CN112082586A - 基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感方法、装置及系统 - Google Patents

基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感方法，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，本申请构建了基于分布式反馈激光器阵列与光纤光栅阵列的准分布式物理量测量系统，并采用一种等光频间隔采样的方式获取光栅阵列的光谱，进而实现光纤光栅阵列的波长解调与准分布式物理量测量。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。本申请还公开了相应的装置和系统。

Description

基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感方法、装置 及系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感方法、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。
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。由于多个激光二极管的存在，分布式反馈阵列激光器可以实现多个信道的复用。本发明将分布式反馈阵列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装置中，并采用一种等光频间隔采样的方式获取光栅阵列的光谱，进而实现光纤光栅阵列的波长解调与准分布式物理量测量。
发明内容
本发明的实施例提供了基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感方法，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：提提供分布式反馈激光器阵列中选定的激光二极管通过改变其工作温度以使得所述选定的激光二极管发出超出其与相邻激光二极管的固有波长间隔的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；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，包含所述激光输出的相对波长信息的相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的反射光信号；根据所述的绝对波长信息确定所述相对波长监测信号和所述反射光信号的拼接点；根据所述拼接点去除所述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相对波长监测信号，以及根据所述拼接点去除所述反射光信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的反射光信号；利用所述拼接后相对波长监测信号确定等光频间隔采样点；利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后反射光信号进行重采样，得到经重采样的拼接反射光信号；基于所述经重采样的拼接反射光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与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。
本发明的另一些实施例提供基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感装置，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，该装置包括：分布式反馈阵列激光器，配置为提供分布式反馈激光器阵列中选定的激光二极管通过改变其工作温度以使得所述选定的激光二极管发出超出其与相邻激光二极管的固有波长间隔的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；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反射光信号；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，包含所述激光输出的相对波长信息的相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的反射光信号；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相对波长监测信号和所述反射光信号的拼接点；根据所述拼接点去除所述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相对波长监测信号，以及根据所述拼接点去除所述反射光信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的反射光信号；利用所述拼接后相对波长监测信号确定等光频间隔采样点；利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后反射光信号进行重采样，得到经重采样的拼接反射光信号；基于所述经重采样的拼接反射光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与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。
本申请的又一些实施例还提供了包括上述装置的系统。
本发明的有益效果：本发明构建了基于分布式反馈激光器阵列与光纤光栅阵列的准分布式物理量测量系统，并采用一种等光频间隔采样的方式获取光栅阵列的光谱，进而实现光纤光栅阵列的波长解调与准分布式物理量测量。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。同时以更密的等光频采样点恢复了光纤光栅阵列传感器的反射光谱，提高了物理量的分辨力与解调精度。
附图说明
图1为依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1中：43为多模干涉耦合器，44为热电冷却器，45为热敏电阻，2为分布式反馈激光器阵列，47为具有间隔一定波长的若干个激光二极管。
图2为依据本申请的实施例的基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感装置；
图2中，28为第一激光二极管引脚，29为第二激光二极管引脚，30为第十二激光二极管引脚，27为热电冷却器引脚，1为控制单元，26为温度控制单元，25为高速电学开关，24为电流驱动单元，2为分布式反馈阵列激光器，3为第一光纤耦合器，12为第二光纤耦合器，23为延时光纤，13为第一法拉第旋转镜，14为第二法拉第旋转镜，15为第二光电探测器，19为采集单元，36为存储单元，37为数据处理单元，6为光纤环形器，18为第一光电探测器，4为光纤光栅阵列传感器，5为被测结构，8为控制单元，20为绝对波长监测单元，17为氰化氢分子气室，7为第三光电探测器，21为相对波长监测单元，22为直接强度探测单元。
