低成本准分布式物理量测量方法，装置及系统与流程

1.本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种低成本准分布式物理量测量方法，装置及系统。


背景技术：

2.光纤光栅阵列是在一根光纤上逐个位置刻写光纤光栅的光纤传感器，各个光纤光栅通常具有较强的反射率，且中心波长各不相同。由于传感器上的光纤光栅分布于空间离散位置上，故具有该形式的光纤光栅阵列是准分布式光纤传感器。传感器在使用时一般位于被测对象处，可以感测被测对象不同位置的温度或者应变等物理量。物理量的变化会导致光栅的中心波长发生偏移。用于传感的光纤光栅阵列解调方法有很多种，包括fp滤波器法，可调谐光源法，宽带光源波分复用法等([1]王庆华,基于fbg传感信号解调技术的研究,2006,燕山大学.[2]代勇波,光纤光栅传感特性与多点复用技术研究,2012,哈尔滨工业大学)。各种方法的目的都是在得到光纤光栅阵列上不同位置光栅的中心波长的偏移量，进而获取被测物理量信息。
[0003]
基于直接强度探测的光纤光栅阵列物理量测量方法)与装置中使用窄线宽可调谐激光器作为系统光源，要求被测光纤光栅阵列上各个光栅的中心波长具有一定间隔且保证相邻中心波长的光栅在发生外界物理量变化的作用后中心波长不重合，也就是每个光栅都具有各自独立的带宽。可调谐光源总的调谐带宽(调谐范围)决定了单根光纤传感器上可复用的光纤光栅的最大数量以及每一个光栅所占用的带宽。每一个光栅所占用的带宽和被测物理量量程直接相关。以上特征和宽带光源波分复用与解调方法很像，但是由于是通过逐点获取在特定光波长下光栅的光谱，因此基于直接强度探测的光纤光栅阵列物理量测量方法的测量精度和光谱分辨力更高。对于该解调装置和方法中，为了进一步提高复用数量以及测量量程和分辨力，需要可调谐光源具有更宽的调谐范围以及测量系统具有更高的光谱分辨力。现有基于直接强度探测的光纤光栅阵列物理量测量装置与方法采用的可调谐光源如dbr激光器，对于该采用该激光器的光纤光栅阵列解调装置，一般是步进式扫描，如每步进1pm触发一次采集，通过在全波段的步进扫描与采集，恢复出整个波段的光纤光栅阵列光谱信息([1]崔巍,苏建加,姜培培,吴波,沈永行.基于可调谐半导体激光器的高分辨率多路复用光纤光栅波长解调系统[j].光子学报,2016,45(07):65-7[2]楚奇梁.基于可调谐激光器的光纤光栅波长解调系统误差分析与仪器化研究[d].天津大学,2018.)。但是该方法调谐范围有限(dbr激光器调谐范围在15nm左右)且因为是步进式扫描，所以光谱的原始采样点也为步进量1pm，限制了原始光谱分辨力也就限制了被测物理量的分辨力。
[0004]
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.)。此外vcsel激光器单片成本价格一般在几十美元，较外腔式激光器而言成本极低，适合大范围推广。
[0005]
本发明将垂直腔面反射激光器应用于基于直接强度探测的准分布式传感系统中，研究一种基于垂直腔面反射激光器的低成本准分布式物理量测量方法，装置及系统。


技术实现要素：

[0006]
本技术的一些实施例提供了一种低成本准分布式物理量测量方法，通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，其包括步骤：在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下，对垂直腔面反射激光器依次进行电流调谐得到从起始波长至终止波长的激光输出；其中，所述电流调谐被配置为：在所述离散温度值中的一个温度值下的电流调谐中的起始波长小于该温度值下相邻且较低温度值下的电流调谐中的终止波长以使相邻温度状态下的输出激光在光谱上部分重叠；在包括所述物理量变化的测量态同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的测量态绝对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的测量态直接强度探测信号；根据所述的绝对波长信息确定所述测量态直接强度探测信号的拼接点；根据所述拼接点去除所述测量态直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的测量态直接强度探测信号；基于所述拼接的测量态直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该测量态下的中心波长；将所述中心波长与所述光栅各自的初始中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
[0007]
本技术的一些实施例提供了一种低成本准分布式物理量测量装置，用于通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，其包括：垂直腔面反射激光器，配置为在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下，对垂直腔面反射激光器依次进行电流调谐得到从起始波长至终止波长的激光输出；直接强度探测单元，包括用于将光导入到所述光纤光栅阵列的光纤耦合器或者环形器，以及耦合于所述环形器的光电探测器，所述探测单元被配置为将所述激光输出导入所述光纤光栅阵列并将所述光纤光栅阵列的反射光转换为直接强度探测信号；绝对波长监测单元，配置为接收所述激光输出并提供包含所述激光输出的绝对波长信息的激光输出波长监测信号；采集单元，配置为同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的绝对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的直接强度探测信号；以及数据处理单元，配置为：根据所述的绝对波长信息确定所述直接强度探测信号的拼接点；根据所述拼接点去除所述直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的直接强度探测信号；基于所述拼接的直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该物理状态下的中心波长；将所述中心波长与所述光栅各自的初始中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
