随着国家基础设施建设的规模迅速增加,人们对于铁路隧道、机场港口以及桥梁水利等大型基建设施的高灵敏度结构健康监测需求日益提升。相位敏感性光时域反射计(Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer,Ф-OTDR)作为一种高灵敏度的分布式传感技术一直得到了学者们的广泛关注,具有极其重要的研究意义和应用前景。本文提出了基于图像匹配法的频率补偿型Ф-OTDR技术,开展了如下的研究内容:首先,本文根据Ф-OTDR技术的理论模型,分析了基于频率补偿原理的Ф-OTDR技术的传感机制,分别介绍了双频Ф-OTDR技术和扫频Ф-OTDR技术的传感原理,并且证实了基于图像匹配法的频率补偿型Ф-OTDR技术的可行性。通过理论研究,本文提出了Ф-OTDR技术的“局部相位效应”,发现了该效应将影响瑞利散射光场相位与温度/应变之间的线性关系。基于Ф-OTDR技术的频率补偿原理,本文开展了基于图像匹配法的双频Ф-OTDR技术的仿真和实验研究。通过仿真分析发现,引入图像匹配法进行数据处理后,相比于一维数据匹配过程,双频Ф-OTDR技术的时间分辨率和传感精度均可以得到显著的提升。温度传感实验的结果也表明,引入图像匹配法后,时间分辨率提高了4倍以上,传感精度得到了将近5倍的提升,温度灵敏度可以达到6mK。为了减小图像匹配对系统空间分辨率的影响,本文使用了“阈值判别法”,实现了2 m空间分辨率的分布式温度传感。最后,本文开展了基于图像匹配法的扫频Ф-OTDR技术的仿真和实验研究。通过仿真研究发现使用图像匹配法进行数据处理,系统的抗噪声干扰能力得到明显提升,更适用于低信噪比情形。分布式温度传感实验的结果表明,使用图像匹配法后,扫频Ф-OTDR技术的传感精度可以提高3倍左右,空间分辨率保持在2 m水平。此外,振动实验的结果表明,基于图像匹配法的扫频Ф-OTDR技术具有测量动态微小应变的能力,最小可测应变可以达到50 nε。