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分布式光纤传感技术利用光纤同时作为传输介质和传感介质,实现对光纤链路周边物理量的测量,如温度、应力、扰动、弯曲状态等,具有灵敏度高、抗电磁干扰、测量频带宽、动态响应范围大、柔韧性好、可移植性强等特点,广泛应用于电力、化工、能源环保、航空航天、国防等领域。其中,相位敏感型光时域反射仪(Ф-OTDR)特别适用于长距离、大范围、对敏感性要求高以及多点同时检测的领域,但在长距离应用条件下,远端信噪比不足、易产生误报、扰动探测信号失真等问题严重影响系统的性能,制约系统的实际应用。本文针对Ф-OTDR探测系统应用的局限性,提出了一系列改善Ф-OTDR系统传感性能的方法。主要研究内容包括:1、建立了Ф-OTDR简化探测模型,解释了脉冲内外形成相干瑞利散射的条件和机理,分析了制约Φ-OTDR探测系统传感覆盖距离、频谱响应范围和检测敏灵度的因素,为研究改善Φ-OTDR系统探测性能的技术措施奠定了理论基础。2、分析了Ф-OTDR探测信号的噪声来源和特点,提出了一种自适应阈值的小波去噪方法和阈值选取方法。通过实时评估光纤首端的信号噪声水平,获得光纤全程的噪声阈值修正参数,使降噪阈值可自适应跟踪噪声水平变化,不受距离变化的约束,克服了Ф-OTDR探测系统首末端信号噪声电平不一致性的影响。应用表明,该方法可将扰动信号信噪比提升约10dB。3、提出了长脉冲Ф-OTDR探测和定位方法,增加了Ф-OTDR探测系统的有效传感距离。明确了Ф-OTDR探测系统产生非线性效应的优化参数,增加探测脉冲宽度获得较大的传感距离,同时,提出了基于关联维数域的扰动响应区间判定方法,实现了长脉冲条件下扰动位置的精确定位,克服了增加探测脉冲宽度对定位准确性的影响。应用测试表明,长脉冲Ф-OTDR系统的探测距离达60km,扰动定位精度6.8m,具有单端特性,可满足油气管道安全预警系统探测距离和定位精度的需求。4、提出了马赫-曾德干涉(MZI)与Ф-OTDR结合的混合式扰动探测方案,利用窄带光纤光栅进行光信号分离,反射Ф-OTDR散射光透射MZI探测光,实现波分复用;同时引入本振光与散射光相干,解调干涉信号中的特定载波获得散射光,进一步滤除MZI泄漏光,提高了Ф-OTDR散射信号的信噪比。应用测试表明,系统能实现频率为1Hz~49MHz的扰动探测,定位精度20m,同时具备宽频率响应能力和高定位精度。5、提出了基于多波长探测的Ф-OTDR系统抗干涉衰弱方法,利用多波长探测补偿单一波长探测过程出现的相干衰弱,提高光纤沿线扰动探测灵敏度及其一致性。应用测试表明,当双波长Ф-OTDR系统波长差在0.012nm以上时,系统能使光纤全程有效传感点数增加30%。