中文摘要：

分布光纤扰动传感系统可用于管道泄漏检测与定位、周界防卫、地下管线保护和大型结构的安全隐患预警，对它的研究已有多年，有些系统在单点定位方面甚至已可实用。然而，当出现多点扰动或人为故意制造多点扰动来干扰时，现有系统就难以定位了。本课题就是针对这一问题，另辟蹊径，以混沌的初值敏感性为传感机理，根据混沌激光器输出光波的帧型结构特点把帧内波形变化的多点定时变成光纤扰动的多点定位，利用混沌波形相邻帧相似的特点计算相邻帧的短时互相关以检测与定位多点扰动。为此将从改进混沌传感器模型入手，研究混沌环形激光器输出波形呈帧型结构和相邻帧相似特点的理论依据。对比不同混沌激光器参数下相邻帧波形的相似度，找到提高相邻帧波形相似度的方法。通过控制有源介质的注入电流和环形混沌激光器的光偏振回归，来稳定混沌波形相邻帧的相似度。利用小波变换对混沌去噪，以提高多点定位的精度。最后，通过系统仿真和实验研究来优化混沌传感的性能。

结论摘要：

光纤扰动分布传感系统具有灵敏度高和抗电磁干扰等优点，可用于各种运输管道的泄漏检测与定位以及重要设施与场所的周界防卫，还可保护埋在地下的各种管线，监测大型结构的安全隐患。由于其监测范围较长，在多个位置同时发生扰动的可能性很高。尽管有些系统在单点定位方面工作得很好，然而，当出现多点扰动时，现有系统就难以定位了。因此，本项目研究混沌光纤扰动分布传感系统，寻求新的解决方式。 本项目以混沌的初值敏感性为传感机理。利用基于半导体光放大器（SOA）的双向光纤环形激光器（bi-SFRL）作为系统结构提高了传感系统的灵敏度和响应速度。基于环形激光器的混沌波形呈帧型结构和相邻帧相似的特点，通过计算相邻帧混沌波形的互相关函数检测扰动的发生。无扰动时各个相邻帧混沌波形的互相关峰值都很高。在系统敏感的前提下实验测得归一化互相关峰值可以高达0.99以上，而且5分钟左右变化幅度在0.001量级。当扰动发生时，混沌波形即刻发生变化。相邻帧混沌波形的互相关峰值会明显下降，据此可找到扰动发生在哪一帧。由于受扰动后两个方向的混沌光波在SOA中产生光光相互作用，导致bi-SFRL单向偏振混沌输出的波形中包含有受扰动波形往顺时针方向和逆时针方向传输的时间差信息，据此可精确定位扰动。建立了一个环长约3.7 km的基于SOA的bi-SFRL的混沌光纤分布传感实验系统。进行了10个不同位置的模拟扰动实验，定位的相对误差小到0.3%。采用环形激光器结构只能顺序检测扰动的发生，即不同位置同时发生的多个扰动只能一前一后地被检测到。因此，检测和定位一个扰动的方法依然可以处理多点扰动问题。此外，我们改进了单向混沌环形激光器传感器的理论模型。通过在混沌传感器模型中引入一个与光的偏振态相关的琼斯矩阵，体现光纤的非线性效应，主要是自相位调制和互相位调制效应，对传感器性能的影响。以此模型为基础，仿真研究了影响帧间相似性的因素，寻找到了高相似混沌波形的特征。还提出了一种用于混沌信号去噪的、带有核主成分分析预处理的局部投影方法，此外，也开展了其他的相关研究。 本项目从新的角度、利用新的机理来研究分布光纤传感技术，是一种成功的尝试，对该领域的研究具有一定的启示作用。对混沌这一具有丰富的非线性物理背景和深刻数学内涵的现代学科的发展也有很好的促进作用。