[0008]
本技术的一些实施例还提供了包括所述装置的系统。
[0009]
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直接强度探测的准
分布式物理量测量装置中，通过对垂直腔面反射激光器在不同温度下施加电流调制实现了各个波段的波长调谐，同时利用激光器波长监测单元确定各个波段信号拼接位置进而得到整个波段的光纤光栅阵列传感器光谱，本发明的方法和装置具有成本低，测量精度高的优点。
附图说明
[0010]
图1为依据本技术的一些实施例的一种垂直腔面反射激光器结构示意图；
[0011]
图1中：44为热电冷却器，45为热敏电阻，2为垂直腔面反射激光器，46为激光二极管。
[0012]
图2为依据本技术的一些实施例的不存在光电锁相环的准分布式物理量测量装置；
[0013]
图2中：28为激光器温度控制端子，27为激光器二极管驱动电流端子，25为电流驱动单元，26为温度控制单元，1为控制单元，26为温度控制单元，3为第一光纤耦合器，4为光纤光栅阵列传感器，12为第二光纤耦合器，23为延时光纤，20为波长监测单元，21为相对波长监测单元，22为直接强度探测单元，19为采集单元，18为第一光电探测器，15为第二光电探测器，7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，40为闭环功率控制单元，5为光纤环形器。
[0014]
图3为依据本技术的一些实施例的光纤光栅阵列示意图；
[0015]
图3中，81为第一光纤光栅，82为第二光纤光栅，83为第三光纤光栅，84为第四光纤光栅
[0016]
图4，为依据本技术的一些实施例的光纤是光纤光栅阵列传感器的光谱。
[0017]
图5为依据本技术的一些实施例的存在光电锁相环的准分布式物理量测量装置
[0018]
图6为依据本技术的一些实施例的半导体光放大器及其闭环光功率控制示意图；
[0019]
图6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。
[0020]
图7为依据本技术的一些实施例的氰化氢气室吸收谱；
[0021]
图8为依据本技术的一些实施例的相邻波段直接强度探测单元信号的拼接点确定示意图；
[0022]
图8中，70为mc11信号拼接位置对应的采样点位置，71为mc12信号拼接位置对应的采样点位置，72为mc11信号，73为mc12信号，74为ma11信号，75为ma12信号，77为mc1112信号。
[0023]
图9为依据本技术的一些实施例的氰化氢气室吸收峰所对应绝对波长值。
具体实施方式
[0024]
本技术所提出的基于垂直腔面反射激光器的准分布式物理量测量方法及装置将以垂直腔面反射激光器作为系统光源。在本发明中将采用各个温度梯度下通过施加驱动电流调谐来控制垂直腔面反射激光器上激光二极管的输出波长的调谐，并对各个激光器输出激光在波长上进行复用和拼接，相当于扩大了准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，将该激光注入到准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传感光纤高速高分辨力的准分布式物理量测量。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。
[0026]
在后面介绍测量装置时选用的垂直腔面反射激光器参数为：
[0027]
(1)驱动电流为2ma，温度为10度下垂直腔面反射激光器输出波长为1530nm。
[0028]
(2)电流调谐系数为0.5nm/ma,电流调谐为锯齿波，起始驱动电流为阈值电流2ma,终止驱动电流为12ma,因此电流调谐范围为5nm。
[0029]
(3)温度调谐系数为0.1nm/摄氏度，温度梯度设置为10度，50度；
[0030]
(4)驱动电流为2ma，温度为50度下垂直腔面反射激光器输出波长为1534nm。
[0031]
如图3为光纤光栅阵列传感器示意图，由光纤上不同位置上刻写的若干具有一定反射率的光纤光栅组成，各自具有不同的中心波长且在发生物理量变化的作用后中心波长互不重叠；如图2的光纤传感器4具有十个反射率均为20％的光纤光栅，自左向右光栅中心波长递增，且相邻光栅中心波长间距为2nm，空间间距为1米。第一光纤光栅81中心波长为1532nm，第二光纤光栅82心波长为1534nm,第三光纤光栅83中心波长为1536nm，第四光纤光栅84中心波长为1538nm。这些是在刻写光纤光栅阵列(取决于刻写参数，且受环境温度应力等影响)就确定了的。当光纤光栅这列传感器2与被测结构相连时，不同位置的光纤光栅会感知被测结构的物理量，如温度或者应变或者或可以导致光纤发生应变或温度变化的其他物理量，而发生中心波长的移动。如图4为光纤光栅阵列光谱，可见横轴为波长或者光频，空间位置不同的光栅也分别处于不同的波长上，每个光栅的光谱为一个类似抛物线的峰，该位置对应名义中心波长或者参考中心波长，也就是已知参考应变或温度下的中心波长，以后若光栅发生了物理量变化的作用，则其中心波长将发生偏移，解算该偏移量就可以得到物理量如温度或应变的变化量，如果原始参考中心波长已知，则物理量的绝对量也将可以求解。
[0032]
图5显示了一种准分布式物理量测量装置，垂直腔面反射激光器2上热电冷却器35的引脚为激光器温度控制端子28，对28施加控制信号可以改变经过热电冷却器35的电流，这一控制信号也是电流的形式，进而改变垂直腔面反射激光器2的温度。电流驱动单元25用于为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，这一信号加到为激光器二极管驱动电流端子27。垂直腔面反射激光器2进行电流调谐的过程中得到的调谐激光输出耦合进入闭环功率控制单元40，来对垂直腔面反射激光器2的输出激光的光功率进行实时调节，以达到输出功率稳定的目的；经过闭环功率控制单元40的
