【摘 要】
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拉曼光时域反射仪（Raman Optical Time Domain Reflectometry,ROTDR）作为获取分布式温度信息的有效手段[1],在国家战略设施、深海深地、极地科考、大型水利工程、智能电网等诸多重大领域有重要的应用价值,为这些领域的科学研究提供了高效的测量监测工具并发挥了巨大的作用,有力推动了相关科学研究的进展。传统长距离（传感距离大于10.0 km）ROTDR技术的空间分辨率
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“面向交通隧道渗漏水监测的光时域门控混沌拉曼传感（62075151）”；
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拉曼光时域反射仪（Raman Optical Time Domain Reflectometry,ROTDR）作为获取分布式温度信息的有效手段[1],在国家战略设施、深海深地、极地科考、大型水利工程、智能电网等诸多重大领域有重要的应用价值,为这些领域的科学研究提供了高效的测量监测工具并发挥了巨大的作用,有力推动了相关科学研究的进展。传统长距离（传感距离大于10.0 km）ROTDR技术的空间分辨率因脉冲光时域反射原理受限于探测光脉冲宽度往往难以突破1.0 m,无法满足国家基础设施温度安全监控需求。为解决这一科学和技术难题,本文提出了混沌ROTDR方案提高系统空间分辨率,该方案以宽频混沌激光取代脉冲激光作为传感光源。本文主要研究内容如下:（1）建立了基于混沌脉冲激光的光纤拉曼散射信号传播方程,研究了混沌脉冲宽度对ROTDR系统空间分辨率的影响。首先分析了混沌激光的强度随机起伏和宽频谱特性,研究了混沌脉冲激光的产生方式。然后,研究了基于OTDR原理的光纤拉曼散射信号叠加特性,建立了脉冲宽度与系统空间分辨率的关系模型。最后,分析了混沌脉冲激光在传感光纤中的拉曼散射特性以及环境温度场对混沌拉曼散射信号的作用调控。（2）提出了基于时域差分重构方法和短尺度时域相关压缩方法的混沌ROTDR方案。本文基于混沌拉曼后向散射信号携带的混沌随机幅值特征,提出时域差分重构方法（Time-Domain Differential Reconstruction,TDDR）和短尺度时域相关压缩方法（Short-Scale Time-Domain Correlation Compression,SSTDCC）,建立了基于混沌脉冲激光的ROTDR仿真模型。其中,TDDR方法对混沌拉曼后向散射信号进行时域差分重构,用以剥离光纤沿线单位位置的混沌拉曼散射信号。此外,基于SSTDCC机理,提出了温度变化区域温度与相关峰峰值关系解调方程,实现光纤沿线的分布式温度解调。仿真结果显示在10.0 km的传感距离上实现了5 mm的空间分辨率和0.1℃的温度分辨率。（3）实验研究了基于混沌脉冲激光的ROTDR方案,克服了脉冲宽度对系统空间分辨率的限制。首先,分析了系统器件对混沌脉冲激光的性能影响。然后,实验探究了混沌拉曼后向散射信号特性,并分析了环境温度场对混沌拉曼后向散射信号的调制机理,最后搭建了基于混沌脉冲激光的拉曼分布式光纤传感系统。实验结果表明,基于500 ns混沌脉冲激光（传统ROTDR系统的对应空间分辨率为50.0 m）,在1.25 km的传感距离上实现了10.0 m的空间分辨率。
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