CN113670351B - 基于vcsel复用的光纤光栅阵列测量方法、装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量方法，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光纤光栅阵列测量装置中，多个垂直腔面反射激光器的复用实现了大范围无跳模波长调谐范围，获得了大范围访问带宽，使得可以复用更多数量的光纤光栅，提高了单个光纤光栅可探测到的物理量测量的量程。同时，电流调谐下可以使得测量速度可以达到kHz以上。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。本申请还公开了与该方法相关联的装置和系统。

Description

基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量方法、装置及系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于垂直腔面反射激光器(VCSEL)复用的光纤光栅阵列测量方法、装置及系统。
背景技术
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。
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30nm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。
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 phasemodulation 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。
发明内容
本申请的实施例提供了一种基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量方法，用于通过耦合于待测主体的光纤光栅阵列对所述待测主体的物理量变化进行测量，其中，在所述光纤光栅阵列的光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，所述光纤光栅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；其特征在于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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号；根据所述测量态绝对波长监测信号中包含的绝对波长获得相邻所述调谐激光输出波段的光谱部分重叠区域，并依据该重叠区域分别确定所述测量态直接光强探测信号的信号拼接位置；基于所述信号拼接位置对所述各个波段的测量态直接光强探测信号依次进行拼接，得到拼接后测量态直接光强探测信号；根据所述拼接后测量态直接光强探测信号求取所述测量态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置，以及根据所述峰值所在位置相对于所述光纤光栅阵列在不包括所述物理量变化的参考态下的中心峰值位置的变化得到所述光纤光栅阵列各个光纤光栅上的所述物理量变化。
本申请的另一些实施例提供了基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量装置，用于通过耦合于待测主体的光纤光栅阵列对所述待测主体的物理量变化进行测量，其中，在所述光纤光栅阵列的光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，所述光纤光栅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；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，用于为每个所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号，进而对所述垂直腔面反射激光器的激光输出进行所述波长调谐；温度控制单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供恒定的温度控制信号；直接强度探测单元，用于提供包括所述激光输出的光强信息的直接强度探测信号，其包括光纤光栅阵列传感器，将所述激光输出导入到所述光纤光栅阵列传感器以及将所述光纤光栅阵列传感器的响应导出的光纤耦合器或者环形器，以及耦合于所述光纤光栅阵列传感器的接收所述光纤光栅阵列传感器的所述响应的光电探测器；绝对波长监测单元，用于提供包括激光器波长输出值的信号或读数；采集单元，配置为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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号；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；以及数据处理单元，配置为根据所述测量态绝对波长监测信号中的波长输出值的重叠部分来确定相邻波段的波长拼接位置确定各路信号的拼接位置；对测量态直接光强探测单元信号进行拼接得到拼接后直接光强探测信号；用所述拼接后直接光强探测信号对物理量进行解算。
本申请还提供了基于上述方法和/或装置的系统。
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光纤光栅阵列测量装置中，多个垂直腔面反射激光器的复用实现了大范围无跳模波长调谐范围，获得了大范围访问带宽，使得可以复用更多数量的光纤光栅，提高了单个光纤光栅可探测到的物理量测量的量程。同时，电流调谐下可以使得测量速度可以达到kHz以上。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
图1为依据本申请的实施例的一种垂直腔面反射激光器引脚示意图；
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。
图2为依据本申请的实施例的基于垂直腔面反射激光器的光纤光栅阵列测量装置；
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，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为绝对波长监测单元，21为相对波长监测单元，22为直接光强探测单元，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，4为光纤光栅阵列传感器，2为闭环功率控制单元，5为光纤环形器，1为控制单元。
图3为依据本申请的实施例的光纤光栅阵列示意图；
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，85为第五光纤光栅。
图4为依据本申请的实施例的半导体光放大器及其闭环光功率控制示意图；
图4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。
图5为依据本申请的实施例的氰化氢气室吸收谱；
图6为依据本申请的实施例的拼接点确定示意图；
图6中，70为第一直接强度探测信号拼接位置，71为第二直接强度探测信号拼接位置，72为第一直接强度探测信号，73为第二直接强度探测信号，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为拼接后直接强度探测输出光信号；
