作为光纤传感领域中最重要的研究方向之一,分布式光纤传感技术可以提供长距离(数十到上百公里)和高空间分辨率(米或亚米量级)的参数测量,具有巨大的应用价值。然而,传统的单模光纤受限于其几何结构和导光特性,一般只能提供一个空间通道的传输,不便于多种传感技术的复用,使得传统的基于单模光纤的分布式传感器一般一次只能做到对单个物理量的监测,而无法实现多参量、多维度的同时监测。此外,传统的基于单模光纤的布里渊分布式光纤传感器普遍存在着温度、应力交叉敏感的问题,因此寻找有效可靠的可区分测量方案具有切实意义。近年来随着光纤空分复用关键器件的快速发展和逐步成熟,空分复用技术已成为通信扩容的新突破口,另一方面我们认为空分复用技术也将能为分布式光纤传感带来新的实施方式、新的解决方案和新的应用领域。本论文从这一思路出发,系统地探索了基于多芯光纤、少模光纤的空分复用分布式光纤传感技术机理与应用研究,包括空分复用的布里渊光时域反射仪/分析仪(BOTDR/A)、拉曼光时域反射仪(ROTDR)和基于扫频相关峰检测的相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)等,取得了较大进展,包括:实现了基于多芯光纤布里渊检测的长距离、分布式三维形状传感,提出了两种有效解决布里渊分布式传感器中普遍存在的温度、应力交叉敏感的方法,还初步实现了基于扫频相关峰检测的Φ-OTDR技术并用于高灵敏度的温度测量和弯曲测量。主要研究工作总结如下:(1)研究了多芯光纤中布里渊散射的特征,并在国际上首次报道了偏心纤芯中的布里渊频移对弯曲敏感的特征。实验发现在偏心纤芯中布里渊频移对弯曲敏感,针对这一现象作者经过仔细分析给出了详细的数值模型,经过标定验证了布里渊频移与光纤弯曲的曲率大小呈线性关系。在此基础上,给出了基于布里渊应力测量实现的分布式弯曲角和曲率大小求解的理论模型和数值计算方法,通过实验进行了验证,同时对测量结果进行了详细地误差计算分析。进一步地,借助于弗莱纳公式(Frenet-Serret formulas),最终实现了对传感光纤三维形状的重构。(2)提出并实现了基于异质多芯光纤空分复用的布里渊光时域分析仪。研究了异质多芯光纤中布里渊散射的特征,发现不同预制棒制成的纤芯的布里渊频移稍有不同,他们的温度灵敏度也不相同,但应力灵敏度却基本一致。基于此,本论文提出利用不同纤芯所具有的不同灵敏度,通过求解系数矩阵来实现温度、应力的可区分测量。为了解决偏心纤芯中的布里渊频移对弯曲敏感的问题,提出先将两个对称外层纤芯的布里渊频移求平均,再用平均后的频移信息与中间芯联立求解。该方案实现了基于异质多芯光纤弯曲不敏感的温度、应力可区分测量。(3)提出基于多芯光纤空分复用的混合拉曼、布里渊光时域反射仪(ROTDR、BOTDR)。为了解决基于单模光纤的拉曼、布里渊混合系统中需要分时分别对拉曼和布里渊信号进行测量所造成的不便,提出了基于多芯光纤空分复用的拉曼、布里渊混合系统,两者共用相同的脉冲产生装置,但在不同的纤芯中分别实施,因而可以实现对输入泵浦光功率的有效管理,对于ROTDR这一路要保证有足够且适度高的泵浦光输入用以测量自发拉曼散射信号,而对于BOTDR这一路则可利用衰减器控制输入泵浦功率以避免链路中非线性效应(如受激布里渊散射)的产生,通过空间换取时间,实现了 ROTDR和BOTDR的同时测量。所提出的空分复用混合系统为实现温度、应力可区分测量提供了一种有竞争力的备选方案。(4)提出基于少模光纤空分复用的相位敏感光时域反射仪((Φ-OTDR)。利用基于扫频相关峰检测的Φ-OTDR实现了超高灵敏度的分布式温度传感,初步验证了利用少模光纤进行高精度分布式弯曲测量的可行性。通过对比实验发现基模对弯曲不敏感而高阶模对弯曲敏感,而两者受到相同的温度和纵向应力作用,因此可以用基模对高阶模进行温度和纵向应力作用的补偿,从而实现温度和纵向应力不敏感的高灵敏弯曲测量。该技术提供了一种强有力的长距离分布式弯曲测量方案。可以看到,空分复用的物理传输链路为分布式光纤传感器带来了全新的实施方式,实现了全新的应用,并为传统的单模光纤系统中普遍存在的交叉敏感问题提供了良好的解决方案,也将能让多种传感技术的复用及多参量同时测量成为可能。