管道运输具有安全、经济、保质、无污染等优点，在国内外都得到了广泛应用，在未来几年，全世界的成品油和天然气管道还将呈现高速发展态势。然而油气管道具有高温、高压、易燃和易爆的特点，任何油气泄漏都可能引发重大安全事故并造成巨大经济损失。因此，及时发现和精确定位管道泄漏对控制事故损失和环境污染有极大的经济效益。目前，国内外在管道泄漏监测和定位方面作了大量研究工作，开发了多种检测油气管道泄漏的方法，有的方法进行了多次试用，取得了明显的经济效益。然而泄漏监测方法只能在油气发生泄漏以后才会有效，属于事后监测。如果能在泄漏发生前探测和定位那些正在发生的对管道有潜在威胁的破坏行为，并向管理者发出预警信息，使他们有足够的时间去制止，就可以避免由油气泄漏所带来的环境污染和经济损失。据统计，国外有50﹪以上的重大泄漏事故是人的破坏行为造成的，国内的这一比例则更高，特别是频繁的偷盗油事故给油气管道造成了大量安全隐患，如果能将这些事故都控制在萌芽状态，将会带来不可估量的社会和经济效益。因此，开展早期发现和定位那些对管道有潜在威胁的破坏行为的预警技术研究具有广泛的应用前景。 由于管道埋于地下、传输距离远、破坏行为发生地点不确定，因此如何及时发现那些对其有威胁的破坏行为是困扰研究者多年的难题。直到通信光纤在传感领域的应用，才为管道破坏预警技术研究提供了一类具有分布式传感能力、监测距离远、抗电磁干扰能力强、铺设后免维护的传感方法。利用分布式光纤进行管道破坏探测的最简单方法是根据光强度的变化进行探测和定位，但灵敏度较低。于是Udd等人提出了基于萨格奈克干涉原理的传感方法，并提出了多种分离破坏行为的位置和振动信息的改进方法。虽然这些方法在探测和定位破坏行为时具有很高的灵敏度，但监测距离受传感结构的限制，不能用于对长途管道的在线监测。因此，在干涉原理的基础上，研究基于分布式光纤传感的长途管道破坏预警技术是一个非常有应用前景和实际意义的课题。 论文在熟悉萨格奈克干涉效应的基础上，提出了几种基于分布式光纤的传感方案，仿真分析了传感光路中单模光纤的双折射影响和偏振态控制方法，研究了从探测信号中识别和定位破坏行为的方法。从理论和实验两个方面研究了上述传感方案用于长途管道破坏在线监测和预警的可行性。 具体研究的内容如下： 1、从目前国内外油气管道的发展、油气泄漏的危害和现有的管道破坏监测方法入手，分析开展长途油气管道破坏在线监测和预警技术研究的重要性和必要性。 2、对萨格奈克干涉原理、基于萨格奈克原理的管道破坏监测方法进行了研究，分析了它们的优点和在长途管道监测方面的局限性。 3、在现有技术基础上，针对长途管道上的破坏预警监测，提出了三种基于萨格奈克干涉原理的分布式光纤传感方案：基于萨格奈克/双马赫-曾德干涉仪的传感方案和它的改进方案，以及基于萨格奈克/模间干涉原理的传感方案。在研究了上述方案的传感光路基础上，建立和推导了它们的探测和定位理论模型，论证了将它们用于长途管道破坏在线监测和预警的可行性。 4、针对上述三种传感方案中传感光纤双折射对干涉信号带来的偏振衰落问题，利用琼斯矩阵分析法，以基于萨格奈克/双马赫-曾德干涉仪的传感系统为例，对其光路的偏振衰落现象进行了仿真研究，提出了几种控制入射光偏振态的解决措施，使系统具有更强的实用性。 5、运用模式识别技术，研究了从传感系统输出的探测信号中识别破坏行为和泄漏的方法，包括信号的特征提取和分类器设计。利用从实验系统获得的几种典型作用下的探测信号进行验证，识别率可以达到96﹪。 6、为实现对破坏行为或泄漏的定位，研究了传感系统中两个马赫-曾德干涉仪或模间干涉仪输出干涉信号的相关处理方法，分析讨论了影响定位精度的几项关键技术。利用从实验系统获得的数据验证定位算法，可以获得较为满意的结果。 7、在上述理论基础上，以基于萨格奈克/双马赫-曾德干涉仪的传感系统为例，组建实验系统，包括传感光路、信号的采集和处理电路、萨格奈克干涉相位的解调和自动定位等算法程序。实验过程中模拟了几种典型作用施加到传感光纤上，为破坏类型的识别研究提供了大量数据。此外，还对传感系统的定位精度进行了实验研究，测试结果表明在20Km的传感光纤上可以得到150m左右的定位精度，并研究了进一步提高定位性能的方法。通过上述实验，验证了分布式光纤传感系统探测和定位理论的正确性。