输出激光分束进入到绝对波长监测单元20，相对波长监测单元21以及直接强度探测单元22；其中直接强度探测单元22单元中包括光纤传感器4；
[0033]
采集单元19采集绝对波长监测单元20，相对波长监测块21以及直接强度探测单元22的信号；
[0034]
数据处理单元31用于对存储单元32中的数据进行处理，包括确定各个波段信号的拼接位置，完成信号拼接；用于计算准分布式物理量。数据处理单元31为计算机的cpu或者fpga或者dsp等可以执行运算的单元。
[0035]
存储单元32存储采集后的各个波段的相对波长监测单元信号，直接强度探测信号，波长监测单元的原始信号，以及存储数据处理单元31数据处理后得到的激光输出光信号拼接位置，拼接后相对波长监测单元信号，拼接后直接强度探测信号，最终相对波长监测单元信号，最终直接强度探测信号，以及存储准分布式物理量解算结果。存储单元32为计算机的硬盘，内存或嵌入式设备的dram等。
[0036]
控制单元1用于电流驱动单元24、温度控制单元26、电学通道切换单元25、采集单元19的时序控制。控制单元1以为计算机cpu或者嵌入式fpga，arm等。
[0037]
为了实现无间隙调谐与光谱的覆盖，在离散温度值中的一个温度值下的电流调谐中的第一波长小于该温度值下相邻且较低温度值下的电流调谐中的第二波长以使相邻温度状态下的输出激光在光谱上部分重叠。
[0038]
如图5，控制单元1对温度控制单元26施加第一温度控制信号tcs1，温度控制单元26与垂直腔面反射激光器2的激光器温度控制端子28相连，将垂直腔面反射激光器2控制到10度。控制单元1控制电流驱动单元25输出第一电流驱动信号cds1，第一电流驱动信号cds1从起始电流2ma调至终止电流12ma，在第一电流驱动信号cds1下，驱动垂直腔面反射激光器2中的第一垂直腔面反射激光器进行波长调谐，第一垂直腔面反射激光器从1530nm调谐至1535nm。与此同时，控制单元1控制采集单元19采集波长监测单元20输出的信号ma11,辅助干涉仪单元21输出的信号mb11,主路干涉仪单元22输出的信号mc11，数据存入存储单元31。接下来，控制单元1对温度控制单元26施加第二温度控制信号tcs2，将垂直腔面反射激光器2控制到50度。控制单元1控制电流驱动单元25输出第二电流驱动信号cds2，第一电流驱动信号cds2从起始电流2ma调至终止电流12ma，在第二电流驱动信号cds2下，驱动垂直腔面反射激光器2进行波长调谐，垂直腔面反射激光器从1534nm调谐至1539nm。调谐过程中，控制单元1控制采集单元19采集波长监测单元20输出的信号ma12,辅助干涉仪单元21输出的信号mb12,主路干涉仪单元22输出的信号mc12，数据存入存储单元31。
[0039]
上述采集的波长监测单元20输出的原始信号按访问波段顺序依次排列为：ma11(1530-1535nm)ma12(1534-1539nm)。
[0040]
上述采集的辅助干涉仪单元21输出的原始信号按访问波段顺序依次排列为：mb11(1530-1535nm)mb12(1534-1539nm)。
[0041]
上述采集的主路干涉仪单元22输出的原始信号按访问波段顺序依次排列为：mc11(1530-1535nm)mc12(1534-1539nm)。
[0042]
波段定义为在某一温度下的垂直腔面反射激光器施加电流调制下的波长调谐所覆盖的光谱范围。上边所述括号里为激光输出的波长范围，也就是波段的含义。可以看出，采集的信号一共有两个波段，相邻波段存在波长重叠，这一波长重叠区域为1nm。需要将两
spatial resolution distributed temperature and strain sensing based on optical frequency-domain reflectometry.ieee photonics journal,2014.6(3):p.1-8.5.张浩,电流调谐半导体激光器绝对距离测量技术研究,2016,哈尔滨工业大学.第15页.6.satyan n,vasilyev a,rakuljic g,et al.precise control of broadband frequency chirps using optoelectronic feedback.optics express,2009,17(18):15991-15999.)。校正了非线性的拼接后直接强度探测信号记为最终直接强度探测信号，将作为准分布式参量解调程序的输入量。
[0050]
若采用上面所述的光电锁相环技术(上述文献6和文献7)进行非线性校正时，测量装置将具有如图3所示的结构。锁相环单元包括基准源81，乘法鉴相器82，环路滤波器83，积分器84和加法器85；包含了激光器调谐非线性的辅助干涉仪输出信号与基准源81(一般为信号发生器的正弦信号)设置的信号在乘法鉴相器82中进行比较。频率误差信号被输入到环路滤波器83，然后进入积分器84，输出信号与控制单元1提供的激光器的初始电流驱动信号通过加法器85合成后输入到激光器的电流驱动单元24中，实时校正调谐下的驱动电流值。
[0051]
此时采集单元19以固定频率采集直接强度探测单元输出信号以及绝对波长监测单元输出信号，数据处理单元32被配置为确定各路信号的拼接位置；对直接光强探测单元信号、绝对波长监测单元信号进行截取和拼接得到最终直接光强探测单元信号、最终绝对波长监测单元信号；解算准分布式物理量
[0052]
如图6为半导体光放大器及其闭环功率稳定单元，其构成包括：半导体光放大器91，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；光电探测器93，用于将光信号转化为与光功率成比例的电学信号；比较器94，用于将测得的光强信号与设定值比较得到误差信号；比较器94输出的误差信号经过滤波及放大后的电压信号输入到电流驱动器97成为电流驱动信号。第十耦合器分出10％的光进入到闭环控制环路，剩下的90％作为输出光注入到后边的测量光路作为测量装置信号光。可以看出闭环功率控制单元40将输入的光稳定在设定的某一功率上。半导体光放大器的相关介绍可参见[[1]https://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm？objectgroup_id＝3901
