1. 研究目的与意义（文献综述）

测量和分析布里渊增益谱（brillouin gain spectrum , bgs）是布里渊光学时域分析（brillouin optical time domain anlysis , botda)系统中重要的一部分。在botda系统中，当光纤的温度和应力发生改变时，引起光纤杨氏模量、泊松比、密度和折射率的改变，进而引起布里渊频移和散射光强度发生改变，通过观测布里渊增益谱，就可以实现对光纤沿线温度和应力的监测。布里渊增益谱包含布里渊频移、布里渊谱线宽、布里渊增益系数等重要信息，完成对布里渊增益谱各参数的检测，结合布里渊频移或散射光强与温度和应力的对应关系，即可获得被测温度和应力结果。

botda系统，通常使用短脉冲为泵浦光，脉冲小于100ns，直接将光纤上某处脉冲时间内的光强变化近似为该点的布里渊增益，通过直接扫频得到该处的布里渊增益谱。在这种情况下，如果想提高空间分辨率就必须缩短脉冲宽度，但是脉冲宽度受限于声子寿命（光纤中约10ns），这就限制了空间分辨率（spatial resolution , sr）最高为1m。同时，当脉冲宽度小于声子寿命时，随着脉冲宽度的减小， bgs的谱宽会先增大后减小，测量精度也会受到影响。

2010年tom sperber提出高空间分辨率的基于增益包络跟踪的布里渊光学时域分析(gain profile tracing-brillouin optical time domain anlysis ,gpt-botda)，该技术用长脉冲作为泵浦光，其测量bgs的原理是：当泵浦光全部进入光纤中后，关闭光源，泵浦脉冲的下降沿在光纤中移动，导致泵浦光和探测光的相干长度会缩短，从而产生的布里渊散射光的功率变小，通过对探测光的积分和求导就可以得到每点处的bgs。该技术的空间分辨率将不再由脉冲宽度决定，而是受限于脉冲下降沿的长度。理论上，下降沿可以无限小，但是实际实验中下升沿通常为几百皮秒，对应空间分辨率就是几厘米。该技术将系统空间分辨率提高到厘米级，但较长的脉冲宽度也使得光纤上的布里渊增益分布的单时域跟踪时间相对较长。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究内容和目标

本次设计的主要目标是通过了解mgpt-botda系统测量布里渊增益谱的原理和方法，建立并检验相关模型；并通过实验比较短脉冲、gpt和mgpt三种方法测量的bgs的优缺点，探究利用改进增益轮廓跟踪技术测布里渊增益频谱的正确性和优越性。

本次设计内容主要包括以下三个部分。第一，掌握短脉冲botda、gpt-botda和mgpt-botda的原理，总结和分析脉冲宽度对布里渊增益频谱参数的影响；第二，建立并完善mgpt-botda系统测量布里渊增益谱的模型，分析上升沿和下降沿检测有无区别，通过实验确定模型的正确性；第三，分析短脉冲、gpt和mgpt三种方法测量的bgs的参数，比较三者的优缺点。

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解布里渊散射效应中的声子和光子之间的相互作用，总结和分析脉冲宽度对布里渊增益频谱参数的影响，完成开题报告；

第4-8周：完成英文文献翻译，理解三种技术的原理，推导和完善mgpt技术的理论模型，进行相关仿真和实验设计证明模型的正确性；

第9-12周：利用短脉冲、gpt和mpgt技术测不同温度下的布里渊增益谱，并分析谱的相关参数和系统的灵敏度，比较三者的优缺点，完成相应的实验结果处理和误差分析；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] agrawal g p.非线性光纤光学原理及应用[m].贾东方.北京：电子工业出版社,2002:222-240

[2] sperber t , eyal a , tur m , et al. high spatial resolutiondistributed sensing in optical fibers by brillouin gain-profile tracing[j].optics express, 2010, 18(8):8671-8679.

[3] smith j , brown a , demerchant m , et al. pulse widthdependance of the brillouin loss spectrum[j]. optics communications, 1999,168(5-6):393-398.