多模光纤中存在的多个自由度为大容量通信和多参量传感提供了可能, 然而多模光纤中存在的高阶模不仅不稳定、 易耦合和易辐射损耗, 而且导致了布里渊增益谱畸变、 谱宽展宽和布里渊增益峰值降低, 严重劣化了系统的测量精度与传感可靠度。 因此, 研究多模光纤布里渊增益谱的特性和整形优化尤为重要。 首先对多模光纤的布里渊频移和布里渊增益谱特性进行了理论研究, 并与少模光纤、 单模光纤进行对比。 结果表明： 多模光纤的布里渊频移与模式折射率及布里渊散射角有关, 当布里渊散射角不变时, 布里渊频移与模式群编号呈负相关; 当模式群编号不变时, 布里渊频移与布里渊散射角呈正相关。 相比单模光纤, 少模光纤与多模光纤由于受到高阶模的影响, 布里渊增益峰值和布里渊频移较低, 布里渊增益谱较宽。 多模光纤中的高阶模最多, 对应的布里渊增益峰值和布里渊频移最低, 布里渊增益谱最宽。 此外, 分析并设计了两种基于单模光纤的多模光纤布里渊增益谱整形优化方法。 搭建移频本地外差布里渊光时域反射系统, 通过测量比较两种整形优化系统的布里渊增益谱宽及抗弯曲性能, 以评估整形优化程度。 实验结果表明： 提出的两种整形优化方法不同程度地减小了多模光纤的布里渊增益谱宽, 获取的布里渊增益谱有着良好的Lorenz拟合度, 分别为0.974 47和0.987 89。 利用单模环形器结合单模光纤对准熔接多模光纤的方法有更好的整形优化效果和抗弯曲性能, 最小弯曲半径和布里渊增益谱宽分别为2.25 mm和53.12 MHz。

磁流体的固体磁性和液体流动性在温度与磁场传感领域有很大的应用潜力。将磁流体和光纤传感结构结合，将外界温度与磁场的信息调制于传输光波上，通过解调特征光谱的参量，实现温度与磁场的传感。综述了基于磁流体的温度与磁场传感器的研究进展，从磁流体与传感结构不同结合方式的角度，介绍了基于模式干涉、倏逝波、光纤光栅、光纤环镜、光子晶体光纤、表面等离子体、法布里-珀罗（FP）干涉的温度与磁场传感器。分析比较各传感结构的传感原理、灵敏度，展望未来的发展趋势。其中，磁流体填充特种光纤的温度与磁场传感器具有较高的灵敏度，结构稳固，抗干扰性强。

设计了一种基于分布式传感技术的薄壁圆筒型液体温度和压力传感器。选取具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢316L和铍青铜C17200分别对传感器进行封装。利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对封装的传感器压力和温度特性进行仿真分析,得到器件的径向应变量,分析其布里渊频移随压力和温度的变化关系。仿真实验表明,使用铍青铜C17200封装的传感器压力灵敏度和温度灵敏度更高,在0~12MPa、-5~40℃范围内压力灵敏度达11.1MHz/MPa,温度灵敏度达2.56MHz/℃,相较于普通单模光纤分别提升7.4倍和1.7倍。

光纤布里渊传感中, 本征存在的由温度和应变交叉引起的判断模糊问题, 一直是光纤分布式传感领域的研究热点。针对这一问题, 总结了四类解决方法: 铺设参考光纤、双参量矩阵方程测量、双物理效应结合及特种光纤判别。对每一类解决方法的原理、系统、传感性能及特点进行了分析, 并对各种方法进行了讨论、对比与评价。最后总结并展望了解决交叉敏感问题的研究方向。

为有效提取布里渊分布式光纤传感系统的布里渊频移，减少数据处理时间，提出一种基于二阶Laplacian边缘检测算子的布里渊散射光谱图像边缘特征提取方法。将布里渊频移视为散射谱图像边缘，利用二阶Laplacian边缘检测算子对布里渊散射光谱图像进行锐化处理；通过非极大值抑制和自适应阈值去除无效边缘获得二值图像，并搭建布里渊光时域反射温度传感系统。实验结果表明：该方法能够准确提取频移特征，且用时远少于曲线拟合法，有利于缩短系统的温度测量时间。

面对人们日益增长的光纤传感需求，多模光纤的容量优势为解决单模光纤的容量壁垒、实现高精度的多参量光纤传感测量提供了新思路。理论分析了多模光纤的模式特性，综述了多模光纤模式耦合及偏振的研究进展，重点介绍了多模光纤中布里渊散射的阈值、增益谱和布里渊频移的国内外发展动态，分析了未来光纤传感的发展方向。

