基于瑞利和布里渊散射的光纤传感技术具有连续分布式、长距离、高精度的测量特点,特别适用于如大型土木工程、光纤通信、石油化工、电力工业等大范围、长距离、高危险领域的结构健康监测,是目前国内外传感技术研究的热点。基于瑞利散射的光时域反射(OTDR)技术和基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析(BOTDA)技术是两种重要的基于光时域反射技术的光纤传感技术。OTDR技术具有单端接入的优点,是最成功的光纤链路无损诊断工具,但是随着光网络的发展和光纤到户的实施,高空间分辨率的OTDR仍具有重要的研究价值。BOTDA技术主要用于温度和应变的测量,具有高精度和长距离的优点,但是传统基于直接探测的BOTDA需要双端接入,这意味着当光纤链路中出现断点时,BOTDA(?)将不能工作,这大大限制了BOTDA的应用场合。因此,对如何将具有光纤链路监测功能的OTDR与BOTDA系统相融合,克服BOTDA双端接入的缺点的研究,不仅具有学术价值,而且具有十分重要的实际意义。本文分析了OTDR技术和BOTDA技术的传感原理及其特点,并对提高其传感性能和克服BOTDA系统因双端接入带来的测试光纤出现断点不能工作的缺点进行了相应的实验研究。主要研究工作如下：1)在分析了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的原理和性能特点后,我们提出了基于超导纳米线单光子探测器的光子计数OTDR系统(v-OTDR),以便提高OTDR的空间分辨率和增加其传感长度。得益于SNSPD低的暗计数率,高的重复率和低的时间抖动,v-OTDR实验采用1μs探测脉冲获得了22dB的动态范围,对应约110km的传感长度；在2km和26km的标准单模光纤上分别获得了6.0cm和1.1m的空间分辨率。2)讨论了受激布里渊增益的影响因素和非局域效应及其抑制方法,理论分析了直接探测型BOTDA和相干探测型BOTDA的探测原理以及相干探测型BOTDA带来的信噪比提升,在此基础上,提出了一种基于相干探测和双边带探测的改进型BOTDA系统。该系统兼具有OTDR的光纤链路检测功能和BOTDA的温度/应变测量功能。在BOTDA温度测量实验中,在不需要任何光放大器和光滤波器的情况下,该系统在超过72kmm长的测试光纤上获得了5m的空间分辨率和1.8℃的温度精度；当该系统工作在断点监测功能的相干探测OTDR模式时,实验获得36dB的峰值动态范围和100m的空间分辨率。这些实验结果表明改进型BOTDA系统具有更长的传感距离,有效克服了传统BOTDA因双端接入导致出现断点不能对断点检测的缺点,拓展了BOTDA的应用场合。3)分析了现有单端结构BOTDA及其不足,提出和设计了一种采用相干探测的融合OTDR和单端接入BOTDA的混合分布式光纤传感系统,在不增加任何额外器件的情况下,通过中频信号的选择,混合分布式光纤传感系统可以在BOTDA和相干探测OTDR进行切换。我们在进行单端结构BOTDA温度测量时,在24km测试光纤上获得了5m的空间分辨率和1.0℃的温度精度；当混合系统工作在OTDR模式时,实验采用50ns的探测光脉冲获得了12dB峰值动态范围,并且准确测量了光纤的损耗系数。该混合分布式传感系统不仅为传统BOTDA解决了其双端接入带来的问题,获得了比现有单端结构BOTDA更长的传感距离,而且该系统可以用于光纤系统的链路损耗测量及故障点检测。该混合分布式光纤传感系统凭借其多功能和单端接入方式,我们认为其在大型结构健康监测中有许多潜在的应用前景。