针对光频域反射（OFDR）分布式光纤传感在长距离、大量程应用场景中，参考光谱与测量光谱间的相似度（SD）退化及由此造成的鲁棒性下降的问题，本文研究了可调谐激光光源调谐非线性补偿模型，发现补偿的残余误差会引起传感单元产生随机位置偏差（PoD）。基于对PoD的统计学分析，建立了参考和测量光谱间SD的评价体系，并提出一种基于卡尔曼预测和局部寻优的传感单元随机PoD补偿方法，实现了参考和测量光谱位置的高效、精准匹配。本文所提方法能够在50 m的传感光纤上以5 mm的空间分辨率实现大量程传感（最高温度~450 ℃，最大应变~10000 με），且兼顾高鲁棒性和高速度（计算量可降低到原来的5.8%~28.6%）。这些优点使该方法能够广泛应用于现有的光频域反射分布式光纤传感系统。