CN112082585A - 基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量方法、装置及系统 - Google Patents
基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量方法、装置及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量方法。本发明将分布式反馈阵列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，通过对分布式反馈阵列激光器各个激光二极管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段激光输出拼接位置进而实现整个波段大范围无跳模连续的激光输出，提高了分布式测量方法和装置的空间分辨力和测量量程。同时采用非线性校正方法校正了光源的非线性，提高了传感系统的空间分辨力。本申请还公开了对应的装置及系统。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种高精度分布式物理量测量方法、装置及系统。
背景技术
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：
Distributed measurement of static strain in an optical fiber withmultiple Bragg gratings at nominally equal wavelengths[J].Applied Optics,1998,37(10):1741-1746.
High-spatial-resolution distributed strain measurement in opticalfiber with Rayleigh scatter[J]. Applied Optics,1998,37(10):1735-1740.
基于光频域反射原理的分布式物理量测量或传感，其原理是利用传感光纤上不同位置对应的拍频量大小不一样来进行微米量级的空间定位的。理论上，光纤上两点空间分辨力为Δz＝c/2nΔF,其中c为真空中光速，n为光纤中折射率，ΔF为可调谐激光器扫过的光频范围。所以为了降低光纤上两点空间分辨力的数值，提高空间分辨力应该扩大调谐范围。同时基于光频域反射原理的分布式物理量测量或传感通过光谱的偏移量解算物理量的变化量，因此调谐范围越大，分布式物理量的量程也越大。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。
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。
分布式反馈阵列激光器(DFB阵列激光器)近年来应用于光通信领域，在光传输网和光互联等以及其他波分复用系统中得到重要应用(参考文献：[1]马丽,朱洪亮,梁松,王宝军,张灿,赵玲娟,边静,陈明华.DFB激光器阵列与MMI耦合器、SOA的单片集成.光电子.激光,2013,24(03):424-428.[2]Kobayashi,Go,et al.Narrow linewidth tunable lightsource integrated with distributed reflector laser array.Optical FiberCommunication Conference.Optical Society of America,2014.[3]Ni Y,Kong X,Gu X,et al.Packaging and testing of multi-wavelength DFB laser array using RECtechnology.Optics Communications,2014,312:123-126.)。相较于传统的分布式反馈激光器，分布式反馈阵列激光器在结构上一般由在波长上具有一定间隔的多个激光二极管与一个多模干涉耦合器(MMI)以及半导体光放大器(SOA)构成。在调制方式上通常采用热调谐实现不同二极管的波长调谐，以此覆盖整个通信C波段。电流调谐只能调制很小的波长范围，不足以达到相邻激光二极管之间固有波长间隔。因此在分布式反馈阵列激光器中，相邻激光二极管之间仅通过电流调谐不能够实现扫频范围的完全覆盖。
本发明将分布式反馈阵列激光器应用于基于光频域反射技术的分布式传感系统中，研究一种基于分布式反馈阵列激光器的分布式物理量测量方法、装置及系统。
发明内容
本申请的实施例提供了一种基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布方法，其用于通过耦合于待测样品的传感光纤测量所述待测样品的物理量变化，该方法包括以下步骤：其中，所述激光输出由所述分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下分别改变所述选定的激光二极管的驱动电流以使得每个所述选定的激光二极管发出该激光二极管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激光二极管在该所述温度下相邻且较低温度的电流调谐中的终止波长以使同一所述选定的激光二极管的相邻温度的输出激光在光谱上部分重叠；且每个所述选定的激光二极管在所述终止温度下的电流调谐得到的终止波长大于与其相邻的且波长更大的选定的激光二极管在所述起始温度下的电流调谐得到的起始波长，以使得所述终止温度下的相邻激光二极管中低波长管通过电流调谐所覆盖的光信号的光谱与所述起始温度下的相邻激光二极管高波长管通过电流调谐所输出的光信号的光谱有部分重叠；使得所述分布式反馈阵列激光器的所述激光输出与所述传感光纤对于所述激光输出的反射光相干涉形成干涉光；将所述干涉光转换为主路干涉光信号；提供包含所述激光输出的绝对波长信息的波长监测信号；在不包括所述物理量变化的参考态下同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号得到参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号；根据所述参考态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的所述参考态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的参考态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后参考态主路干涉光信号；在包括所述物理量变化的测量态下采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号得到测量态主路干涉光信号以及测量态波长监测信号；根据所述测量态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述测量态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的测量态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及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解算所述物理量变化。
本申请的实施例还提供了基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量装置，用于通过耦合于待测样品的传感光纤测量待测样品的物理量变化，该装置包括：分布式反馈阵列激光器，配置为提供激光输出，所述激光输出由所述分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下分别改变所述选定的激光二极管的驱动电流以使得每个所述选定的激光二极管发出该激光二极管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激光二极管在该所述温度下相邻且较低温度的电流调谐中的终止波长以使同一所述选定的激光二极管的相邻温度的输出激光在光谱上部分重叠；且每个所述选定的激光二极管在所述终止温度下的电流调谐得到的终止波长大于与其相邻的且波长更大的选定的激光二极管在所述起始温度下的电流调谐得到的起始波长，以使得所述终止温度下的相邻激光二极管中低波长管通过电流调谐所覆盖的光信号的光谱与所述起始温度下的相邻激光二极管高波长管通过电流调谐所输出的光信号的光谱有部分重叠；波长监测单元，配置为接收所述激光输出以提供包含所述激光输出的绝对波长信息的波长监测信号；使得能够根据所述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；主