高精度光频域反射方法、装置及系统与流程

1.本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种高精度光频域反射方法、装置及系统。


背景技术：

2.光频域反射技术原理实现的分布式物理量测量是一种可以高空间分辨力实现物理量分布式测量的一种技术手段，相关的较早的文献包括：
3.distributed measurement of static strain in an optical fiber with multiple bragg gratings at nominally equal wavelengths[j].applied optics,1998,37(10):1741-1746.
[0004]
high-spatial-resolution distributed strain measurement in optical fiber with rayleigh scatter[j].applied optics,1998,37(10):1735-1740.
[0005]
基于光频域反射原理的分布式传感系统中使用可调谐激光器作为系统光源，空间分辨力及物理量测量量程受限于可调谐激光器输出光信号的调制范围。系统空间分辨力在数值上反比于可调谐激光器输出光信号的调制范围且系统空间分辨力的极限取决于可调谐激光器输出光信号的调制范围。调谐范围越大，系统空间分辨力越高。同时，调谐范围越大，被测物理量如应变温度等扰动的测量量程也越大。可见，要想提高光纤传感的空间分辨力和物理量测量量程，需要提高可调谐激光器的扫频或调谐范围。此外，系统测量时间为调谐光源完成一次全波段调谐的时间，因此系统测量速度直接取决于可调谐激光器波长调谐速度。
[0006]
现有技术或装置中，通常采用外腔式调谐激光器或半导体激光器作为光源，但是外腔式调谐激光器成本昂贵且容易出现跳模。同时，外腔激光器通常采用littrow或者littman结构，为机械方式实现的波长调谐，因此调谐速度慢，通常为几十nm/s，影响了在一些要求高速测量的场合下的测量速度。
[0007]
基于垂直腔面反射激光器(vcsel)是半导体激光器的一种，垂直腔面反射激光器的波长可随电流或温度连续调谐,且温度和电流调谐的灵敏度都很高。同时相较于分布式反馈激光器(dfb)调谐范围更大。以韩国raycan公司的垂直腔面反射激光器rc32xxx1-pfamt为例，温度每变化1摄氏度，波长变换0.1nm左右，调谐范围一般低于5nm。另一方面，激光器驱动电流调谐实现的波长调谐，通常在标称安全电流以下每ma对应波长变换量为0.5nm左右(altabas j a,izquierdo d,lazaro j a,et al.chirp-based direct phase modulation of vcsels for cost-effective transceivers[j].optics letters,2017,42(3):583-586.)。且电流调谐下其调制速度可以上khz甚至几十khz。
[0008]
本发明将垂直腔面反射激光器应用于基于光频域反射技术的分布式传感系统中，研究一种高精度光频域反射方法及装置。


技术实现要素：

[0009]
本发明的一些实施例提供了一种高精度光频域反射方法，用于通过耦合于待测主体的传感光纤对所述待测主体的物理量变化进行测量，该方法包括以下步骤：对至少两个垂直腔面反射激光器中的每一个调整至不同的工作温度以使得所述各垂直腔面反射激光器的激光输出具有不同的输出波长；对每个所述垂直腔面反射激光器进行电流调谐以提供调谐激光输出，其中所述调谐激光输出包括所述每个垂直腔面反射激光器提供的调谐激光输出波段，其中波长相邻的所述调谐激光输出波段有重叠区域；在包括所述物理量变化的测量态下，同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的测量态波长监测信号；以及响应所述调谐激光输出于所述传感光纤对调谐激光输出的干涉的测量态主路干涉信号；根据所述测量态波长监测信号确定各个垂直腔面反射激光器输出的测量态信号拼接位置，根据该位置对所述测量态主路干涉信号拼接得到拼接后测量态主路干涉信号；以及
[0010]
基于所述拼接后测量态干涉光信号和在无所述物理量变化的参考态获得的拼接后参考态干涉光信号解算所述物理量变化。
[0011]
