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相位敏感光时域反射系统(Φ-OTDR)可实现光纤沿线多点扰动的分布式监测,在重要场所的安防以及基础设施破坏情况检测等领域具有广阔的应用前景与深远的社会意义,本文以提高Φ-OTDR系统性能及其对扰动信号识别的准确率为目的,开展了相关研究工作。首先,基于Φ-OTDR系统的工作原理、数学模型及典型结构,提供了模块选型依据及设计参考,为高性能的Φ-OTDR系统功能的实现提供必要条件;为解决由于声光调制器驱动器脉冲斩波信号和频率调制信号时钟不同源问题,所引起的初始相位随机抖动现象,设计了时钟同步控制模块,提高了系统相位解调能力和扰动定位效率;为解决激光器频率漂移以及温度变化情况下声光调制器晶体折射率变化所引起的频率漂移,研制了一种基于双重同源外差相干检测的Φ-OTDR系统,采用外差相干子系统对系统中的频率漂移进行跟随,并产生用于混频的本振参考信号,消除了解调结果中的杂散频率,提高了系统的频率解调准确性和系统信噪比;在原有相位解调基础上,采用时间域二次相位解卷绕,提高系统对扰动信号强度响应的一致性;为实现非平稳随机扰动信号特征的准确与快速提取,提出了基于MEEMD-Hilbert变换的非平稳信号时-频域分析方法,结合BP神经网络特征训练与分类器,对扰动信号的识别正确率达到98.3%;最后,以横琴综合管廊为应用实体,在提供Φ-OTDR系统实用化方法参考的同时,对Φ-OTDR系统的性能进行再次验证,应用结果表明所研制的Φ-OTDR系统具备突出的扰动信号检测与识别能力。