图7为依据本申请的实施例的FP标准器输出信号；
图8为依据本申请的实施例的光纤干涉仪信号；
图9为依据本申请的实施例的光纤环形谐振腔输出信号。
具体实施方式
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光纤光栅阵列物理量测量系统中，研究一种基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量方法，装置及系统。本专利所提出的基于垂直腔面反射激光器的光纤光栅阵列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，相当于扩大了光纤光栅阵列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，利用绝对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，将该激光注入到光纤光栅阵列物理量测量系统中，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光纤光栅阵列物理量测量。下面将就本发明的具体细节进行阐述。
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基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量装置的光源来说明如何实现传感。
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36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中心波长为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，第五光纤光栅85中心波长为1540nm。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。当光纤传感器36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，而发生中心波长的移动。如图3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扰动，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。
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，并通过绝对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。
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绝对波长监测单元20，相对波长监测单元21与直接强度探测单元22。绝对波长监测单元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输出到相对波长监测单元21，相对波长监测单元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。相对波长监测单元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输出光到直接强度探测单元22，第一光纤耦合器3的另一个输出端口d输出光到光纤光栅阵列传感器单元，激光从光纤环形器5的a端口进入到c端口，进入到光纤光栅阵列传感器4(光纤环形器5特性为a进c出，c进b出)，光纤光栅阵列传感器4的反射光从光纤环形器5的c端口进入到b端口，被第三光电探测器7探测并被采集单元19采集。上述三路信号的原始数据分别记为第一波长监测信号，第一相对波长监测单元信号，第一直接强度探测信号，第一指的是第一激光器。
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信号，第二相对波长监测单元信号，第二直接强度探测信号，第二指的是第二激光器。
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。
为了在波长重叠区域内确定一个拼接位置以便对相对波长监测单元和直接光强探测单元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。在下面介绍利用绝对波长监测单元20来确定相对波长监测单元信号和直接光强探测单元信号拼接位置的过程。
绝对波长监测单元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，也可以是可以表征波长特征或变化的气体分子气室或者光纤干涉仪或者法布里波罗结构的标准器。对于光谱仪或者波长计，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。所述绝对波长监测单元还可以是中心波长已知的光纤光栅或以上几种的组合。
下面用图6说明以氰化氢气室作为绝对波长监测单元20信号来确定拼接点位置，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1535-1542nm，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。
相对波长监测单元21也可以是FP标准器或光纤干涉仪或光纤环形谐振腔，光纤干涉仪可以为典型的马赫增德干涉仪或者迈克尔孙干涉仪。图6调谐光信号经过FP标准器的信号，对于高相干度的FP标准器，其输出信号具有锐利的梳状周期信号，其光频间距为该FP标准器的自由光谱范围，和其腔长及折射率有关。可以用该输出信号作为波长参考(Deng,Z.,et al.,Frequency-scanning interferometry for depth mapping using theFabry–Perot cavity as a reference with compensation for nonlinear opticalfrequency scanning.Optics Communications,2020.455:p.124556.)。图7调谐光信号经过光纤干涉仪的信号，正弦信号周期和干涉仪两个臂的光程差有关。正弦信号周期决定了该干涉仪的自由光谱范围，也就是每个正弦代表的光频间距。将该信号希尔伯特展开后可以得到光信号相位变化情况，因此该输出信号亦可作为波长追迹的信号(Ahn,T.andD.Y.Kim,Analysis of nonlinear frequency sweep in high-speed tunable lasersources using a self-homodyne measurement and Hilbert transformation.2007.46(13):p.2394.)。图7为一种典型的光纤环形谐振腔输出信号，其具有类似于FP标准器输出的信号，具有锐利的峰值信号，且其自由光谱范围(图7的FSR)和内部光纤长度有关(Gao,W.,et al.,Angular Random Walk Improvement of Resonator Fiber Optic Gyro byOptimizing Modulation Frequency.IEEE Photonics Journal,2019.11(4):p.1-13.)。利用FP标准器，光纤干涉仪或光纤环形谐振腔输出信号往往配合绝对波长参考进行波长可溯源的光频追迹，进而确定调谐重合区域的波长拼接位置。