本发明的另一些实施例提供了高精度光频域反射装置，用于通过耦合于待测主体的传感光纤对所述待测主体的物理量变化进行测量，该装置包括：至少两个垂直腔面反射激光器，所述每一个垂直腔面反射激光器被配置为作以下调谐：调整至不同的工作温度以使得所述各垂直腔面反射激光器的激光输出具有不同的输出波长；以及对每个所述垂直腔面反射激光器进行电流调谐以提供调谐激光输出，其中所述调谐激光输出包括所述每个垂直腔面反射激光器提供的调谐激光输出波段，其中波长相邻的所述调谐激光输出波段有重叠区域；电流驱动单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号，进而对垂直腔面反射激光器进行波长调谐；温度控制单元，用于为所述垂直腔面反射激光器中的垂直腔面反射激光器提供的温度控制信号；波长监测单元，用于根据波长监测信号中的光谱重叠部分来确定相邻波段的波长拼接位置；主路干涉仪单元，用于测量传感光纤上的散射或者反射信号；采集单元，用于采集激光器波长监测单元输出的信号或者其读数，用于采集辅助干涉仪信号，用于采集主路干涉仪信号；控制单元，用于上述光源调谐电流驱动单元、温度控制单元、采集单元的时序控制；数据处理单元，配置为对采集的数据进行运算，包括确定各路信号的拼接位置；对主路干涉仪信号进行截取和拼接得到拼接后主路干涉仪信号；对所述主路干涉仪信号、波长监测单元输出的信号进行非线性校正；以及对分布式物理量进行解算。。
[0012]
本技术还提供了基于上述装置和/或方法的分布式测量系统。
[0013]
本发明的有益效果：本发明将垂直腔面反射激光器应用于基于光频域反射技术的分布式物理量测量装置中，实现了大范围无跳模波长调谐范围，提高了分布式测量方法和装置的空间分辨力和测量量程。同时，测量速度可以达到khz以上，可以将原本受限于系统光源调谐速度只能工作在静态或准静态测量的分布式物理量测量系统可以应用于动态测量场合。该方法和装置具有控制方法和装置简单，成本低，且体积小，利于系统集成的优点。
附图说明
[0014]
图1为根据本技术的实施例的一种垂直腔面反射激光器结构示意图；
[0015]
图2为根据本技术的实施例的高精度光频域反射装置；
[0016]
图3为根据本技术的实施例的半导体光放大器及其闭环光功率控制示意图；
[0017]
图4为根据本技术的实施例的氰化氢气室吸收谱；
[0018]
图5为根据本技术的实施例的拼接点确定示意图；
[0019]
图6为根据本技术的实施例的光纤干涉仪信号；
[0020]
图1中：44为热电冷却器，45为热敏电阻，43为垂直腔面反射激光器，46为激光二极管。
[0021]
图2中：28为第一激光器，29为第二激光器，30为第五光纤耦合器，24为第一电流驱动单元，25为第一温度控制单元，26为第二电流驱动单元，27为第二温度控制单元，3为第一光纤耦合器，4为第二光纤耦合器，12为第三光纤耦合器，7为第四光纤耦合器，23为延时光纤，20为波长监测单元，21为辅助干涉仪单元，22为主路干涉仪单元，19为采集单元，18为第一光电探测器，15为第二光电探测器，10为第三光电探测器，31为存储单元，32为数据处理单元，13为第一法拉第旋转镜，14为第二法拉第旋转镜，6为传感光纤，39为外界作用拉伸应变，2为闭环功率控制单元，5为光纤环形器，1为控制单元。
[0022]
图3中，91为半导体光放大器，92为第十耦合器，93为第四光电探测器，94为比较器。95为滤波器，96为运算放大器，97为电流驱动器。
[0023]
图5中，70为第一主路干涉仪信号拼接位置，71为第二主路干涉仪信号拼接位置，72为第一主路干涉仪信号，73为第二主路干涉仪信号，74为第一波长监测单元信号，75为第二波长监测单元信号，77为拼接后主路干涉仪输出光信号。
具体实施方式
[0024]
本发明将垂直腔面反射激光器应用于基于光频域反射技术的分布式传感系统中，研究一种高精度光频域反射方法及装置。本专利所提出的高精度光频域反射方法及装置将以垂直腔面反射激光器作为系统光源。在本发明中将采用驱动电流调谐来控制激光器的输出波长的调谐，通过将多个垂直腔面反射激光器配置在不同温度来使得各个激光器本身具有一定波长间隔，然后在特定驱动电流下依次对各个垂直腔面反射激光器进行波长调谐。对各个激光器输出激光在波长上进行复用和拼接，相当于扩大了分布式物理量测量装置光源的扫频或波长调谐范围。同时由于驱动电流的大小同时影响激光器输出的光功率，因为为了获得稳定功率的激光输出，在激光器后面增加以半导体光放大器为核心的闭环功率控制单元。此外，利用波长监测单元来确定相邻波长激光器调谐过程的拼接位置，使得各个垂直腔面反射激光器的波长可以实现无间隔覆盖。在获取了全波段的激光输出后，将该激光注入到分布式物理量测量系统中，通过考察参考态和测量态的相对光谱移动进而实现高速高分辨力的分布式物理量测量。下面将就本发明的具体细节进行阐述。
[0025]
图1为一种典型垂直腔面反射激光器结构示意图。通常情况下，垂直腔面反射激光器43上具有可以用电流控制的用于加热或者制冷的热电冷却器44以及阻值随温度变化而变化的热敏电阻45。以韩国raycan公司的rc32xxx1-pfamt型号垂直腔面反射激光器来说，垂直腔面反射激光器输出波长对温度和电流均有所响应。其阈值电流为2ma，最大工作电流为14ma,在电流从2ma变化的14ma下，其输出波长变化约为6nm。若为同一生产批次，则激光器在某一驱动电流和温度，如7ma，15度下的输出中心波长应相等或偏差小于0.5nm。在固定驱动电流下，温度值从10度改变到50度，其输出波长变化约为5nm。不失一般性，下面以该垂
