光纤中的随机分布式散射效应，包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射是影响光纤传输系统性能的重要因素，在光放大、光纤链路和系统性能监测等方面具有重要的应用。在光纤随机散射效应的应用场景中，一般采用传输的光作为光放大、光链路监控、光传感的媒介，光纤随机散射的时间随机性和空间随机性都会对相关光传输系统性能产生显著影响。特别是对于长距离光传输系统，光纤中某些地方的总光功率往往很高，很容易在光纤非线性效应的影响下产生瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射之间的相互作用，进而在系统中引发新的光学现象。
　　现有光纤随机散射的理论模型在应对随机散射在光纤传输中的新应用时面临着一些问题。一方面，现有理论模型对散射的随机性的建模是不够充分的，一般只考虑了散射光强度和相位随时间变化的随机性，但没有充分考虑散射源在空间分布上的随机性。另一方面，现有光纤随机散射模型中，每一种光纤散射效应是单独处理的，忽略了多种光纤散射效应之间的相互作用。由于在对光纤散射空间随机性和不同散射之间的相互作用建模方面的欠缺，现有理论模型在新兴的光纤传输系统应用中无法对系统进行足够准确的建模和有效的性能分析，从而限制了光纤随机散射应用的发展。
　　本文从常见光传输系统中光纤随机散射效应引起的问题出发，通过实验测试和理论建模，对光纤中各种随机散射效应进行了较为系统和全面地研究。通过深入研究光纤随机散射的时间随机性、空间随机性及其相互作用，本文改进了现有的光纤随机散射理论分析模型，能够更加全面精确地分析光纤中的随机散射效应。
　　文章主要论述了：
　　(1)在短距离低成本光纤通信系统方面，考虑到后向散射源点空间分布的随机性，本文建立了单纤双向系统中后向散射噪声与信号光相互作用的理论模型，理论分析和实验测量了后向散射噪声的频域和时域特征，然后将模型用于分析和解决具有无色无光光网络单元的低成本单纤双向无源光网络(PON，Passive Optical Network)中后向瑞利散射噪声抑制的问题，提出了一种具有瑞利散射噪声抑制功能的PON架构，并进行了实验验证分析。
　　(2)在光纤链路监控和光纤传感方面，本文基于香农极限理论分析了光时域反射仪(OTDR，Optical Time-Domain Reflectometry)的动态范围和空间分辨率之间的限制关系。基于香农极限理论对OTDR的性能分析和瑞利散射的随机特性，本文提出了一种采用线性调频信号、分数阶傅里叶变换算法和电域频分复用技术的大动态范围OTDR，并进行了实验验证；针对高入纤光功率时布里渊散射和瑞利散射光功率变化的相关性，本文改进了瑞利散射与布里渊散射的功率耦合模型，引入了布里渊散射和瑞利散射的相互作用，获得了更准确的散射功率计算结果。该模型可用于普通OTDR、相位敏感型OTDR和布里渊OTDR的性能分析和探测脉冲设计。
　　(3)在基于分布式拉曼放大的长距离光纤通信系统方面，考虑到分布式拉曼放大系统中受激拉曼散射、自发拉曼散射和瑞利散射的相互作用与随机性，本文提出了分布式光纤拉曼放大器的噪声功率谱模型和信号光场传输模型。其中噪声功率谱模型可用于对接收端信号的光信噪比进行比较准确地计算，初步评估拉曼放大光纤通信系统的性能；而信号光场传输模型能够对拉曼放大系统中的光纤损耗、增益、色散、非线性效应和信号与噪声的相互作用等进行综合准确地分析，能够实现对拉曼放大光纤通信系统性能的更加准确地评估。