如图4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2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索雷博公司的半导体光放大器产品[1]https://www.thorlabs.de/newgrouppage9.cfm？objectgroup_id＝3901]
由于电流调谐带来的激光器波长调谐具有非线性，也就是输出光频随时间不是线性增长，此时若用固定采样率对各个输出信号进行采样，则采样点并非等光频间隔，这一效应使得无法完成直接强度探测得到的光纤光栅阵列传感器的光谱的追迹。上述所述的利用相对波长监测单元信号对测量态直接光强探测单元信号及测量态波长监测信号进行非线性校正方法，具有若干种不同的实现方式：可以为用采集单元19将该相对波长监测单元信号与其他路信号同步用固定采样率采集，然后在数据处理单元中进行对直接光强探测单元信号或波长监测信号进行非线性校正。方法为将相对波长监测单元信号进行希尔伯特展开，进行相位解卷，然后对相位进行等分，如按照π弧度等分，得到对应的采样点，然后利用这些采样点对直接光强探测单元信号与波长监测信号进行重采样，重采样后的直接光强探测单元信号与波长监测信号为校正了非线性的信号。此外，还有非均匀傅里叶变换，去斜滤波器，PNC相位补偿等用后期软件处理方式校正非线性的实现形式。此外，还可以将相对波长监测单元输出的正弦信号作为采集单元19的时钟，用该时钟作为直接光强探测单元信号和波长监测信号的采集时钟对这两路进行采集。此外，还可以采用光电锁相环技术进行非线性校正。考虑到存在的现有技术，这一部分不再进行赘述。相关文献可见(1.丁振扬,几种改进OFDR性能方法的提出及验证,2013,天津大学.2.Fan,X.,Y.Koshikiya and F.Ito,Phase-noise-compensated optical frequency domain reflectometry withmeasurement range beyond laser coherence length realized using concatenativereference method.Optics letters,2007.32(22):p.3227 3.Swept-wavelengthInterferometric Interrogation of Fiber Rayleigh Scatter for DistributedSensing Applications4.Song,J.,et al.,Long-Range High Spatial ResolutionDistributed Temperature and Strain Sensing Based on Optical Frequency-DomainReflectometry.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)。校准了调谐非线性的直接光强探测单元信号记为最终直接光强探测单元信号。
在校正了非线性后，最终直接光强探测单元信号为等光频间隔的光纤光栅阵列传感器的光谱信号。此时可以再用绝对波长监测单元来选取某一位置(如R20:1530.30668nm)作为光谱起点，如氰化氢的一个吸收峰。同时，计算两个氰化氢吸收峰之间经过的最终直接光强探测单元信号的总点数，用选定的这两个吸收峰(如R20:1530.30668nm到R3:1539.78523nm)所对应的绝对波长差值除以最终直接光强探测单元信号的总点数，得到两点直接所对应的波长数。此时完成了离散点到波长或光频的校准和转换。也就是得到了起点波长已知且各个位置波长已知的最终直接光强探测单元信号，也就是获得了光纤光栅这列传感器的光谱。
基于垂直腔面反射激光器的光纤光栅阵列物理量测量过程如下：
第1步、在不包括所述物理量变化的外界第一个状态，即参考态下得到参考态第一绝对波长监测单元信号，参考态第二绝对波长监测单元信号，参考态第一相对波长监测单元信号，参考态第二相对波长监测单元信号，参考态第一直接光强探测单元信号，参考态第二直接光强探测单元信号；
第2步、在包括所述物理量变化的外界第二个状态，即测量态得到测量态第一绝对波长监测单元信号，测量态第二绝对波长监测单元信号，测量态第一相对波长监测单元信号，测量态第二相对波长监测单元信号，测量态第一直接光强探测单元信号，测量态第二直接光强探测单元信号；
第3步、确定拼接位置，得到拼接后参考态直接光强探测单元信号，拼接后参考态相对波长监测单元信号，拼接后测量态直接光强探测单元信号，和拼接后测量态直接光强探测单元信号；
第4步、分别利用拼接后参考态相对波长监测单元信号和拼接后测量态相对波长监测单元信号对拼接后参考态直接光强探测单元信号和拼接后测量态直接光强探测单元信号进行非线性校正，得到最终参考态直接光强探测单元信号和最终测量态直接光强探测单元信号；
第5步、光纤光栅阵列传感器物理量解算：光纤光栅阵列传感器的光谱为多个不同波长位置的峰，每个峰对应特定空间位置的光纤光栅的中心波长，根据最终参考态直接光强探测单元信号和最终测量态直接光强探测单元信号求取光纤光栅阵列上不同光纤光栅的中心峰值；根据该峰值位置变化量得到光纤光栅阵列中各个光纤光栅上的物理量变化。
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(可参考Cui J,Zhao S,Yang D,et al.Investigation of the interpolation method to improve the distributedstrain measurement accuracy in optical frequency domain reflectometry systems[J].Applied optics,2018,57(6):1424-1431.)。
在本申请中，第一直接强度探测信号、第二直接强度探测信号统称为直接强度探测信号。绝对波长监测信号是用于监测调谐激光输出的信号，例如绝对波长监测单元输出的信号；相对波长监测信号是用于对直接强度探测信号进行非线性校正的信号，例如相对波长监测单元输出的信号。
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。
在本申请中，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。
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：
1.一种基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量方法，用于通过耦合于待测主体的光纤光栅阵列对所述待测主体的物理量变化进行测量，其中，在所述光纤光栅阵列的光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，所述光纤光栅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；
其特征在于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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号；