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，31为第一光纤光栅，32为第二光纤光栅，33为第三光纤光栅，34为第九光纤光栅，35为第十光纤光栅。
图4为依据本申请的实施例的光纤光栅阵列光谱；
图5为依据本申请的实施例的氰化氢气室透射谱信号；
图6为依据本申请的实施例的FP标准具输出信号
图7为依据本申请的实施例的光纤环形谐振腔透射谱信号
图8为依据本申请的实施例的相邻波段的直接强度探测单元信号拼接示意图
图9为依据本申请的实施例的分布式反馈阵列激光器上各个激光二极管在温度调谐下的波长调谐范围示意图；
具体实施方式
在本发明中采用分布式反馈阵列激光器作为测量系统的光源。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47和一个用于合束的多模干涉耦合器43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44以及阻值随温度变化而变化的热敏电阻45。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(https://www.furukawa.co.jp/fitel/english/active/pdf/signal/ODC-7AH001H_FRL15TCWx-D66-xxxxx-D.pdf)。分布式反馈阵列激光器输出波长对温度和电流均有所响应。通常的用法是通过利用热电冷却器44来调节激光器阵列的温度来实现波长调谐的，而激光器输出波长对电流的响应灵敏度较低，因此电流一般用于小范围的波长调谐或者控制输出光功率。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测量系统的光源来说明如何实现光纤光栅阵列分布式物理量测量过程。
图1为基于分布式反馈阵列激光器与光纤光栅阵列的准分布式物理量测量装置，包括，分布式反馈阵列激光器及其外围控制单元：控制单元1控制电流驱动单元24生成恒定大小的电流信号，同时，通过高速电学开关25控制分布式反馈阵列激光器2切换到第一号到第十二号激光二极管。控制单元1控制温度控制单元26控制分布式反馈阵列激光器2上的热电冷却器44来改变激光器温度。温度控制单元26可以是芯片MAX1978。同时考虑到激光器输出波长对温度变化的响应速度较低，温度控制单元26的控制信号可以直接为阶跃信号，实验表明，当温度控制信号为阶跃电流信号下，温度从15度升到55度需要的时间大约为0.5秒左右。激光器输出波长随着温度增加而单调增长。
光纤光栅阵列传感器4：具有如图3结构的光纤光栅阵列传感器4，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3的光纤光栅阵列传感器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5nm，空间间距为1米。第一光纤光栅31中心波长为1520nm，第二光纤光栅32心波长为1525nm,第三光纤光栅33中心波长为1530nm，依次类推，第九光纤光栅34中心波长为1560nm，第十光纤光栅35中心波长为1565nm。这些是在刻写光纤光栅阵列时(取决于刻写参数，且受环境温度应力等影响)就确定了的。当光纤光栅阵列传感器4与被测结构5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。
相对波长监测单元21，用于监测分布式反馈阵列激光器2输出光频或波长的相对变化。一般而言，该单元可以每间隔一定光频值就出现一个周期的信号，可以实现该功能的结构有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，也就是图2中所示由12,13,14,15,23组成的结构。其输出信号为正弦信号，一个正弦信号理论上对应的光频间隔为Δλ＝λ2/2nL(λ为扫频激光的中心波长，n为光纤中折射率，L为干涉仪光程差)，可以看出光频间隔取决于干涉仪两臂的光程差，也就是延时光纤23的长度。但是由于可调谐激光器调谐存在非线性等影响，这一正弦信号若采用固定采样率的时钟进行采样，周期是存在变化的。
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，对该正弦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.and D.Y.Kim,Analysis ofnonlinear frequency sweep in high-speed tunable laser sources using a self-homodyne measurement and Hilbert transformation.2007.46(13):p.2394.)。然后根据该展开信号可以设置每间隔2pi或者pi相位作为等光频间隔位置，并利用该位置对直接强度探测单元信号进行重采样，获得光频间隔值已知的直接强度探测单元信号。此外，也可以不用对正弦信号进行相位展开，而直接使用上升沿过零点直接作为等光频间隔位置，并利用该位置对直接强度探测单元信号进行重采样。
相对波长监测单元21也可以是FP标准器或光纤环形谐振腔，图6为调谐光信号经过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 mappingusing the Fabry–Perot cavity as a reference with compensation for nonlinearoptical frequency scanning.Optics Communications,2020.455:p.124556.)。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上的FSR)和内部光纤长度有关(Gao,W.,et al.,AngularRandom Walk Improvement of Resonator Fiber Optic Gyro by OptimizingModulation Frequency.IEEE Photonics Journal,2019.11(4):p.1-13.)。对于这两种构型下的相对波长监测单元，在采用固定采样率采用方式下，其信号的峰值位置应作为等光频间隔位置，并利用该位置对直接强度探测单元信号进行重采样，获得光频间隔值已知的直接强度探测单元信号。
绝对波长监测单元20，用于分布式反馈阵列激光器2的波长输出值，校准相对波长监测单元21波长值，确定等间隔光频值。绝对波长监测单元20可以得到激光器输出的绝对波长值，包括可以输出特征信号的气室或可以直接得到波长大小的光谱仪或波长计。如图2所示的实现方式为可以输出特征信号的氰化氢分子气室，包括其吸收谱如图5所示，在特定可溯源的波长位置被吸收(https://www.wavelengthreferences.com/wp-content/uploads/HCN-fibercoupled-2014.pdf)。其不同吸收峰对应不同的波长值，最小的吸收峰为R26(1527.63342nm)与最大的吸收峰为P27(1564.44519nm)。经过氰化氢分子气室17的光被第一光电探测器18探测被采集单元19的一个采集通道采集并传入到存储单元36。采集单元19可以为多通道示波器或采集卡。
