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。

针对多模光纤的分布式传感系统受多模光纤布里渊散射特性的影响，利用有限元仿真得到多模光纤6种典型传输模式的电场分布，并从布里渊频移、线宽、峰值增益和布里渊散射谱4个方面仿真研究了单一模式和模式叠加情况下多模光纤的布里渊散射特性。仿真结果表明: 多模光纤不同传输模式的线宽和增益峰值都随着模式阶数的增加略有减少，布里渊频移随模式阶数减小而明显增加；在不受应变和温度影响的情况下，多模式叠加后布里渊散射谱相较单一模式线宽发生展宽，增益峰值大幅减小。

利用传统的洛伦兹线型拟合来进行布里渊散射谱特征提取是一种普遍使用的方法, 其测量结果的准确度容易受噪声含量、扫频谱型和拟合算法的影响。不仅如此, 这种方法需要反复迭代求出参数向量的最小二乘解, 实时性较差。针对该情况提出的互相关卷积与高阶质心结合算法能有效提取布里渊频移, 具有极短的测量时间, 但扫频数据服从洛伦兹分布的程度直接影响了计算结果的准确度, 因此提出了二维小波阈值去噪方案, 并运用综合评价指标计算与拐点定位进行最优参量选取, 得到了一组最佳的降噪参量, 如此能有效提高测量结果的精准性。

受激布里渊散射会影响少模光纤传输系统中的信噪比、 传输距离与传输容量, 是影响传输系统入纤功率提高的重要因素。 对阶跃型少模光纤的受激布里渊散射谱的阈值进行了研究, 运用了布里渊散射谱、 模式联运谱的数学模型对少模光纤散射特性进行了分析, 探讨了少模光纤布里渊散射增益谱、 阈值增益系数, 以及光纤各参量对少模光纤阈值的影响。 分析结果表明: SI-10阶跃型少模光纤中存在五种不同的传播模式, 不同模式有各自的传输常数以及有效折射率, 各模式相互作用导致模式展宽、 增益降低, 且布里渊散射谱峰值增益系数为3.9×10-11 m·W-1。 阈值增益系数受到光纤传感距离的影响, 在相对较短距离传输中阈值急速下降, 且其趋势随长度增加渐趋平缓, 当光纤长度达到22 km时阈值增益系数趋于常数18.1。 少模光纤的阈值因光纤长度的递增而递减, 且递减趋势渐缓趋于常数20.5 dBm; 少模光纤不同模式受激布里渊散射的阈值也因光纤长度的递增而递减最终趋于常数, 且不同模式的阈值因模式阶数的递增而递增; 少模光纤的阈值随着光纤衰减系数和纤芯半径的递增而递增, 且增加趋势缓慢增大。 不同衰减系数的光纤其阈值在不同长度趋于常数, 衰减系数越大受激布里渊散射阈值越大越容易趋于一常数。

针对目前布里渊光时域分析(BOTDA)分布式光纤传感系统存在的实时性较差的问题, 为了缩短测量时间, 提出一种基于互相关卷积与高阶矩质心计算相结合的布里渊散射谱特征提取方法。首先将布里渊散射谱沿光纤的扫频数据与理想Lorentz曲线作互相关卷积, 然后利用卷积结果峰值附近的理想Lorentz线型特征进行高阶矩质心提取, 并将提取结果作为布里渊频移(BFS)的估计值; 其次, 搭建1.5 km的瑞利BOTDA温度传感系统对所提算法进行可行性验证。结果表明: 不同于常用的Lorentz拟合(LCF), 所提算法避免了复杂的迭代求解所造成的测量时间延长, 具有良好的实时性与测量精度, 选取恰当的数据点数与阶数可将误差控制在小于1 MHz; 当进行长距离高分辨率的动态测量而不得不加大扫频间隔以减少测量时间时, 所提算法的测量误差远小于基于莱文伯-马奈特(LM)算法的LCF的测量误差。

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。

激光布里渊散射是由介质密度涨落引起的一种非弹性散射现象, 其散射谱特征参数(频移、线宽)取决于散射角和散射介质压强、温度等参数, 通过探测高速气流激光布里渊散射谱, 可反演获得高速气流压强、温度等参数。介绍了基于激光布里渊散射原理的高速气流参数测试原理, 设计了一种基于法布里-珀罗干涉仪的高速气流参数测试装置, 搭建实验平台获取了高速氮气气流的激光布里渊散射谱。实验结果表明, 通过激光布里渊散射谱获得的高速气流压强、温度值与理论值相对误差在15%以内。

为了在提取Lorentzian型布里渊频谱特征时选择最佳模型, 以线性最小二乘法和非线性最小二乘法构造的目标函数为研究对象, 系统地比较目标函数构造对频谱特征提取的影响。数值产生了不同信噪比、扫描频率间隔、g0、vB和ΔvB的布里渊信号, 比较了两种模型得到的频谱特征参数的准确性和计算耗时, 并用真实布里渊散射信号进行了验证。结果表明: 在不含干扰的理想状态下两种模型都能达到非常高的精度, 随着噪声含量/扫描频率间隔的增加两种模型的准确性都下降, 但线性模型明显大于非线性模型, 实际时应采用非线性模型。实验测量的布里渊散射谱信号验证了分析结果的正确性。

提出了一种将遗传算法(GA)和量子粒子群(QPSO)算法相结合的新优化算法，该算法通过运用GA 中的交叉和变异算子操作来优化QPSO 算法，提高QPSO 的全局搜索能力，克服其易陷入局部极值的缺点。将其应用到Pseudo-Voigt型布里渊散射谱特征提取，对不同权重比、不同线宽和不同信噪比下的布里渊散射谱进行了参数估计和分析，通过采集不同温度时的布里渊散射谱实验数据，利用GA-QPSO 算法对实验数据进行处理。实验结果表明，利用GA-QPSO 算法可以提高布里渊散射谱的频移提取精度，当温度为25 ℃时，频移拟合误差最大为2.18 MHz，且随着温度的升高，平均拟合误差逐渐减小，在80 ℃时的频移拟合误差最大为0.065 MHz。因此，将该算法用于布里渊散射温度和应变传感系统，在提高空间分辨率、检测精度等方面具有很好的应用前景。

针对布里渊光时域反射光纤传感系统散射谱的高精度特征提取的要求, 提出了一种基于自适应变异果蝇优化算法和广义回归神经网络的布里渊散射谱特征提取算法。 不仅利用了广义回归神经网络在逼近能力、 学习速度、 模型的泛化等方面具有的优势, 而且采用搜索能力较强的自适应变异果蝇优化算法进一步增强了神经网络的学习能力, 从而提高了布里渊散射谱的拟合度和频移提取的准确度。 在布里渊散射谱中心频率为11.213 GHz, 线宽为40～50, 30～60和20～70 MHz的散射谱白噪声实验模型中, 将新算法分别与基于有限元分析的Levenberg-Marquardt拟合法、 粒子群优化和拉凡格式混合拟合法、 最小二乘法进行预测比较, 新算法获得的最大拟合频移误差为0.4 MHz, 平均拟合度为0.991 2, 均方根误差为0.024 1。 仿真结果表明所提出的算法拟合度较好, 绝对误差小。 因此, 将此算法用于基于布里渊光时域反射的分布式光纤传感系统, 可有效提高布里渊散射谱的拟合度和频移提取的准确度。