题目：布里渊光时域反射计的信号解调及算法研究

基于布里渊散射的分布式光纤传感器可以实现长距离、大动态范围、高精度分布传感，是目前光纤传感领域的研究热点之一。其中基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射计采用单端测量方式，结构简单，适应性强，一直是相关技术研发的焦点。

论文首先对光纤布里渊散射谱特征及光纤非线性光散射的阈值特性进行了理论分析和实验研究，为论文的研究提供了理论指导。然后对相干探测型布里渊光时域反射计的整体方案、关键模块的实现方案及参数进行了研究和优化，搭建了集成化的实验平台，并依据信号流程对信号特征进行了理论分析和实验测量，为论文的研究奠定了技术基础。在此基础上，针对相干探测型布里渊光时域反射计的信号解调和处理算法这一关键技术开展深入研究，从提高相干探测型布里渊光时域反射计的数字包络解调算法、布里渊散射谱寻峰算法和滤波算法的性能为切入点，改善了相干探测型布里渊光时域反射计的测量精度、分辨率、测量速度等性能参数。论文的主要研究工作如下：

一、光纤布里渊散射特性及非线性光散射的阈值特性研究。理论分析和实验研究了光纤布里渊散射谱的特征。明确了散射光功率随入射光功率演变规律所具有的相似的阈值特性，由此提出了光纤拉曼和布里渊散射阈值的统一定义，并给出了与之对应的阈值测量方法。通过理论分析仿真和实验验证了该定义及测量方法的有效性。为光纤非线性光散射阈值的测量和布里渊光时域反射计的参数设计奠定了理论和实验基础。

二、相干探测型布里渊光时域反射计的实现方案研究与信号特征分析。对相干探测型布里渊光时域反射计的整体方案及主要性能参数的影响因素进行了分析研究，并对光脉冲调制模块、参考光移频模块和电外差接收模块等关键模块的实现方案及参数进行了研究和优化。在此基础上理论分析了相干探测型布里渊光时域反射计的信号流程和信号特征，并搭建了集成化的实验平台，对信号特征进行实验测量，为后续的信号解调和处理算法的研究奠定了技术基础。

三、相干探测型布里渊光时域反射计的数字包络解调算法研究。分析了相干探测型布里渊光时域反射计的数字包络解调原理及其对布里渊光时域反射计性能参数的影响，给出了理想数字包络解调器的设计原则。在此基础上，根据广义谐波小波在频域的理想带通滤波特性和通带参数可灵活设计的特点，提出了一种基于广义谐波小波变换的快速数字包络解调器，设计了具有包络累加平均功能的数字包络解调器并优化了关键参数，通过仿真和实验研究验证基于广义谐波小波变换的包络解调器有效提高了传感器的空间分辨率、测量精度和测量速度。

四、相干探测型布里渊光时域反射计的散射谱寻峰算法研究。分析了互相关寻峰算法关键参数对互相关信号特征的影响。依据参考频谱峰值频率和布里渊频移接近时互相关信号对称性较高的特点，提出了一种基于参考频谱跟踪互相关的布里渊散射谱寻峰算法，设计了与布里渊散射谱具有相似特征的参考频谱，并使其峰值频率跟踪被测的布里渊散射谱的峰值频率，仿真和实验研究结果表明该方法在提高信噪比的同时抑制了互相关信号谱形不对称对寻峰精度的影响，优于传统的互相关寻峰算法，在-15~85 ℃的有效测温范围内可获得1 ℃的测温精度。在此基础上，为了降低Levenberg-Marquardt算法拟合初值的噪声敏感性，提高其准确度和稳定性，利用参考频谱跟踪互相关的本征滤波能力和在整个频率扫描范围内保留互相关信号谱形对称性的特征，还提出了一种基于参考频谱跟踪互相关和Levenberg-Marquardt拟合的布里渊寻峰算法，使用参考频谱跟踪互相关方法预处理原始布里渊散射谱，然后以互相关信号谱形参数为拟合初值代入Levenberg-Marquardt算法对互相关信号进行拟合来获得布里渊频移。仿真分析和实验研究结果表明该方法不但降低了Levenberg-Marquardt算法拟合初值的噪声敏感性，提高了其准确度和稳定性，还具备在大测量范围内实现布里渊散射谱的高精度寻峰的能力。实验中使用该技术在-15~85 ℃的有效测温范围内获得了0.5 ℃的测温精度。

五、相干探测型布里渊光时域反射计的快速解调算法研究。依据提高信号解调算法处理速度来实现相干探测型布里渊光时域反射计快速解调的研究思路，提出了数字累加平均和小波变换的混合滤波算法，解决了相干探测型布里渊光时域反射计的信噪比与测量速度的相互制约问题，提出了基于阈值处理的质心寻峰算法，实现了快速、精确寻峰。实验结果表明，该算法在保证布里渊频移测量精度的同时，将测量时间从8 min缩短至70 s，显著地提高了系统测量速度。