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述传感光纤对所述激光输出的反射光并使得两者相干涉形成主路干涉光信号；采集单元，配置为在参考态下同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号，以及在测量态下同步采集主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到测量态主路干涉光信号以及测量态波长监测信号；数据处理单元，配置为根据接收的所述参考态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的参考态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的参考态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后参考态主路干涉光信号；根据接收的所述测量态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的测量态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的测量态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及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解算所述物理量变化。
本申请还提供对应所述装置的系统。
本发明的有益效果：本发明将分布式反馈阵列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，通过对分布式反馈阵列激光器各个激光二极管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段激光输出拼接位置进而实现整个波段大范围无跳模连续的激光输出，提高了分布式测量方法和装置的空间分辨力和测量量程。同时采用非线性校正方法校正了光源的非线性，提高了传感系统的空间分辨力。相较于传统的基于外腔式激光器的分布式传感装置和方法而言，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
图1为根据本申请的实施例的一种分布式反馈阵列激光器结构示意图；
图2为根据本申请的实施例的不存在光电锁相环的分布式物理量测量装置；
图3为根据本申请的实施例的存在光电锁相环的分布式物理量测量装置。
图4为根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5为根据本申请的实施例的氰化氢气室吸收谱；
图6为根据本申请的实施例的拼接点确定示意图；
图7为根据本申请的实施例的氰化氢气室吸收峰所对应绝对波长值。
图1，33为多模干涉耦合器，35为热电冷却器，36为热敏电阻，2为分布式反馈阵列激光器，38为具有间隔一定波长的若干个激光二极管。
图2中：1为控制单元，28为第一激光二极管引脚，29为第二激光器二极管引脚，30为第三激光二极管引脚，24为电流驱动单元，26为第一温度控制单元，25为电学通道切换单元，26为温度控制单元，27为温度控制引脚，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，40为闭环功率控制单元，5为光纤环形器。
图3中，81为基准源，82为乘法鉴相器，83为环路滤波器，84为积分器，85为加法器。
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6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。
具体实施方式
本申请所提出的基于分布式反馈阵列激光器的分布式物理量测量方法及装置将以分布式反馈阵列激光器作为系统光源。在本发明中将采用各个离散温度值下，例如形成温度梯度的离散温度值下通过施加驱动电流调谐来控制反馈阵列激光器上各个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，使得各个分布式反馈阵列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传感光纤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。
图1为一种典型分布式反馈阵列激光器结构示意图。通常情况下，分布式反馈阵列激光器由一块集成多个具有不同波长的激光二极管38和一个用于合束的多模干涉耦合器33构成，同时，分布式反馈阵列激光器2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35 以及阻值随温度变化而变化的热敏电阻36。以日本FITEL公司的D66型号分布式反馈阵列激光器来说，单片上集成了12个波长间隔为3.5nm的激光二极管。分布式反馈阵列激光器中激光二极管的驱动电流和温度的变化均会导致波长变化，因此外加驱动电流和温度变化均可以对波长进行调谐。在其应用中通常利用施加连续变化的温度来对每个二极管进行调谐以扫过3.5nm的波长范围。而该激光器电流调谐灵敏度很低，在其安全电流范围内仅能调谐1nm 左右。因此仅对各个激光二极管的电流调谐难以完成所有波长的覆盖。不失一般性，下面以该分布式反馈阵列激光器及其参数作为一种高精度分布式物理量测量装置的光源来说明如何实现传感。在实现大范围波长连续调谐的过程中，不一定要将分布式反馈阵列激光器上所有的激光二极管全部使用，而只用其中的一部分也可以获得一定范围的波长调谐范围。
在后面介绍测量装置时选用的分布式反馈阵列激光器参数为：
(1)选定分布式反馈阵列激光器中第一到第三激光二极管作为参与调谐的激光二极管。分布式反馈阵列激光器波长相邻激光二极管间隔为3.5nm。在10摄氏度，驱动电流为50mA 下第一激光二极管，第二激光二极管，第三激光二极管输出波长分别为1530,1533.5,1537nm。
(2)电流调谐系数为0.01nm/mA,电流调谐为锯齿波，起始驱动电流为阈值电流50mA, 终止驱动电流为300mA,因此电流调谐范围为2.5nm。
(3)温度调谐系数为0.1nm/摄氏度，温度梯度为10度，30度；
图2显示了一种分布式物理量测量装置，其中分布式反馈阵列激光器2上集成了多个具有不同波长的激光二极管38，他们具有共用的阴极，而阳极是分开的，因此可以通过将驱动信号加在不同的阳极上来对各个激光二极管38进行调谐。这些不同激光二极管的阳极端子在图2中分别为表示为第一激光二极管引脚28，第二激光二极管引脚29，以及第三激光二极管引脚30。分布式反馈阵列激光器2上热电冷却器35的引脚为温度控制引脚27，对该引脚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，进而改变分布式反馈阵列激光器2的温度。图2中温度控制单元26用于为热电冷却器35提供电流信号，作用结果表现为分布式反馈激光器阵列中的具有间隔一定波长的若干个激光二极管38施加了不同温度。电学通道切换单元25用于切换分布式反馈阵列激光器2内具有间隔一定波长的若干个激光二极管38，电学通道切换单元25可以是数字芯片电学开关，可以将输入信号连接到开关接通的端子上。
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或者其相对变化值，可以为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；
辅助干涉仪单元，其输出信号通常为随入射光波长或者光频率变化而存在周期性特征信号，如具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪，用于校正主路干涉仪模块输出信号的光源波长调谐存在的非线性；
主路干涉仪单元，可以为具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪，传感光纤位于干涉仪的其中的测量臂上，该单元用于采集传感光纤上的散射或者反射信号；
采集单元19采集波长监测单元20，辅助干涉仪单元21以及主路干涉仪单元22的信号；其例如可以是与数据处理单元、存储单元以及/或控制单元耦合的数据采集卡。
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。
存储单元32存储采集后的各个波段的辅助干涉仪信号，主路干涉光信号，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，拼接后辅助干涉仪信号，拼接后主路干涉光信号，最终辅助干涉仪信号，最终主路干涉光信号，以及存储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。