[0053]
[2]https://courses.cit.cornell.edu/ece533/lectures/handout9.pdf]
[0054]
鉴于基于直接光强探测的准分布式物理量测量或传感是相对测量，所以首先需要确定参考态信号，这一参考态在下文中是在外界第一个状态下采集得到的并将其存于计算机内存中，而下面所述的外界第二个状态表示测量态，相对于第一个参考态，光纤光栅阵列传感器可能发生了物理量变化的作用。基于垂直腔面反射激光器的准分布式物理量测量过程如下：
[0055]
第1步、外界第一个状态下得到参考态各个波段波长监测单元信号，参考态各个波段波长监测单元信号相对波长监测单元信号，参考态各个波段波长监测单元信号直接强度探测信号；
[0056]
第2步、外界第二个状态下得到测量态各个波段波长监测单元信号，测量态各个波段波相对波长监测单元信号，测量态各个波段直接强度探测信号；
[0057]
第3步、根据波长监测单元信号，确定相邻波段的拼接位置，得到参考态拼接后直接强度探测信号，参考态拼接后相对波长监测单元信号，测量态拼接后直接强度探测信号，
和测量态拼接后直接强度探测信号；
[0058]
第4步、分别利用参考态拼接后相对波长监测单元信号和测量态拼接后相对波长监测单元信号对参考态拼接后直接强度探测信号和测量态拼接后直接强度探测信号进行非线性校正，得到最终参考态直接强度探测信号和最终测量态直接强度探测信号；
[0059]
第5步、准分布式物理量解算：根据最终参考态直接强度探测信号和最终测量态直接强度探测信号求取光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；根据该峰值位置得到光纤光栅阵列不同光纤光栅在该物理状态下的中心波长，参考态和测量态光栅光谱中心波长的差值对应于该光栅上的物理量变化；。
[0060]
被测物理量可以为应变，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。
[0061]
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。
[0062]
应当理解，所述光纤光栅各自的初始中心波长预先存储或通过上述实施例中给出的方法获得。
[0063]
在本技术中，绝对波长监测信号指由绝对波长监测单元或具有相同或实质相同功能的单元提供的信号；相对波长监测信号指由相对波长监测单元或具有相同或实质相同功能的单元提供的信号；所述直接强度探测信号指由直接强度探测单元或具有相同或实质相同功能的单元提供的信号。
[0064]
所述的绝对波长监测单元得到激光器输出的绝对波长值，其包括输出特征信号的气室，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。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：
[0065]
1.一种低成本准分布式物理量测量方法，通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，其特征在于，包括步骤：
[0066]
在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下，对垂直腔面反射激光器依次进行电流调谐得到从起始波长至终止波长的激光输出；其中，所述电流调谐被配置为：在所述离散温度值中的一个温度值下的电流调谐中的起始波长小于该温度值下相邻且较低温度值下的电流调谐中的终止波长以使相邻温度状态下的输出激光在光谱上部分重叠；
[0067]
在包括所述物理量变化的测量态同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的测量态绝对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的测量态直接强度探测信号；
[0068]
根据所述的绝对波长信息确定所述测量态直接强度探测信号的拼接点；
[0069]
根据所述拼接点去除所述测量态直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的测量态直接强度探测信号；
[0070]
基于所述拼接的测量态直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；
[0071]
根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列上不同光纤光栅在该测量态下的中心波长；
[0072]
将该测量态下的所述中心波长与所述光纤光栅阵列上不同光纤光栅各自的初始中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
[0073]
2.根据示例1所述的方法，其特征在于：进一步包括
[0074]
提供垂直腔面反射激光器的相对波长监测信号；
[0075]
在所述测量态，同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的测量态绝对波长监测信号，所述激光输出的测量态相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的测量态直接强度探测信号；
[0076]
根据所述拼接点去除所述测量态相对波长监测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的测量态相对波长监测信号；
[0077]
利用所述拼接的测量态相对波长监测信号确定测量态直接强度探测信号等光频间隔采样点，并利用所述测量态绝对波长监测信号对所述等光频间隔采样点的等光频间隔值进行校准；