直腔面反射激光器及其参数作为一种高精度光频域反射装置的光源来说明如何实现传感。
[0026]
测量装置中需要有两个或两个以上的垂直腔面反射激光器，以两个垂直腔面反射激光器复用作为测量装置的光源为例进行阐述。假设这两个垂直腔面反射激光器在2ma，10度下具有相同的输出波长，如1530nm。首先通过外围控制电路包括电流驱动和温度驱动来改变激光器驱动电流和温度，并通过激光器波长监测单元如光谱仪来确定激光器在10度下，驱动电流从2ma变化到14ma下输出波长变化量，一种可能的情况为：驱动电流从2ma变化到14ma下输出波长从1530nm变化到1536nm。然后，在驱动电流为2ma下，从10度逐渐增加激光器温度，同时观察光谱仪读数，记录激光器输出波长值。在波长值为1535nm时停止温度增长，记录此时温度。一种可能的情况为：此时温度为50度。重新配置两个激光器，两个激光器的驱动电流均设置为2ma，温度为10度的激光器被记为1号激光器，温度为50度的激光器被记为2号激光器。
[0027]
图2中控制单元1控制着四路共两组信号，分别是针对第一激光器28的第一电流驱动单元24和第一温度控制单元25，以及针对第二激光器29的第二电流驱动单元26和第二温度控制单元27。控制单元1控制第一温度控制单元25使其控制第一激光器28温度为10度，控制单元1控制第二温度控制单元26使其控制第二激光器温度为50度。其后，控制单元1控制第二电流驱动单元24为第二激光器施加阈值电流之下的恒定电流，如0或者1ma，此时第二激光器无激光输出。然后控制单元1控制第一电流驱动单元26为第一激光器施加阈值电流之上的起始驱动电流2ma。然后控制单元1控制第一电流驱动单元26为第一激光器施加起始驱动电流2ma到终止驱动电流14ma的电流信号，该电流信号可以是斜波信号，也就是线性增加的电流信号，完成一次驱动电流从2ma到14ma的时间可以为10微秒。此时第一激光器28输出激光的波长从1530到1536nm的波长调谐激光。该激光经过第五光纤耦合器30进入闭环功率控制单元2，其后进入到第一光纤耦合器3，激光在第一光纤耦合器3被分成三束输出光分别进入到波长监测单元20，辅助干涉仪单元21与主路干涉仪单元22。波长监测单元20包括可以输出特征信号的氰化氢分子气室，其吸收谱如图4所示，在特定可溯源的波长位置被吸收，经过氰化氢分子气室的光被第一光电探测器18探测并光电转换被采集单元19的一个采集通道采集并传入到存储单元31。采集单元19可以为多通道示波器或采集卡。同时，一部分光经过第一光纤耦合器3的另一个输出端口c输出到辅助干涉仪单元21，辅助干涉仪单元21可以为图2所示的迈克尔孙干涉仪结构组成，由第三光纤耦合器12，延时光纤23，第一法拉第旋转镜13，第二法拉第旋转镜14，第二光电探测器15构成。对于该图所示的迈克尔孙结构干涉仪而言，在激光器调谐过程下干涉仪输出的信号为正弦信号，正弦的周期与扫过的波长范围有关且与延时光纤23长度有关。延时光纤23长度越长，正弦的周期越小，每个正弦对应扫过的波长范围越小。同时该正弦信号与光源输出信号的相位直接对应，因此该干涉仪可以对调谐激光器输出的激光进行波长或者相位追迹，可以用于后续的非线性校正。辅助干涉仪单元21输出的正弦信号被采集单元19采集。第一光纤耦合器3的另一个输出端口d输出光到主路干涉仪单元22，主路干涉仪也是完成测量或者传感的光路结构，包括具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪，用于测量传感光纤上的散射或者反射信号。图2所示的为一个马赫曾德结构的光纤干涉仪，第二光纤耦合器4分出一束参考臂直接连接到第四光纤耦合器7，另一路为测量臂，从第二光纤耦合器4输出到光纤环形器5的a端口，光纤环形器5特性为a进c出，c进b出。因此，从光纤环形器5的a端口进去的光进入到测量传感光
纤6，传感光纤6上的散射或者反射信号返回到光纤环形器5并进入到光纤环形器5的b端口进而进入到第四光纤耦合器7。两束光在光纤耦合器7中合束后被第三光电探测器10探测并被采集单元19采集。三路信号被采集单元19采集后传到存储单元31进而传入数据处理单元32。上述三路信号的原始数据分别记为第一波长监测数据，第一辅助干涉仪数据，第一主路干涉仪数据，第一指的是第一激光器。
[0028]
