在布里渊光时域反射计(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer,BOTDR)光纤传感系统中,自发布里渊后向散射信号非常微弱,尤其是光纤远端的布里渊散射信号,信噪比非常差,分析难度非常高。提出了一种基于互相关理论的布里渊谱信号质量提升方法,通过与理想布里渊散射谱进行互相关运算,降低了对光纤远端极微弱布里渊散射信号应变分析的难度。经试验验证,该方法可以有效提升信噪比较差时应变分布数据的信号质量以及BOTDR的应变传感精度。

在光纤布里渊光时域反射仪(BOTDR)系统中，对光纤中各处的布里渊散射谱中心频率的估计是测量的关键，也是最为费时的环节，导致BOTDR 系统难以做到快速响应。本文研究了ESPRIT 算法用来估计BOTDR 系统中的布里渊散射谱中心频率，并与基于快速傅里叶变换(FFT)的频率估计算法进行了比较分析。结果表明，ESPRIT 算法具有与补零FFT 算法配合上洛伦兹频谱拟合所得结果相近的性能。由于ESPRIT 算法对数据长度的要求较低，能够在短数据长度上获得较好的频率估计性能，因此能够在保证较高空间分辨率和测量性能的情况下，提高测量速度。

本文研究了基于光纤布里渊散射的光纤复合架空地线(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW)覆冰识别技术，在热力学理论推导的基础上，使用Comsol Multiphysics 软件对导线温度分布进行有限元仿真分析，最终得出覆冰区段较非覆冰区对环境温度变化迟滞的结论，并根据一段时间内缆线温度变化识别出输电线路覆冰状况。基于研究结果，本文在布里渊时域反射计的基础上设计了一套基于光纤布里渊散射原理的分布式光纤覆冰识别系统，解决传统监测系统电源不足、电磁干扰等问题，并在昭通挂网运行，监测范围达到75 km，温度监测精度达到±2 ℃。

根据相干检测理论提出了一种基于多模法布里-珀罗激光器的光纤瑞利与布里渊散射自外差检测的布里渊光时域反射计传感系统, 分析了该系统提高光纤受激布里渊散射阈值和瑞利与布里渊散射自外差检测的原理, 推导出系统信噪比表达式, 分析了纵模数与布里渊谱峰值功率、谱宽和系统信噪比、温度及应变测量准确度之间的关系, 并进行了计算.结果表明, 选用纵模间隔为0.141 nm的多模法布里-珀罗激光器时, 随着纵模数的增加, 在25 km光纤末端系统信噪比、温度和应变测量准确度均得到了较大提升, 当纵模数为19时, 温度和应变测量准确度分别达到最佳值3.81 ℃和86.69με.

为了解决已敷设传感光纤中布里渊谱峰功率初值难以获取，基于频移和功率双参量的温度和应变区分测量误差大等问题，提出了解决方法。通过标定实验确定布里渊频移和相对谱峰功率的温度和应变系数、频移初始值; 根据布里渊散射功率特性方程，通过试探法，利用已敷设光路中温度和应变已知的参考光纤确定方程系数，建立了谱峰功率初始值; 利用归一化方法克服了传感系统中乘性噪声导致的测量误差; 利用谱宽变化消除了温度和应变突变点处的谱峰功率异常峰值; 最后，根据光纤复合海底电缆的现场情况建立了模拟光路，并进行了温度和应变测量实验。结果表明，在5.6 km处可实现±4.3 ℃和±110 με的测量精度，可实现已敷设传感光纤整条光路上的温度和应变区分测量，为工程应用提供了理论和实验依据。

在基于微波电光调制的布里渊光时域反射分布式温度传感系统中, 使用微波扫频会造成电光调制器输出的参考光功率波动, 根据相干检测的原理, 参考光功率的波动会影响到测得的后向布里渊散射信号的功率, 将直接影响布里渊散射谱的测量精度, 导致较大的温度测量误差。因此, 提出一种根据电光调制器输出光功率反馈调节微波源功率, 以稳定布里渊光时域反射系统参考光功率的方法。实验结果表明, 该方法可以有效抑制电光调制器输出的一阶边波带峰值功率的波动, 使系统的温度测量精度从 6℃提高到了 2℃。

根据谱整形的思想将脉冲预抽运的概念引入布里渊光时域反射系统，提出了一种提高传感性能的方法。该方法利用由预抽运脉冲和传感脉冲组成的阶梯脉冲作调制信号，通过预抽运脉冲和传感脉冲的受激布里渊作用实现布里渊谱的整形和传感信号的放大，可有效地解决系统空间分辨率和测量精度的矛盾，并可提高系统信噪比，增加传感距离。通过受激布里渊稳态方程的瞬态分析对阶梯脉冲调制布里渊光时域反射系统中的受激布里渊散射模型进行了求解，对阶梯脉冲进行了最佳化设计，比较了矩形脉冲、洛伦兹形脉冲和阶梯脉冲调制时的系统性能。结果表明，当预抽运脉冲和传感脉冲参数为50 ns、0.2 W 和2 ns、1 W 时，采用阶梯脉冲时的布里渊谱宽约为44 MHz，10 km 光纤末端信噪比较采用矩形脉冲时提高了7.97 dB。最后，通过实验验证了所提方法的可行性。

在分布式光纤传感系统中, 由于生产厂家、材料、掺杂及生产工艺等的不同, 传感光纤的折射率、应变系数及温度系数等基本参量各有差异, 在投入使用前必须对其进行标定。提出了基于拉伸装置标定光纤应变系数的方法并系统地进行了误差分析。采用 G.652单模光纤, 针对不同初始长度进行了多次标定实验, 标定的应变系数在 0.050 2～0.051 2 (MHz/με)之间, 重复性好。通过 BOTDR验证, 实测应变值与理论计算结果吻合的得较好。实验结果表明: 该标定方法切实可行、易于实现, 既可用于对光纤传感系统的标定, 也能用于 BOTDR在生产过程中的应变校准。