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。
为了实现无间隙调谐与光谱的覆盖，每个激光二极管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激光二极管在该温度下相邻且较低温度的电流调谐中的终止波长以使同一激光二极管的相邻温度的输出激光在光谱上部分重叠；且每个激光二极管在终止温度下的电流调谐得到的终止波长大于与其相邻的且波长更大的激光二极管在起始温度下的电流调谐得到的起始波长，以使得终止温度下的相邻激光二极管中低波长管通过电流调谐所覆盖的光信号的光谱与起始温度下的相邻激光二极管高波长管通过电流调谐所输出的光信号的光谱部分重叠。
如图2，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 与反馈阵列激光器2的温度控制引脚27相连，将分布式反馈阵列激光器2控制到10度。控制单元1对电学通道切换单元25施加第一开关控制信号SCS1使电流驱动单元24的输出端子与分布式反馈阵列激光器2的第一激光二极管引脚28接通，控制单元1控制电流驱动单元24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50mA调至终止电流300mA，在第一电流驱动信号CDS1下，分布式反馈阵列激光器2中的第一激光二极管进行波长调谐，第一激光二极管从1530nm调谐至1532.5nm。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，类似地，控制单元1对电学通道切换单元25施加第二开关控制信号SCS2使电流驱动单元24的输出端子与分布式反馈阵列激光器2的第二激光二极管引脚29接通，控制单元1控制电流驱动单元24输出第二电流驱动信号CDS2，从起始电流50mA调至终止电流300mA，在第二电流驱动信号CDS2下，分布式反馈阵列激光器2中的第二激光二极管进行波长调谐，第二激光二极管从1533.5nm调谐至1536nm。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MA21, 辅助干涉仪单元21输出的信号MB21,主路干涉仪单元22输出的信号MC21，数据存入存储单元31。接下来，控制单元1对电学通道切换单元25施加第三开关控制信号SCS3使电流驱动单元24的输出端子与分布式反馈阵列激光器2的第三激光二极管引脚30接通，控制单元 1控制电流驱动单元24输出第三电流驱动信号CDS3，从起始电流50mA调至终止电流300mA，在第三电流驱动信号CDS3下，分布式反馈阵列激光器2中的第三激光二极管进行波长调谐，第三激光二极管从1537nm调谐至1539.5nm。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MA31,辅助干涉仪单元21输出的信号MB31,主路干涉仪单元22 输出的信号MC31，数据存入存储单元31。
控制单元1对温度控制单元26施加第二温度控制信号TCS2，温度控制单元26与反馈阵列激光器2的温度控制引脚27相连，将分布式反馈阵列激光器2控制到30度。控制单元1对电学通道切换单元25施加第一开关控制信号SCS1使电流驱动单元24的输出端子与分布式反馈阵列激光器2的第一激光二极管引脚28接通，控制单元1控制电流驱动单元24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50mA调至终止电流300mA，在第一电流驱动信号CDS1下，驱动分布式反馈阵列激光器2中的第一激光二极管进行波长调谐，第一激光二极管从1532nm调谐至1534.5nm。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。接下来，类似地，控制单元1对电学通道切换单元25施加第二开关控制信号SCS2使电流驱动单元24的输出端子与分布式反馈阵列激光器2的第二激光二极管引脚29接通，控制单元1控制电流驱动单元24输出第二电流驱动信号CDS2，从起始电流50mA调至终止电流300mA，在第二电流驱动信号CDS2下，驱动分布式反馈阵列激光器2中的第二激光二极管进行波长调谐，第二激光二极管从1535.5nm 调谐至1538nm。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 MA22,辅助干涉仪单元21输出的信号MB22,主路干涉仪单元22输出的信号MC22，数据存入存储单元31。接下来，控制单元1对电学通道切换单元25施加第三开关控制信号SCS3 使电流驱动单元24的输出端子与分布式反馈阵列激光器2的第三激光二极管引脚30接通，控制单元1控制电流驱动单元24输出第三电流驱动信号CDS3，从起始电流50mA调至终止电流300mA，在第三电流驱动信号CDS3下，驱动分布式反馈阵列激光器2中的第三激光二极管进行波长调谐，第三激光二极管从1539nm调谐至1541.5nm。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MA32,辅助干涉仪单元21输出的信号 MB32，主路干涉仪单元22输出的信号MC32，数据存入存储单元31。
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(1530-1532.5nm)MA12(1532-1534.5nm)MA21(1533.5-1536nm)MA22(1535.5-1538nm) MA31(1537-1539.5nm)MA32(1539-1541.5nm)。
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(1530-1532.5nm)MB12(1532-1534.5nm)MB21(1533.5-1536nm)MB22(1535.5-1538nm) MB31(1537-1539.5nm)MB32(1539-1541.5nm)。
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(1530-1532.5nm)MC12(1532-1534.5nm)MC21(1533.5-1536nm)MC22(1535.5-1538nm) MC31(1537-1539.5nm)MC32(1539-1541.5nm)。
波段定义为在某一温度下的分布式反馈阵列激光器施加电流调制下的波长调谐所覆盖的光谱范围。例如上边所述MC21，MC 22等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，采集的信号一共有五个波段，相邻波段均存在波长重叠，这一波长重叠区域为0.5nm。需要将各个波段进行拼接与组合，构成一个无重叠的完整信号。
下面介绍利用波长监测单元信号来确定辅助干涉仪单元以及主路干涉仪单元信号在波长相邻波段的拼接位置的过程。
波长监测单元20为测量波长的装置，用于提供包括所述激光器激光输出的据对波长信息的波长监测信号，其可以是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。波长监测单元20也可以是可以具有特征吸收谱线的气体分子气室，如氰化氢分子气室，乙炔分子气室，或中心波长已知的光纤光栅等。如图4为氰化氢分子气室特征谱线，将其作为C波段(1530 到1565nm)的波长参考。图7为各个吸收峰对应的波长值。
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。
如图6，以氰化氢气室吸收峰位置作为波长监测单元来确定拼接点位置与信号拼接的过程。以MC11(图6中72)和MC12(图6中73)信号为例。对氰化氢气室透射信号而言，MA11(图6中74)和MA12(图6中75)在波长位置 R20(1530.30668nm)R19(1530.78615),R18(1531.27537)R17(1531.77430)R16(1532.28298)处存在吸收峰，MC11在波长位置R16(1532.28298) R15(1532.80139nm)R14(1533.32954),R13(1533.86745)处存在吸收峰峰。因此可以用 R16(1532.28298)作为拼接波长位置。然后，MC11舍弃该波长位置所对应的采样点(图6中 70)后边的数据点，MC12舍弃该波长位置所对应的采样点(图6中71)前边的数据点。拼接后的新得到的相邻两段输出的信号为MC1112信号(图6中77)。
同理完成其他相邻波段信号的拼接，所有拼接后波段按照波长从小到大依次排列构成拼接后辅助干涉仪信号，拼接后主路干涉光信号。