接下来，其后，控制单元1控制第一电流驱动单元24为第一激光器施加阈值电流之下的恒定电流，如0或者1ma，此时第一激光器28无激光输出。然后控制单元1控制第二电流驱动单元26为第二激光器28施加阈值电流之上的起始驱动电流2ma。然后控制单元1控制第二电流驱动单元26为第二激光器29施加起始驱动电流2ma到终止驱动电流14ma的电流信号，此时第二激光器29输出激光的波长从1535到1541nm的波长调谐激光。，其他采集过程同上段所述。三路信号被采集单元19采集后传到存储单元31进而传入数据处理单元32。上述三路信号的原始数据分别记为第二波长监测数据，第二辅助干涉仪数据，第二主路干涉仪数据，第二指的是第二激光器。
[0029]
下面将两个垂直腔面反射激光器调谐下的原始数据进行拼接。
[0030]
为了在波长重叠区域内确定一个拼接位置以便对辅助干涉仪和主路干涉仪信号进行截取与拼接来得到无重叠的连续的输出信号，需要对垂直腔面反射激光器调谐过程的波长进行监测或者追迹。在下面介绍利用波长监测单元20来确定辅助干涉仪信号和主路干涉仪信号拼接位置的过程。
[0031]
波长监测单元20其本身可以是直接测量波长的装置如光谱仪或者波长计，其读数即为激光波长，此时只需要选取重合区域中任意一点即可，优选地，可以选择重合区域正中的一点作为拼接位置。
[0032]
波长监测单元20也可以是可以表征波长特征或变化的气体分子气室如氰化氢分子气室或者乙炔分子气室。下面用图6说明以氰化氢气室作为绝对波长监测单元20来确定拼接点位置，并对相邻两段直接光强探测单元信号进行截取与拼接的过程。如图5为氰化氢分子气室特征谱线，在输入光信号进行波长调谐中，氰化氢分子气室的透射光具有图5的吸收谱线。在第一激光器28调谐范围1530-1536nm和第二激光器29调谐范围1535-1541nm，两段波长重合的部分为1535-1536nm，因此可以用落在重叠区域的任意一个氰化氢分子气室吸收峰作为拼接位置，在1535-1536nm存在一个吸收峰，r9:1535.53981nm。如图6中72和73为第一和第二直接光强探测单元信号，74和75是同步采集的第一和第二绝对波长监测单元信号(这里是氰化氢气室的透射信号)。对氰化氢气室透射信号而言，在两段波长重合的部分为1535-1536nm，区域，第一绝对波长监测单元信号74在采样点70处存在吸收峰，第二绝对波长监测单元信号75在采样点71处存在吸收峰，这两个吸收峰都为r9:1535.53981nm。因此可以用该位置作为拼接波长位置。对于第一直接光强探测单元信号72舍弃采样点70后边的数据，对于第二直接光强探测单元信号73舍弃采样点71前边的数据。新得到的第一和第二直接光强探测单元信号拼接得到新的直接光强探测单元信号77记为拼接后直接光强探测单元信号。同理通过绝对波长监测单元信号可以得到拼接后相对波长监测单元信号。
[0033]
所述的波长监测单元包括输出特征信号的气室或中心波长已知的光纤光栅，或可以直接得到波长大小的光谱仪或波长计，或光纤干涉仪或fp标准器或光学谐振腔，或以上几种的组合。
and strain sensing by simple uv exposure of optical fibre.scientific reports,2015.5:p.11177.)公开的光纤等。
[0047]
若传感光纤为具有等中心波长的弱反射光纤光栅阵列构成，则第5步的分布式物理量解算过程为：包括对所述最终参考态干涉信号和所述最终测量态干涉信号分别进行快速傅里叶变换得到所述最终参考态干涉信号和所述最终测量态干涉信号的距离域信号，利用窗函数选取所述距离域信号中各个光纤光栅对应的部分，分别利用傅里叶逆变换将所述选取的部分转换到光频域，分别得到各个光纤光栅的参考态信号和测量态信号下的光栅光谱信号；对所述参考态信号和测量态信号的光栅光谱信号进行包络探测并找到峰值所在位置，所述各个光纤光栅的参考态信号和测量态信号的光栅光谱信号峰值位置的差值代表该位置光栅上被测物理量大小。(李政颖,孙文丰与王洪海,基于光频域反射技术的超弱反射光纤光栅传感技术研究.光学学报,2015(08):第64-71页.)；若传感光纤为具有瑞利散射的光纤，则由于其没有光频域为随机分布的信号，没有单一的峰值，则其光谱偏移量可以用互相关求取，互相关的峰值位置对应光谱的偏移量(可参考cui j,zhao s,yang d,et al.investigation of the interpolation method to improve the distributed strain measurement accuracy in optical frequency domain reflectometry systems[j].applied optics,2018,57(6):1424-1431.)。此外，可以使用其他已知的成熟的方法对存在峰值的光谱信号进行偏移量解算，如最大值法，能量重心法等,相关文献见(tosi,d.,review and analysis of peak tracking techniques for fiber bragg grating sensors.sensors,2017.17(10):p.2368.)。
