光纤传感器已经走出了实验室,在国防、交通以及医疗等领域获得广泛应用。与普通单模光纤传感器相比,保偏光纤传感器不仅具有抵御外部环境干扰并保持偏振态稳定传输的优点,而且它多了双折射、偏振主轴以及模耦合等参数,可以用于更多参数的传感。但保偏光纤用于传感器时,必然引入新的双折射,因此作为保偏光纤传感器的基本传感机理,必须考虑保偏光纤固有双折射与被测传感量引起的诱导双折射之间的双重偏振效应问题。本文引入了四元数的概念并应用于偏振光学领域,以此为工具,彻底搞清楚双重偏振效应问题,为研究保偏光纤传感器提供了基础,具有重要的理论意义。保偏光纤传感器的另一个重要问题是保偏光纤性能下降导致传感器的性能下降,其最主要的因素是偏振模耦合或偏振串音。因此,深入研究多种因素导致的偏振模耦合对保偏光纤中偏振态传输的影响机理,实现对保偏光纤的偏振模耦合系数的分布式、高精度和高空间分辨率测量,具有十分重要的学术价值和实用意义。保偏光纤传感器可分为点式、准分布式和分布式三类,保偏光纤分布式传感器同时具有分布式传感与保偏光纤传感的双重优点,测量参数会更多,而测量结果将更稳定。保偏光纤分布式传感器的主要技术方案是基于偏振的OTDR技术,对于传统的P-OTDR技术,其偏振态的检测与光源脉冲宽度密切相关,要求脉冲宽度所对应的长度必须小于光纤拍长的1/4。由于保偏光纤的拍长很短(mm量级),按照传统技术,要实现保偏光纤分布式传感的脉冲宽度应该在亚皮秒甚至飞秒量级,非常难以实现。因此,作为实际的传感器,必需突破这个约束条件。本论文提出了一种对准偏振主轴的保偏光纤分布式传感器,实现了保偏光纤传感器的分布式测量。在P-OTDR系统中,瑞利背向散射光的EDFA低噪声放大是一个关键问题,因此寻求微弱信号光的低噪声放大,对提高P-OTDR系统的测量距离和测量精度,具有非常重要的意义。本文针对以上问题开展了大量研究工作,在研究过程中取得的创新性成果如下:1.采用四元数的方法,以应力型保偏光纤为例对保偏光纤中多重偏振效应的共同作用问题进行了理论分析和推导,最后提出了“保偏光纤中由多重偏振效应引起的双折射合成满足矢量叠加原理”。2.提出了一种保偏光纤应力传感器结构。针对保偏光纤,基于弹光效应,运用等效阶跃光纤法,推导出应力大小与光纤介电常数的关系;忽略光纤的损耗,利用四元数的方法研究了 4个因素(即固有双折射、入射光的偏振态、外部应力的方向和大小)对保偏光纤传输光偏振态的影响,最终得到了应力主轴方向与外部应力方向之间的线性关系。该传感器结构经过了不同种类光纤的实验验证,得到了最大角度测量误差为2.24%的结果;填补了基于光纤实现应力方向测量的空白。另外,对不同涂覆层光纤的形变恢复特性做了实验研究,发现镀金属层光纤比一般涂覆层光纤更适用于应力快速变化的场景。3.提出了一种保偏光纤扭转传感器结构。利用四元数的方法研究了光纤扭转与偏振态演化的关系,发现其扭转主轴与光纤固有的双折射和扭转长度等因素无关,只取决于扭转的方向。实验测量了不同类型光纤的扭转系数。该传感器结构简单、成本较低,且能实现高精度的测量。4.提出了一种基于保偏光纤的分布式传感器结构。基于经典的功率模耦合理论,证明了通过瑞利背向散射光的偏振态求解其偏振消光比,然后通过偏振消光比再进一步求解得出偏振模耦合系数。在实验上实现了保偏光纤多个外应力点的分布式测量,验证了该方案的可行性和可重复性,且分布式测量的空间分辨率达到了 1米,定位精度为0.5米。与传统的非完整P-OTDR相比,本文的完整P-OTDR具有更高的测量精度和空间分辨率。5.提出了一种测量光纤敏感环模耦合的方法。利用三点四元数方法,理论上证明了通过光纤上邻近3点的3个Stokes矢量可以计算得到这段光纤之间的偏振模耦合系数。通过比较光纤环正反向和快慢轴的测量结果,以及不同长度的光纤环测试,实验上验证了该方案的可行性和可重复性,其测量空间分辨率最高达到1米。验证了该系统实现保偏光纤主轴失配连接的分布式测量和定位的可行性。该研究成果对精确测量光纤敏感环的偏振模耦合和定位耦合点提供了一种新型方案,对提高光纤陀螺的性能具有重要的参考意义。