数据库实现监测数据的配准以及可视化表示，以不断更新和完善的管理与决策数据库实现科学决策，构建集基础功能、智能分析、决策管理于一体的多功能系统。

3.3　系统的功能与特色

基于GIS的大型工程分布式光纤传感监测系统基本实现了如图3所示功能。

从图3可以看出，该系统基本上可以解决工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示、监测结果的智能化分析，是一个以工程应用为目标，以监测结果为核心的多功能管理与智能化分析系统。

（1）图层控制：系统加载多个图层（ESRI的Shape文件、AutoCAD的DXF文件或图像文件JPG、BMP、GIF、TIF等）。在使用中用户可以通过图层控制图层是否可见、图元颜色、可视化范围、图层顺序等，以便于对特定图层进行浏览。

图3　系统的功能与特色

（2）视图控制：系统提供图像的放大、缩小，全局显示、局部显示，漫游等基本功能。

（3）动态标注：系统实现了空间任意位置的动态跟踪标注。用户点击鼠标后可随时获得鼠标所在位置的属性信息。

（4）数据维护：用户可以选择两种不同方式查询、检索、更改数据，提供完善的从图到属性和从属性到图的数据查询、检索、更改方式。

（5）绘图功能：系统提供自助的绘图方式，用户可按照自己的想法和要求新建图层或者在原图上自行绘制图形，并根据程序提供的属性表为数据添加属性。

（6）元素选取：系统能够识别图中选取的元素，通过线、矩形、区域、多边形、圆来拾取物体，并显示拾取元素的属性数据。当选中特定位置的光纤时，光纤以闪烁3次来回应用户选中的光纤。

除上述功能之外，鉴于分布式光纤监测的工程特点，本系统还具备以下几个特色功能：

（1）数据分析：系统以绘制专题应变曲线图的方式提供数据分析功能。通过 BOTDR实测数据，绘制光纤应变曲线专题图，根据不同的阈值设置不同颜色的应变曲线图。

（2）数据配准：在实测数据与工程实际里程之间，根据实际工程光纤铺设的特征数据信息（光纤定位信息），系统提供一个精确的配准模块，误差小，应用性强。

（3）图例显示：系统提供独特的图例，便于工程管理。如，实际工程若铺设5根光纤，并且光纤铺设在不同墙面，采取二维示意图显示，可以绘制不同的图例显示，用以区别不同墙面铺设的不同光纤。

（4）对比查询：系统提供了由系统操作主界面至应变曲线绘制界面的对比查询方式，用户可选则从图到曲线或从曲线到图的两种方式进行结果查询，这样，工程监测的质量和效率就大大提高了。

4　工程应用实例

4.1　工程概况

某隧道工程是一湖底隧道，全长约2.56km，其中湖底隧道长约1.66km，为双向六车道，三箱室结构形式，其中左右两个箱式为车行道，中间箱室为净宽3m的管廊与检修通道。隧道设计宽约32m，净空高度4.5m，设计车速为60km/h。

2002年7月，隧道项目指挥部经反复调研和论证后，决定采用BOTDR技术进行隧道整体变形监测。2002年11月～12月，项目组完成了传感光纤铺设，铺设情况如图4所示，并分阶段对隧道变形进行监测。2003年1月～4月，为施工监测阶段，2003年5月通车后至9月为常规监测阶段。施工监测阶段主要进行由于后期施工对隧道变形的影响以及隧道箱体接缝变形监测，监测频率为2天/次。常规监测阶段主要进行通车条件下隧道稳定性监测，监测频率3～5次/周。

图4　某隧道光纤总体平面布置图

4.2　隧道工程监测数据管理的系统实现

4.2.1　数据准备

系统的基本数据包括施工区域图、隧道信息、光纤铺设信息、光纤监测数据等四大类。这四类数据既包含了空间信息数据又包含了属性数据，是构成系统数据结构的基础，又是系统数据分析和管理的前提。

（1）施工区域图。主要提供隧道基本信息与周边环境状况，用以确定施工地理信息、施工线路等，为绘制隧道二维示意图提供标准。

（2）隧道信息。主要提供隧道纵剖面、横剖面信息。横剖面信息用于了解光纤铺设里程和方位，纵剖面信息主要用于掌握具体施工操作面，为准确绘制隧道二维示意图做数据基础。

（3）光纤铺设信息。主要提供传感光纤铺设信息。拟铺设的5条传感光纤处在隧道南洞、北洞不同的墙面上，每条光纤的实际铺设长度与工程里程必有误差，通过在铺设过程中了解光纤定位信息，为数据配准模块提供数据基础。

（4）光纤监测数据。主要指 BOTDR实测应变数据，这些实测数据通过数据配准、阈值设定等系统转换处理后，将得到精确的隧道不同位置的应变信息。

4.2.2　系统工作流程

数据管理与分析是该系统的核心组成部分，是得到精确工程监测信息的重要组成部分。数据管理与分析主要靠以下流程来实现：

步骤一：数据准备

将BOTDR实测数据以＊.txt文件存放到指定位置，以备数据处理调用。

步骤二：选择光纤

在5根铺设的光纤中，在主操作界面中点击所需监测光纤，即完成所需光纤的选择，点击所选光纤时，与之相对应的系列在后台被调入。

步骤三：选择系列

所谓系列，就是不同时间监测的不同光纤的应变信息和数据配准信息。选择系列操作包括调入监测数据，选择数据配准，设置隧道变形阈值等。

步骤四：应变分析

进行系列选择之后，选择绘制曲线，系统即在新窗口绘制出经数据配准的隧道整体应变分析图。

除上述主要数据管理与分析功能之外，系统还设置了分段管理与分析的功能，即通过对所需监测段进行设置起点、设置终点操作，进行局部数据的管理与分析。另外，系统还提供了由图到曲线（或曲线到图）的对比查询方式，选择图到曲线（或曲线到图）的菜单项之后，图和曲线完美地对应起来，并提供了阈值设定功能，做到自动预警，避免人为干扰。图5至图7显示了系统数据与管理功能的操作界面，其中，图5为数据分析界面，图6为选择系列界面，图7为隧道应变分析曲线界面。

图5　数据分析界面图

图6　选择系列界面

图7　隧道应变分析曲线界面

5　结语

综上所述，应用GIS管理分布式光纤监测工程可实现海量数据的高效管理。GIS以其独特的数据管理、查询、检索、分析模式成为工程管理的首选。它的海量数据分层管理、数据结果的可视化表现、实现双向查询、面向最终用户的特点更显示其理想的工程管理能力。具体的说，系统具有以下优点：

（1）系统改善了BOTDR原系统中海量数据的综合管理模式，结果显示更加清晰直观。

（2）系统设置了数据配准、阈值管理等模块，监测结果可直接应用，避免了人为判别的误差，提高了工作效率。

（3）系统采用可视化显示，面向最终用户，无须对具体工程监测人员进行系统培训。

（4）系统实现了工程监测数据的采集与管理、监测结果的可视化显示、监测信息的对比查询等功能，是一个集智能化分析与决策化管理为一体的多功能管理系统。

本系统以具体工程为实例，具有更加科学、高效、直观、方便等优点，并减少了BOTDR监测结果的后期人为干扰，使得测试结果更加客观、准确，有利于科学管理和提高效率。

参考文献

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