根据所述测量态绝对波长监测信号中包含的绝对波长获得相邻所述调谐激光输出波段的光谱部分重叠区域，并依据该重叠区域分别确定所述测量态直接光强探测信号的信号拼接位置；
基于所述信号拼接位置对所述各个波段的测量态直接光强探测信号依次进行拼接，得到拼接后测量态直接光强探测信号；
根据所述拼接后测量态直接光强探测信号求取所述测量态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置，以及根据所述峰值所在位置相对于所述光纤光栅阵列在不包括所述物理量变化的参考态下的中心峰值位置的变化得到所述光纤光栅阵列各个光纤光栅上的所述物理量变化。
2.根据示例1的方法，其特征在于：
还包括提供所述调谐激光输出的相对波长监测信号；
在所述同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号的步骤中同步地采集所述相对波长监测信号得到各个波段的测量态相对波长监测信号；
基于所述信号拼接位置对各个所述各个波段的测量态相对波长监测信号依次进行拼接，得到拼接后测量态相对波长监测信号；
用所述拼接后测量态相对波长监测信号对所述测量态直接光强探测信号进行非线性校正，得到最终测量态直接光强探测信号；以及
根据所述最终测量态直接光强探测信号求取所述测量态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置。
3.根据示例1的方法，其特征在于：
还包括提供所述调谐激光输出的相对波长监测信号；
在所述同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号的步骤中以所述相对波长监测信号作为时钟对所述绝对波长监测信号以及所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强进行采集得到所述测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号。
4.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：
所述参考态下的中心峰值位置为预先存储或通过以下方式获得：
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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到参考态绝对波长监测信号以及参考态直接光强探测信号；
根据所述参考态绝对波长监测信号中包含的绝对波长获得相邻所述调谐激光输出波段的光谱部分重叠区域，并依据该重叠区域分别确定所述参考态直接光强探测信号的信号拼接位置；
基于所述信号拼接位置对所述各个波段的参考态直接光强探测信号依次进行拼接，得到拼接后参考态直接光强探测信号；
根据所述拼接后参考态直接光强探测信号求取所述参考态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置。
5.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：
所述提供调谐激光输出包括：
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；
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；
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；
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。
6.根据示例5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，以输出功率稳定的激光输出。
7.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述的垂直腔面反射激光器驱动电流越大，其输出波长越大。
8.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述调谐电流为从小到大的驱动电流信号，在该调谐电流下，激光器输出波长从小到大发生波长变化。
9.根据上述示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述的非线性校正包括使得所述直接光强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。
10.根据上述示例中任意一项所述的方法，所述物理量为应变，或温度，或可以导致所述光纤光栅阵列发生应变或温度变化的其他物理量。
11.一种基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量装置，用于通过耦合于待测主体的光纤光栅阵列对所述待测主体的物理量变化进行测量，其中，在所述光纤光栅阵列的光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，所述光纤光栅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；其特征在于：
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，用于为每个所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号，进而对所述垂直腔面反射激光器的激光输出进行所述波长调谐；
温度控制单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供恒定的温度控制信号；
直接强度探测单元，用于提供包括所述激光输出的光强信息的直接强度探测信号，其包括光纤光栅阵列传感器，将所述激光输出导入到所述光纤光栅阵列传感器以及将所述光纤光栅阵列传感器的响应导出的光纤耦合器或者环形器，以及耦合于所述光纤光栅阵列传感器的接收所述光纤光栅阵列传感器的所述响应的光电探测器；
绝对波长监测单元，用于提供包括激光器波长输出值的信号或读数；
采集单元，配置为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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号；
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；以及
数据处理单元，配置为根据所述测量态绝对波长监测信号中的波长输出值的重叠部分来确定相邻波段的波长拼接位置确定各路信号的拼接位置；对测量态直接光强探测单元信号进行拼接得到拼接后直接光强探测信号；用所述拼接后直接光强探测信号对物理量进行解算。
12.根据示例11所述的装置，其特征在于：还包括相对波长监测单元提供相对波长监测信号；
所述采集单元被进一步配置为在所述同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号的步骤中同步地采集所述相对波长监测信号得到各个波段的测量态相对波长监测信号；
所述数据处理单元被进一步配置为：基于所述信号拼接位置对各个所述各个波段的测量态相对波长监测信号依次进行拼接，得到拼接后测量态相对波长监测信号；
用所述拼接后测量态相对波长监测信号对所述测量态直接光强探测信号进行非线性校正，得到最终测量态直接光强探测信号；以及
