分布式光纤传感技术是一种采用光纤作为感知元件和传输介质的传感技术。其中相位敏感光时域反射仪（φ-OTDR）是分布式光纤传感的一个研究热点,可以分为分布式振动传感技术（DVS）和分布式声波传感（DAS）技术。由于其拥有灵敏度高、可分布式测量等众多优点被广泛应用在自然灾害检测、基础设施健康监测,边界入侵监测等民用和军事领域,具有越来越重要的研究和应用价值。在φ-OTDR中传感距离和频率响应范围是重要的参数。为了避免后向瑞利散射光发生波形混叠,在φ-OTDR系统中探测脉冲周期应当至少大于探测脉冲在传感光纤往返时间。同时为了满足奈奎斯特采样定理要求,探测脉冲重复频率至少为振动信号最大频率两倍,实际上由于噪声影响探测脉冲重复频率通常设置的更高。由此可知在φ-OTDR中传感距离和频率响应范围之间存在固有的矛盾,因此在一定传感距离下突破奈奎斯特采样定理限制是十分必要的。受串行多陪集采样的启发,本论文设计了一种非均匀采样序列应用于φ-OTDR系统,与传统的均匀探测脉冲相比,该采样序列可以用较少的探测脉冲恢复振动信号信息。同时并采用连续到有限的方法来恢复振动信号的频谱。在仿真和实验中对不同类型的信号进行了重构。主要研究内容如下:（1）本文介绍了分布式光纤传感技术的原理及应用,根据结构的区别将传感系统进行了分类并说明它们的应用场景和优缺点。然后调研了分布式传感系统的发展历史,进而说明了本论文的研究背景。本文还分析了基于瑞利后向散射的φ-OTDR系统中的幅度检测和相位解调原理,介绍了目前流行的三种相位解调系统的系统结构与原理,最后对评价φ-OTDR系统功能的主要参数进行了讨论,阐述了提升系统参数的方法。（2）本论文将多陪集采样和频谱重构算法应用到φ-OTDR系统,旨在打破φ-OTDR系统中传感距离和频率响应范围之间固有的矛盾,最终在φ-OTDR系统中实现了宽带信号的亚奈奎斯特采集和重构。本论文介绍了多陪集采样和频谱重构算法,然后在理论指导下对多种类型的信号进行了仿真。并且设计了一个平均采样率为4.8 kHz的非均匀采样脉冲,应用到传统的φ-OTDR系统,成功恢复了中心频率为4.6kHz的宽带啁啾信号的时域谱和频谱。本文创新点如下:（1）受多陪集采样技术和连续到有限块算法的启发,本论文设计了一个非均匀的采样序列,并利用连续到有限算法确定稀疏信号的主动频谱范围。实验成功恢复出了宽带啁啾信号的时域和频域信息,这突破了奈奎斯特采样定理的局限性,为宽带信号检测迈出了重要的一步,在未来的研究和应用中显示出了巨大的潜力。（2）本论文提出了一种基于串行多陪集采样的宽带稀疏振动信号恢复方法,该方法能够以亚奈奎斯特采样率恢复宽带稀疏振动信号,使用少量的探测脉冲数量即可采集到所需要的全部数据。数据量的减少提高了信号的处理速度,同时也降低了数据存储和存储配置的要求。