计算机辅助教学方法在光纤实验中的应用

来源:用户上传      作者:

　　摘要 讨论采用计算机辅助设计方法进行光纤折射率分布和几何参数测量的实验教学。首先描述实验原理和组成，然后讨论实验教学的组织和实施实验，证明该系统操作便捷、重复性好、测量数据准确，可应用于学生实验教学之中。
　　关键词 教学研究；计算机辅助设计；光学实验
　　中图分类号：G642.423 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)33-0137-02
　　Application of Teaching Method based on CAD in Fiber Experiment//Nie Ju
　　Abstract This paper discusses an application of fiber calculation based-on CAD. The compounds and principal of the system are described first. Then educational processes of the system are analyzed. Application shows that the system is effective.
　　Key words education research; CAD; optical experiment
　　Author’s address East China Institute of Technology Xinzhi Branch, Chongren, Jiangxi, China 344200
　　
　　1 引言
　　目前用于通信传输的光纤，一般为石英玻璃光纤，它由纤芯和包层组成，从纤芯至包层的折射率随半径的变化分为阶跃和梯度型光纤，纤芯材料的折射率比包层的折射率高，因此它的制造工艺技术难度是很大的。如它的芯子材料要求极纯，光纤截面上的光折射率分布要求非常精确地控制，只有这样，才能使光纤衰耗到0.5 dB/km以下，使大容量、长距离的光纤通信成为可能。而几何参数除了对光纤的光传输、机械等性能有影响外，它们还对光纤的连接损耗的大小起着至关重要的作用。为此，光纤各种参数的精确测量对光纤的制造与应用都具有十分重要的意义，是光纤理论与技术教学与实验的重点和难点之一。
　　自光纤问世以来，人们先后提出很多测试光纤参数的测量方法，主要有折射近场法、传输近场法、近场图像法等。本实验采用近场图像法和计算机辅助设计进行光纤参数自动测量，具有方法简便、可重复性好、可多人共享数据源等优点。在测量中通过计算机软件获取整个光纤端面上的光强数据，同时传送给实验者，再对截面图像进行处理分析，并根据需要进行多方式直观地显示数据，达到快速准确测量光纤参数的目的。
　　2 实验系统的构成和原理
　　系统主要由4部分组成：光学系统、摄像系统、计算机采集系统和数据处理系统。
　　1）光学系统主要有光源、光注入装置、扰模器、被测光纤。光源为非相干的朗伯光源照明纤芯和包层，光源的强度应可调和稳定。用透镜组和微调架可使光能在空间和角度上均匀满注入光纤，激励光纤中的所有导模。扰模器在输入端附近移去被测光纤包层中传输的光功率。同时光纤输出端需对包层均匀照明。
　　2）前端摄像系统包括光学放大装置、摄像机和视频传输线。将清晰放大的光纤输出端的图像通过视频摄像机进行光电转换，图像的光强信息转换为模拟电信号，然后通过视频传输线送到数字化设备即采集卡中转变为数字图像。光纤固定平台完成对被测光纤的固定和微调，以便软件系统采集到准确满意的图像。
　　3）计算机采集系统。该系统对视频传输线送到的信号进行处理。采集卡是一种模数转换器，它完成采样和量化两个过程，采样速率和量化比特数可调。图像信息的处理由软件完成，软件具有预览视频图像、记录视频图像、抓拍视频图像和相应的管理等功能，同时还具有调整摄像机的对比度、亮度、饱和度、色调、光圈、焦距等功能。抓拍的图像将交由数据处理模块进行分析。
　　4）数据处理系统。在获得光纤截面图像后，借助于MATLAB编程工具和相应的算法对图像进行数据处理分析，以得出光纤的几何参数和折射率分布。
　　系统实现测量光纤相对折射率分布的原理为据。当用非相干的朗伯光源激励光纤时，若所有的导模都均匀激励，在传输过程中各模有等量的衰减，且无模耦合，则光纤出射端面上导模的功率分布与光纤的折射率分布相似，根据光纤入射端面的折射率分布与其入射光功率之间的关系，如果能测量出端面上的功率分布，那么就可得知该端面的折射率分布。这就是近场图像法测量多模光纤相对折射率分布的理论依据。同时，在得到光纤出射端面的光强度分布图后，就可以进行光纤参数的测量。但由于实际操作过程中的误差，必须对采集到的图像进行去噪声处理，以获得准确的数据。图像中的噪声种类很多，有的噪声和图像信号互相独立不相关，有些是相关的，噪声本身之间也可能相关。因此要减少图像中的噪声，必须针对具体情况采用不同的方法，否则很难获得满意的处理效果。去噪声方法有平均滤波和中值滤波等方法，将采用中值滤波算法进行去噪声处理，这是一种非线性信号处理方法。
　　3 教学实施与指导
　　根据上述原理，可进行实际的课堂实验教学或工程实际运用。1）首先截取一短段多模光纤，两端清洁、光滑，且与光纤轴垂直。按照上面光学系统部分所述，在光学平台上顺次连接好空间光路。摄像机通过视频线将视频信号传到计算机数据采集卡，运行的软件可以实时观察到摄像机采集到的图像，调整光路和摄像机的焦距、光圈等参数，直到观察到理想的图像为止，并抓拍到一帧图像。2）启动数据处理软件，对该图像进行去噪声处理，完成该过程后，根据图像光强度计算光功率和其他参数，而图像的光强度可根据RGB三色进行计算。3）得到所要测量的数据后，可对数据进行显示处理使其具有更直观的表现。
　　通过对学生的实际教学，结果表明该实验系统简单易懂，实验的准备时间短，可重复性强，测量的结果比较准确。

转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-11981782.htm