针对模拟信号进行时延估计时相比解调过的信号更易受到噪声影响，导致出现误判点增多、正确峰值被掩盖等问题。本文提出采用奇异谱分解结合改进的广义相关法，降低高斯噪声对时延估计结果的影响。Simulink仿真实验表明，相比于解调信号时延估计法，该方法可在更低发射频率需求下得到同量级精度的故障类型和距离信息。在-5 dB高斯噪声环境下多次实验验证可得，相比二次相关法结果主峰值旁瓣比绝对值增加了0.6756 dB以上，误判峰值与故障点峰值比减少了0.2710以上，其他条件下亦有不同程度提升。

提出一种新型光纤布拉格光栅（FBG）传感网络系统，根据监测区域的优先级灵活配置传感器数目，从而提高带宽的利用效率，增加重点区域的传感器数量。由于各通道的光谱重叠程度存在差异性，实现重叠光谱的快速分类和精准解调尤为重要。基于连续小波变换 （CWT）-粒子群优化（PSO）算法实现了FBG传感网络的重叠光谱分类及解调。首先利用CWT分割光谱信号，根据重叠光谱的特征完成重叠光谱分类；然后使用PSO解调多个FBG重叠的光谱。仿真结果表明，所提方法有效降低了解调时间，且解调误差最大不超过10 pm。该研究工作为实现大容量FBG传感网络重叠光谱的快速精准解调提供了新思路。

提出并制备了一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）增敏的级联双腔温度传感器，该传感器由PDMS腔和空气腔级联而成，且级联双腔的光程相近，从而干涉谱产生游标效应。此外，空气腔的两端均为PDMS，当温度增加时，空气腔两端的PDMS因膨胀同时挤压空气腔，大幅提高了空气腔的温度响应。在PDMS膨胀和游标效应的双重作用下，该传感器具有非常高的温度灵敏度。实验结果表明，在40~42 ℃范围内，传感器的温度灵敏度约为-20.55 nm /℃，相比单个PDMS腔提高了37倍。该传感器具有结构紧凑、灵敏度高、稳定性好等优点，具有很好的应用前景。

相敏光时域反射仪（φ-OTDR）广泛应用于管道安全预警、光缆断点查找、清管器定位跟踪等场景，其传感光缆多埋于地下，土壤性质、传输距离、光缆结构等均对信号特征有所影响。本文研究了振动信号在土壤中的传播特性，探究了光缆结构、土壤湿度、传输距离等非事件因素对系统信号特征的影响。此外，从特征频段能量变化趋势的角度，研究了真实冲击振动与非事件性信号波动的区别，并由此提出了一种外部冲击振动的判别方法。

本文首先从理论上分析了在共极化双泵浦方案中，波长转换不会改变概率整形（PS）信号的概率分布，并且正交频分复用（OFDM）信号子载波的顺序可以保持不变的原因。然后，通过实验验证了全光波长转换后，PS-64QAM-OFDM信号通过高非线性光纤在零差相干检测系统中的传输。最后，通过实验证明，当波特率为20 Gbaud、误码率为1×10^-2时，普通64QAM信号的光信噪比（OSNR）损耗为1 dB，PS-64QAM信号的OSNR损耗改善了0.5 dB。

锂离子电池运行期间尤其在高放电倍率下产生的热量会导致温度大幅上升，仅仅依赖于单体电池表面的温度监测不能为电池管理系统提供最准确、最可靠的传感数据。对锂离子电池原位监测是防止锂离子电池热失控的最有效的方法之一，将传感器置于锂离子电池的热源核心处，可第一时间感知温度变化。在18650圆柱体锂离子电池内部中心处埋入光纤复合温度传感器，利用同一根光纤上的法布里-珀罗空气腔消除布拉格光栅传感机理固有的温度与应力交叉敏感，实验结果表明，在电池充放电阶段可以实时监测电池内部温度变化，光纤传感器与电池内部电芯相容性较好，可以满足大尺度锂离子电池集成组件的健康状态长期监测。

针对非对称协作自由空间光通信系统中信道条件得不到充分利用以及高阶调制导致的数据可靠性恶化问题，提出了一种分层调制联合物理层网络编码方案。该方案首先在信源节点处对待发送信息进行数据优先级划分，并给不同优先级的数据分配不同比例的发射功率；然后将调制后的数据发送至各个节点，并在中继节点处对接收到的数据进行物理层网络编码；最后中继节点将编码后的信息发送至目的节点，目的节点利用物理层网络编码方案恢复出原始信息。仿真结果表明，在高信噪比信道中，系统误码率可下降至10-8以下；在强大气湍流信道中，使用该方案系统至少可获得1.5 dB的信噪比增益。该方案对强大气湍流信道表现出更好的抗干扰性能。

针对可见光通信的3D定位与定向问题，提出了一种自适应参数与自适应变异粒子群优化的3D定位与定向方法。首先，分析了一种在复杂环境下的基于测距模型的混合3D可见光定位模型，并将定位问题转化为联合概率密度函数的优化问题。其次，通过计算粒子解与种群最优解之间的模糊贴近度，设计了一种自适应参数与自适应变异粒子群优化方法。最后，通过数学方法精确解析了所提3D可见光定位模型的定位与定向误差的理论下边界，即克拉-美罗（Cramer-Rao）下界。结果表明，所提算法的时间复杂度较低，且定位与定向误差都非常接近Cramer-Rao下界，其平均定位与平均定向收敛误差分别为5.99 cm与6.65°，显著优于另外四种基于迭代的可见光定位算法。

为了研究光纤传感器在超声波检测方面的应用，提出了一种膜片式光纤法布里-珀罗（F-P）传感器的结构和制备方法。首先探究了声场中放置距离和角度对膜片式光纤F-P超声传感器的声振动敏感膜片形变量的影响，仿真得到光纤F-P传感器的传感效果随距离、角度的增加而下降，然后提出了一种基于熔接、切割、抛磨方式制备的膜片式光纤F-P超声传感器，最后对该传感器的传感性能进行了实验验证。实验结果显示，提出的传感器的频率探测范围为20~80 kHz，信噪比不小于25 dB。此传感器的制备使用全焊接方式，与传统的胶连接方式相比，结构更稳定，使用寿命更长，因此在电网局部放电检测等场景中具有广泛的应用前景。

激光光束质量M2因子的动态测量对激光器的设计、制造与应用均具有重要意义。本文提出了一种基于远场同轴全息的光纤激光器光束质量M2因子动态测量方法。通过偏振移相同轴全息技术直接获取待测激光的远场复振幅信息，利用角谱传输及透镜变换理论求解激光在自由空间中的光场强度分布，从而实现M2因子的动态测量。实验搭建了远场同轴全息装置，测量了不同纤芯直径光纤在632.8 nm 波长下的激光光束质量，其结果与BEAM SQUARED商用光束质量仪的测量结果一致。本文所提方法仅需0.02 s即可实现光纤激光的M2因子测量，比商用光束质量仪的测量速度提高了两个数量级以上。此外，本装置结构紧凑，能够避免透镜引入的装调及加工误差。