[0078]
利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后测量态直接强度探测信号进行重采样，得到经重采样的拼接后测量态直接强度探测信号用于求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置。
[0079]
3.根据示例1或2所述的方法，其特征在于：
[0080]
所述光纤光栅阵列上不同光纤光栅各自的初始中心波长预先存储或通过以下方法获得：
[0081]
在不包括所述物理量变化的参考态同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的参考态绝对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的参考态直接强度探测信号；
[0082]
根据所述的绝对波长信息确定所述参考态直接强度探测信号的拼接点；
[0083]
根据所述拼接点去除所述参考态直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的参考态直接强度探测信号；
[0084]
基于所述拼接的参考态直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；
[0085]
根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该参考态的中心波长，即所述初始中心波长。
[0086]
4.根据示例3所述的方法，其特征在于：
[0087]
在所述参考态，同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的参考态绝对波长监测信号，所述激光输出的参考态相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的参考态直接强度探测信号；根据所述拼接点去除所述参考态相对波长监测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的参考态相对波长监测信号；利用所述拼接的参考态相对波长监测信号确定等光频间隔采样点，并利用所述参考态绝对波长监测信号对调谐波长范围内的等光频间隔值进行校准；利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后参考态
直接强度探测信号进行重采样，得到经重采样的参考态拼接直接强度探测信号用于求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置。
[0088]
5.根据示例1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驱动电流的增加而增加，随工作温度的增加而增加。
[0089]
6.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述的物理量变化包括温度，或应变，或可以导致光纤发生应变或温度变化的其他物理量。
[0090]
7.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述的光纤光栅阵列的原始光谱分辨力等于所述的等光频间隔值。
[0091]
8.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述的非线性校正包括：用相对波长监测单元信号作为采集卡的外时钟，触发直接强度探测信号的同步采集；或者，用固定采样率的内时钟同步采集相对波长监测单元信号和直接强度探测信号，根据相对波长监测单元信号估算激光器输出信号的相位，并由此对直接强度探测信号进行非线性补偿，如重采样，使得直接强度探测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。
[0092]
9.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述电流调谐被配置为在所述离散温度值中的一个温度值下的电流调谐中的起始波长小于该温度值下相邻且较低温度值下的电流调谐中的终止波长以使相邻温度状态下的输出激光在光谱上部分重叠。
[0093]
10.一种低成本准分布式物理量测量装置，用于通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，其特征在于该装置包括：
[0094]
垂直腔面反射激光器，配置为在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下，对垂直腔面反射激光器依次进行电流调谐得到从起始波长至终止波长的激光输出；
[0095]
直接强度探测单元，包括用于将光导入到所述光纤光栅阵列的光纤耦合器或者环形器，以及耦合于所述环形器的光电探测器，所述探测单元被配置为将所述激光输出导入所述光纤光栅阵列并将所述光纤光栅阵列的反射光转换为直接强度探测信号；
[0096]
绝对波长监测单元，配置为接收所述激光输出并提供包含所述激光输出的绝对波长信息的激光输出波长监测信号；
[0097]
采集单元，配置为同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的绝对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的直接强度探测信号；以及
[0098]
数据处理单元，配置为：
[0099]
根据所述的绝对波长信息确定所述直接强度探测信号的拼接点；
[0100]
根据所述拼接点去除所述直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的直接强度探测信号；
[0101]
基于所述拼接的直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；
[0102]