介电常数是表征材料介电特性的物理量, 随着微波电介质在航空器、船舶及车辆和通信等领域的广泛应用, 介电常数的精确测量成为人们研究的一个重要内容。为了提高介电常数的测量精度, 文章首先提出一种加载六边形互补开口谐振环(CSRR)的微波无损平面传感器。将六边形CSRR微带谐振器与传统的四边形CSRR微带谐振器进行对比, 分析结果表明, 六边形CSRR较四边形CSRR微带谐振器具有较高的灵敏度, 且品质因数也有一定的提高。然后, 研究了六边形CSRR微带谐振器谐振频率的变化与介电常数的相互作用规律, 仿真结果表明, 当待测样品的介电常数变大时, 其谐振频率变小, 且谐振频率的负二次方与介电常数呈线性关系; 将仿真数据进行数据拟合得到介电常数与谐振频率之间的解析式, 验证了通过测量加载待测样品时传感器的谐振频率实现对待测样品介电常数测量的可能性, 对以后的工程设计具有重要的参考价值。

针对传统单脉冲布里渊光时域反射系统信号微弱、性能提升受限的问题, 提出了一种雪崩光电二极管(APD)检测器本地外差检测的格雷(Golay)编码布里渊光时域反射系统。分析了Golay码应用于该系统的编解码原理及系统外差检测原理, 讨论了光纤受激布里渊散射阈值对编码系统平均入纤功率的限制, 推导了系统信噪比的数学表达式, 研究系统信噪比与APD倍增因子、编码长度的关系, 分别得到了APD最佳倍增因子和系统最佳编码长度的表达式。MATLAB仿真结果表明, 选用带宽为500 MHz的APD光电检测器和峰值功率50 mW、脉冲宽度100 ns的入纤脉冲时, 系统APD倍增因子和编码长度均存在最佳值, 系统最佳编码长度的确定不仅依赖于系统的散粒噪声和热噪声功率, 还由光纤受激布里渊散射阈值共同决定。经优化计算得, 该系统的APD最佳倍增因子为5, 最佳编码长度为128位时, 在25 km光纤末端的系统信噪比比传统单脉冲系统提高了26.42 dB, 温度和应变分辨率分别达到了1.60 ℃和35.48。

瑞利布里渊光时域分析系统具有单光源、单端工作、非破坏的优点, 为了解决系统信噪比与空间分辨率之间的矛盾, 将编码技术应用到瑞利布里渊光时域分析系统中, 可以在保持空间分辨率不变的前提下提高系统信噪比。提出了基于雪崩光电二极管检测和Simplex编码的瑞利布里渊光时域分析系统, 系统中的随机散粒噪声功率和信号功率有关, 而热噪声功率主要取决于雪崩光电二极管光电检测器的性能、与信号功率无关。由系统中与两种噪声相关的电流波动的方差和Simplex码的编解码规则可得编码系统的均方误差, 由此推导了系统信噪比和编码增益公式。随着编码长度的增加, 编码增益会逐渐增大并在某一编码长度后趋于稳定, 因此系统存在最佳编码长度, 最终推导了最佳编码长度公式, 并对信噪比和最佳编码长度进行了MATLAB仿真。仿真结果表明, 在基于Simplex码的瑞利布里渊光时域分析系统中, 当脉冲基底1阶边带产生的瑞利散射光功率为0.5 mW时, 随编码长度的增加, 编码增益逐渐增大并趋于稳定值6.69 dB, 系统的最佳编码长度为63 bit。

针对传统的通过功率信息测量所得受激布里渊散射阈值偏高的问题, 提出了一种利用布里渊散射谱宽确定光纤受激布里渊散射阈值的新方法。分析了本地外差检测的原理及布里渊散射谱宽与入纤光功率的关系; 设计了基于本地外差检测的布里渊散射谱测量系统, 在常温下对不同长度标准单模光纤的受激布里渊散射阈值进行了测量。实验结果表明: 当光纤长度分别为48.8 km和9.5 km时, 根据功率信息获得的受激布里渊散射阈值对应的布里渊散射谱宽均接近恒定值10 MHz, 此时已发生严重的泵浦耗尽效应。利用布里渊散射谱表现出的低入纤功率时谱宽的线性下降特性和高入纤功率时谱宽的功率无关特性确定的两种光纤长度下的受激布里渊散射阈值分别为1.12 mW和3.8 mW, 对应的布里渊散射谱宽分别为24.86 MHz和23 MHz, 其值近似等于布里渊自然线宽。文中的研究结果对布里渊光时域反射系统最大入纤光功率的确定具有重要的参考价值。