基于背向瑞利散射和啁啾探测脉冲的分布式光纤传感器,能够利用单个探测脉冲获取待测光纤的瑞利散射频谱,突破测量精度与空间分辨率之间的矛盾,实现动态应变信号的测量。瑞利散射频移的检测是应变传感的关键,为此,提出了一种基于频率轴方向的瑞利频移检测方案,与之前距离轴方向的瑞利频移检测方案相比,该方案利用了更多的瑞利频谱特征信息,进一步提高了应变信号测量的信噪比。在验证实验中,该方案成功还原出在10 km待测光纤末端上施加的幅度为100 nε的正弦振动波形,系统的空间分辨率为1 m,应变分辨率为157 pε/ Hz,在不需任何平均处理下,信噪比达到32.5 dB。

瑞利布里渊光时域分析系统具有单光源、单端工作、非破坏的优点, 为了解决系统信噪比与空间分辨率之间的矛盾, 将编码技术应用到瑞利布里渊光时域分析系统中, 可以在保持空间分辨率不变的前提下提高系统信噪比。提出了基于雪崩光电二极管检测和Simplex编码的瑞利布里渊光时域分析系统, 系统中的随机散粒噪声功率和信号功率有关, 而热噪声功率主要取决于雪崩光电二极管光电检测器的性能、与信号功率无关。由系统中与两种噪声相关的电流波动的方差和Simplex码的编解码规则可得编码系统的均方误差, 由此推导了系统信噪比和编码增益公式。随着编码长度的增加, 编码增益会逐渐增大并在某一编码长度后趋于稳定, 因此系统存在最佳编码长度, 最终推导了最佳编码长度公式, 并对信噪比和最佳编码长度进行了MATLAB仿真。仿真结果表明, 在基于Simplex码的瑞利布里渊光时域分析系统中, 当脉冲基底1阶边带产生的瑞利散射光功率为0.5 mW时, 随编码长度的增加, 编码增益逐渐增大并趋于稳定值6.69 dB, 系统的最佳编码长度为63 bit。

简要介绍了窄线宽激光器技术的现状。针对国内市场对进口窄线宽光纤激光器的依赖，研制了具有自主知识产权的分布反馈光纤激光器样机，突破了有源相移光纤光栅制作技术、隔声隔振封装和有效的功率放大等技术问题，样机功率达到35 mW，线宽小于3 kHz，相对强度噪声低于-115 dB/Hz，主要技术指标已基本接近NKT和NP等先进的国外产品。将样机应用于分布式光纤振动传感系统中，良好地实现了施加信号的解调，信噪比和稳定性完全满足应用要求，并且系统成本远低于进口产品。

针对基于相敏型光时域反射计(OTDR)的振动传感系统所使用的平均算法、差分算法不能有效实现对扰动的识别定位问题，提出了一种结合小波分析理论和信息熵理论的处理算法，以实现系统对外界扰动的准确评价。在深入分析系统所得信号特征及小波信息熵处理方法特点的基础上，探讨了窗长、步长对评价算法的影响，并使用加权算法对该评价算法进一步优化。实验表明，本方法可以区别噪声信号和扰动信号，实现对外界扰动事件的快速准确识别并精确定位扰动发生的位置，对系统的实际应用有重要意义。

提出了一种基于双光束干涉的分布式光纤振动传感器，利用双路瑞利散射信号的干涉效应探测振动信号并利用传统的光时域反射计定位原理进行定位。基于该原理提出一种新的信号处理方案，在传统移动平均算法的基础上引入间隔参数并对信号进行标准化处理，不仅可以降低系统运算量，而且能去除因干涉灵敏度升高造成的本底噪声影响，提高振动信号的信噪比。实验结果表明，该系统可以有效探测到外界扰动信号并进行精确定位,而且探测灵敏度较高。当传感光纤长度为5 km时，系统空间分辨率可以达到20 m，信噪比约为8.5 dB。该系统可以用于管道安全预警和周界安防以及结构健康监测等领域。

基于布里渊相干域分析(BOCDA)原理，采用布里渊增益和损耗级联的方案优化BOCDA系统，在理论分析和实验验证基础上进行样机研制和功能验证。受激布里渊散射过程中的布里渊增益和损耗效应具有相同的布里渊增益谱特性，它们的级联不仅能提高布里渊净增益、系统信噪比和高精度，同时还可降低系统复杂度和系统成本。使用双平行调制器、两级光放大器、扰偏器、模电优化设计和数据采集处理等单元，研制了一套原理样机。实现了测量空间分辨率达1.6 cm、测量精度达10 με(或0.5 ℃)的分布式光纤传感样机。

研究和讨论了分布式光纤传感器系统的测温方法和原理, 介绍了国内外的研究概况、存在的问题和当前的研究趋势, 探索了新一代光纤非线性效应的光纤传感机理。提出了光纤非线性散射效应的融合原理, 研究和设计了一系列基于光纤拉曼与布里渊散射的分布式光纤传感器, 采用光纤色散与损耗光谱的自校正方法提高了系统的可靠性、空间分辨率和测温精度; 采用脉冲编码调制光源, 提高了系统的信噪比和测温精度。

提出了采用双边缘技术测量光纤传感中的布里渊频移。利用边上信号对频率变化敏感的特点,提出了边缘检测技术,并通过设置最佳的工作点,使系统工作在最敏感的点上。理论分析表明,为实现0.5 MHz的布里渊频移测量精度,通过测量最大信号的常规检测所需的信噪比为65.1127 dB,单边缘检测所需的信噪比为37 dB,双边缘检测所需的信噪比为31 dB。所以,在相同信噪比下,与常规检测技术相比,边缘检测技术可以大大提高布里渊频移测量精度。

分布式光纤传感器能够测量沿光纤长度上连续分布的外界量。用保偏光纤作为传感光纤的分布式光纤传感器,被测外界量引起保偏光纤中传播的两正交偏振模的相互耦合。用迈克尔逊干涉仪两臂光程差来补偿两个偏振模的光程差的方法探测传感信号。为了设计白光干涉偏振模耦合分布式传感器,根据统计光学原理分析了传感器的互相干特性。在此基础上分析了传感器的空间分辨力、光纤耦合点分辨力、最大传感光纤长度。波长1310 nm、谱宽36 nm的超辐射发光二极管(SLD)作光源,用色散参量为600 ps/km,拍长3 mm的保偏光纤的分布传感器空间分辨力和光纤耦合点分辨力分别为6 cm和3 mm。