光导纤维简称光纤，主要由纤芯、包层和涂覆层组成。作为应用最为广泛的光频波段电磁波的波导介质，光纤的物理特性与导波光场的传输性质密切相关。通常描述光波的参数主要有：光强（光功率）、相位、偏振态以及波长（频率）等四个参数。对应的影响光波参数的光纤介质参数为：损耗系数、折射率、偏振效应、非线性效应。实际应用中，外界环境的干扰，例如温度、应力、振动、电磁场等等，都可能会对光纤造成一定的影响，进而影响其中传输的光场。在光纤通信系统中，研究重点在于如何消除这些环境因素对通信信号的影响。而利用此种影响，人们提出了光纤传感的概念：通过检测光波参数的变化进而反推造成此变化的物理量的情况。经过几十年的发展，基于损耗、折射率、非线性效应的光纤传感技术得到了广泛的研究与应用；而基于光纤偏振效应的分布式传感技术由于诸多技术难题而未能得到大规模推广。因此本论文聚焦于基于光纤偏振效应的分布式传感技术研究。主要包括两个方面，一是基于普通单模光纤（以下简称单模光纤或SMF）的偏振光时域反射计（POTDR）系统，二是基于保偏光纤的偏振模耦合分布的测量系统。在基于单模光纤的POTDR系统中，目前主要存在的问题有三个。一：由于存在时域消偏振效应导致系统的动态范围较低。二：由于瑞利散射系数较小，系统的信噪比低，必须通过平均去噪或者更加复杂的去噪手段提升信噪比。这牺牲了系统的时效性，严重制约着系统的应用。三：由于扰动事件导致自扰动点之后的偏振态全部变化，所以系统只能识别并定位到两个及以上同时扰动事件中的距离发射端最近的一个事件。因此，研究如何同时探测多个事件是POTDR系统的研究方向之一。本论文将针对这些问题依次展开研究。为了解决光纤中光信号偏振态演化带来的一系列问题，人们研制了保偏光纤。保偏光纤因其具有保持沿快轴或者慢轴入射光的偏振态的性质，在许多领域得到了广泛的应用。但是，由于使用中的一些外界因素干扰（例如温度、应力、电磁场等），其保偏性质会有所降低，产生偏振模耦合现象，这严重制约了保偏光纤的应用。本文将探讨保偏光纤中偏振模耦合分布的测量技术，提出一种新的测量方案，根据此方案实现分布式光纤传感。　　本研究主要内容包括：⑴基于波片级联分析方法，得出了单模光纤中POTDR系统背向散射信号的时域消偏振效应理论模型。基于此理论模型，推导出POTDR系统的动态范围和信号偏振度（DOP）之间的数学关系，从理论上阐明了POTDR系统对信号DOP的要求。⑵提出了一种利用菲涅尔反射有效抑制时域消偏振效应的新型POTDR系统。通过仿真和实验证实了通过在光纤链路中引入菲涅尔反射可有效抑制时域消偏振效应。本论文利用此系统实现了瞬间入侵信号的探测以及振动频率的测量。由于系统信噪比高、无需平均去噪、动态范围大，因此振动频率的测量结果达到了现有POTDR系统的理论极限。⑶在广泛调研用于光纤传感系统的编码理论的基础上，基于波片模型以及实验，深入研究了simplex code的码元宽度和编码长度对POTDR信号的偏振度的影响。实现了高系统信噪比、高信号偏振度的POTDR系统，并对该系统进行了性能参数的测试。此方案大大提高了系统的性价比，在系统成本未明显增加的情况下，提高系统的监测距离至25km以上。利用此系统完成了单模光纤中偏振效应变化的测量。⑷为了解决POTDR系统同一时刻仅能检测发生在被测光纤链路上的第一个事件的问题，同时保证系统的高DOP和SNR。利用耦合器和光纤反射镜巧妙的构建了多路分级系统，将传导光纤和传感光纤分开，实现了多事件的同时探测。⑸借鉴微波光子滤波器的思想，对存在偏振模耦合的保偏光纤中的光路进行分析，得出存在偏振模耦合的保偏光纤可以作为微波光子滤波器光学延迟回路的结论。通过这一原理，提出了一种基于微波光子滤波器原理的保偏光纤中偏振模耦合的测量系统。利用该系统可对保偏光纤链路中偏振模耦合点进行定量测试并可定位耦合点的位置。这对保偏光纤的应用十分重要，例如定位光纤陀螺中的耦合点。也可以将保偏光纤作为传感光纤实现分布式的应力事件传感。