将扩散干涉光谱（iDWS）技术与光外差检测方法和扩散散斑衬比分析方法相结合，提出了一种扩散相干散斑成像检测方法，并搭建了实验系统。该系统能有效地提高无创检测局部脑血流量（rCBF）的信噪比和检测精度，仿体流速实验结果表明，其相对血流指数与实际流速具有较好的线性度，在源-探距离为6~12 mm范围内线性相关系数均值为0.9881±0.0005。该检测方法可以区分不同目标区域的流速变化，管径为4.8 mm时相对误差为2.04%，结合血管管径测量方法可实现流速和流量的有效监测。通过在体实验和袖带加压实验，证明系统可以检测到活体rCBF的流速信息，且在有效测量流速范围内有较好的检测准确度。

压电陶瓷已广泛应用于检测、通讯等各个领域。该文采用外差式激光干涉测量法, 开展了压电陶瓷振动特性研究。首先给出了激光外差干涉测振仪测试压电陶瓷振动特性的测量方法, 并通过实验测得了压电陶瓷片单点振动的频率响应曲线, 同时测量了径向直线上若干点的振动频响曲线, 进而进行了整个压电陶瓷圆环表面在其谐振频率点的振动测量。实验结果表明, 实测压电陶瓷片的谐振频率为30 710 Hz, 与其产品标定值30 000 Hz存在710 Hz偏差。其圆环表面振动的振型具有不对称性, 这对压电陶瓷的应用设计提供了指导意义。

相位敏感光时域反射计(φ-OTDR)可以有效地检测光纤的振动信息,但受传感光纤长度的限制,可检测的振动频率范围一般在几百赫兹到几千赫兹之间。为了提高振动检测范围,组建了基于外差相干检测的φ-OTDR系统,采用I/Q解调方法获得传感光纤散射光信号的相位信息,对此相位信息在空间域与时域上相继进行差分相位解调,从而实现对光纤中高频振动信号的分布式检测。理论上分析了高频振动检测方案的可行性,并在实验中有效解调出了频率为500 kHz的振动信号,传感距离达到了23 km。

为了满足现代水声传感对光纤水听器系统大动态范围的要求, 研究了外差检测技术, 提出了外差-反正切的解调方案。通过软件仿真模拟, 分析了一定噪声下外差检测方案中的干涉信号特征和解调结果特征, 成功解调出1 kHz的声信号。同时展示了在一定参数下采用外差检测法可以使得光纤水听器系统的解调信号频率达到7 kHz和振幅达到40 rad。最后搭建了基于外差检测技术的干涉型光纤水听器系统, 成功解调出1 kHz的待测信号, 并展示了光纤水听器系统实验的干涉信号特征和解调结果特征, 这与理论仿真具有相同的结果, 验证了外差实验的正确性和可行性。对干涉型光纤水听器的研究和应用具有参考价值。

为实现高灵敏度的外差相位检测,提出了一种基于光外差检测原理的光纤四通道双平衡外差相位检测方法。搭建光纤四通道双平衡外差检测光路,采用1/4波片作为相位检测样品,验证分析了光纤四通道双平衡外差相位检测的性能。分析了外差检测中信号调制频率对相位测量结果的影响,结果表明受限于光电接收器件的响应带宽,过高或过低的调制频率均不能有效检测到相位信息。在实验中,最优的信号调制频率范围为 500.5~1550.5 kHz,实际测得的相位均方根为89.1°,标准差为0.3°。在此基础上,分析了双平衡外差干涉中光纤分束比以及耦合透镜的有效接收口径效应对相位检测的影响。当光纤分束比接近1∶1时,得到了较高信噪比下更加精确的检测结果;通过改变耦合透镜的发射角,验证了有效接收口径对接收信号灵敏度的实际影响。

