分布式光纤传感诞生于上世纪70年代,自问世以来受到了各行各业的广泛关注。经过数十年的发展,分布式光纤传感被应用到了资源勘探、科学研究、工业生产等重要领域,产生了极其巨大的社会价值。除了具有灵敏度高、耐高温及腐蚀等恶劣环境、抗电磁辐射等优势外,相比于传统的点式光纤传感器,分布式传感还具有极高的传感器复用能力,十分有利于大规模组网,实现大范围高精度测量。在各类分布式光纤传感技术中,相位敏感光时域反射仪（Phase-sensitive Optical Timedomain Reflectometry,Φ-OTDR）以其灵敏度高、响应速度快等优势,成为地震波检测、地质资源勘探、入侵监测等领域实现声波信号采集的重要手段。随着感知通信一体化概念的提出,逐渐出现利用现有海量的光纤通信网络实现汽车定位、人为背景噪声监测、地震波测量等应用,使得Φ-OTDR具有了更加广阔的应用前景。Φ-OTDR本质上是通过时分复用实现光纤沿线等效传感器的复用,因而其传感带宽与传感长度之间存在着固有矛盾。与此同时,光纤衰减的存在也使得应变底噪、空间分辨率、抗干涉衰落能力等重要传感性能均与传感长度息息相关。随着Φ-OTDR传感长度百公里级的突破,以及应用场景逐渐向水听、高压电缆局部预放等高频声波传感领域发展,传感带宽与传感长度之间的矛盾愈发凸显,对应变底噪、空间分辨率、抗干涉衰落等性能的要求也越来越高。本论文以实现宽带高性能Φ-OTDR为目标,以信道的正交化复用为主要思路,研究克服Φ-OTDR主要性能参数间制约关系的方法,实现系统测量重复率的提升,并进一步优化Φ-OTDR的传感带宽、空间分辨率、应变底噪等关键传感性能。主要工作内容总结如下:（1）探讨了存在于外差探测Φ-OTDR中的Kramers-Kronig关系,提出了基于啁啾连续光的高带宽低噪声Φ-OTDR。基于外差相干探测Φ-OTDR瑞利散射信号特征,通过严格的理论推导,分析了单通道相干探测的理论基础,揭示了Φ-OTDR光场重建所需通道数目与信号特征间关系,并探讨了信号负频、信号自拍频等在相干探测中的作用。提出了啁啾连续光Φ-OTDR（Continuous Chirped-waveΦ-OTDR,CCWΦ-OTDR）,充分利用了时域、频域资源,有效解决了传统脉冲型Φ-OTDR无法真正实现时空连续信息采集的问题,极大地提高了系统的综合传感性能。在1013m传感长度的验证实验中,实现了传感带宽1.042 MHz、空间分辨率4.4 m、应变底噪5 pε/√Hz、无干涉衰落的超高带宽低噪声分布式声波传感,相比于传统单脉冲方案实现了测量速率超过20倍的提升。除此之外,CCWΦ-OTDR可实现时空连续信息采集的特点,为其提供了强大的信号数字域重构能力,解决了传统Φ-OTDR不能针对不同特征的多点扰动分别进行扰动质量最优化的问题。该技术将促进Φ-OTDR向长距离、高频传感领域,以及人为背景噪声测量、城市交通等复杂信号源领域拓展。（2）提出了基于同频正交编码的Φ-OTDR（Φ-OTDR based on Orthogonal codes in the same frequency,OCSFΦ-OTDR）,可在接收机带宽不变、不牺牲其他性能参数的前提下实现准分布式传感系统测量重复率的成倍提升。从准分布式传感基本理论模型出发,分析了同频正交编码作为Φ-OTDR探测波形获得瑞利散射信号的特征,进而给出了可实现准分布式Φ-OTDR传感信道复用的同频正交编码的特征需求及其产生方案。在验证实验中利用三组同频正交编码,在860 m的传感光纤上,实现了166.7 k Hz传感带宽、5 m空间分辨率、4.6 pε/√Hz应变底噪的分布式声波传感。该方案为提升Φ-OTDR频谱利用效率,进一步提升其传感性能提供了新的方向。（3）从理论、仿真和实验三个方面阐明了基于相干探测的散射图样解调型相干光时域反射仪（Coherent Optical Time-domain Reflectometry,COTDR）的噪声功率下限。通过严格的理论分析,证明了相干探测的COTDR与传统的时延估计问题相比,具有不同的噪声和信号特征,因而不能如同直接探测的COTDR一样直接采用时延估计问题的克拉美罗下界（Cramér-Rao Lower Bound）作为噪声功率下界。随后从无偏估计理论出发,推导了相干探测COTDR的克拉美罗下界,并最终通过仿真与实验进行了验证。该工作是对基于相干探测COTDR的分布式传感系统性能极限的一个探索,为此类系统的后续进一步研究提供了理论指导。