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相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)是一种基于瑞利散射的新型分布式光纤传感技术，它不仅具有光纤传感器的抗电磁干扰、隐蔽性好、体积小、重量轻等优点，还兼备分布式动态检测、相位定量测量等优势，成为近年来国内外研究的热点。然而，当前的Φ-OTDR技术仍存在许多问题亟待解决，以满足实际工程应用的需求。在Φ-OTDR中，空间分辨率由脉冲宽度决定。在外差探测方式中，传感距离由光源的相干性和脉冲能量决定。受限于光纤中的非线性效应，脉冲光的功率受限。更高的空间分辨率需要更窄的脉冲，但是脉冲宽度降低会导致注入光能量减少，进而导致SNR和传感距离的降低。因此，空间分辨率与传感距离之间存在矛盾的关系，不能满足同时需要高空间分辨率和长传感距离的应用需求，如大型结构裂纹检测等。此外，由于Φ-OTDR是基于光纤中的瑞利散射信号，灵敏度受限，信噪比有待提升，难以满足空气中微弱声音探测等需要高信噪比、高灵敏度的应用场景。 本文针对Φ-OTDR面临的技术问题，主要围绕用于Φ-OTDR技术的新型传感光源、空间分辨率与传感距离的矛盾、高灵敏度传感系统的实现以及实际工程应用等问题，进行一系列的理论和实验研究。研究内容总结如下: 1)研制了一套定量化相位敏感光时域反射计传感系统样机，并进行了定量化实验进行验证。首先，详细阐述了Φ-OTDR的散射系数模型、一维脉冲响应模型以及综合瑞利散射模型，以及基于综合瑞利散射模型的传感机理;然后，基于该综合瑞利散射模型仿真研究了系统中的关键参数对其性能的影响，并介绍了Φ-OTDR系统的结构、核心器件选型和实验研究等内容。实验结果与理论一致，可以实现定量解调，具有很好的响应线性度。实验中，扰动范围12.3m，测得的相位变化为0.07rad时，对应轴向应变约为1.6nε。 2)提出了一种基于扫频脉冲的高空间分辨率长距离Φ-OTDR技术。建立了理论模型，分析了通过线性扫频脉冲作为传感光，并通过脉冲压缩技术进行信号处理来同时获得高空间分辨率和长传感距离、高信噪比的可行性。提出并设计了一种基于边带调制和注入锁定技术的可调频激光光源，能够实现窄线宽线性调频。当从激光器锁定于第4阶边带时，该激光器实现了线性调谐范围＞15GHz，线性度偏差240kHz，调频速率＞2THz/s，调谐激光线宽2.5kHz，输出功率16mW。利用该可调谐激光光源，进行了实验验证。扫频范围为420MHz，脉冲宽度为2us时，实现了传感距离为20km，空间分辨率30cm，信噪比10dB;进一步实验中，扫频范围105MHz，脉冲宽度1.5us，可实现的最大传感距离可达到75km，空间分辨率为0.95m。实现亚米级空间分辨率的同时，传感距离和信噪比没有出现恶化，打破了传统Φ-OTDR中空间分辨率与传感距离之间的矛盾关系。 3)提出了基于数字增强干涉技术和低反射率光纤光栅的高灵敏度的准分布式光纤振动传感器，能够满足声音或其它微弱振动信号的检测。从理论上分析了伪随机码调制和数字增强干涉技术的基本机理，以及采用低反射率光纤光栅作为反射点的优点。并通过实验实现了声音传感实验和PZT扰动信号的测量，验证了系统在信噪比等指标的改善效果。 4)发展了基于Φ-OTDR和既有通信光缆的列车轨迹监测技术。不需要额外铺设光缆，通过铁路沿线的既有通信光缆实现了对列车轨迹的实时分布式长距离监测。在普速铁路和高铁上得以实际应用，总监测距离＞40km，列车定位和车长精度约为10～50m。首先，介绍了基于Φ-OTDR和既有通信光缆的列车轨迹监测系统结构以及列车识别、列车信息提取和滤出噪声等基本原理。然后，结合本人参与的实际工程项目内容，介绍了该技术在高铁列车轨迹监测和普速铁路中道口列车接近预警系统中的应用。通过该技术可以实现列车轨迹的实时分布式检测，可以实时检测到列车的位置、速度、方向和车长等信息，并进一步计算出列车距离某特定位置（如道口）的相对距离和相对时间等，对于铁路列车调度和沿线安全监测具有重要意义。