针对传统单脉冲布里渊光时域反射系统信号微弱、性能提升受限的问题, 提出了一种雪崩光电二极管(APD)检测器本地外差检测的格雷(Golay)编码布里渊光时域反射系统。分析了Golay码应用于该系统的编解码原理及系统外差检测原理, 讨论了光纤受激布里渊散射阈值对编码系统平均入纤功率的限制, 推导了系统信噪比的数学表达式, 研究系统信噪比与APD倍增因子、编码长度的关系, 分别得到了APD最佳倍增因子和系统最佳编码长度的表达式。MATLAB仿真结果表明, 选用带宽为500 MHz的APD光电检测器和峰值功率50 mW、脉冲宽度100 ns的入纤脉冲时, 系统APD倍增因子和编码长度均存在最佳值, 系统最佳编码长度的确定不仅依赖于系统的散粒噪声和热噪声功率, 还由光纤受激布里渊散射阈值共同决定。经优化计算得, 该系统的APD最佳倍增因子为5, 最佳编码长度为128位时, 在25 km光纤末端的系统信噪比比传统单脉冲系统提高了26.42 dB, 温度和应变分辨率分别达到了1.60 ℃和35.48。

针对传统的通过功率信息测量所得受激布里渊散射阈值偏高的问题, 提出了一种利用布里渊散射谱宽确定光纤受激布里渊散射阈值的新方法。分析了本地外差检测的原理及布里渊散射谱宽与入纤光功率的关系; 设计了基于本地外差检测的布里渊散射谱测量系统, 在常温下对不同长度标准单模光纤的受激布里渊散射阈值进行了测量。实验结果表明: 当光纤长度分别为48.8 km和9.5 km时, 根据功率信息获得的受激布里渊散射阈值对应的布里渊散射谱宽均接近恒定值10 MHz, 此时已发生严重的泵浦耗尽效应。利用布里渊散射谱表现出的低入纤功率时谱宽的线性下降特性和高入纤功率时谱宽的功率无关特性确定的两种光纤长度下的受激布里渊散射阈值分别为1.12 mW和3.8 mW, 对应的布里渊散射谱宽分别为24.86 MHz和23 MHz, 其值近似等于布里渊自然线宽。文中的研究结果对布里渊光时域反射系统最大入纤光功率的确定具有重要的参考价值。

相移谱的功率依赖特性对矢量布里渊光时域分析系统的优化设计具有重要意义。对增益型受激布里渊散射(SBS)相移谱进行了建模分析; 搭建了外差pump-Stokes系统, 在5 ~90 mW泵浦光功率和5 ?滋W~9 mW斯托克斯光功率范围内测量了400 m标准单模光纤的增益型SBS相移谱; 分析了Stokes光功率影响增益型SBS相移的机理。结果表明: 当固定Stokes光功率时, 增益型SBS相移范围与泵浦光功率成良好线性关系; 因泵浦耗尽作用的影响, 导致当Stokes光功率由5 ?滋W上升至8 mW时, 增益型SBS相移范围的泵浦光功率灵敏度由1.448 (°)/mW下降至1.156 (°)/mW。根据理论和实验结果, 对增益型VBOTDA系统进行了优化设计分析, 为其在长距离和高精度传感领域的发展奠定了基础。

提出了一种损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术，通过构建基于外差检测的模拟实验系统测量受激布里渊散射幅度损耗谱和相移谱，实现了50 m传感光纤的温度测量。结果表明，通过测量相移谱获得的布里渊频移与通过测量幅度损耗谱获得的布里渊频移基本一致，且均与温度呈良好的线性关系；由损耗型矢量布里渊光时域分析技术获得的布里渊频移的温度系数为1.16 MHz/℃，与传统布里渊光时域分析技术获得的1.2 MHz/℃具有良好的一致性。根据理论和实验结果，分析了损耗型矢量布里渊光时域分析光纤传感技术的优势。

建模并仿真了受激布里渊散射损耗相移谱的宽范围功率依赖特性；设计了基于外差抽运-斯托克斯技术的受激布里渊损耗相移谱测量系统，在抽运光功率5 μW~15 mW和斯托克斯光功率3.5~110 mW范围内测量了400 m标准单模光纤的受激布里渊损耗相移谱；分析了实测受激布里渊损耗相移谱产生中心不对称性的机理。结果表明，受激布里渊损耗相移范围与斯托克斯光功率呈良好线性关系，基本不受抽运光功率影响；实测受激布里渊损耗相移谱中心不对称性主要由光纤色散以及非线性折射率引起的非线性效应共同作用产生。根据理论和实验结果，分析了受激布里渊散射相移谱功率依赖性在微波光子信号处理和分布式光纤传感中的应用，为基于受激布里渊散射相移原理的应用系统设计提供理论依据。