光时域反射仪(OTDR)是国际电信联盟推荐用于光纤测距与光纤故障检测的专业仪器。随着光纤入户、紧密星型网络的快速发展,迫切需求大动态范围、高空间分辨率的OTDR。相较于传统脉冲飞行法OTDR,混沌OTDR利用宽带的混沌光源代替了传统的脉冲光源,将产生的混沌信号一分为二:一路参考,一路探测,并通过互相关运算获取光纤链路的信息。混沌OTDR拥有与距离无关的高空间分辨率优势,在未来光纤网络检测中具有广阔的应用前景。然而混沌OTDR在实际应用中遇到如下限制:(1)cm量级高空间分辨率的实现必须采用GHz带宽的信号,这就需要宽带的探测器和高速的数据采集卡,从而导致混沌OTDR成本昂贵与探测器灵敏度的牺牲。(2)半导体激光器产生的混沌信号具有明显的弛豫振荡特征,信号能量主要集中在弛豫振荡频率附近,导致低频段能量过低。在实际应用中,受限于探测器等电子器件的带宽与低通滤波特性,混沌信号能量利用不足,限制了混沌OTDR的动态范围。针对上述混沌OTDR存在的两个问题,本文提出了光纤环、有效比特位互相关法对混沌OTDR进行优化。通过在混沌光源中引入简易光纤环,提高了混沌信号的低频段能量。基于光纤环的混沌OTDR动态范围大幅度提升。通过有效比特位互相关法,混沌OTDR的空间分辨率突破了探测器等电子器件的带宽限制,充分发挥了混沌OTDR的高空间分辨率优势。围绕上述内容,本论文开展的相关工作与取得的主要成果如下:(1)提出了一种简易的光纤环提高外腔光反馈混沌的低频段能量,从理论和实验两个方面对其进行了验证。在200MHz探测带宽下,基于光纤环的混沌OTDR动态范围提高了5dB。(2)提出了一种改进的互相关法:有效比特位互相关法。对抽取N LSBs(N个最低有效位)重构后信号带宽增强进行了理论分析与实验验证,并探究了其带宽增强的机制。搭建了基于有效比特位互相关法的混沌OTDR系统,对其空间分辨率提升进行了实验验证,在200MHz探测带宽和6 LSBs相关法下,混沌OTDR的空间分辨率提升了5倍。并对多个反射事件进行了测量。此外,我们还理论分析和实验验证了有效比特位互相关法混沌OTDR系统的线性度。