根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该物理状态下的中心波长；
[0103]
将所述中心波长与所述各个光纤光栅阵列中各个光栅各自的初始中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
[0104]
11.根据示例10所述装置，其特征在于：
[0105]
还包括相对波长监测单元配置为提供所述激光输出的相对波长监测信号；
[0106]
所述采集单元配置为同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的测量态绝对波长监测信号，所述激光输出的测量态相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的测量态直接强度探测信号；
[0107]
所述数据处理单元配置为：
[0108]
根据所述的绝对波长信息确定所述参考态直接强度探测信号的拼接点；
[0109]
根据所述拼接点去除所述参考态直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的参考态直接强度探测信号；
[0110]
基于所述拼接的参考态直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；
[0111]
根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该参考态的中心波长；
[0112]
将所述测量态中心波长与所述光栅各自的参考态的中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
[0113]
12.根据示例10或11的装置，其特征在于：
[0114]
所述采集单元被进一步配置为，在不包括所述物理量变化的参考态同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的参考态绝对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的参考态直接强度探测信号；
[0115]
所述数据处理单元被进一步配置为：
[0116]
根据所述的绝对波长信息确定所述直接强度探测信号的拼接点；
[0117]
根据所述拼接点去除所述直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的直接强度探测信号；
[0118]
基于所述拼接的直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；
[0119]
根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该参考态的中心波长；
[0120]
将所述测量态中心波长与所述光栅各自的参考态的中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
[0121]
13.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：
[0122]
所述采集单元被配置为在所述参考态，同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的参考态绝对波长监测信号，所述激光输出的参考态相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的参考态直接强度探测信号；
[0123]
所述数据处理单元被配置为根据所述拼接点去除所述参考态相对波长监测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的参考态相对波长监测信号；利用所述拼接的参考态相对波长监测信号确定等光频间隔采样点，并利用所述参考态绝对波长监测信号对调谐波长范围内的等光频间隔值进行校准；利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后参考态直接强度探测信号进行重采样，得到经重采样的参考态拼接直接强度探测信号用于求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置。
[0124]
14.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：还包括存储单元，用于存储各个波段各个单元原始采样数据，存储被测物理量解算结果，存储各个光栅的初始中心波
长。
[0125]
15.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：还包括电流驱动单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号。
[0126]
16.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：还包括温度控制单元，用于为垂直腔面反射激光器中的激光二极管提供所述工作温度的控制信号。
[0127]
17.根据以上示例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，用于调节所述垂直腔面反射激光器的所述激光输出的光功率，以提供具有稳定光功率的激光。
[0128]
18.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：所述垂直腔面反射激光器的所述激光输出经过分光耦合器分别注入到直接强度探测单元，绝对波长监测单元以及相对波长监测单元，采集单元采集上述三个单元各自的输出信号。
[0129]
19.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：所述的绝对波长监测单元得到激光器输出的绝对波长值，其包括输出特征信号的气室，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。