[0048]
对未进行非线性校正的情形，则基于所述拼接后参考态干涉信号和所述拼接后测量态干涉信号分别进行快速傅里叶变换得到所述拼接后参考态干涉信号和所述拼接后测量态干涉信号的距离域信号，并进行后续解算。
[0049]
分布式物理量解算中无论是用互相关还是峰值检测，直接得到的结果是光谱的偏移量，而光谱的偏移量是分布式物理量的响应函数。图2仅仅用拉伸39代表了被测的物理量，也就是分布式应变。但是分布式物理量可以为应变，或温度，或可以导致光纤发生应变或温度变化的其他物理量。这些物理量和光谱的偏移量之间一般相差一个系数(灵敏度)或者为了更加精确，符合多项式函数的关系，或者可以通过标定实验得到系数值(可参考cui j,zhao s,yang d,et al.investigation of the interpolation method to improve the distributed strain measurement accuracy in optical frequency domain reflectometry systems[j].applied optics,2018,57(6):1424-1431.)。
[0050]
应当理解，在本发明的一些实施例中，非线性校正并非必须的，本发明的测量方法可以以在不进行非线性校正的情形下实现。在本发明的一些实施例中的参考态信息，例如参考态的光谱可以预先存储作为基准信号，或者可以如上述实施例所描述的那样通过实时测量获得。
[0051]
应当理解，在本发明的一些实施例中，非线性校正并非必须的，本发明的测量方法可以以在不进行非线性校正的情形下实现，即无需提供辅助干涉仪单元以及其所提供的辅助干涉光信号。在本发明的一些实施例中的参考态信息，例如参考态的包括拼接后参考态干涉光信号的光谱可以预先存储作为基准信号从而在物理量解算时直接调用，或者可以如上述实施例所描述的那样通过实时测量获得。
[0052]
在本技术中，如无相反定义，度指摄氏度。
[0053]
在本技术中，存储单元可以存储数据处理单元得到信号拼接位置，存储分布式物理量解算结果或直接存储原始采集信号以便后期离线处理。
[0054]
本技术中，所述的闭环功率控制单元可以包括半导体光放大器，配置为通过改变其上的驱动电流来对注入至半导体光放大器的激光功率施加不同增益的功能；光电探测器，配置为将光信号转化为与光功率成比例的电学信号；比较器，配置为将测得的光强信号与设定值比较得到误差信号；以及执行器，配置为将该误差信号转换为电流驱动信号。
[0055]
在本技术中，主路干涉光信号指由主路干涉仪单元或其他具有相同或实质相同功能的单元提供的信号；辅助干涉光信号指由辅路干涉仪单元或其他具有相同或实质相同功能的单元提供的信号；激光输出波长监测信号或简称波长监测信号是指由激光器波长监测单元或其他具有相同或实质相同功能单元提供的信号。
[0056]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明还可通过以下公开的示例实现：
[0057]
1.一种高精度光频域反射方法，用于通过耦合于待测主体的传感光纤对所述待测主体的物理量变化进行测量，其特征在于该方法包括以下步骤：
[0058]
对至少两个垂直腔面反射激光器中的每一个调整至不同的工作温度以使得所述各垂直腔面反射激光器的激光输出具有不同的输出波长；
[0059]
对每个所述垂直腔面反射激光器进行电流调谐以提供调谐激光输出，其中所述调谐激光输出包括所述每个垂直腔面反射激光器提供的调谐激光输出波段，其中波长相邻的所述调谐激光输出波段有重叠区域；
[0060]
在包括所述物理量变化的测量态下，同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的测量态波长监测信号；以及响应所述调谐激光输出于所述传感光纤对调谐激光输出的干涉的测量态主路干涉信号；
[0061]
根据所述测量态波长监测信号确定各个垂直腔面反射激光器输出的测量态信号拼接位置，根据该位置对所述测量态主路干涉信号拼接得到拼接后测量态主路干涉信号；以及
[0062]
基于所述拼接后测量态干涉光信号和在无所述物理量变化的参考态获得的拼接后参考态干涉光信号解算所述物理量变化。
[0063]
2.根据示例1的方法，其特征在于：
[0064]
所述提供调谐激光输出包括：
[0065]
配置两个或两个以上垂直腔面反射激光器及其外围驱动单元，使得每个激光器的驱动电流可调，温度可控；
[0066]
记录每个激光器在某一温度下，从起始驱动电流到终止驱动电流的输出激光的波长变化量；
[0067]
固定驱动电流为所述起始驱动电流到所述终止驱动电流之间的某一电流值，将各个激光器配置为不同的温度，使得此时各个激光器的输出波长从小到大依次排列且依次存在小于所述波长变化量的波长间隔；各个温度下的各个激光器按照输出波长从小到大依次
