分布式光纤传感技术日渐受到人们的广泛关注。与其他传统电传感器相比,分布式光纤传感具有无源、抗腐蚀、可形变等优势,使得其在管道泄漏、电力监测和矿井探测等领域发挥着重要作用。其中,基于相位敏感光时域反射（φ-OTDR）技术的分布式光纤传感系统因其探测距离远、空间分辨率高和频率响应范围宽等优势,一直是分布式光纤传感领域的研究热点。目前,一方面由于系统噪声和环境噪声的影响,使得基于φ-OTDR的分布式振动传感系统在扰动位置的定位方面会出现错误判断;另一方面,在传统的φ-OTDR系统中,受Nyquist采样定理的限制,振动信号的最大测量频率只能为脉冲重复频率的一半。因此,随着传感距离的增加,φ-OTDR系统的频率测量范围会逐步降低。本文在前人研究工作基础上,针对φ-OTDR系统中噪声因素对系统性能的影响和频率响应范围与脉冲重复频率之间的矛盾关系,分别提出了基于全变分算法和压缩感知技术的解决方案,提高了系统的信噪比以及实现在低脉冲重频下重构高频信号。本文主要研究内容和工作如下:（1）本文首先概述了分布式光纤传感技术,介绍了其研究背景及意义。通过对分布式光纤传感系统的分类,指出各种结构系统的优缺点。其次介绍了近年来的φ-OTDR系统国内外的研究进展情况,并按性能参数等方面作了归类。然后详细介绍了传统OTDR和φ-OTDR系统的基本原理,比较了它们的相同点与不同点。最后对评价φ-OTDR系统性能的主要参数进行了讨论。（2）本文提出了基于全变分算法的φ-OTDR系统信号处理方案,通过降低背景噪声实现系统性能的提升。首先将φ-OTDR系统的后向瑞利散射光信号转化为灰度图,根据Euler-Lagrange乘子约束和梯度下降法进行去噪处理。根据实验结果对迭代次数进行优化,进一步提高系统的信噪比。其次与常用的滑动平均滑动差分算法和非局部均值算法相比,显示了全变分算法在φ-OTDR系统去噪过程中的优势。然后通过全变分算法对单一振动和多点振动进行定位实验,验证了算法的适用性与准确度。实验证明,在3.5 km的光纤长度下,300 Hz的振动事件可以被准确定位,信噪比达10.13dB。最后我们检测了全变分算法对宽频信号和实际振动信号的识别能力,成功识别300 Hz～1 kHz的宽频带信号,准确定位实际振动位置。（3）本文将压缩感知技术应用于φ-OTDR系统,旨在解决脉冲重复频率与频率响应范围之间的矛盾,实现sub-Nyquist采样下的高频振动信号的测量及重构。首先介绍了压缩感知技术的原理,然后利用所构造的sub-Nyquist随机采样序列的脉冲调制方式分别对单位置的单频振动信号、单位置的多频振动信号以及多位置的多频振动信号进行扰动位置检测及振动信号重构恢复,在平均脉冲重复频率小于2 kHz的条件下完成对8 kHz振动信号的重构。本文的主要创新点如下:（1）本文从二维图像角度对φ-OTDR系统进行研究,采用全变分算法实现对系统噪声的处理,将后向瑞利散射光信号转化为灰度图像,并利用Euler-Lagrange乘子约束和梯度下降法降低了φ-OTDR系统噪声,提高了φ-OTDR系统的性能指标。全变分算法的提出,为φ-OTDR系统的信号处理提供了一个新的方案。（2）本文基于压缩感知技术提出了随机单脉冲调制方案,在远低于Nyquist采样定理的脉冲重频条件下重构了φ-OTDR系统中的高频振动信号,提高了系统的频率响应范围。（3）利用sub-Nyquist随机单脉冲序列采样,有效降低了φ-OTDR系统中数据存储和信号处理的压力,对长距离高频响分布式光纤传感系统的研究奠定了重要基础。