相干光时域反射仪是多中继超长距离光纤通信线路健康监测的重要设备。由于传统的相干光时域反射仪是基于单频探测的,它的测量效率很低。针对此问题,本论文报道基于频分复用探测的相干光时域反射系统在提升测量动态范围和降低探测曲线衰落噪声方面取得的进展。频分复用相干光时域反射系统能同时探测和提取多路相干中频信号,因此它具有更高的测量效率。’它通过在传统的相干光时域反射系统中引入相位调制器把单频探测光调制成频分复用的多频光,并利用相干探测方法分别提取各个探测频率在被测光纤中的背向瑞利散射信号功率从而实现频分复用探测。根据相位调制器调制深度的差异,我们分别开发了基于双频复用探测、三频复用探测和四频复用探测的相干光时域反射系统方案。理论分析和实验结果表明,与传统的相干光时域反射系统相比,基于双频复用探测、三频复用探测和四频复用探测的相干光时域反射系统能将测量的动态范围分别提升3.0dB、2.4dB和3.8dB,且探测曲线的衰落噪声分别以两倍、三倍和四倍速收敛。根据传统相干光时域反射系统使用频移平均技术降低探测曲线衰落噪声的思想,我们提出了基于频分复用的探测光和本振光同步扫频的相干光时域反射系统方案。它通过时序的射频信号控制相位调制器从而实现对探测光和本振光的同步扫频。实验结果表明该方案能使探测曲线的衰落噪声快速地收敛,其性能与利用激光器跳频来实现频移平均以降低探测曲线衰落噪声的方案接近。为了进一步提升系统的性能,时分复用技术被引入到基于双频复用探测的相干光时域反射系统中从而实现更加快速高效的测量。它利用任意波形发生器产生时序的射频信号驱动相位调制器产生频率精确编码的探测光,同时,利用触发信号同步控制声光调制器和任意波形发生器产生时分复用的探测光脉冲序列。为了使相干中频直接合成,我们在本振光光路中采用一个与探测光光路中移频作用相同的声光调制器。实验中成功使用了20路时分复用的频率,相对于传统的相干光时域反射系统,它获得了8.0dB的动态范围提升。理论分析和实验研究了频分复用的多频探测光在光纤中传输可能引起的一些非线性效应,如自相位调制、交叉相位调制、四波混频、受激布里渊散射等对相干光时域反射系统性能的影响,提出了相应的抑制非线性效应的措施。