绝对波长监测单元20也可以是直接测量波长的装置如光谱仪或者波长计，此时其读数即为激光波长。通常情况下，这两种装置比气体分子气室具有更大的波长测量范围，同时不像分子气室只能在吸收峰位置对应可溯源的波长值，而是在量程内的任意位置可以给出被测激光的波长值，但是光谱仪或者波长计价格更加昂贵且体积较大。实际中应根据需要选择合理的绝对波长监测单元20的结构。
尽管相对波长监测单元21输出的周期信号在理论上可以和光频存在理论上的数值关系，但是实际中由于臂长差(也就是图2中的延时光纤23的长度)存在的误差以及激光器调谐存在的非线性，这一数值并不准，因此需要利用绝对波长监测单元20对相对波长监测单元21输出的周期信号所对应的光频间隔值进行校准。如，用绝对波长已知的氰化氢气室的吸收峰之间所经过的同步采集的具有干涉仪结构的相对波长监测单元的上升沿正弦个数，来对每周期内光频间隔进行校准，获取等光频间隔值。
采集单元19，用于采集绝对波长监测单元20输出信号，采集相对波长监测单元21输出信号，采集直接强度探测单元22输出信号。可以为商品化的采集板卡或示波器，具有AD转换功能，具有三路信号通道。
控制单元8，用于上述分布式反馈阵列激光器及其外围控制电路、采集单元的时序控制。可以为FPGA或者计算机。
如图2，控制单元1控制电流驱动单元24生成恒定大小的电流信号，同时，通过高速电学开关25切换到第一号激光二极管。分布式反馈阵列激光器2输出的激光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与光纤光栅阵列传感器4。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5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36。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中所示的迈克尔孙干涉仪结构组成，由第二光纤耦合器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输出光到光纤光栅阵列传感器单元，激光从光纤环形器6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6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6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。至此该波段的三路信号被采集单元19采集后传到存储单元36进而传入数据处理单元37。
接下来，控制单元8控制通过高速电学开关25切换到第2号激光二极管，控制单元1控制温度控制单元26控制分布式反馈阵列激光器2上的热制冷温度热电冷却器44来改变激光器温度。其他采集过程同上段所述。这一波段的三路信号被采集单元19采集后传到存储单元36进而传入数据处理单元37。
依次类推，完成分布式反馈阵列激光器上选定的各个激光二极管的波长调谐过程并记录下数据。这里假设随着温度的增加，激光器的输出波长是递增的。同时分布式反馈阵列激光器内部激光二极管随着序号的增加，激光器的输出波长是递增的。记录下的数据是各个激光二极管在驱动电流恒定仅仅利用温度调谐下的输出调谐激光通过传感或测量装置各个单元的数据。为了得到大范围波长范围内的数据需要将各路(直接强度探测单元信号，绝对波长监测单元20输出信号以及相对波长监测单元21输出信号)的数据进行拼接，拼接后的数据作为整个带宽下的探测光数据。
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21与直接强度探测单元22输出信号进行拼接来得到无重叠的连续的输出信号，需要利用绝对波长监测单元20来对各个波段采集到的相对波长监测单元输出信号与直接强度探测单元输出信号进行拼接。
绝对波长监测单元20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。绝对波长监测单元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气室或乙炔分子气室。
下面用图8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，并对相邻两段光纤直接强度探测单元信号进行拼接的过程。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8的吸收谱线，将其作为C波段的波长参考。图8中72和73为某一对相邻两段的直接强度探测单元信号，74和75是同步采集的波长监测单元输出信号(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，前一段经过气室的信号74在波长位置λk-1与λk处存在吸收峰，后一段经过气室的信号74在波长位置λk与λk+1处存在吸收峰。因此可以用λk作为拼接波长位置。该拼接位置对应的前一段直接强度探测单元信号输出信号72和后一段直接强度探测单元信号73的采样点位置分别为70和71。对于前一段直接强度探测单元信号72舍弃采样点70后边的数据，对于后一段直接强度探测单元信号73舍弃采样点71前边的数据。新得到的相邻两段直接强度探测单元信号顺次拼接得到新的直接强度探测单元信号77。对全波段(对日本FITEL公司的D66型号分布式反馈阵列激光器，可以为12个激光二极管)上进行类似处理，即可得到全波段的连续的直接强度探测单元信号。这里的拼接指的是各个波段按照波长顺序重新排列成连续的输出信号。
在获取了绝对波长监测单元输出信号，以及拼接后直接强度探测单元信号，拼接后相对波长监测单元输出信号，进行采样点光频间隔校准以及物理量解算以获取最后的准分布式物理量测量结果。整个测量过程如下：
第1步、获取拼接后直接强度探测单元信号以及拼接后相对波长监测单元输出信号。
第2步、选取绝对波长监测单元20输出信号，也就是氰化氢分子气室6的一个吸收峰，优选地，可选吸收峰R26作为起始波长位置，该位置的绝对波长为1527.63342nm。同时选取吸收峰P27(1564.44519nm)作为终止波长，保留这两个吸收峰之间的拼接后直接强度探测单元信号以及拼接后相对波长监测单元输出信号，这样得到了起点波长已知且波段长度固定且已知的拼接后直接强度探测单元信号以及拼接后相对波长监测单元输出信号。
第3步、计算氰化氢分子气室6的吸收峰R26(1527.63342nm)与吸收峰P27(1564.44519nm)之间所对应的拼接后相对波长监测单元输出信号的正弦信号的上升沿过零点个数，用两个吸收峰之间光频差值除以上升沿过零点个数得到这一范围内拼接后相对波长监测单元输出信号每个周期对应的光频间隔值。
第4步、利用第3步所确定的等光频间隔采样点(也就是每个正弦信号的上升沿过零点位置)对第2步得到的拼接后直接强度探测单元信号进行重采样，重采样的含义为找出拼接后直接强度探测单元信号中的位置序号和等光频间隔采样点相同位置的数据并重新依次排列构成一组新的数据，得到最终直接强度探测单元信号，此时最终直接强度探测单元信号具有起点波长已知，且相邻点的光频间距已知，也就是得到了准确的最终光纤光栅阵列传感器的光谱。原始光谱分辨力等于计算得到的等光频间隔值。若光纤光栅阵列传感器为图3所示的结构和参数，考虑到吸收峰确定的起始波长和终止波长以及每个光栅占用的由其物理量测量量程导致的占用带宽，光纤光栅阵列传感器4上的第三至第九光纤光栅可以被测量置覆盖且用于解调。若使用光谱仪或者波长计作为绝对波长监测单元，则可以覆盖更大的可访问光栅个数及波长范围。
