布里渊光时域分析仪（BOTDA）因其长距离分布式传感的优势而得到学术界和产业界的广泛研究与应用，光脉冲编码技术可以在不牺牲空间分辨率和测量时间的前提下辅助BOTDA进一步实现可观的信噪比提升，被认为是最高效（高信噪比提升和低硬件成本）的性能提升方法之一，具有显著的优势和应用前景。本文围绕基于光脉冲编码技术的BOTDA，介绍了用于分布式光纤传感领域的几种主流的光脉冲编码技术的原理，综述了近些年基于光脉冲编码的BOTDA传感系统的研究进展。

光脉冲编码（OPC）近年来在光纤声波传感领域备受关注，特别是将其与相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）相结合的技术。通过对注入光纤中的探测脉冲进行编码，可在不增加脉冲峰值功率的情况下大幅提高传感信号的信噪比，同时避免了非线性效应的影响；在接收端解码后可获得单脉冲响应，系统空间分辨率由单个脉冲而不是整个探测脉冲序列的长度决定，从而在获得高信噪比传感信号的同时保持了空间分辨率。本文首先回顾了OPC在光纤声波传感领域中的发展历程；然后，重点介绍了本课题组基于OPC的分布式和准分布式声波传感研究进展，特别是在传感带宽提升方面的成效；最后，对基于OPC的光纤声波传感技术未来发展方向进行了探讨。

受光纤中声学声子10 ns的寿命的影响，传统布里渊光时域分析（BOTDA）传感器往往不能做到1 m以内的空间分辨率。利用差分脉冲对（DPP）技术可以突破该限制，实现更高的空间分辨率。但是传统的DPP技术存在测量时间长、差分信号间同步难度高和信噪比低等问题。本文提出一种基于布里渊增益-损耗效应的编码DPP-BOTDA系统，通过将处于斯托克斯频率和反斯托克斯频率的泵浦脉冲光同步注入光纤，利用散射光的布里渊增益-损耗效应在光路上差分，解决了信号间的同步问题，并且测量时间只需要传统DPP技术的一半。还分析了传感系统中掺铒光纤放大器增益特性对脉冲序列解码结果的影响，对增益不均匀条件下的编码增益进行了理论计算。实验结果表明，该系统可以实现50 cm的空间分辨率，与传统的单脉冲DPP-BOTDA系统相比，信噪比提高了3 dB。

基于金刚石氮-空位(NV)色心的温度传感技术, 通过测量其基态子级之间的零场劈裂值(D)来实现对温度的感测。 由于金刚石稳定性高, 抗干扰能力强, 可制成不同尺寸, NV色心测温方法被视为解决微纳米尺度温度高精度测量难题的一种重要技术途径, 具有良好的应用前景。 实验测量中, 首先使用激光对色心进行电子自旋极化, 然后使用微波对电子自旋进行调控, 进而探测电子跃迁发出的荧光得到光学探测磁共振(ODMR)光谱, 对谱线进行拟合分析获得D值。 激光功率波动是重要的实验噪声来源之一, 为了获得较高的极化率, 需要足够的激光功率, 然而较大激光功率下, 光功率波动会影响电子自旋极化率, 从而降低电子跃迁所发出荧光强度的稳定性, 增加光谱的噪声, 最终增大数据测量的误差。 在常规测量中, 不使用任何归一化参考的直接拟合法会将激光功率的波动直接反映在ODMR光谱上。 为降低激光功率波动产生的误差, 提出了一种特定编码的脉冲序列测量方法, 可以在实验过程中获得不受微波调控的光子数参考值, 对所探测的受到微波调控的光子数相对于参考值做归一化, 从而输出归一化光谱。 在实验室搭建的ODMR测量系统上开展了控温300 K的对比实验, 考虑对脉冲编码序列两个时间参数的优化, 确定了0.8 s的计数时间和0.001 s的准备时间。 在不同的激光功率下, 分别采用直接拟合法、 数学归一化法和脉冲编码归一化法测得三组D值。 数据分析结果表明, 相较于直接拟合法和数学归一化法, 脉冲编码归一化法将激光功率波动引入的噪声有效地抑制到了直接拟合法的62.5%, 得到D值的误差从直接拟合法的179 kHz和数学归一化法的165 kHz减小到了56.9 kHz。 该方法可为金刚石NV色心测温技术提供一种抑制激发激光功率影响的有效途径, 提高D值测量分辨力, 为金刚石NV色心测温技术的实用化发展奠定基础。