[0130]
20.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：所述的相对波长监测单元包括具有固定光程差的为马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪，或者为fp标准具，或者为光纤环形谐振腔等结构。
[0131]
21.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：所述的闭环功率控制单元包括：
[0132]
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；
[0133]
光电探测器，用于将接收的光信号转化为与光功率成比例的光强信号；
[0134]
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；以及
[0135]
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。
[0136]
22.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：还包括光电锁相环单元：包括基准源，乘法鉴相器，环路滤波器，积分器，加法器；相对波长监测单元输出的信号与基准源在乘法鉴相器中进行比较。频率误差被输入到环路滤波器，然后进入积分器，输出信号与控制单元提供的激光器的初始电流驱动信号通过加法器合成后输入到激光器的电流驱动单元中。此时采集单元以固定频率采集直接强度探测单元输出信号以及绝对波长监测单元输出信号，数据处理单元被配置为确定各路信号的拼接位置；对直接光强探测单元信号、绝对波长监测单元信号进行截取和拼接得到最终直接光强探测单元信号、最终绝对波长监测单元信号；解算准分布式物理量。
[0137]
23.根据上述示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述电流调谐被配置为在所述离散温度值中的一个温度值下的电流调谐中的起始波长小于该温度值下相邻且较低温度值下的电流调谐中的终止波长以使相邻温度状态下的输出激光在光谱上部分重叠。
[0138]
24.一种低成本准分布式物理量测量系统，用于通过耦合于待测物体的光纤光栅阵列测量待测物体的物理量变化，其特征在于该系统包括：
[0139]
垂直腔面反射激光器，配置为在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下，对
垂直腔面反射激光器依次进行电流调谐得到从起始波长至终止波长的激光输出；
[0140]
直接强度探测单元，包括用于将光导入到所述光纤光栅阵列的光纤耦合器或者环形器，以及耦合于所述环形器的光电探测器，所述探测单元被配置为将所述激光输出导入所述光纤光栅阵列并将所述光纤光栅阵列的反射光转换为直接强度探测信号；
[0141]
绝对波长监测单元，配置为接收所述激光输出并提供包含所述激光输出的绝对波长信息的激光输出波长监测信号；
[0142]
采集单元，配置为同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的绝对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的直接强度探测信号；以及
[0143]
数据处理单元，配置为：
[0144]
根据所述的绝对波长信息确定所述直接强度探测信号的拼接点；
[0145]
根据所述拼接点去除所述直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的直接强度探测信号；
[0146]
基于所述拼接的直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；
[0147]
根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该物理状态下的中心波长；
[0148]
将所述中心波长与所述光栅各自的初始中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
[0149]
25.根据示例24所述系统，其特征在于：
[0150]
还包括相对波长监测单元配置为提供所述激光输出的相对波长监测信号；
[0151]
所述采集单元配置为同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的测量态绝对波长监测信号，所述激光输出的测量态相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的测量态直接强度探测信号；
[0152]
所述数据处理单元配置为：
[0153]
根据所述的绝对波长信息确定所述参考态直接强度探测信号的拼接点；
[0154]
根据所述拼接点去除所述参考态直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的参考态直接强度探测信号；
[0155]
基于所述拼接的参考态直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；
[0156]
根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该参考态的中心波长；
[0157]
将所述测量态中心波长与所述光栅各自的参考态的中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
[0158]
26.根据示例24或25的系统，其特征在于：
[0159]
所述采集单元被进一步配置为，在不包括所述物理量变化的参考态同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的参考态绝对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的参考态直接强度探测信号；
