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。

改进的增益包络跟踪（Modified gain-profile tracing , MGPT）技术改进了泵浦脉冲方案，充分利用脉冲的上升沿与下降沿信息，上升沿用于监测光纤前半段，下降沿用于监测光纤后半段。这样一来，使用的脉冲长度相较于GPT技术减小一半，监测时间减少四分之一。利用与GPT相似的技术测量BGS，提高空间分辨率的同时，保证了系统的检测效率。

MGPT技术相较于短脉冲在空间分辨率上有优势，相较于GPT技术在检测效率上有优势。但是该技术在BGS测量上是否具有优势还不能确定，BGS线宽与脉冲宽度的关系、上升沿对BGS有无影响、上升沿和下降沿测量BGS的模型是否一致等问题都将是该技术要解释的问题。本次研究课题的目的和意义在于：通过研究MGPT测量BGS,建立相关模型，进而完善MGPT技术的理论；并通过比较MGPT、GPT和短脉冲测量BGS的效果，更好地分析三种方法在还原BGS方面的优缺点。

1.2国内外发展概况

传统的BOTDA的空间分辨率由脉冲宽度决定，并且可以通过缩短脉冲宽度来提高。但是测量的布里渊频谱是脉冲和自然布里渊频谱的卷积，较短的脉冲会提供较宽的布里渊增益谱（BGS）和较弱的布里渊信号，特别是当它比材料的声子寿命短得多时（光纤中约10ns）。

Bao. X在1999年发表著作中，通过相关实验揭示了不同脉冲持续时间对布里渊增益谱的线宽的影响：当脉冲宽度远大于声子寿命（10ns）时，测得的布里渊谱线宽与自然布里渊谱线宽一致；当脉冲宽度接近并小于声子寿命时，布里渊谱线宽增大，在脉宽5ns处达到最大值；对于1ns持续时间的脉冲（比声子寿命10ns短得多）测量的线宽回到自然线宽。脉冲宽度和BGS之间的这种关系，给在提高空间分辨率的同时又保证布里渊增益谱测量精度的技术的实现增加了难度。

近年来，人们对BOTDA系统在提高空间分辨率给予了极大的关注，并提出了一些新的技术。在这些技术中，预泵浦工作原理是Bao. X等在2005年演示的实验。该方法是在短脉冲之前加上一段预泵浦，探测光与预泵浦脉冲部分在整个传感长度内相互作用，预泵浦光将声子场放大用以摆脱声子寿命限制，而没有空间信息，探测光与泵浦脉冲部分的相互作用提供位置信息，以进行应变或温度测量。该技术的优点是：通过预泵浦激发声场，使实际信号脉冲可以充分小，提高空间分辨率（实验中脉宽1.5ns对应1.5cm的分辨率）的同时不改变布里渊频谱的谱宽。缺点是设置了最小可检测应力或温度的限制，对于千米传感长度，脉冲消光比必须非常高（gt;20-30dB）。

之后，2008年Li.W等提出差分脉宽对布里渊光学时域分析（Differential pulse-width pair -Brillouin optical time domain anlysis, DPP-BOTDA），该技术使用两个时间几乎相同的不同脉冲，具有40-50dB的高消光比，以消除直流前效应。针对单个脉冲执行两个单独的测量，然后通过两个布里渊信号相减获得差分布里渊增益信号。此种技术有下面优点：1）由于探测脉冲持续时间长，获得了较窄的线宽（lt;30MHz）的BGS，提高了布里渊频移测量的精度；2）可以不用使用高消光比（gt;30dB）的脉冲实现长光纤的传感。但是该技术如果传输距离过长会出现过度放大探测光脉冲的情况，同时需要两次测量，以双倍的测量时间为代价提高空间分辨率。在其基础上的基于时分复用的布里渊光学时域分析(Time-division-multiplexing-based Brillouin optical time domainanalysis , TDM-Based BOTDA)技术采用两个个脉冲，即一个探测脉冲和一个泵浦脉冲来进行测量。空间分辨率仍由泵浦脉冲宽度决定，而传感长度则由探测脉冲宽度决定。我们可以通过改变探测脉冲和泵浦脉冲之间的延迟，选择探头脉冲与泵脉冲相互作用的传感部分。该方案整个传感光纤的测量是通过改变两个脉冲之间的延迟来实现对每个传感段的测量，称为不同光纤段的时分复用。由于相互作用长度仅由探测光脉冲宽度决定，而不是由整个光纤决定，因此可以在不过度放大探测光脉冲的情况下提高信噪比。2010年Bao. X提出光学差分参量放大布里渊时域分析（Optical differential parametric amplification-Brillouin optical timedomain analysis , ODPA-BOTDA），在斯托克斯频率和反斯托克斯频率上具有小脉宽差的两个长脉冲，通过两个反向传播的声波与连续波传感波相互作用，同时在同一位置产生布里渊增益和损耗。在两个长脉冲的重叠区域，增益和损耗在平衡良好的情况下可以相互抵消，只进行了一次测量。