瑞利布里渊光时域分析系统(BOTDA)存在信号小、噪声大的问题,会导致系统空间分辨率与信噪比难以同时提高。将脉冲编码技术引入瑞利BOTDA系统,可在不降低空间分辨率的前提下有效地提高系统信噪比和布里渊频移测量精度。分析了瑞利BOTDA温度传感系统的原理,介绍了Golay互补序列的特性,并给出了单脉冲和编码脉冲系统的信噪比表达式;搭建了单脉冲和脉冲编码瑞利BOTDA温度传感系统,测量了单脉冲瑞利BOTDA系统的温度传感特性及脉冲编码瑞利BOTDA系统的空间分辨率和温度测量精度。实验结果表明,由瑞利BOTDA系统获得的布里渊频移与温度呈良好的线性关系,温度系数为(1.109±0.010) MHz·℃ ^-1;当采用10 ns脉冲宽度、64 bit格雷编码时,在1.77 km光纤的加温段上实现了空间分辨率为1 m、温度测量精度为1.39 ℃的传感测量。

理论分析了瑞利BOTDA(布里渊光时域分析)传感系统的动态范围, 提出了一种采用脉冲编码技术改善系统信噪比从而增大系统动态范围的方法。研究了瑞利BOTDA系统中格雷码和Simplex码的编码和解码原理, 通过对瑞利BOTDA系统采用叠加平均法和脉冲编码法后信噪比改善量的分析对比, 阐明了脉冲编码技术在增大瑞利BOTDA系统动态范围方面的优越性, 并利用Matlab软件进行了仿真验证。仿真结果表明, 该编码技术能够明显改善系统信噪比, 增大系统的动态范围。

激光编码是激光半主动制导**抵抗激光诱偏干扰的重要措施, 现有激光编码具有一定的规律性, 很容易被干扰系统所识别破解, 而使激光半主动制导**受到威胁。为此, 提出了一种基于绝对精确时间控制的激光脉冲激光编码方法。首先利用北斗授时系统对激光编码端授时, 以此得到精确时刻, 以绝对精确整秒时刻为参数, 根据编码基频大小, 按照编码函数一次产生当前时刻所需数量的脉冲时间间隔; 然后在后续时刻利用定时器在预产生的时间间隔处产生脉冲信号, 并控制脉冲宽度; 最后对该编码方法的有效性进行了仿真实验和实际实验验证。实验结果表明, 授时精度20 ns, 脉冲编码精度优于30 ns。该编码最大的特点是各编码脉冲时间间隔各不相同, 无任何规律和周期, 是一种准随机分布编码, 而且编码函数运算量小, 易于实现, 具有较强的抗解码能力。

鉴于布里渊光时域分析(BOTDA)传感系统中空间分辨率和传感距离存在相互制约的关系，提出了一种结合格雷(Golay)编码技术与差分脉冲对(DPP)技术的混合编码方法。该方法结合了Golay编码可提高系统信噪比以及DPP可改善系统空间分辨率的优点，相对于Golay-BOTDA的DPP方法能进一步提高系统信噪比,理论上在相同采样次数下信噪比可提升6 dB。实验结果表明，采用改进的混合编码可以在25 km光纤末端获得1.6 m的空间分辨率。同时，与基于Golay-BOTDA的DPP方法相比，在相同的采样次数下系统信噪比提升了4.08 dB。

研究了基于脉冲编码调制的布里渊光时域分析(BOTDA)系统原理,该系统向传感光纤注入经脉冲编码调制后的光脉冲序列,在接收端用数据处理程序恢复系统的单脉冲响应,从而提高BOTDA系统的信噪比、温度和应变分辨率。理论研究了BOTDA系统中Simplex 码、Golay码和CCPONS码的编码和解码原理；利用Matlab仿真研究了不同脉冲编码调制的BOTDA系统的时域输出信号,并对比分析了三种编码对系统信噪比的改善情况,结果表明采用脉冲编码技术可使BOTDA系统性能得到有效提升,CCPONS码调制时可获得最佳系统性能,Simplex码次之。

利用一种简单的信号变换技术，将输出脉冲的瞬时波形映射成整形器或编码器的光谱响应，从而通过线性啁啾光纤布拉格光栅的切趾设计，将变换限高斯超短光脉冲整形为方型或三角型脉冲。为了证实该方法对光脉冲串编码的有效性，产生了具有1011码字的非归零和归零脉冲码。