在光纤传感系统中，微弱传感信号和高频传感信号的精确检测一直是研究的热点。微弱的光纤传感信号易受到检测仪器的本底噪声或者外界环境的干扰，经常淹没在噪声中，此时无法对微小传感变量进行精确判断。现今提高光纤传感器系统检测精度的方法大都为对光纤传感器的结构进行改进或对传感信号进行时域的降噪处理。在结构改进方面可以采用低噪声高放大倍数的光电转换电路或在解调系统中引入干涉仪等，但这些方式都会增加的传感系统的成本及复杂度，特别是干涉仪的引用还会降低系统的抗干扰性。对传感信号进行降噪处理如采用小波变换，神经网络和相关检测等算法提升系统传感精度的范围有限，而且算法繁琐降噪过程比较耗时，不适合光纤传感系统实时监测的要求。论文针对差分光谱吸收型的光纤气体检测系统、基于FBG的高精度振动传感系统、基于相移光纤Bragg光栅(PS-FBG)的抗干扰型水下超声检测系统和FBG阵列的高频应变解调系统等四个光纤传感系统在实际应用中遇到的问题，运用频谱分析技术提高了光纤传感系统的精度和稳定性。本文通过研究光纤传感信号和噪声在频谱特性、统计特征等方面的规律，根据信号功率谱的特性和幅频特性对微弱信号和高频信号进行辩识，为检测和预测提供了可靠依据。系统检测结果显示应用频谱分析技术的将光谱吸收型气体传感系统的精度提升了1个数量级，将光纤Bragg光栅振动传感器的精度提升了2个数量级，特别是频谱分析中的噪声基底修正算法大大提升了光纤传感系统的可靠性和抗干扰性。具体研究内容分为以下几个方面:　　一、将频谱分析技术运用在气体吸收光谱的检测上，提出了吸收光谱频域标定(ASFD)算法。ASFD算法对乙炔气体吸收光谱进行傅里叶变换后，在频域采用气体吸收特征分量的幅值来标定气体浓度。基于差分吸收光谱型(DOAS)原理的光纤气体检测技术需要对光谱进行冗繁的波长校准和降噪的预处理。ASFD算法克服了由光谱背景噪声和波长偏移对微量气体检测带来的干扰，特别是Window-ASFD算法进一步提高了微量气体检测的精确度和抗干扰能力，将微量100ppm浓度乙炔气体检测的不确定度降低到10.6％，适用于对微量的乙炔气体进行实时监测。　　二、利用频谱叠加的ASFD算法提高了系统的检测极限。DOAS技术的检测极限主要受到吸收光谱背景噪声的影响，本文对DOAS检测系统噪声的来源以及它们在频谱上的分布形态做了深入分析。基于ASFD算法从频域角度分析吸收光谱，首先去除检测系统中的有色噪声，然后配合频域叠加的处理可以降低系统白噪声的影响。该算法将系统的检测极限提升了1个数量级为50ppm。　　三、利用平均周期图法提高光纤Bragg光栅振动传感器的检测精度。FBG用于微弱振动检测时，当被测振动比较微弱时从时域采集的数据很难直接测得到信号的幅度和频率信息。本文将传感器在时域测量获得的连续数据分段后，对每段数据分别进行快速傅里叶变换获得其对应的功率谱信号，然后将频域信号做叠加平均得到新的数据。实验结果表明，采用这种频域叠加平均的方法处理后，FBG传感信号在频域的信噪比提高了15.6 dB，明显提升了微弱信号的检测能力。检测结果表明该系统对FBG波长变化的检测灵敏度可提高到1.5fm。平均周期图法特别适合噪声环境恶劣、被测信号以一定频率持续存在的工程应用领域，对实际环境下微小振动的识别与检测具有较大的意义。　　四、研究了基于相移光纤Bragg光栅的抗干扰型水声探测器，采用PS-FBG传感探头和高效的频谱估计信号处理方法来提高强度调制型FBG水声探测器的灵敏度。特别是在考虑噪声基底的情况下对水下超声声场分布强度参数进行了校正，使得检测的不确定度降低到3％以下，提高了水声探测系统对水下环境噪声的适应性。这款低成本的FBG水声探测器具有高灵敏度、在复杂的水下环境长期保持稳定等优势。　　五、设计了一个新颖的针对FBG阵列高频应变的解调方案。可调谐法布里-珀罗滤波器作为多路复用解调器，低频匀速扫描FBG阵列的波长范围，可以解调出超声波段的高频应变信号。对比现有的基于可调谐法布里-珀罗滤波器的解调FBG阵列技术所需的复杂解调结构和繁冗解调算法，该设计结构简单，不需要配合温控系统或者精密驱动装置。由于解调FBG阵列的过程中不需要寻找FBG的最佳工作点，所以系统的可靠性能得到增强。应用频谱分析技术可以实时的对FBG阵列的高频应变进行精确检测。解调信号的频谱中出现的微多普勒现象可以用来提取可调谐法布里-珀罗滤波器非线性特性或提高振动过程细节信息的识别能力。