● 摘要
基于相位敏感光时域反射计（Φ-OTDR）的光纤分布式扰动传感器在国防、能源、物联网以及通信安全领域具有重要的应用价值，它主要应用于周界安防、油气管线预警监测、通信线路监测、大型结构监测等方面。相对于传统干涉仪型扰动传感器来说，其光路结构较为简单，并且可以实现连续分布式传感。基于Φ-OTDR的光纤分布式扰动传感器探测的是传感光纤上局部光强的变化，这种变化由扰动引起的光纤折射率变化导致相位变化后干涉产生，可以实现多点同时扰动的定位。在发生扰动时，Φ-OTDR光纤分布式扰动传感系统的空间分辨率是直接影响系统工程应用的一项重要指标，它代表传感系统所能分辨的两个扰动点间的最短距离，决定系统的极限定位精度。
本课题着力于空间分辨率这一指标，以提升基于Φ-OTDR的分布式光纤扰动传感系统的空间分辨率为目的，通过深入分析系统空间分辨率的受限因素，寻求提高空间分辨率的技术方法。论文主要开展了以下研究：
一、首先从光纤中瑞利散射原理出发对基于Φ-OTDR的分布式光纤传感系统的扰动检测机理进行了研究；进而通过对光纤中的瑞利散射光的干涉机理分析得到其空间分辨率的主要限制因素是调制脉冲宽度，而调制脉冲宽度压窄会带来数据量过大问题；最后针对这以上分析提出提高Φ-OTDR系统空间分辨率的总体方案。方案主要包括两部分，一是设计窄脉宽调制系统以压缩调制脉宽，二是优化设计数据处理系统以解决脉宽压窄后带来的数据量过大问题。
二、基于前面提出的提高Φ-OTDR系统空间分辨率的总体方案，分别对窄脉宽调制系统和数据处理系统进行了详细设计。窄脉宽调制系统由调制器和驱动电路组成，首先对主流强度调制器进行调研选取光调制方案，并设计窄脉宽信号发生电路以驱动电声换能器，使声光调制器能够正常工作，最后对其调制效果进行测试得到了30ns的窄脉宽驱动信号。另一方面针对调制脉宽压窄后带来的数据量过大问题，选取移动平均与移动差分算法以提高运算速度，并以该算法为核心基于LabVIEW平台设计实时定位系统的上位机程序，并设计系统的多点定位功能以方便空间分辨率指标的验证，最后分别对其定位性能以及数据处理速度进行测试。
三、基于前面的分析设计，对高分辨率的Φ-OTDR光纤分布式扰动传感系统进行样机集成，并对其定位性能以及空间分辨率分别进行实验室和外场测试测试，实验结果表明，系统能够实现多点精确定位，且空间分辨率能够达到10m量级，验证前面分析和设计的正确性。