基于单级虚像相位阵列（VIPA）的布里渊散射光谱信号检测技术具有结构简单、光通量高的特点，在透明生物组织弹性快速检测方面具有优势。眼角膜和晶状体是典型的透明组织，但由于单级VIPA光谱仪中布里渊信号易被弹性散射淹没，限制了其信噪比和分辨率的提高，成为临床进一步应用的技术瓶颈。针对这一问题，从理论和实验两方面探究了提升单级VIPA布里渊光谱检测系统性能的方法。利用VIPA的傍轴近似色散模型，理论分析了柱面透镜前准直光束的半径、柱透镜焦距、球面透镜焦距和VIPA倾斜角度对单级VIPA光谱仪色散率的影响。研究结果表明，影响色散率的主要因素是球面透镜焦距、VIPA倾斜角度和探测器分辨率。在实际测试系统中，对一种变焦镜头与高分辨CMOS相机结合的信号接收装置进行有效的参数设计与系统匹配，实现了色速率与散射信号强度的平衡，优化了光谱仪系统各项参数，提升了该检测系统的性能。应用该单级VIPA光谱仪，实现了猪眼角膜和晶状体二维频移成像。该研究结果对于单级VIPA光谱仪在临床诊疗领域的应用具有重要意义。

布里渊光纤传感系统由于其分布式监测的工作原理，会产生大量的数据。然而，相比于硬件技术的突破，海量数据处理技术的发展尤为不足。如何智能化、快速化、精确化处理海量数据从而更进一步提升系统性能、获取更为准确的传感信息是当今发展面临的最大难题。因此，研发先进的数字信号处理（DSP）技术用于处理海量数据刻不容缓。回顾近几年国内外用于传感系统数据处理的DSP技术，重点介绍图像视频降噪技术和机器学习信息提取识别技术在分布式光纤传感中的应用，进而为未来基于DSP技术的布里渊光纤传感研究提供参考。

布里渊光时域分析仪（BOTDA）因其长距离分布式传感的优势而得到学术界和产业界的广泛研究与应用，光脉冲编码技术可以在不牺牲空间分辨率和测量时间的前提下辅助BOTDA进一步实现可观的信噪比提升，被认为是最高效（高信噪比提升和低硬件成本）的性能提升方法之一，具有显著的优势和应用前景。本文围绕基于光脉冲编码技术的BOTDA，介绍了用于分布式光纤传感领域的几种主流的光脉冲编码技术的原理，综述了近些年基于光脉冲编码的BOTDA传感系统的研究进展。

相对于常见的多波长激光器，正交偏振多波长激光器可输出相邻波长偏振正交的多波长激光，可有效消除密集波分复用（DWDM）系统中相邻波长信道的干扰，在光纤传感、光纤通信和光谱检测领域中具有广泛应用。基于保偏光纤（PMF）中的受激布里渊散射（SBS）的轴向偏振牵引效应，设计并实现了具有单倍和2倍布里渊频移（BFS）间隔的偏振正交分插复用多波长布里渊随机光纤激光器（OPI-MWBRFL）。首先，采用3 km长PMF布里渊随机激光腔，实现了7个波长的单BFS间隔正交多波长激光输出，相邻波长偏振消光比不低于33 dB。其次，通过级联21 km长距离单模光纤（SMF）布里渊随机激光腔和3 km长PMF随机腔，实现了具有2倍BFS间隔的正交多波长（4个波长）激光输出，相邻波长偏振消光比可达34 dB。所实现的偏振正交方案由PMF中的SBS轴向偏振牵引的物理机理决定，因此不仅可以实现优良的波长间偏振正交，而且对系统的偏振准直要求低，具有良好的工作稳定性。系统监测实验验证了OPI-MWBRFL系统的良好稳定性。

多模光纤中存在的多个自由度为大容量通信和多参量传感提供了可能, 然而多模光纤中存在的高阶模不仅不稳定、 易耦合和易辐射损耗, 而且导致了布里渊增益谱畸变、 谱宽展宽和布里渊增益峰值降低, 严重劣化了系统的测量精度与传感可靠度。 因此, 研究多模光纤布里渊增益谱的特性和整形优化尤为重要。 首先对多模光纤的布里渊频移和布里渊增益谱特性进行了理论研究, 并与少模光纤、 单模光纤进行对比。 结果表明： 多模光纤的布里渊频移与模式折射率及布里渊散射角有关, 当布里渊散射角不变时, 布里渊频移与模式群编号呈负相关; 当模式群编号不变时, 布里渊频移与布里渊散射角呈正相关。 相比单模光纤, 少模光纤与多模光纤由于受到高阶模的影响, 布里渊增益峰值和布里渊频移较低, 布里渊增益谱较宽。 多模光纤中的高阶模最多, 对应的布里渊增益峰值和布里渊频移最低, 布里渊增益谱最宽。 此外, 分析并设计了两种基于单模光纤的多模光纤布里渊增益谱整形优化方法。 搭建移频本地外差布里渊光时域反射系统, 通过测量比较两种整形优化系统的布里渊增益谱宽及抗弯曲性能, 以评估整形优化程度。 实验结果表明： 提出的两种整形优化方法不同程度地减小了多模光纤的布里渊增益谱宽, 获取的布里渊增益谱有着良好的Lorenz拟合度, 分别为0.974 47和0.987 89。 利用单模环形器结合单模光纤对准熔接多模光纤的方法有更好的整形优化效果和抗弯曲性能, 最小弯曲半径和布里渊增益谱宽分别为2.25 mm和53.12 MHz。

针对脉冲光布里渊散射谱在用传统的洛伦兹曲线拟合时存在较大拟合误差的问题，通过理论分析推导出了脉冲光的光纤布里渊散射谱函数表达式。采用布里渊光时域反射（BOTDR）系统对一段3000 m长光纤的布里渊散射谱进行测量，对测得的不同脉冲宽度下的光纤布里渊散射谱分别采用洛伦兹函数和本文推导的函数进行拟合。结果表明：随着入射脉冲光的脉冲宽度变窄，采用推导的光纤布里渊散射谱函数能够有效提高BOTDR系统布里渊散射谱的拟合精度。