[0160]
所述数据处理单元被进一步配置为：
[0161]
根据所述的绝对波长信息确定所述直接强度探测信号的拼接点；
[0162]
根据所述拼接点去除所述直接强度探测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的直接强度探测信号；
[0163]
基于所述拼接的直接强度探测信号求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置；
[0164]
根据所述峰值所在位置得到所述光纤光栅阵列不同光纤光栅在该参考态的中心波长；
[0165]
将所述测量态中心波长与所述光栅各自的参考态的中心波长做比较获得中心波长变化量，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
[0166]
27.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：
[0167]
所述采集单元被配置为在所述参考态，同步地采集包含所述激光输出的绝对波长信息的参考态绝对波长监测信号，所述激光输出的参考态相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的参考态直接强度探测信号；
[0168]
所述数据处理单元被配置为根据所述拼接点去除所述参考态相对波长监测信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的参考态相对波长监测信号；利用所述拼接的参考态相对波长监测信号确定等光频间隔采样点，并利用所述参考态绝对波长监测信号对调谐波长范围内的等光频间隔值进行校准；利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后参考态直接强度探测信号进行重采样，得到经重采样的参考态拼接直接强度探测信号用于求取所述光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置。
[0169]
28.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：还包括存储单元，用于存储各个波段各个单元原始采样数据，存储被测物理量解算结果，存储各个光栅的初始中心波长。
[0170]
29.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：还包括电流驱动单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号。
[0171]
30.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：还包括温度控制单元，用于为垂直腔面反射激光器中的激光二极管提供所述工作温度的控制信号。
[0172]
31.根据以上示例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，用于调节所述垂直腔面反射激光器的所述激光输出的光功率，以提供具有稳定光功率的激光。
[0173]
32.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：所述垂直腔面反射激光器的所述激光输出经过分光耦合器分别注入到直接强度探测单元，绝对波长监测单元以及相对波长监测单元，采集单元采集上述三个单元各自的输出信号。
[0174]
33.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：所述的绝对波长监测单元得到激光器输出的绝对波长值，其包括输出特征信号的气室，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。
[0175]
34.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：所述的相对波长监测单元包括具有固定光程差的为马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪，或者为fp标准具，或者为光纤环形谐振腔等结构。
[0176]
35.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：所述的闭环功率控制单元包括：
[0177]
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；
[0178]
光电探测器，用于将接收的光信号转化为与光功率成比例的光强信号；
[0179]
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；以及
[0180]
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。
[0181]
36.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：还包括光电锁相环单元：包括基准源，乘法鉴相器，环路滤波器，积分器，加法器；相对波长监测单元输出的信号与基准源在乘法鉴相器中进行比较。频率误差被输入到环路滤波器，然后进入积分器，输出信号与控制单元提供的激光器的初始电流驱动信号通过加法器合成后输入到激光器的电流驱动单元中。此时采集单元以固定频率采集直接强度探测单元输出信号以及绝对波长监测单元输出信号，数据处理单元被配置为确定各路信号的拼接位置；对直接光强探测单元信号、绝对波长监测单元信号进行截取和拼接得到最终直接光强探测单元信号、最终绝对波长监测单元信号；解算准分布式物理量。
[0182]
37.根据上述示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述电流调谐被配置为在所述离散温度值中的一个温度值下的电流调谐中的起始波长小于该温度值下相邻且较低温度值下的电流调谐中的终止波长以使相邻温度状态下的输出激光在光谱上部分重叠。