根据所述最终测量态直接光强探测信号求取所述测量态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置。
13.根据示例11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。
14.根据上述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，用于调节垂直腔面反射激光器输出激光的光功率，以为提供具有稳定光功率的激光输出。
15.根据上述示例任意一项所述的装置，其特征在于：所述光纤光栅阵列传感器包括光纤以及在光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，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。
16.根据上述示例任意一项所述的装置，其特征在于：所述相对波长监测单元为迈克尔孙结构的光纤干涉仪。
17.根据上述示例任意一项所述的装置，其特征在于：还包括耦合于所述控制单元和所述垂直腔面反射激光器之间的电学开关。
18.根据上述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：
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；
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；
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；
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。
19.根据上述示例任意一项所述的装置，其特征在于：所述的绝对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。
20.一种基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量系统，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：
通过耦合于所述待测主体的光纤光栅阵列，其中，在所述光纤光栅阵列的光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，所述光纤光栅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；
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，用于为每个所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号，进而对所述垂直腔面反射激光器的激光输出进行所述波长调谐；
温度控制单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供恒定的温度控制信号；
直接强度探测单元，用于提供光纤光栅阵列传感器反射光信息的直接强度探测信号，其包括光纤光栅阵列传感器，将所述激光输出导入到所述光纤光栅阵列传感器以及将所述光纤光栅阵列传感器的响应导出的光纤耦合器或者环形器，以及耦合于所述光纤光栅阵列传感器的接收所述光纤光栅阵列传感器的所述响应的光电探测器；
绝对波长监测单元，用于提供包括激光器波长输出值的信号或读数；
采集单元，配置为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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号；
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；以及
数据处理单元，配置为根据所述测量态绝对波长监测信号中的波长输出值的重叠部分来确定相邻波段的波长拼接位置确定各路信号的拼接位置；对测量态直接光强探测单元信号进行拼接得到拼接后直接光强探测信号；用所述拼接后直接光强探测信号对物理量进行解算。
12.根据示例11所述的系统，其特征在于：还包括
相对波长监测单元提供相对波长监测信号；
所述采集单元被进一步配置为在所述同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号的步骤中同步地采集所述相对波长监测信号得到各个波段的测量态相对波长监测信号；
所述数据处理单元被进一步配置为：基于所述信号拼接位置对各个所述各个波段的测量态相对波长监测信号依次进行拼接，得到拼接后测量态相对波长监测信号；
用所述拼接后测量态相对波长监测信号对所述测量态直接光强探测信号进行非线性校正，得到最终测量态直接光强探测信号；以及
根据所述最终测量态直接光强探测信号求取所述测量态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置。
21.根据示例20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。
22.根据上述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，用于调节垂直腔面反射激光器输出激光的光功率，以为提供具有稳定光功率的激光输出。
23.根据上述示例任意一项所述的系统，其特征在于：所述光纤光栅阵列传感器包括在不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅的光纤，所述光纤光栅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。
24.根据上述示例任意一项所述的系统，其特征在于：所述相对波长监测单元为迈克尔孙结构的光纤干涉仪。
25.根据上述示例任意一项所述的系统，其特征在于：还包括耦合于所述控制单元和所述垂直腔面反馈激光器之间的电学开关。
26.根据上述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：
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；
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；
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；
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。
27.根据上述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。

Claims (28)

1.一种基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量方法，用于通过耦合于待测主体的光纤光栅阵列对所述待测主体的物理量变化进行测量，其中，在所述光纤光栅阵列的光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，所述光纤光栅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；
