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电力线缆和设备是保证电力传输、信息交换和电磁能量转换的重要纽带,实时获取其运行状态,确保其安全稳定工作,对保障经济和社会发展具有重大意义。电力线缆铺设线路长且易受外界环境因素影响,利用具有单端测量和结构简单等特性的布里渊光时域反射(BOTDR)技术可实现电力线缆和设备状态的实时监测。本文分析了自发布里渊散射和受激布里渊散射(SBS)的特性,提出了基于布里渊散射谱宽的光纤SBS阈值测量方法;提出了基于时域和谱域整形的BOTDR温度测量方法,并结合布里渊散射谱和布里渊功率进行了阶梯光脉冲的最佳化设计;研究了光源频率不稳定性对布里渊散射信号的影响,提出了瑞利和布里渊自外差检测BOTDR温度测量方法,以及减小光纤温度测量误差的有效方法,旨在为电力线缆温度的高准确度测量提供理论依据和技术支撑。本文取得的主要研究成果如下:1.通过建立描述受激布里渊散射作用的数学模型解析了SBS耦合波方程组,推导了布里渊散射谱宽与入纤光功率的关系,提出了基于布里渊谱宽的光纤SBS阈值测量新方法;研究了外差检测布里渊散射谱测量系统中的噪声成分和系统信噪比,提出了利用系统信噪比变化特性确定最佳入纤光功率和最佳本振光功率的方法。2.提出了利用阶梯脉冲调制解决BOTDR系统空间分辨率和测量精度相互制约问题的方法,利用受激布里渊稳态方程的瞬态分析方法求解了阶梯光脉冲在光纤中传输时SBS作用的数学模型,通过预泵浦脉冲和传感脉冲的SBS作用实现了布里渊谱的整形和传感信号功率的放大;根据系统性能指标最佳化设计了阶梯光脉冲,仿真比较了不同脉冲调制时的系统性能;设计并搭建了基于阶梯脉冲调制的BOTDR温度测量系统,实验结果表明了阶梯脉冲调制BOTDR系统有效地解决了空间分辨率和测量精度之间的矛盾。3.针对传统窄谱光源BOTDR系统性能提高受光纤SBS阈值限制的问题,提出了基于多模法布里-珀罗激光器的移频本地外差检测BOTDR传感系统;研究了布里渊叠加谱峰功率和谱宽、系统信噪比和频移测量精度与纵模数的关系,计算得到了最优测量精度时的纵模数与脉冲宽度和纵模间隔的关系及相应的拟合公式,对基于多波长光源的BOTDR系统建模分析和优化设计具有重要的参考价值;根据布里渊散射叠加谱的传输特性和高精度特征提取的要求,提出了Pseudo-Voigt基函数和莱文伯格-马夸尔特优化算法对布里渊叠加谱进行特征提取,为多波长布里渊光纤传感系统有用信息的准确提取提供了有效可行的方法。4.分析了光源频率不稳定性对外差检测布里渊散射信号的影响,建立了外差检测布里渊信号与光源输出光频率的关系模型,提出了消除光源频率不稳定性影响的瑞利和布里渊自外差检测方法;研究了自外差检测布里渊频移和信号功率与光纤温度和应变的关系,提出了采用宽带光源和自外差检测的BOTDR温度测量方法,有效地减小了相干瑞利噪声对系统性能的影响;提出了分别采用多波长探测光和格雷序列编码脉冲的自外差检测BOTDR温度测量方法,有效地降低了相干瑞利噪声引起的布里渊频移和功率波动,为自外差检测BOTDR传感系统的温度和应变同时测量提供了理论和实验依据。