接下来通过拼接后辅助干涉仪信号对拼接后主路干涉光信号进行非线性校正。由于电流调谐带来的激光器波长调谐具有非线性，也就是输出光频或者波长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，这一效应恶化对传感或测量系统的空间分辨力。上述所述的利用辅助干涉仪信号对测量态主路干涉光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 将该辅助干涉仪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主路干涉光信号或波长监测信号进行非线性校正。方法为将辅助干涉仪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主路干涉光信号与波长监测信号进行重采样，重采样后的主路干涉光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，还可以将辅助干涉仪输出的正弦信号作为采集单元19的时钟，用该时钟作为主路干涉光信号和波长监测信号的同步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 with measurementrange beyond laser coherence length realized using concatenative referencemethod.Optics letters,2007.32(22):p.3227 3.Swept-wavelength InterferometricInterrogation of Fiber Rayleigh Scatter for Distributed Sensing Applications4.Song,J.,et al.,Long-Range High Spatial Resolution Distributed Temperatureand Strain Sensing Based on Optical Frequency-Domain Reflectometry.IEEEPhotonics 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,etal.Precise control of broadband frequency chirps using optoelectronicfeedback.Optics express,2009,17(18):15991-15999.)。校正了非线性的拼接后主路干涉光信号记为最终主路干涉光信号，将作为分布式参量解调程序的输入量。
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提供的激光器的起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。
此时输出的激光可以认为是理想的线性调制信号。此时采集单元19以固定频率采集主路干涉仪单元输出信号以及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；对主路干涉仪单元输出信号、波长监测单元信号进行截取和拼接得到最终主路干涉仪单元输出信号、最终波长监测单元信号；对分布式物理量进行解算。
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40 将输入的光稳定在设定的某一功率上。
鉴于基于光频域反射原理的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，即不包括所述物理量变化的参考态下，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，即相对于第一个参考态，传感光纤收到了所述物理量变化的作用状态下，采集得到相关信号。基于分布式反馈阵列激光器的分布式物理量测量过程如下：
第1步、在外界不包括所述物理量变化的第一个状态下，即参考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辅助干涉仪信号，参考态各个波段波长监测单元信号主路干涉光信号；
第2步、在外界包括所述物理量变化的第二个状态下，即参考态下得到测量态各个波段波长监测单元信号，测量态各个波段波辅助干涉仪信号，测量态各个波段主路干涉光信号；
第3步、根据波长监测单元信号，确定相邻波段的拼接位置，得到参考态拼接后主路干涉光信号，参考态拼接后辅助干涉仪信号，测量态拼接后主路干涉光信号，和测量态拼接后主路干涉光信号；
第4步、分别利用参考态拼接后辅助干涉仪信号和测量态拼接后辅助干涉仪信号对参考态拼接后主路干涉光信号和测量态拼接后主路干涉光信号进行非线性校正，得到最终参考态主路干涉光信号和最终测量态主路干涉光信号；
第5步、分布式物理量解算：对所述最终参考态主路干涉光信号和所述最终测量态主路干涉光信号分别进行快速傅里叶变换得到所述最终参考态主路干涉光信号和所述最终测量态主路干涉光信号的距离域信号，分别对所述最终参考态主路干涉光信号和所述最终测量态主路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；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。
对于未经非线性校正的情形，则直接用所述参考态拼接后主路干涉光信号和测量态拼接后主路干涉光信号进行上述解算。
传感光纤6可以为普通单模光纤，或者刻写了中心波长相等的弱反射光纤光栅阵列的传感光纤(Use of 3000Bragg grating strain sensors distributed on foureight-meter optical fibers during static load tests of a compositestructure.)，或者瑞利散射增强的传感光纤(Loranger,S.,et al.,Rayleigh scatterbased order of magnitude increase in distributed temperature and strainsensing by simple UV exposure of optical fibre.Scientific Reports,2015.5:p.11177.)等。
其中，若传感光纤为刻写等中心波长的弱反射光纤光栅阵列，则第5步的分布式物理量解算过程为：分别对最终参考态主路干涉光信号和最终测量态主路干涉光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，利用窗函数作为滤波器选取各个光纤光栅，利用傅里叶逆变换转换到光频域，对应各个位置的参考信号和测量信号的光栅光谱信号；对参考信号和测量信号的光栅光谱信号进行包络探测并找到峰值所在位置，该峰值位置的变化量代表被测物理量大小；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,etal.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.)。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 GratingSensors.Sensors,2017.17(10):p.2368.)。
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CuiJ,Zhao S, Yang D,et al.Investigation of the interpolation method to improvethe distributed strain measurement accuracy in optical frequency domainreflectometry systems[J].Applied optics,2018, 57(6):1424-1431.)。
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。
在本发明的一些实施例中，还可以由控制单元控制使得采集单元19采集波长监测单元 20输出的信号,辅助干涉仪单元21输出的信号,主路干涉仪单元22输出的信号直接送入数据处理单元，而无需送入存储单元。
在本申请中，如无相反定义，度指摄氏度。
在本申请中，并不必须选取分布式反馈阵列激光器的全部激光二极管进行信号拼接，还可以配置为仅选定特定的激光二极管，只要选定后的二极管的激光输出连续覆盖测量所需要的整个测量波段范围即可。可以在所述选定的激光二极管中切换提供激光输出的激光二极管。所述激光二极管选定单元为电学开关。
在本申请中，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。
