自上个世纪末,分布式光纤传感技术以传感与传输为一体的优势以及具有较强的抗干扰能力,使其在工程应用中越来越广泛。分布式光纤传感技术作为最新的传感技术,克服了传统电子点式分离的振动传感器的不足,拥有更加广阔的应用前景。其中,相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）针对振动这一物理量有着优秀的探测能力。并且Φ-OTDR系统通过对采集的后向瑞利散射信号进行解调得到外界环境振动引起的相位变化。其中后向瑞利散射信号的数据量大、具有一定的周期性、且单周期内的信号具有随机性。所以在分布式光纤传感器的使用过程中,为了确保光纤探测距离和探测精度需要采集大量的数据用于分析。在对数据采集和传输以及算法计算过程中需要大量的时间,对系统整体的实时性造成了较大的影响。因此,在分布式光纤传感系统中引入了FPGA技术用以实现传感信号的快速采集和高速传输。本文主要从光路设计与硬件电路设计两个方面来论述分布式光纤传感器的振动探测与实时定位。本文提出了一种用于分布式光纤传感的光学系统,以及一种采用FPGA实现的高速数据采集和传输系统。其中,分布式光纤传感系统采用了3×3耦合器实现全光纤化,并针对传统3×3耦合器在相位解调中过于依赖120°相位差这一特性进行修改,放宽其相位解调的约束条件至存在相位差且不为90°即可。并根据改进后的3×3耦合器相位解调光路进行了新的相位解调算法的研究与分析。该系统将采集的光信号通过光电转换器转换为电信号后传入FPGA的高速数据采集传输系统。在FPGA的高速数据采集传输系统中,AD采集系统将电信号采集转化为10位的数字信号,并利用FPGA的并行高速运算能力实现算法的处理,最后通过USB3.0将数据高速传输至上位机,从而保证系统的实时性。研究的主要内容有以下几个方面:第一、研究了分布式光纤传感机理和3×3耦合器解调算法,主要包括外界的振动信号对后向瑞利散射光信号的相位调制机理、基于3×3耦合器光纤传感系统的振动解调机理以及光相位解调算法机理。介绍了分布式光纤传感系统的总体设计方案,并根据分布式光纤传感系统的需求对主要器件进行选型与分析。第二,利用MATLAB和Simulink,对3×3耦合器的传统解调方法和改进后的方法进行了系统的分析。对频谱范围、输出信号干扰性等问题进行了仿真和分析。第三、详细介绍了分布式光纤传感系统的硬件设计,主要包含了AD采集系统、USB3.0高速传输系统和DDR2高速缓存系统。并利用Altera公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3CF484芯片将上述三个系统进行整合实现。介绍了EP3CF484芯片的功能,并根据解调系统需求设计了基于FPGA的算法解调。第四、利用3×3耦合器相位解调技术建立一套分布式光纤传感系统,并对有效传感距离、频响范围、定位误差和空间分辨率进行了实验分析。实验结果显示,在重复频率为6kHz时,该系统的有效传感距离为12km;在重复频率为16kHz时,频响范围为4kHz;在脉冲宽度为50ns时,其最小空间分辨率为6m且最小定位误差为5m。最后充分考虑工程应用的实际情况,对整体系统进行了样机设计。