题目：光纤分布式扰动传感器多点定位理论及应用研究

        光纤分布式扰动传感器在周界安防、油气管线预警监测、通信线路监测、大型结构监测等国防、能源、物联网以及通信安全领域具有重要应用。在这些领域，多点同时扰动的情况时常发生。目前光纤分布式扰动传感器的主流方案包括Mach-Zehnder干涉仪方案和Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器方案。其中，基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤分布式扰动传感器采用相关时延算法，只能得到一个定位结果，因此只能进行单点扰动的准确定位。基于Φ-OTDR的光纤分布式扰动传感器根据传感光纤上扰动引起的光纤折射率变化导致相位变化进而产生的局部光强变化，可以实现多点同时扰动的定位。

        光纤分布式扰动传感器多点扰动时的定位精度是制约系统在外场工程应用的关键指标。论文以提高光纤分布式扰动传感器多点扰动的定位精度为目标，遵循理论研究、数学建模、数值仿真和实验验证的研究思路，基于光学干涉、激光物理和散射理论等理论基础，分别对光纤分布式扰动传感器的多点扰动定位机理以及主要光路器件的关键参数对Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器定位精度的影响和抑制方法进行了详细的分析和讨论，最后完成了实验验证。论文主要开展了以下研究：

        一、光纤分布式扰动传感器多点扰动定位机理研究。基于弹光效应、光学干涉理论和散射理论，分别建立了多点扰动条件下Mach-Zehnder型和Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器的光路模型。基于多点扰动条件下Mach-Zehnder型光纤分布式扰动传感器的光路模型，分别对多个扰动的幅度比、空间距离和传感光纤长度与定位误差之间的关系进行了数值模拟。研究结果可以为基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤分布式扰动传感器在监测现场多点扰动条件下如何抗干扰的实际应用提供理论指导。基于多点扰动条件下Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器的光路模型，对Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器方案的多点扰动定位机理进行了仿真研究。明确了多点同时扰动导致干涉光波在对应的多个扰动位置的局部相位变化从而引起局部光强变化的机理。

        二、主要光学器件导致Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器定位误差研究。首先研究了系统的理论极限定位精度，明确了极限定位精度与系统监测距离有关的机理，并给出了不同监测距离条件下对应的理论极限定位精度。接下来研究了激光光源和调制器的关键参数对传感器定位性能的影响。传感器的信噪比是制约多点扰动时定位精度提高的主要限制因素。分析了激光光源中频率噪声对系统信噪比和定位精度的影响，明确了激光光源的频率漂移是导致传感器定位精度和信噪比降低的关键因素。当激光光源的频率漂移速率大于一定值时，移动平均和有扰动减无扰动算法以及移动平均和移动差分算法失效。分析了声光调制器的消光比对系统信噪比的影响，明确了传感器的信噪比随着调制器消光比的增大呈上升趋势的机理。当声光调制器的消光比小于一定值时，移动平均和有扰动减无扰动算法以及移动平均和移动差分算法失效。

        三、Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器多点扰动定位误差抑制方法研究。研究了Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器中主要光路噪声源导致定位误差的抑制方法。声光调制器的消光比导致的定位误差可以通过器件的选型来解决，但激光光源的频率漂移导致的定位误差对光源的选型提出了很高的要求，而且随着光源的老化频率漂移将进一步增大，基于此，研究了在较高频率漂移条件下适用的多点扰动定位方法。首先提出了基于功率谱分析的定位方法，对该方法的定位机理进行了数值仿真研究，并通过实验对理论分析和数值仿真结果进行了验证。然后，提出了基于小波包变换的定位方法，并通过实验对该方法的可行性进行了验证。最后，提出了传感器的独立分区型光路级联方案，用于降低长距离监测中可能产生的受激布里渊散射的影响。

        四、Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器多点扰动实验研究。基于Φ-OTDR型光纤分布式扰动传感器样机，分别对系统的理论极限定位精度以及独立分区型级联光路方案进行了测试。实验结果验证了理论分析和数值仿真结论的正确性。