第5步、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，求取光纤光栅阵列不同光纤光栅光谱的峰值所在位置，可以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，进而得到各个光纤光栅上的物理量变化。
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。
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：
1.一种基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感方法，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：
提供分布式反馈激光器阵列中选定的激光二极管通过改变其工作温度以使得所述选定的激光二极管发出超出其与相邻激光二极管的固有波长间隔的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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，包含所述激光输出的相对波长信息的相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的反射光信号；
根据所述的绝对波长信息确定所述相对波长监测信号和所述反射光信号的拼接点；
根据所述拼接点去除所述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相对波长监测信号，以及根据所述拼接点去除所述反射光信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的反射光信号；
利用所述拼接后相对波长监测信号确定等光频间隔采样点；
利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后反射光信号进行重采样，得到经重采样的拼接反射光信号；
基于所述经重采样的拼接反射光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与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。
2.根据示例1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。
3.根据示例1或2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。
4.根据上述示例中任意一项所述的方法,其特征在于：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工作温度的增大而增加。
5.根据上述示例中任意一项所述的方法,其特征在于：将分布式反馈阵列激光器驱动电流设置为某一定值，使得分布式反馈阵列激光器具有稳定功率的激光输出；控制分布式反馈阵列激光器中选定的多个输出波长逐渐增加的激光二极管依次改变其温度得到波长调谐激光输出，其中，所述波长调谐被配置为：每个激光二极管在该温度调谐下的起始波长小于与该激光二极管相邻的具有更大固有波长值的激光二极管在温度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。
6.根据上述示例中任意一项所述的方法,其特征在于：利用所述绝对波长监测信号对所述调谐波长范围内的等光频间隔值进行校准。
7.一种基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感装置，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：
分布式反馈阵列激光器，配置为提供分布式反馈阵列激光器中所述选定的激光二极管通过所述改变其工作温度以使得所述选定的激光二极管发出超出其与相邻的所述选定的激光二极管固有输出波长间隔的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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或光纤耦合器的光电探测器，所述直接强度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反射光信号；
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，包含所述激光输出的相对波长信息的相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的反射光信号；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相对波长监测信号和所述反射光信号的拼接点；
根据所述拼接点去除所述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相对波长监测信号，以及根据所述拼接点去除所述反射光信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的反射光信号；
利用所述拼接后相对波长监测信号确定等光频间隔采样点；
利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后反射光信号进行重采样，得到经重采样的拼接反射光信号；
基于所述经重采样的拼接反射光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与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。根据示例7的装置，其特征在于：所述分布式激光器被配置为所述每个选定的激光二极管在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的波长值的激光二极管在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。
8.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。
9.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，用于为分布式反馈激光器阵列中的激光二极管提供恒定的驱动电流控制信号。
10.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，用于为分布式反馈激光器阵列提工作温度控制信号，进而对激光二极管进行波长调谐。
11.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：还包括电学开关，用于切换分布式反馈激光器阵列内不同激光二极管。
