由于光纤技术的先进性,世界各地对光纤的使用兴趣正在逐渐改变和增加,已经表明这种现象直接或间接地影响着日常生活的发展。迄今为止,使用光纤传感器已成为当务之急,因为它们易于为人类使用、经济上可持续、尽管其中一些价格昂贵。它们为国家的大型基础设施提供了良好的安全监控。显然,世界经济正在增长,对大型基础设施（例如建筑、电力、交通运输）的需求也在不断增加。仅满足这些需求并不是社会的解决方案,应该对基础设施进行安全监控,并在测量中提供准确且最小的误差。因此,要推进这些技术,应该做大量的、持续的工作。研究人员正在努力改进新颖的方法和设计以改善光纤传感技术及其效率。本论文的研究内容包括研制分布式光纤温度/应变传感器、为提高基于瑞利散射（Rayleigh backscattering,RBS）的分布式光纤温度/应变传感器的性能做出贡献。基于瑞利散射的分布式光纤传感器能够动态测量光纤中的温度和应变变化以及振动/声。作为光纤传感的关键技术,相敏光时域反射计（Phase-sensitive optical time domain reflectometry,ф-OTDR）作为一种高灵敏度的分布式传感技术,因其系统结构简单、鲁棒性强、分布式传感等优点而备受关注。该技术主要通过扫频、啁啾脉冲、相干检测等多种算法的结合来实现。这些方法在测量精度、响应范围、空间分辨率和系统复杂性方面有不同的局限性。它们在周界安全监测、微弱振动测量等需要良好和高精度测量的领域应用非常显著。因此,研究一种可靠、直观的动态分布式ф-OTDR测量系统具有十分重要的研究意义和应用前景。本文提出了一种基于图像匹配算法的双频多频ф-OTDR技术,利用二维数据和探测脉冲之间的频率差来补偿温度/应变变化引起的散射信号相位变化。通过选择合适的频率对,实现了温度和应变变化率的测量。该方法具有动态测量范围大、抗衰落噪声能力强、带宽要求低等优点。本文提出的基于图像匹配方法的双频和多频ф-OTDR技术包括以下主要研究内容:（1）研究了光束在光纤中传播时的散射过程。特别地,对瑞利后向散射进行了详细的描述和表征。报道了能很好地理解光纤中光散射现象的简化理论方法。给出了控制光纤中RBS过程的基本理论方程。定义了RBS的主要特性,即线宽和中心频率。此外,通过对双频和多频相敏ф-OTDR传感技术的基本方法的简要描述,提出了用于解调和测量精度的温度和应变测量的最新进展。（2）建立了基于频率补偿ф-OTDR技术原理的双频和多频ф-OTDR方案的仿真模型,并对其机理进行了详细分析。然后分别介绍了双频ф-OTDR和多频ф-OTDR的传感原理,验证了基于图像匹配方法的可行性。模拟分析了双频脉冲的温度变化率与时间延迟的关系,以及多频脉冲的应变变化与频移的关系。然后,研究了时间窗误差（反映时延）与测量误差的关系,并进一步研究了空间窗对解调误差的影响。结果表明即使相位效应影响线性度,瑞利散射光场的相位也与温度和应变有关。（3）对基于图像匹配的双频相敏光时域反射ф-OTDR进行了仿真和温度传感实验。仿真分析结果表明,引入图像匹配方法进行数据处理后,与一维数据匹配处理相比,双频技术的时间分辨率和传感精度有了显著提高。与传统的双频ф-OTDR通过曲线匹配获取数据的方法相比,该方法在保持空间分辨率的同时,有效地提高了时间分辨率和测量精度。在实验中,采用10 s的时间窗,该方法实现了与传统的40 s时间窗方法相同的测量精度,时间分辨率提高了4倍。在90m光纤末端2 m热区的传感中,采用10 s时间窗时,测量误差从21.4%抑制到1.2%。传感精度提高了近5倍,实现了空间分辨率为2 m的分布式温度传感。（4）展示了一种在保偏光纤中测量ф-OTDR应变的方法。对多频ф-OTDR进行了仿真和实验研究。使用几对频率差为v的脉冲来监测应变变化。分布式动态应变传感实验的仿真结果表明,该方法可以提高扫频技术的传感精度,并将空间分辨率保持在2 m水平。振动实验结果证实,基于该方法的频率扫描ф-OTDR具有测量动态纳应变的能力,最小可测量应变小于10 nε。这是通过有选择地检测来自给定PMF模式的信号来实现的,以增强ф-OTDR测量。通过电动定位施加应变,从而提高施加应变的精度水平。这意味着ф-OTDR信号显示出纳米应变振动,并且灵敏度很高。因此,对于被测光纤的小相对和累积大应变测量,基于实验结果计算的灵敏度为-144.4 MHz/με。在此范围内,获得了接近单模光纤150 MHz/με的应变灵敏度。所得值与预期值相似。（5）提出了一种基于布里渊散射和瑞利散射双机制传感技术的高分辨率分布式应变传感方法,并进行了实验验证。该方案使用同一组通过频率捷变技术调制的频率扫描光脉冲进行快速测量。布里渊传感用于提供绝对应变参考,瑞利传感信号提供高应变分辨率的相对应变变化。在40 m保偏光纤上,结合两个传感信号,实现了6.6 nε高分辨率真实动态应变测量。采用ANC技术对瑞利传感信号进行标定。校正信号的测量范围由布里渊传感确定,应变分辨率取决于瑞利传感。在mε测量基准上,实现了高分辨率、大量程的绝对动态应变传感。通过本文的研究工作,提出了一种可行的双频和多频分布式光纤传感方案,能够准确地检测温度变化和应变。因此,这些解决方案可以为提高分布式光纤传感技术在现场应用的可靠性提供技术支持。此外,本文提出和论证的多频分布式光纤传感技术可以很容易地应用于现有的基于瑞利散射的分布式光纤传感器。