光纤分布式声波传感技术（DAS）具有抗恶劣环境、长距离高分辨、单纤全分布、快速响应的显著优势,其在地震成像、资源勘探和结构健康监测等大尺度声波检测领域具有广阔的发展前景。本文以实际应用需求为导向,围绕优化系统噪声水平、提升传感灵敏度和拓宽响应频带等方面,开展DAS系统关键技术的理论和实验研究,并探索其在地震成像、油井勘探和水声探测等领域的应用。本文的核心内容和创新工作主要包括:（1）针对外差相干分布式声波传感系统的衰落噪声,提出一种多载频调制结合时间差分矢量叠加的衰落噪声抑制技术。理论分析了衰落噪声对声波传感信噪比的影响;基于相位声光两级调制系统,提出时间差分光矢量叠加算法进行多载频融合。实验结果表明,相比于单载频系统,该方案的信道衰落（底噪均方根大于0.2为参考）概率由70.07%降低至4.76%,解调信号的静态底噪最大可降低11.7 d B。（2）针对系统存在的强度衰落噪声和欠采样采集噪声,提出时空联合过采样-降采样的噪声抑制方法。一方面,开发空间维度的过采样-降采样衰落噪声抑制算法,消除强度衰落噪声;另一方面,提出时间维度的过采样-降采样处理算法,进一步抑制欠采样噪声。通过时空联合处理方法,在0～500 Hz目标带宽下,实验上消除了衰落影响,且使动态声波信号传感信噪比提升20.8 d B,应变分辨率可达2.58 pε/√Hz@100～500Hz。（3）针对普通单模光纤线性结构声压灵敏度较低的问题,提出离散散射增强光纤（DSEOF）结合高灵敏声波换能结构的双重增敏方法。理论分析了DSEOF的信号增强和衰落噪声抑制机理,从信噪比角度提升测量灵敏度;设计高灵敏筒状声波换能结构,通过力学分析研究了其换能增敏机制和动态响应特性。该系统可实现波形高保真恢复,最大误差低于3.07%,空气声灵敏度高达-112.5 d B re rad/μPa@500Hz～5k Hz,对比普通光纤传感信噪比增强18 d B。（4）针对分布式传感系统中监测距离和响应带宽相互受限的问题,提出基于DSEOF的时隙分插复用频带扩展技术。利用DSEOF中相邻离散峰之间的冗余时隙分插复用多个探测脉冲,从而提高光采样频率;提出互相关解复用算法实现复合探测曲线的解耦,进一步根据时序重组相位实现解调。采用20 m散射增强间隔、长度1020 m的DSEOF,实验上成功实现高达300 k Hz的最高检测带宽,相比传统分布式系统（49k Hz）提升6倍。（5）基于上述关键技术研究,开展高灵敏宽频带DAS系统在地震成像、油井勘探和水声探测等领域的应用探索。实现对主动地震声源和城市背景噪声的记录和分析,成功获得油井VSP测量的高质量数据资料,通过湖试应用实现水下目标的探测追踪,展示了高灵敏宽频带DAS系统的应用潜力。