随着光纤传感器解调方法和组网技术的发展,光纤传感网络的测量精度和组网容量不断得到提升,使其在地球物理勘探、地震探测以及海洋环境观测等地球物理研究中得到关注与应用。地球物理研究中的地质大数据获取和地球知识发现对传感系统的探测分辨率、测量频带、探测距离和探测密度都提出了极高的要求。现有的高精度单点光纤传感系统代表了光纤传感技术的探测性能极限,具有较高的测量分辨率,然而高精度光纤传感器的大容量复用与解调还具有一定的挑战,难以实现大范围、高密度的地球物理精密探测。因此,研究高精度、大容量的光纤微振动传感网络对提升地球物理大数据采集质量和地质结构成像的精细程度具有重大意义。本论文针对地球物理探测领域中对地层微振动的大范围、高密度和高精度探测的实际需求,开展大容量、高精度的光纤微加速度和微应变两类传感网络的理论和实验研究,并探索其在浅地表地质结构成像和海洋地震勘探中的应用。本文的主要内容和创新工作包括:（1）针对微振动加速度传感系统高精度测量与大容量组网的实际需求,提出基于分布式反射（DBR）光纤激光器干涉拍频解调的微加速度传感网络。通过DBR光纤激光器的结构设计、波长选择和光路稳定,优化了DBR光纤激光器的拍频稳定性;通过引入T型悬臂梁加速度换能器,实现了宽频带的高灵敏加速度换能;进一步的,采用时分/波分混合复用大容量传感组网架构,构建了高精度、大容量的微振动加速度传感网络;并研制了基于超外差接收机和全数字正交鉴频的高分辨、多信道、高速解调系统。实验结果表明,该传感网络具备128个传感节点的接入能力,传感结构能够实现在20Hz-250Hz频带内高达1.79×10-8 g/√的加速度测量分辨率,传感网络中各节点的串扰小于-70d B。同时该传感网络还展现了1.35×10-6 g的超高测量精度。（2）针对相位敏感型分布式微振动应变传感系统中存在的强度衰落噪声问题,提出了一种基于多波长复用和差分矢量叠加的衰落抑制方法。理论分析了相位敏感型光时域反射（φ-OTDR）传感系统中干涉衰落的影响因素和衰落概率,仿真结果表明采用多个独立随机的瑞利散射拍频信号进行合成,可以有效抑制瑞利散射光的干涉衰落噪声。进一步,通过实验搭建了基于双波长复用的外差干涉接收系统,并引入基于空间矢量差分和时间矢量差分的差分矢量叠加算法进行散射信号合成,该方法在5km的单模光纤中将衰落概率从9.4%抑制到了1%,并在散射增强微结构光纤中实现了接近无衰落的分布式应变测量。（3）针对相位敏感型分布式微振动应变传感系统中存在的共模噪声问题,提出了基于同位参考补偿光纤和机器学习辅助的低频相位噪声抑制技术。详细分析了分布式传感系统中共模相位噪声的产生因素,以及激光频率波动和环境温度波动的影响规律;在此基础上,采用同位参考光纤和差分相位补偿方法有效抑制系统中相位解调系统追踪的共模相位噪声。进一步,针对温度耦合相位噪声在参考光纤和传感光纤之间的非线性现象,提出了基于迟滞算子和最小二乘支撑向量机（LS-SVM）的机器学习回归方法,实现了低频相位噪声的高精度补偿。搭建了基于散射增强微结构光纤的分布式应变传感实验系统,该系统在10Hz以上的频带内具有10.5pε/√的超高动态应变分辨率,并首次实现在0.001Hz极低频率处166pε的亚纳应变级的分布式测量分辨率。（4）针对高精度光纤传感网络在地球物理研究和海洋勘探的实际应用需求,开展面向近地表地质结构成像的分布式声场追踪技术以及面向海洋地震勘探的轻量化水声拖曳缆的研究。进行了城市背景噪声的分布式微振动信号采集以及微弱人工地震信号采集,基于双波长衰落噪声抑制技术和基于机器学习辅助的共模噪声抑制技术,成功探测到了里氏0.7级的微弱人工地震;针对海洋地震勘探对高灵敏、高密度的水听拖曳缆的需求,基于高精度的分布式传感解调系统和散射增强微结构光纤,研制了轻量化的光纤分布式水听拖曳缆系统,实现了-136 d B re（1rad/μPa）的超高水声灵敏度。