本申请中，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。
在本申请中，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。
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.基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布方法，其用于通过耦合于待测样品的传感光纤测量所述待测样品的物理量变化，其特征在于：该方法包括以下步骤：
其中，所述激光输出由所述分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下分别改变所述选定的激光二极管的驱动电流以使得每个所述选定的激光二极管发出该激光二极管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激光二极管在该所述温度下相邻且较低温度的电流调谐中的终止波长以使同一所述选定的激光二极管的相邻温度的输出激光在光谱上部分重叠；且每个所述选定的激光二极管在所述终止温度下的电流调谐得到的终止波长大于与其相邻的且波长更大的选定的激光二极管在所述起始温度下的电流调谐得到的起始波长，以使得所述终止温度下的相邻激光二极管中低波长管通过电流调谐所覆盖的光信号的光谱与所述起始温度下的相邻激光二极管高波长管通过电流调谐所输出的光信号的光谱有部分重叠；
使得所述分布式反馈阵列激光器的所述激光输出与所述传感光纤对于所述激光输出的反射光相干涉形成干涉光；
将所述干涉光转换为主路干涉光信号；
提供包含所述激光输出的绝对波长信息的波长监测信号；
在不包括所述物理量变化的参考态下同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号得到参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号；
根据所述参考态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的所述参考态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的参考态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后参考态主路干涉光信号；在包括所述物理量变化的测量态下采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号得到测量态主路干涉光信号以及测量态波长监测信号；
根据所述测量态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述测量态主路干涉光信号中的拼接点；
去除所述采集到的测量态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及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解算所述物理量变化。
2.根据示例1所述的方法，其特征在于：还包括
提供不包括所述物理量变化的参考态下的分布式反馈阵列激光器的所述激光输出的参考态辅助干涉光；将所述参考态辅助干涉光转换为参考态辅助干涉光信号；采集所述参考态辅助干涉光信号；以及用所述参考态辅助干涉光作为所述同步地采集所述参考态主路干涉光信号以及所述激光输出波长监测信号的时钟；以及
提供包括所述物理量变化的测量态下的分布式反馈阵列激光器的所述激光输出的测量态辅助干涉光；将所述测量态辅助干涉光转换为测量态辅助干涉光信号；采集所述测量态辅助干涉光信号；以及用所述测量态辅助干涉光信号作为完成所述同步地采集所述测量态主路干涉光信号以及所述激光输出波长监测信号的时钟。
3.根据示例2或3所述的方法，其特征在于：所述的非线性校正包括根据所述辅助干涉光信号估算所述波长监测信号的相位，并由此对所述采集的干涉仪信号以及所述采集的波长监测信号进行非线性补偿，如重采样；或者，采用辅助干涉仪并结合光电锁相环实现非线性校正。
4.根据示例1所述的方法，其特征在于：改变所述分布式激光器的驱动电流包括使得每个激光二极管在所述驱动电流调谐下的起始波长小于与该激光二极管相邻的具有更大波长值的激光二极管在所述驱动电流调谐下的终止波长以使相邻波长激光二极管的输出信号在光谱上部分重叠。
5.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：向所述分布式反馈阵列激光器中的所有激光二极管提供恒定的工作温度控制信号。
6.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述分布式反馈阵列激光器的激光输出通过闭环功率控制来对分布式反馈阵列激光器的所述激光输出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，分别对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；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。
8.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传感光纤的情形；所述解算包括：包括对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，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。
9.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：还包括
提供所述激光输出经过辅助干涉仪形成的参考态辅助干涉光；将所述参考态辅助干涉光转换为参考态辅助干涉光信号；同步地采集所述参考态主路干涉光信号，所述参考态波长监测信号、以及参考态辅助干涉光信号；以及用采集到的参考态辅助干涉光信号对所述参考态主路干涉光信号进行非线性校正得到最终参考态主路干涉光信号；以及
提供所述激光输出经过辅助干涉仪形成的测量态辅助干涉光；将所述测量态辅助干涉光转换为测量态辅助干涉光信号；同步地采集所述测量态主路干涉光信号、所述测量态波长监测信号，以及测量态辅助干涉光信号；以及用采集到的测量态辅助干涉光信号对所述测量态主路干涉光信号进行非线性校正得到最终测量态主路干涉光信号。
以及用所述最终参考态主路干涉光信号和所述最终测量态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
10.根据示例9所述的方法，其特征在于：所述解算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，分别对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；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。
11.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述分布式反馈阵列激光器内部激光二极管输出激光的波长随外加驱动电流的增大而增加,所述驱动电流为从小到大的驱动电流信号，在该驱动电流下，激光器输出波长从小到大发生波长变化。
12.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述的驱动电流可以为持续时间很短的由低变高的锯齿电流脉冲，其最大值超过分布式反馈阵列激光器的标称安全工作电流，但未达到产生的热效应损坏激光器的程度。
13.根据示例9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传感光纤的情形；所述解算包括：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。
14.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述的物理量包括应变，或温度，或导致传感光纤发生应变或温度变化的其他物理量。
15.基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量装置，用于通过耦合于待测样品的传感光纤测量待测样品的物理量变化，其特征在于该装置包括：
