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分布式光纤传感器具有小巧、质轻、电绝缘、抗电磁干扰以及长距离传输与传感的独特优势,广泛应用于交通运输、工业矿业、国防军事、生物医疗、航空航天等领域。其中基于受激布里渊散射效应(SBS)的布里渊光时域分析(BOTDA)技术由于能实现最长上百公里传感距离,最高毫米量级空间分辨率,以及温度、应力等多参量感知,成为当前在学术以及应用领域的热点之一。然而在新的动态测量领域,传统的BOTDA技术逐点频率扫频测量的方式,从根本上限制了系统的测量效率,难以适应新的应用需求。本文着眼BOTDA系统动态响应能力不足的瓶颈,从光纤传感与光纤通信技术内在联系获得启发,结合光正交频分复用(OFDM)技术先进的信号处理手段,提出基于OFDM信道估计的BOTDA(以下称OFDM-BOTDA)系统,以期突破传统测量方案的限制,提升BOTDA系统测量效率。主要研究工作和创新成果包括如下几个方面:(1)针对传统BOTDA中从根本上限制测量效率的扫频方式,提出了直接探测OFDM-BOTDA传感技术。通过深入分析OFDM-BOTDA的数学模型,设计适合于BOTDA传感系统的OFDM探测光信号与解调算法。利用OFDM多载波特性、MHz量级的子载波控制、灵活的编解码以及先进的信号处理算法,成功实现了无需扫频的BOTDA。实验结果充分证明了该方案的可行性与可靠性,2km光纤测量时间缩减至30ms,大幅提升了BOTDA的测量效率。此外深入研究了OFDM高峰均功率值比(PAPR)对OFDM-BOTDA系统性能的不利影响,并通过分析PAPR的数学内涵,提出了直接利用恒幅零自相关序列(CAZAC)映射OFDM符号,产生PAPR低至4dB的OFDM探测光信号。(2)针对直接探测OFDM-BOTDA系统灵敏度偏低的问题,提出采用格雷脉冲编码,实现无需平均操作的OFDM-BOTDA系统从而进一步提升系统测量效率。从OFDM-BOTDA自身特点出发,指出时域解码技术不具适用性,提出了适用于OFDM-BOTDA多载波系统的频域解码技术。采用512位格雷脉冲编码,成功将10km光纤测量时间减小至2ms。分析了OFDM-BOTDA系统布里渊相位谱(BPS)与布里渊增益谱(BGS)的测量误差以及分别通过BPS与BGS曲线拟合计算布里渊频移(BFS)的误差。结果表明,当采用较小的拟合区间时,尤其对于脉冲编码系统,通过BPS拟合计算的BFS具有更小的误差。(3)针对OFDM-BOTDA系统自身频率分辨精度与空间分辨率相互制约的特点,提出结合BPS与BGS比值检测(以下称K值检测)以及OFDM多载波特性,构建多K值检测技术的高空间分辨率系统方案。深入分析了K值检测技术中脉冲宽度与系统噪声对K值有效线性区的限制,指出多K值检测技术具有更大的测量范围和更高的测量精度。深入分析研究了OFDM-BOTDA中多K值检测技术的光载波串扰以及子载波串扰问题,分别提出了增大光载波与子载波频率间隔以及子载波交叉存取的解决方案。在OFDM信号总带宽500MHz,子载波数32,脉冲宽度50ns的系统设置下,实现了80MHz单K值检测线性范围,以及基于4个子载波的多K值检测,并最终将系统空间分辨率提升至6.8m,比最初的25m空间分辨率提高了约4倍。