排列，其顺序被固定并保持各个激光器维持上述波长状态下的温度不变；
[0068]
控制所述排列顺序的各个垂直腔面反射激光器依次改变其驱动电流得到波长调谐激光输出；其中所述驱动电流配置为所述起始驱动电流到所述终止驱动电流。
[0069]
3.根据示例2的方法，其特征在于：对所述垂直腔面反射激光器的激光输出进行闭环功率控制来对垂直腔面反射激光器的输出激光的光功率进行实时调节，以输出功率稳定激光输出。
[0070]
4.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：还包括在所述测量态下同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的测量态波长监测信号以及响应所述调谐激光输出于所述传感光纤对调谐激光输出的干涉的测量态主路干涉信号的步骤中同步地采集响应所述调谐激光输出的相对干涉的测量态辅助干涉信号；根据所述测量态波长监测信号确定的各个垂直腔面反射激光器输出的测量态信号拼接位置对所述测量态辅助干涉信号进行信号拼接得到拼接后测量态辅助干涉信号；利用拼接后测量态辅助干涉仪信号对测量态主路干涉仪信号进行非线性校正，得到最终测量态主路干涉仪信号；并对所述最终测量态主路干涉仪信号进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到传感光纤中各个位置的距离域信息，利用移动窗扫描传感光纤中的各个位置的信号，利用傅里叶逆变换转换到光频域，对应各个位置测量态信号的瑞利散射光谱信号；求取所述测量态信号相对参考态信号的光谱偏移量，进而得到所述物理量变化。
[0071]
5.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的测量态波长监测信号以及响应所述调谐激光输出于所述传感光纤对调谐激光输出的干涉的测量态主路干涉信号包括采集响应所述调谐激光输出的相对干涉的测量态辅助干涉信号，以及以所述相对干涉的测量态辅助干涉信号作为外时钟同步地采集所述测量态波长监测信号以及所述测量态主路干涉信号。
[0072]
6.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：
[0073]
所述参考态信号预先保存或通过以下方式获取：
[0074]
在不包括所述物理量变化的参考态下，同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的参考态波长监测信号；响应所述调谐激光输出的相对干涉的参考态辅助干涉信号；
[0075]
以及响应所述调谐激光输出于所述传感光纤对调谐激光输出的干涉的参考态主路干涉信号；
[0076]
根据所述参考态波长监测信号确定各个垂直腔面反射激光器输出的参考态信号拼接位置，根据该位置分别对所述参考态主路干涉信号和参考态辅助干涉信号进行信号拼接得到拼接后参考态辅助干涉信号和拼接后参考态主路干涉信号；
[0077]
利用拼接后参考态辅助干涉信号对参考态主路干涉信号进行非线性校正，得到最终参考态主路干涉信号；以及
[0078]
对最终参考态主路干涉信号进行快速傅里叶变换，将光频域信息转换到传感光纤中各个位置的距离域信息，利用移动窗扫描传感光纤中的各个位置的信号，利用傅里叶逆变换转换到光频域，对应各个位置参考态信号的瑞利散射光谱信号；求取所述参考态信号相对参考态信号的光谱偏移量，进而得到所述物理量变化。
[0079]
7.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述垂直腔面反射激光器的输出波长随电流和温度的增加而增加。
[0080]
8.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述的非线性校正过程包括：分别用参考态辅助干涉信号以及所述测量态辅助干涉信号作为所述同步采集的外时钟，触发主路干涉仪信号的同步采集；或者，用固定采样率的内时钟同步采集辅助干涉信号和主路干涉信号，根据辅助干涉信号估算激光器输出信号的相位，并由此对主路干涉信号进行非线性补偿，如重采样，使得主路干涉信号具有等光频间隔；或者采用光电锁相环实现非线性校正。
[0081]
9.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述的分布式物理量为应变，或温度，或可以导致光纤发生应变或温度变化的其他物理量。
[0082]
