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相位敏感光时域反射仪(υ-OTDR)具有抗电磁干扰、抗化学腐蚀、成本低廉、布设简单、可多点同时定位、定位精度高、空间分辨率高等特点,在长输油气管线安全预警、大型建筑结构健康监测、关键区域周界安防等领域具有广阔的应用前景。本文设计了一种长距离相位敏感光时域反射分布式扰动探测系统,基于远端泵浦中继放大实现75km单端无源探测。主要创新性工作包括:1.提出远端泵浦掺饵光纤(RP-EDF)无源中继放大方案,建立三阶段窄脉冲放大模型,明确了铒纤长度、泵浦功率对脉冲增益的影响。测试不同泵浦功率下瑞利散射强度和中继区域的扰动响应,验证110mW最佳泵浦功率下,末端信噪比不低于10dB,避免了传统EDFA中继方式对中继点的供电需求及采用分布式布里渊、拉曼放大时的双端协同操作问题,实现了75km单端无源监测。2.提出υ-OTDR探测信号的正交分量生成相位解调方法,实现不依赖附加光学器件、光路结构或外差探测的相位解调。利用信号处理手段从两个相邻时域扰动光强信号中恢复瑞利散射光场的相位,减小光强信号非线性畸变对探测性能的影响,保证对外界扰动探测具有较好的线性。以压电陶瓷柱体做扰动源,实现了调幅扰动(峰峰值8v,载频110Hz,调频5Hz,调制深度70%)、(峰峰值5v,载频110Hz,调频20Hz,调制深度80%)和调频扰动(峰峰值3v,调频范围50~200Hz,调频周期100ms)条件下的相位解调。3.提出基于空-频能谱的扰动事件定位方法,利用υ-OTDR探测信号在空域、频域的联合能量分布提高扰动探测的可靠性,有效克服由于温度变化、应变不稳定、激光器频率漂移等因素引起的瑞利散射曲线波动,改善系统定位性能。明确了单频扰动、宽频扰动、耦合扰动在空-频能谱中的表征,在50MS/s采样率下实现了2m空间分辨率。4.提出υ-OTDR探测信号的并行处理方案,基于CUDA平台实现探测范围内各点扰动信号的同步处理。测试了并行处理在移动平均、批量FFT变换、批量关联维数计算等典型υ-OTDR信号处理任务中的性能表现。与串行处理比较,并行处理仅产生1/16计算耗时。