分布式反馈阵列激光器，配置为提供激光输出，所述激光输出由所述分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下分别改变所述选定的激光二极管的驱动电流以使得每个所述选定的激光二极管发出该激光二极管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激光二极管在该所述温度下相邻且较低温度的电流调谐中的终止波长以使同一所述选定的激光二极管的相邻温度的输出激光在光谱上部分重叠；且每个所述选定的激光二极管在所述终止温度下的电流调谐得到的终止波长大于与其相邻的且波长更大的选定的激光二极管在所述起始温度下的电流调谐得到的起始波长，以使得所述终止温度下的相邻激光二极管中低波长管通过电流调谐所覆盖的光信号的光谱与所述起始温度下的相邻激光二极管高波长管通过电流调谐所输出的光信号的光谱有部分重叠；
波长监测单元，配置为接收所述激光输出以提供包含所述激光输出的绝对波长信息的波长监测信号；使得能够根据所述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；；
主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述传感光纤对所述激光输出的反射光并使得两者相干涉形成主路干涉光信号；
采集单元，配置为在参考态下同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号，以及在测量态下同步采集主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到测量态主路干涉光信号以及测量态波长监测信号；
数据处理单元，配置为
根据接收的所述参考态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的参考态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的参考态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后参考态主路干涉光信号；
根据接收的所述测量态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的测量态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的测量态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及
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解算所述物理量变化。
16.根据示例15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。
17.根据示例15所述的装置，其特征在于：所述传感光纤配置于所述主路干涉仪单元的测量臂上，为普通单模光纤，或者为刻写有等中心波长的弱反射光纤光栅阵列的光纤，或者为瑞利散射增强的光纤。
18.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括电流驱动单元，其被配置为向所述分布式反馈阵列激光器提供驱动电流以使所述选定的激光二极管输出所述参考态激光输出以及所述测量态激光输出，所述驱动电流为从小到大的驱动电流信号，在该驱动电流下，激光器输出波长从小到大发生波长变化。
19.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括温度控制单元，其被配置为向分布式反馈阵列激光器中的激光二极管提供工作温度控制信号以使得所述分布式反馈阵列激光器中的激光二极管工作于所述离散温度值。
20.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括激光二极管选定单元，配置为在所述选定的激光二极管中切换提供激光输出的激光二极管。
21.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述激光二极管选定单元为电学开关。
22.根据以上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，用于调节分布式反馈阵列激光器输出激光的光功率，以达到为分布式物理量测量装置提供具有稳定光功率的激光的目的。
23.根据以上示例中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，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。
24.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括辅助干涉仪单元，配置为基于接收的所述激光输出生成辅助干涉光信号，其输出信号通常为随入射光波长或者光频率变化而存在周期性特征信号，如具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪，用于校正主路干涉仪模块输出信号的光源波长调谐存在的非线性。
25.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述采集单元被配置为在参考态与所述参考态主路干涉光信号以及所述参考态波长监测信号同步地采集所述辅助干涉光信号得到参考态辅助干涉光信号；以及用所述参考态辅助干涉光信号对所述参考态主路干涉光信号进行非线性校正得到最终参考态主路干涉光信号；以及在测量态与所述测量态主路干涉光信号以及所述测量态波长监测信号同步地采集所述辅助干涉光信号得到测量态辅助干涉光信号；以及用所述测量态辅助干涉光信号对所述测量态主路干涉光信号进行非线性校正得到最终测量态主路干涉光信号；以及
用所述最终参考态主路干涉光信号和所述最终测量态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
26.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述采集单元被配置为在所述参考态采集所述辅助干涉光信号得到参考态辅助干涉光信号；以及用所述参考态辅助干涉光信号作为所述同步地采集所述参考态主路干涉光信号以及所述波长监测信号的时钟；以及在所述测量态采集所述辅助干涉光信号得到测量态辅助干涉光信号；以及用所述测量态辅助干涉光信号作为同步地采集所述测量态主路干涉光信号以及所述波长监测信号的时钟。
27.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：采用所述辅助干涉仪并结合光电锁相环实现对所述主路干涉仪以及所述激光输出在所述参考态和所述测量态的非线性校正。
28.根据以上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。
29.根据以上示例中任意一项所述的装置，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。
30.根据以上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。
31.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述的分布式反馈阵列激光器包括具有固定波长间隔的多个激光二极管以及一个多模干涉耦合器，不同的激光二极管可以通过电学手段进行切换与激光输出。
32.一种基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量系统，用于测量待测样品的物理量变化，其特征在于该系统包括：
耦合于所述待测样品的传感光纤；
分布式反馈阵列激光器，配置为提供激光输出，所述激光输出由所述分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下分别改变所述选定的激光二极管的驱动电流以使得每个所述选定的激光二极管发出该激光二极管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激光二极管在该所述温度下相邻且较低温度的电流调谐中的终止波长以使同一所述选定的激光二极管的相邻温度的输出激光在光谱上部分重叠；且每个所述选定的激光二极管在所述终止温度下的电流调谐得到的终止波长大于与其相邻的且波长更大的选定的激光二极管在所述起始温度下的电流调谐得到的起始波长，以使得所述终止温度下的相邻激光二极管中低波长管通过电流调谐所覆盖的光信号的光谱与所述起始温度下的相邻激光二极管高波长管通过电流调谐所输出的光信号的光谱有部分重叠；
波长监测单元，配置为接收所述激光输出以提供包含所述激光输出的绝对波长信息的波长监测信号，使得能够根据所述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；
主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述传感光纤对所述激光输出的反射光并使得两者相干涉形成主路干涉光信号；