10.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述解算包括对所述拼接后参考态干涉光信号和所述拼接后测量态干涉光信号分别进行快速傅里叶变换得到所述拼接后参考态干涉光信号和所述拼接后测量态干涉光信号的距离域信号，分别对所述拼接后参考态干涉光信号和所述拼接后测量态干涉光信号的距离域信号利用移动窗在距离域上的相同位置选取空间传感单元，将所述移动窗选定的空间传感单元信号进行傅里叶逆变换，得到所述移动窗对应的空间传感单元所对应的参考态瑞利散射光谱信号和测量态瑞利散射光谱信号；对两者进行互相关运算，求取互相关运算结果的最大值所在位置，该最大值所在位置对应所述的该位置的空间传感单元上的被测物理量变化；
[0083]
通过在距离域信号上滑动所述移动窗来选取距离域上不同位置的所述空间传感单元进而得到光纤上不同位置的物理量变化。
[0084]
11.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：对于具有等中心波长的弱反射光纤光栅阵列作为所述光纤传感器的情形；所述解算包括：包括对所述拼接后参考态干涉光信号和所述拼接后测量态干涉光信号分别进行快速傅里叶变换得到所述拼接后参考态干涉光信号和所述拼接后测量态干涉光信号的距离域信号，利用窗函数选取所述距离域信号中各个光纤光栅对应的部分，分别利用傅里叶逆变换将所述选取的部分转换到光频域，分别得到各个光纤光栅的参考态信号和测量态信号下的光栅光谱信号；
[0085]
对所述参考态信号和测量态信号的光栅光谱信号进行包络探测并找到峰值所在位置，所述各个光纤光栅的参考态信号和测量态信号的光栅光谱信号峰值位置的差值代表该位置光栅上被测物理量大小。
[0086]
12.一种高精度光频域反射装置，用于通过耦合于待测主体的传感光纤对所述待测主体的物理量变化进行测量，其特征在于该装置包括：
[0087]
至少两个垂直腔面反射激光器，所述每一个垂直腔面反射激光器被配置为作以下调谐：
[0088]
调整至不同的工作温度以使得所述各垂直腔面反射激光器的激光输出具有不同的输出波长；以及对每个所述垂直腔面反射激光器进行电流调谐以提供调谐激光输出，其中所述调谐激光输出包括所述每个垂直腔面反射激光器提供的调谐激光输出波段，其中波长相邻的所述调谐激光输出波段有重叠区域；
[0089]
电流驱动单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号，进而对垂直腔面反射激光器进行波长调谐；
[0090]
温度控制单元，用于为所述垂直腔面反射激光器中的垂直腔面反射激光器提供的温度控制信号；
[0091]
波长监测单元，用于对输出激光的波长进行测量得到激光输出波长值，以及用于根据波长监测信号中的光谱重叠部分来确定相邻波段的波长拼接位置；
[0092]
主路干涉仪单元，用于测量传感光纤上的散射或者反射信号；
[0093]
采集单元，用于采集激光器波长监测单元输出的信号或者其读数，用于采集辅助干涉仪信号，用于采集主路干涉仪信号；
[0094]
控制单元，用于上述光源调谐电流驱动单元、温度控制单元、采集单元的时序控制；
[0095]
数据处理单元，配置为对采集的数据进行运算，包括确定各路信号的拼接位置；对主路干涉仪信号进行截取和拼接得到拼接后主路干涉仪信号；对所述主路干涉仪信号、波长监测单元输出的信号进行非线性校正；以及对分布式物理量进行解算。
[0096]
13.根据示例12所述的装置，其特征在于：还包括辅助干涉仪单元，用于校正主路干涉仪单元输出信号的光源波长调谐存在的非线性；
[0097]
14.根据示例12所述的装置，其特征在于：所述辅助干涉仪单元包括具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪。
[0098]
15.根据上述示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述主路干涉仪单元包括具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪。
[0099]
16.根据上述示例中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括闭环功率控制单元，用于调节垂直腔面反射激光器输出激光的光功率，以提供具有稳定光功率的激光输出。
[0100]
17.根据示例16所述的装置，其特征在于：其特征在于所述的闭环功率控制单元包括：
[0101]
半导体光放大器，可以通过改变其上的驱动电流来对注入至半导体光放大器的激光功率施加不同增益的功能；
[0102]
光电探测器，用于将光信号转化为与光功率成比例的电学信号；
[0103]
比较器，用于将测得的光强信号与设定值比较得到误差信号；
[0104]
执行器，用于将该误差信号转换为电流驱动信号，该电流驱动信号用于驱动半导体光放大器，进而实时改变半导体光放大器的增益；
[0105]
18.根据上述示例中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括存储单元用于存储数据处理单元得到信号拼接位置，存储分布式物理量解算结果或直接存储原始采集信号以便后期离线处理。
