光纤布里渊分布式传感技术是一种全分布式的光纤传感技术,能够实现对光纤沿线任意位置处温度和应变信息的连续测量,具有测量精度高、传感距离长和空间分辨率高等优势,在国家经济建设中有着广泛的应用。作为光纤布里渊传感领域一个新的研究方向,光纤布里渊矢量分布式传感技术,将矢量信号分析技术融入到光纤布里渊传感中,可以同时测量布里渊增益和相移,能够大大提高系统的信噪比,在长距离分布式传感和动态应变测量方面有着突出的技术优势,刚好契合光纤布里渊传感近年来的两大发展趋势,因此备受瞩目。本论文深入研究了光纤受激布里渊散射的增益和相移特性,分析了布里渊矢量分布式传感的外差探测基本原理,设计适合光纤布里渊矢量分布式传感的信号处理算法,进行了光纤布里渊特性的分布式矢量测量,开展了光纤布里渊矢量分布式传感实验,利用布里渊矢量分布式传感技术,分别进行了长距离布里渊分布式传感和动态应变测量的研究。本论文的主要研究成果和创新点归纳如下:1、在阐述受激布里渊散射的基本概念和光纤布里渊矢量分布式传感的外差探测原理及温度、应变传感机理的基础上,从非线性波动方程和声场物质方程出发,在缓变振幅近似条件下,详细推导了光纤中受激布里渊散射的三波耦合方程。考虑到布里渊矢量分布式传感的实际应用情况,利用三波耦合方程,忽略泵浦消耗,建立了脉冲泵浦条件下光纤中布里渊增益和相移的积分解模型。该模型可以用于研究具有任意泵浦脉冲波形的布里渊增益和相移特性,能够为设计脉冲波形来改善布里渊传感性能提供理论指导。2、设计了适合布里渊矢量分布式传感的信号处理算法,仿真分析了信号分析带宽对系统空间分辨率的影响,得到了空间分辨率与信号分析带宽成反比的经验公式,可以用于指导布里渊矢量传感信号处理算法的设计。深入研究布里渊矢量分布式传感的实验系统,重点研究了单边带信号的产生和性能,在1.42km长的传感光纤上成功进行布里渊矢量分布式传感实验。传感系统的空间分辨率是1m,温度和应变的精度分布大约是0.5?C和10με。最后进行了布里渊矢量分布式温度和应变传感实验,标定了布里渊频移的温度和应变系数,分别大约是1.05 MHz/?C和0.047 MHz/με。3、利用外差探测技术的高信噪比优势,分别采用正交解调算法和基于广义小波谐波变换的包络解调技术,进行了外差型光纤布里渊长距离分布式传感研究。理论分析和实验结果都表明,外差探测的优势主要体现在滤除泵浦光后向瑞利散射引入的噪声,在泵浦光与探测光功率相等的条件下,外差探测方法能够提高信噪比大约7dB。利用外差探测技术,本论文在24.4km长的传感光纤上,实现了空间分辨率约为2m温度和应变精度分别大约是0.7?C和14με的分布式传感;在48.7km长的传感光纤上,实现了空间分辨率约为3 m、温度精度分别大约是2.5?C的分布式温度传感。将基于广义小波谐波变换的包络解调技术,应用于外差型光纤布里渊长距离分布式传感,实现了与正交解调算法相比拟的传感性能。该技术通过实时调节广义谐波小波变换的通带参数,能够适应不同的空间分辨率或传感精度需要,非常适合用于布里渊长距离分布式传感。4、阐述了布里渊增益谱和相移谱边沿检测方法用于光纤布里渊动态应变传感的基本原理,分析了布里渊增益和相移动态应变传感的最佳工作点和应变灵敏度。搭建了布里渊动态应变传感的实验装置,分别通过测量布里渊增益和相移,在46 m长的传感光纤上进行了空间分辨率为1 m、等效传感采样率为1 kHz的动态应变测量实验,成功测量40Hz、60Hz、80Hz、100Hz的动态应变信号。实验结果表明,在1MHz测量频率精度条件下布里渊动态应变测量的动态范围约为47 MHz(940με)。理论和实验都证明,布里渊增益动态应变传感的最佳工作点是νB±√3?νB/6,而不是通常认为的νB±?νB/2,其中νB是布里渊频移,?νB是布里渊线宽。布里渊动态应变传感性能的研究,特别是布里渊增益动态应变传感最佳工作点的确定,将为实际动态应变测量和进一步提高布里渊动态应变传感的性能提供指导。