采集单元，配置为在参考态下同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号，以及在测量态下同步采集主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到测量态主路干涉光信号以及测量态波长监测信号；
数据处理单元，配置为
根据接收的所述参考态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的参考态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的参考态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后参考态主路干涉光信号；
根据接收的所述测量态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的测量态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的测量态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及
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解算所述物理量变化。
33.根据示例32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。
34.根据示例32所述的系统，其特征在于：所述传感光纤配置于所述主路干涉仪单元的测量臂上，为普通单模光纤，或者为刻写有等中心波长的弱反射光纤光栅阵列的光纤，或者为瑞利散射增强的光纤。
35.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：还包括电流驱动单元，其被配置为向所述分布式反馈阵列激光器提供驱动电流以使所述选定的激光二极管输出所述参考态激光输出以及所述测量态激光输出，所述驱动电流为从小到大的驱动电流信号，在该驱动电流下，激光器输出波长从小到大发生波长变化。
36.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：还包括温度控制单元，其被配置为向分布式反馈阵列激光器中的激光二极管提供工作温度控制信号以使得所述分布式反馈阵列激光器中的激光二极管工作于所述离散温度值。
37.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：还包括激光二极管选定单元，配置为在所述选定的激光二极管中切换提供激光输出的激光二极管。
38.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述激光二极管选定单元为电学开关。
39.根据以上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，用于调节分布式反馈阵列激光器输出激光的光功率，以达到为分布式物理量测量系统提供具有稳定光功率的激光的目的。
40.根据以上示例中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，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。
41.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：还包括辅助干涉仪单元，配置为基于接收的所述激光输出生成辅助干涉光信号，其输出信号通常为随入射光波长或者光频率变化而存在周期性特征信号，如具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪，用于校正主路干涉仪模块输出信号的光源波长调谐存在的非线性。
42.根据示例32所述的系统，其特征在于：所述采集单元被配置为在参考态与所述参考态主路干涉光信号以及所述参考态波长监测信号同步地采集所述辅助干涉光信号得到参考态辅助干涉光信号；以及用所述参考态辅助干涉光信号对所述参考态主路干涉光信号进行非线性校正得到最终参考态主路干涉光信号；以及在测量态与所述测量态主路干涉光信号以及所述测量态波长监测信号同步地采集所述辅助干涉光信号得到测量态辅助干涉光信号；以及用所述测量态辅助干涉光信号对所述测量态主路干涉光信号进行非线性校正得到最终测量态主路干涉光信号；以及
用所述最终参考态主路干涉光信号和所述最终测量态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
43.根据示例32所述的系统，其特征在于：所述采集单元被配置为在所述参考态采集所述辅助干涉光信号得到参考态辅助干涉光信号；以及用所述参考态辅助干涉光信号作为所述同步地采集所述参考态主路干涉光信号以及所述波长监测信号的时钟；以及在所述测量态采集所述辅助干涉光信号得到测量态辅助干涉光信号；以及用所述测量态辅助干涉光信号作为同步地采集所述测量态主路干涉光信号以及所述波长监测信号的时钟。
44.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：采用所述辅助干涉仪并结合光电锁相环实现对所述主路干涉仪以及所述激光输出在所述参考态和所述测量态的非线性校正。
45.根据以上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。
46.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述辅路干涉仪单元，包括具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪。
47.根据以上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。
48.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述的分布式反馈阵列激光器包括具有固定波长间隔的多个激光二极管以及一个多模干涉耦合器，不同的激光二极管可以通过电学手段进行切换与激光输出。
Claims (10)
1.基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布方法，其用于通过耦合于待测样品的传感光纤测量所述待测样品的物理量变化，其特征在于：该方法包括以下步骤：
其中，所述激光输出由所述分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下分别改变所述选定的激光二极管的驱动电流以使得每个所述选定的激光二极管发出该激光二极管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激光二极管在该所述温度下相邻且较低温度的电流调谐中的终止波长以使同一所述选定的激光二极管的相邻温度的输出激光在光谱上部分重叠；且每个所述选定的激光二极管在所述终止温度下的电流调谐得到的终止波长大于与其相邻的且波长更大的选定的激光二极管在所述起始温度下的电流调谐得到的起始波长，以使得所述终止温度下的相邻激光二极管中低波长管通过电流调谐所覆盖的光信号的光谱与所述起始温度下的相邻激光二极管高波长管通过电流调谐所输出的光信号的光谱有部分重叠；
使得所述分布式反馈阵列激光器的所述激光输出与所述传感光纤对于所述激光输出的反射光相干涉形成干涉光；
将所述干涉光转换为主路干涉光信号；
提供包含所述激光输出的绝对波长信息的波长监测信号；
在不包括所述物理量变化的参考态下同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号得到参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号；
根据所述参考态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的所述参考态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的参考态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后参考态主路干涉光信号；在包括所述物理量变化的测量态下采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号得到测量态主路干涉光信号以及测量态波长监测信号；
根据所述测量态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述测量态主路干涉光信号中的拼接点；
