光相位传感是灵敏度最高的光纤传感方式。传输光束受外部环境的扰动或复杂信号调制而产生的相位变化规律和特征识别是目前光传感领域研究的重点之一。光相位变化具有极高的灵敏度，极易受到外界环境扰动的影响，尤其是处于恶劣环境条件下探测和识别被测信号引起的相位变化，并由此感知外部扰动的性质和发生的位置是不易实现的。此外，有时被测的机械振动信号本身强度小，引起的光相位变化常常处于噪声水平，而且由于不能直接测量光的相位，在间接测量的变换中又会产生附加噪声，被测信号往往被传感系统的各个环节产生的噪声所淹没，极大的限制了传感距离和系统灵敏度，这给相位传感测量带来新的困难。本论文研究和分析了长距离分布式光相位传感的发展现状和问题，提出在长距离上对复杂信号进行分布式传感必须研究稳定系统和消除噪声的方法；指出目前采用光时域(频域)反射技术解决定位问题的方法不含光相位信息，且处理速度慢，不适于长距离光相位检测系统中的定位；此外，对于被测信号特征的识别尚无有效方法可以直接利用。本研究基于对这些关键问题的分析，确立了通过检测分布式光相位变化实现超长距离(50Km)光纤传感的研究方案；通过相关的理论和实验研究，初步解决了该传感系统所涉及的关键问题；建立了灵敏而稳定的50Km超长距离分布式光相位光纤传感的实验系统和相关的理论模型。 本论文研究内容是围绕光电信号提取和处理的理论和技术，以及建立超长距离分布式光相位光纤传感系统两个方面确立的。主要包括：光相位传感系统检测信号的形成模型和被测信号的特征识别；有效抑制外部扰动，提高系统稳定性和灵敏度、以及建立超长距离分布式光相位光纤传感系统的方案和设计、研究被探测量的分布式高精度定位。主要结果归纳如下： 1．以振动信号为被探测量建立了超长距离复杂信号光相位传感系统的理论模型。利用光干涉和振动理论深入研究了传感系统光电信号的形成过程，分析了光电信号的频率特性，推导出光电信号频率特性和振动频率、幅度的关系，并进行了实验验证。这一结果为提高传感系统检测灵敏度、定位精度和传感距离提供了设计依据，也为传感系统自动识别不同振动信号提供了理论准备。 2．构建了超长距离复杂信号分布式光相位实验传感系统的光路。选择了合适的激光光源的输出功率、线宽，保证光波在干涉仪中可以发生干涉；根据光纤理论，选择单模光纤，工作波长为1550nm。设计了8字成缆结构，使传感臂、参考臂、回传臂封装在一起，便于安装和调试，同时又增强了传感系统的灵敏度。耦合器的严格分光比应为0.5，而且Mach—Zehnder干涉结构中的两个耦合器的分光比应尽量相同，以得到最大的可见度。 3．设计了用于本传感系统的模拟运算锁相电路，能有效抑制外界扰动；直流相位跟踪法最适合于超长距离复杂信号光相位检测系统。与数字锁相电路相比，模拟运算锁相电路的信号处理速度和同步性更高，因此，搭建模拟运算锁相电路实现直流相位跟踪。本文从自控原理出发，分析了优化模拟运算锁相电路性能的方法，分析表明，模拟运算锁相电路必须是由两个积分环节构成的二阶系统，才能够实现无误差的相位稳定。实验验证了上述理论分析，与一阶锁相电路相比，二阶锁相电路使传感系统稳定性提高了一个数量级。 4．通过稳定光源偏振态和输出功率、滤波技术和信号预处理电路，有效降低了传感系统噪声。分析了传感系统中各种噪声产生的原因，提出了解决的方案。偏振态的随机波动会在传感系统中产生偏振噪声(或称为偏振信号衰落)和相移噪声，使光电信号的可见度下降。通过控制偏振态的方法，使传感系统输入光波的偏振态矢量与传感系统中干涉仪的本征偏振态矢量重合，使偏振噪声和相移噪声都得到了有效抑制，光电信号的可见度得到提高。搭建了激光驱动电路和温控电路，稳定光源的输出功率，减小光源幅度噪声。设计了光电信号预处理电路，使一路光电信号可以转化为两路互补的信号，降低了激光相位噪声。设计了适合的滤波器，抑制了复杂信号光相位检测的噪声。 5．提出了多次计算逐步逼近相关算法和“双Mach—Zehnder”结构相结合的方案，实现了对被探测量进行分布式高精度定位。对相关定位方案进行了理论推导。研究了定位时对光电信号的采样频率和采样点数选择的问题。提出多次计算逐步逼近算法减少定位误差、提高检测效率。实验上采用240KHz采样频率，10k采样点，理论上得到的定位误差范围为78m，计算时间为134.67ms。这样的结果在实际工程中是可以接受的。用上述相关定位方案和算法，在长传感距离(50Km)范围内对振动信号进行定位，最大定位相对误差小于±2％；当传感系统埋设于地下0.5米处时，定位相对误为±0.19％。 本文对下面的问题进行了具有创新性的探讨： 1．建立了相位传感系统检测信号的形成模型，揭示了光电信号频率特性和被测量的振动频率和幅度的定量关系。依据干涉和振动理论，推导出传感系统的检测信号频率的变化与被测振动信号的频率和幅度的定量关系，并为实验所验证。这一结果可为设计传感系统滤波器和相关电路，提高系统检测灵敏度和增长传感距离提供重要参数；也可为设计传感系统自动识别不同类型的振动信号提供了理论和实验依据。 2．设计了模拟运算锁相电路，有效抑制了外部扰动，提高了系统稳定性，实现了50Kin距离的分布式光相位传感。应用自动控制理论对模拟运算锁相电路的设计方案进行了理论分析，优化了电路的性能，使系统比优化前的稳定性提高了一个数量级。模拟运算锁相电路比数字运算锁相电路具有更快的信号处理和同步控制速度。本文也解决了模拟运算锁相电路的重置问题。这些技术措施，是实现灵敏而稳定的超长距离分布式光相位传感的技术保证。 3．提出了多次计算逐步逼近相关算法和“双Mach—Zehnder”结构相结合的方案，实现了对被探测量进行分布式高精度定位。