其特征在于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各所述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每个所述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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号；
根据所述测量态绝对波长监测信号中包含的绝对波长获得相邻所述调谐激光输出波段的光谱部分重叠区域，并依据该重叠区域分别确定所述测量态直接光强探测信号的信号拼接位置；
基于所述信号拼接位置对各个所述输出波段的测量态直接光强探测信号依次进行拼接，得到拼接后测量态直接光强探测信号；
根据所述拼接后测量态直接光强探测信号求取所述测量态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置，以及根据所述峰值所在位置相对于所述光纤光栅阵列在不包括所述物理量变化的参考态下的中心峰值位置的变化得到所述光纤光栅阵列各个光纤光栅上的所述物理量变化。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：
还包括提供所述调谐激光输出的相对波长监测信号；
在所述同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号的步骤中同步地采集所述相对波长监测信号得到各个波段的测量态相对波长监测信号；
基于所述信号拼接位置对各个所述各个波段的测量态相对波长监测信号依次进行拼接，得到拼接后测量态相对波长监测信号；
用所述拼接后测量态相对波长监测信号对所述测量态直接光强探测信号进行非线性校正，得到最终测量态直接光强探测信号；以及
根据所述最终测量态直接光强探测信号求取所述测量态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于：
还包括提供所述调谐激光输出的相对波长监测信号；
在所述同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号的步骤中以所述相对波长监测信号作为时钟对所述绝对波长监测信号以及所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强进行采集得到所述测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述参考态下的中心峰值位置为预先存储或通过以下方式获得：
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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到参考态绝对波长监测信号以及参考态直接光强探测信号；
根据所述参考态绝对波长监测信号中包含的绝对波长获得相邻所述调谐激光输出波段的光谱部分重叠区域，并依据该重叠区域分别确定所述参考态直接光强探测信号的信号拼接位置；
基于所述信号拼接位置对各个波段的参考态直接光强探测信号依次进行拼接，得到拼接后参考态直接光强探测信号；
根据所述拼接后参考态直接光强探测信号求取所述参考态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述提供调谐激光输出包括：
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；
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；
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；
控制所述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。
6.根据权利要求5所述的方法，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，以输出功率稳定的激光输出。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的垂直腔面反射激光器驱动电流越大，其输出波长越大。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述电流调谐的调谐电流为从小到大的驱动电流信号，在该调谐电流下，激光器输出波长从小到大发生波长变化。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述的非线性校正包括使得所述直接光强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。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的方法，所述物理量为应变，或温度，或可以导致所述光纤光栅阵列发生应变或温度变化的其他物理量。
11.一种基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量装置，用于通过耦合于待测主体的光纤光栅阵列对所述待测主体的物理量变化进行测量，其中，在所述光纤光栅阵列的光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，所述光纤光栅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；其特征在于：
该装置包括：
至少两个垂直腔面反射激光器，每一个所述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各所述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每个所述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，用于为每个所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号，进而对所述垂直腔面反射激光器的激光输出进行所述波长调谐；
温度控制单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供恒定的温度控制信号；
直接强度探测单元，用于提供包括所述激光输出的光强信息的直接强度探测信号，其包括光纤光栅阵列传感器，将所述激光输出导入到所述光纤光栅阵列传感器以及将所述光纤光栅阵列传感器的响应导出的光纤耦合器或者环形器，以及耦合于所述光纤光栅阵列传感器的接收所述光纤光栅阵列传感器的所述响应的光电探测器；
绝对波长监测单元，用于提供包括激光器波长输出值的信号或读数；
采集单元，配置为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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号；
控制单元，用于上述电流驱动单元、温度控制单元、采集单元的时序控制；以及
数据处理单元，配置为根据所述测量态绝对波长监测信号中的波长输出值的重叠部分来确定相邻波段的波长拼接位置确定各路信号的拼接位置；对测量态直接光强探测单元信号进行拼接得到拼接后直接光强探测信号；用所述拼接后直接光强探测信号对物理量进行解算。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：还包括相对波长监测单元提供相对波长监测信号；