去除所述采集到的测量态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及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解算所述物理量变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括
提供不包括所述物理量变化的参考态下的分布式反馈阵列激光器的所述激光输出的参考态辅助干涉光；将所述参考态辅助干涉光转换为参考态辅助干涉光信号；采集所述参考态辅助干涉光信号；以及用所述参考态辅助干涉光作为所述同步地采集所述参考态主路干涉光信号以及所述激光输出波长监测信号的时钟；以及
提供包括所述物理量变化的测量态下的分布式反馈阵列激光器的所述激光输出的测量态辅助干涉光；将所述测量态辅助干涉光转换为测量态辅助干涉光信号；采集所述测量态辅助干涉光信号；以及用所述测量态辅助干涉光信号作为完成所述同步地采集所述测量态主路干涉光信号以及所述激光输出波长监测信号的时钟。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的非线性校正包括根据所述辅助干涉光信号估算所述波长监测信号的相位，并由此对所述采集的干涉仪信号以及所述采集的波长监测信号进行非线性补偿，如重采样；或者，采用辅助干涉仪并结合光电锁相环实现非线性校正。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：改变所述分布式激光器的驱动电流包括使得每个激光二极管在所述驱动电流调谐下的起始波长小于与该激光二极管相邻的具有更大波长值的激光二极管在所述驱动电流调谐下的终止波长以使相邻波长激光二极管的输出信号在光谱上部分重叠。
5.基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量装置，用于通过耦合于待测样品的传感光纤测量待测样品的物理量变化，其特征在于该装置包括：
分布式反馈阵列激光器，配置为提供激光输出，所述激光输出由所述分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下分别改变所述选定的激光二极管的驱动电流以使得每个所述选定的激光二极管发出该激光二极管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激光二极管在该所述温度下相邻且较低温度的电流调谐中的终止波长以使同一所述选定的激光二极管的相邻温度的输出激光在光谱上部分重叠；且每个所述选定的激光二极管在所述终止温度下的电流调谐得到的终止波长大于与其相邻的且波长更大的选定的激光二极管在所述起始温度下的电流调谐得到的起始波长，以使得所述终止温度下的相邻激光二极管中低波长管通过电流调谐所覆盖的光信号的光谱与所述起始温度下的相邻激光二极管高波长管通过电流调谐所输出的光信号的光谱有部分重叠；
波长监测单元，配置为接收所述激光输出以提供包含所述激光输出的绝对波长信息的波长监测信号；使得能够根据所述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；
主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述传感光纤对所述激光输出的反射光并使得两者相干涉形成主路干涉光信号；
采集单元，配置为在参考态下同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号，以及在测量态下同步采集主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到测量态主路干涉光信号以及测量态波长监测信号；
数据处理单元，配置为
根据接收的所述参考态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的参考态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的参考态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后参考态主路干涉光信号；
根据接收的所述测量态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的测量态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的测量态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及
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解算所述物理量变化。
6.根据权利要求15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。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述传感光纤配置于所述主路干涉仪单元的测量臂上，为普通单模光纤，或者为刻写有等中心波长的弱反射光纤光栅阵列的光纤，或者为瑞利散射增强的光纤。
8.根据以上权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括电流驱动单元，其被配置为向所述分布式反馈阵列激光器提供驱动电流以使所述选定的激光二极管输出所述参考态激光输出以及所述测量态激光输出，所述驱动电流为从小到大的驱动电流信号，在该驱动电流下，激光器输出波长从小到大发生波长变化。
9.根据以上权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括温度控制单元，其被配置为向分布式反馈阵列激光器中的激光二极管提供工作温度控制信号以使得所述分布式反馈阵列激光器中的激光二极管工作于所述离散温度值。
10.一种基于干涉光信号拼接的驱动电流调谐分布式测量系统，用于测量待测样品的物理量变化，其特征在于该系统包括：
耦合于所述待测样品的传感光纤；
分布式反馈阵列激光器，配置为提供激光输出，所述激光输出由所述分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过在自起始温度至终止温度的多个离散温度值下分别改变所述选定的激光二极管的驱动电流以使得每个所述选定的激光二极管发出该激光二极管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激光二极管在该所述温度下相邻且较低温度的电流调谐中的终止波长以使同一所述选定的激光二极管的相邻温度的输出激光在光谱上部分重叠；且每个所述选定的激光二极管在所述终止温度下的电流调谐得到的终止波长大于与其相邻的且波长更大的选定的激光二极管在所述起始温度下的电流调谐得到的起始波长，以使得所述终止温度下的相邻激光二极管中低波长管通过电流调谐所覆盖的光信号的光谱与所述起始温度下的相邻激光二极管高波长管通过电流调谐所输出的光信号的光谱有部分重叠；
波长监测单元，配置为接收所述激光输出以提供包含所述激光输出的绝对波长信息的波长监测信号，使得能够根据所述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；
主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述传感光纤对所述激光输出的反射光并使得两者相干涉形成主路干涉光信号；
采集单元，配置为在参考态下同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号，以及在测量态下同步采集主路干涉光信号以及所述波长监测信号以得到测量态主路干涉光信号以及测量态波长监测信号；
数据处理单元，配置为根据接收的所述参考态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的参考态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的参考态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后参考态主路干涉光信号；
根据接收的所述测量态波长监测信号提供的绝对波长信息确定所述采集的测量态主路干涉光信号中的拼接点；去除所述采集到的测量态主路干涉光信号中的波长重叠区域中所述拼接点以外的部分以形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及
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解算所述物理量变化。
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