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分布式光纤温度和应变传感器具有体积小、重量轻、不受电磁干扰和能进行长距离传感等诸多优势,被广泛应用于森林防火预警,输油管线入侵预警、以及建筑健康监测等领域。相比基于瑞利散射和拉曼散射的分布式光纤传感技术,基于受激布里渊散射效应(SBS)的布里渊光时域分析(BOTDA)技术具有更长测量距离的优势,是光纤传感领域的研究热点之一。衡量BOTDA传感器性能表现的主要指标为空间分辨率、频率精度、测量距离和测量时间。本论文针对由光纤中SBS效应带来的限制BOTDA传感器性能的因素,以提升其关键性能指标为目的,对基于SBS效应的BOTDA分布式光纤温度应变传感器展开了深入研究。主要研究工作和创新成果包括如下几个方面:1)虽然目前已被广泛使用的基于双频探测光的BOTDA方案可有效克服SBS的非本地效应问题,但高探测光功率造成的布里渊增益谱/损耗谱(BGS/BLS)的严重畸变将导致布里渊频移(BFS)判断误差。针对此问题,通过深入分析BGS/BLS畸变随探测光功率的变化规律,论文提出了基于固定双频探测光的BOTDA方案,其中探测光两个频率分量在光纤各个位置产生的布里渊本征增益谱和本征损耗谱的累积效果相互抵消,从而克服了传统双频探测光BOTDA方案中的BGS/BLS畸变问题。实验结果表明,本方案可将探测光功率从-6 dBm提升至由其自身SBS效应所限制的理论功率极限(5 dBm),并可完全消除高功率情况下的BGS/BLS畸变,在不使用脉冲编码和拉曼分布式放大等提升信噪比(SNR)手段的前提下,实现了长达100 km的传感距离。2)通过对SBS三波耦合瞬态方程组的建模和求解,本论文深入分析和评估了现有预泵浦BOTDA方案(包络亮脉冲法、暗脉冲法和π相移脉冲法)中存在的二阶残影现象。研究结果表明该二阶残影现象将造成最高可达8.5 MHz的BFS判断误差。针对此问题,论文提出了改进的四分段暗脉冲方案,在传统三分段脉冲的基础上加入了幅值为抛物线分布的脉冲分段。通过对SBS瞬态方程的求解以及对迭代算法的使用,优化了光脉冲分段的关键参数。理论分析和实验结果均表明,所提方案能够获得亚米级空间分辨率,同时可正确判断出了BFS变化,克服了二阶残影效应带来的影响。另外,论文还提出了基于有限长泵浦光脉冲的单端BOTDA传感器方案,所使用的泵浦光为空间长度略大于二倍光纤长度的光脉冲,其中用于传感的脉冲部分正好等于光纤长度的二倍,剩余脉冲部分(> 30 ns即可)用于在光纤中预激发出稳态的声子。泵浦光被光纤端面反射后转化为探测光,通过对数和差分运算来获取光纤各个位置的温度或应变信息。实验中,在避免二阶残影影响的前提下,实现了 3 cm的空间分辨率。3)具有“增益型”和“损耗型”过程是SBS效应独有的双极性特点,利用此特点可以实现更高效的BOTDA传感器。例如,能在不增加额外测量时间的前提下实现亚米级空间分辨率的双频差分脉冲BOTDA方案,以及具有更高编码效率的双极性互补格雷编码BOTDA方案。论文通过分析指出基于单频探测光的上述两种方案在长距离使用场景中均存在高低频泵浦光功率失衡问题,继而导致双频差分脉冲BOTDA方案的空间分辨率的恶化,以及双极性互补格雷编码BOTDA方案的解码过程中出现BFS误差。针对此问题,本论文提出了基于三频探测光的双极性BOTDA方案。实验中,基于三频探测光的延时差分脉冲BOTDA方案在不增加额外测量时间的前提下,实现了 50 cm空间分辨率和25 km传感距离的性能指标。基于三频探测光的双极性互补格雷编码BOTDA方案实现了环路传感距离200 km、空间分辨率2 m以及BFS精度0.9 MHz的性能指标,其品质因数(FoM)达到380000,实现了 BOTDA传感器综合性能新记录。