[0106]
19.根据上述示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述传感光纤位于主路干涉仪单元的测量臂上，可以为普通单模光纤，或者为刻写了中心波长相等的弱反射光纤光栅阵列的光纤，或者是瑞利散射增强的光纤。
[0107]
20.根据上述示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述的波长监测单元包括输出特征信号的气室或中心波长已知的光纤光栅，或可以直接得到波长大小的光谱仪或波长计，或光纤干涉仪或fp标准器或光学谐振腔，或以上几种的组合。
[0108]
21.一种高精度光频域反射系统，用于对所述待测主体的物理量变化进行测量，其特征在于该系统包括：
[0109]
耦合于所述待测主体的传感光纤，
[0110]
至少两个垂直腔面反射激光器，所述每一个垂直腔面反射激光器被配置为作以下
调谐：
[0111]
调整至不同的工作温度以使得所述各垂直腔面反射激光器的激光输出具有不同的输出波长；以及对每个所述垂直腔面反射激光器进行电流调谐以提供调谐激光输出，其中所述调谐激光输出包括所述每个垂直腔面反射激光器提供的调谐激光输出波段，其中波长相邻的所述调谐激光输出波段有重叠区域；
[0112]
电流驱动单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号，进而对垂直腔面反射激光器进行波长调谐；
[0113]
温度控制单元，用于为所述垂直腔面反射激光器中的垂直腔面反射激光器提供的温度控制信号；
[0114]
波长监测单元，用于对输出激光的波长进行测量得到激光输出波长值，以及用于根据波长监测信号中的光谱重叠部分来确定相邻波段的信号拼接位置；
[0115]
主路干涉仪单元，用于测量传感光纤上的散射或者反射信号；
[0116]
采集单元，用于采集激光器波长监测单元输出的信号或者其读数，用于采集辅助干涉仪信号，用于采集主路干涉仪信号；
[0117]
控制单元，用于上述光源调谐电流驱动单元、温度控制单元、采集单元的时序控制；
[0118]
数据处理单元，配置为对采集的数据进行运算，包括确定各路信号的拼接位置；对主路干涉仪信号进行截取和拼接得到拼接后主路干涉仪信号；对所述主路干涉仪信号、波长监测单元输出的信号进行非线性校正；以及对分布式物理量进行解算。
[0119]
22.根据示例21所述的系统，其特征在于：还包括辅助干涉仪单元，用于校正主路干涉仪单元输出信号的光源波长调谐存在的非线性；
[0120]
23.根据示例21所述的系统，其特征在于：所述辅助干涉仪单元包括具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪。
[0121]
24.根据上述示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述主路干涉仪单元包括具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪。
[0122]
25.根据上述示例中任意一项所述的系统，其特征在于：还包括闭环功率控制单元，用于调节垂直腔面反射激光器输出激光的光功率，以提供具有稳定光功率的激光输出。
[0123]
26.根据示例25所述的系统，其特征在于：其特征在于所述的闭环功率控制单元包括：
[0124]
27.半导体光放大器，可以通过改变其上的驱动电流来对注入至半导体光放大器的激光功率施加不同增益的功能；
[0125]
光电探测器，用于将光信号转化为与光功率成比例的电学信号；
[0126]
比较器，用于将测得的光强信号与设定值比较得到误差信号；
[0127]
执行器，用于将该误差信号转换为电流驱动信号，该电流驱动信号用于驱动半导体光放大器，进而实时改变半导体光放大器的增益；
[0128]
28.根据上述示例中任意一项所述的系统，其特征在于：还包括存储单元用于存储数据处理单元得到信号拼接位置，存储分布式物理量解算结果或直接存储原始采集信号以便后期离线处理。
[0129]
29.根据上述示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述传感光纤位于主路干
涉仪单元的测量臂上，可以为普通单模光纤，或者为刻写了中心波长相等的弱反射光纤光栅阵列的光纤，或者是瑞利散射增强的光纤。
[0130]
30.根据上述示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述的波长监测单元包括输出特征信号的气室或中心波长已知的光纤光栅，或可以直接得到波长大小的光谱仪或波长计，或光纤干涉仪或fp标准器或光学谐振腔，或以上几种的组合。