所述采集单元被进一步配置为在所述同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号的步骤中同步地采集所述相对波长监测信号得到各个波段的测量态相对波长监测信号；
所述数据处理单元被进一步配置为：基于所述信号的拼接位置对各个所述各个波段的测量态相对波长监测信号依次进行拼接，得到拼接后测量态相对波长监测信号；
用所述拼接后测量态相对波长监测信号对所述测量态直接光强探测信号进行非线性校正，得到最终测量态直接光强探测信号；以及
根据所述最终测量态直接光强探测信号求取所述测量态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置。
13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：还包括存储单元，用于存储所述数据处理单元得到的信号的拼接位置，存储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。
14.根据权利要求11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，以为提供具有稳定光功率的激光输出。
15.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：所述光纤光栅阵列传感器包括光纤以及在光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，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。
16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于：所述相对波长监测单元为迈克尔孙结构的光纤干涉仪。
17.根据权利要求11所述的装置，其特征在于：还包括耦合于所述控制单元和所述垂直腔面反射激光器之间的电学开关。
18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于：所述的闭环功率控制单元包括：
半导体光放大器，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，用于将光信号转化为与光功率成比例的电学信号；
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；
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。
19.根据权利要求11- 所述的装置，其特征在于：所述的绝对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。
20.一种基于VCSEL复用的光纤光栅阵列测量系统，用于对待测主体的物理量变化进行测量，其特征在于：该系统包括：
通过耦合于所述待测主体的光纤光栅阵列，其中，在所述光纤光栅阵列的光纤上不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅，所述光纤光栅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；
至少两个垂直腔面反射激光器，每一个所述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，用于为每个所述垂直腔面反射激光器提供驱动电流信号，进而对所述垂直腔面反射激光器的激光输出进行所述波长调谐；
温度控制单元，用于为所述垂直腔面反射激光器提供恒定的温度控制信号；
直接强度探测单元，用于提供光纤光栅阵列传感器反射光信息的直接强度探测信号，其包括光纤光栅阵列传感器，将所述激光输出导入到所述光纤光栅阵列传感器以及将所述光纤光栅阵列传感器的响应导出的光纤耦合器或者环形器，以及耦合于所述光纤光栅阵列传感器的接收所述光纤光栅阵列传感器的所述响应的光电探测器；
绝对波长监测单元，用于提供包括激光器波长输出值的信号或读数；
采集单元，配置为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绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号得到测量态绝对波长监测信号以及测量态直接光强探测信号；
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；以及
数据处理单元，配置为根据所述测量态绝对波长监测信号中的波长输出值的重叠部分来确定相邻波段的波长拼接位置确定各路信号的拼接位置；对测量态直接光强探测单元信号进行拼接得到拼接后直接光强探测信号；用所述拼接后直接光强探测信号对物理量进行解算。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于：还包括
相对波长监测单元提供相对波长监测信号；
所述采集单元被进一步配置为在所述同步地采集包括所述调谐激光输出的绝对波长的绝对波长监测信号，以及包括所述光纤光栅阵列传感器对所述调谐激光输出的响应的光强的直接光强探测信号的步骤中同步地采集所述相对波长监测信号得到各个波段的测量态相对波长监测信号；
所述数据处理单元被进一步配置为：基于所述信号的拼接位置对各个所述各个波段的测量态相对波长监测信号依次进行拼接，得到拼接后测量态相对波长监测信号；
用所述拼接后测量态相对波长监测信号对所述测量态直接光强探测信号进行非线性校正，得到最终测量态直接光强探测信号；以及
根据所述最终测量态直接光强探测信号求取所述测量态下所述光纤光栅阵列光谱中不同光纤光栅的中心峰值所在位置。
22.根据权利要求20所述的系统，其特征在于：还包括存储单元，用于存储所述数据处理单元得到的信号的拼接位置，存储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。
23.根据权利要求20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，以为提供具有稳定光功率的激光输出。
24.根据权利要求20所述的系统，其特征在于：所述光纤光栅阵列传感器包括在不同位置上刻写了若干具有一定反射率的光纤光栅的光纤，所述光纤光栅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。
25.根据权利要求21所述的系统，其特征在于：所述相对波长监测单元为迈克尔孙结构的光纤干涉仪。
26.根据权利要求20所述的系统，其特征在于：还包括耦合于所述控制单元和所述垂直腔面反射激光器之间的电学开关。
27.根据权利要求23所述的系统，其特征在于：所述的闭环功率控制单元包括：
半导体光放大器，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，用于将光信号转化为与光功率成比例的电学信号；
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；
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。
28.根据权利要求20-27中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。
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