12.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：分布式反馈激光器阵列激光输出后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。
13.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。
14.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。
15.根据以上示例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。
16.根据以上示例任意一项所述的装置，其特征在于：利用所述绝对波长监测信号对所述调谐波长范围内的等光频间隔值进行校准。
17.一种基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感系统，用于测量待测物体的物理量变化，其特征在于该系统包括：
光纤光栅阵列，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；耦合于所述待测物体，且受所述物理量作用待测物体；
分布式反馈阵列激光器，配置为提供分布式反馈阵列激光器中所述选定的激光二极管通过所述改变其工作温度以使得所述选定的激光二极管发出超出其与相邻的所述选定的激光二极管固有输出波长间隔的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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或光纤耦合器的光电探测器，所述直接强度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反射光信号；
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，包含所述激光输出的相对波长信息的相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的反射光信号；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相对波长监测信号和所述反射光信号的拼接点；
根据所述拼接点去除所述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相对波长监测信号，以及根据所述拼接点去除所述反射光信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的反射光信号；
利用所述拼接后相对波长监测信号确定等光频间隔采样点；
利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后反射光信号进行重采样，得到经重采样的拼接反射光信号；
基于所述经重采样的拼接反射光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与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。
18.根据示例18的系统，其特征在于：所述分布式激光器被配置为所述每个选定的激光二极管在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的波长值的激光二极管在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。
19.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。
20.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，用于为分布式反馈激光器阵列中的激光二极管提供恒定的驱动电流控制信号。
21.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，用于为分布式反馈激光器阵列提工作温度控制信号，进而对激光二极管进行波长调谐。
22.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：还包括电学开关，用于切换分布式反馈激光器阵列内不同激光二极管。
23.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：分布式反馈激光器阵列激光输出后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。
24.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。
25.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。
26.根据以上示例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。
27.根据以上示例任意一项所述的系统，其特征在于：利用所述绝对波长监测信号对所述调谐波长范围内的等光频间隔值进行校准。

Claims (10)

1.一种基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感方法，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：
提供分布式反馈激光器阵列中选定的激光二极管通过改变其工作温度以使得所述选定的激光二极管发出超出其与相邻激光二极管的固有波长间隔的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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，包含所述激光输出的相对波长信息的相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的反射光信号；
根据所述的绝对波长信息确定所述相对波长监测信号和所述反射光信号的拼接点；
根据所述拼接点去除所述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相对波长监测信号，以及根据所述拼接点去除所述反射光信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的反射光信号；
利用所述拼接后相对波长监测信号确定等光频间隔采样点；
利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后反射光信号进行重采样，得到经重采样的拼接反射光信号；
基于所述经重采样的拼接反射光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与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。
2.根据权利要求1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。
3.根据权利要求1或2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。
4.根据上述权利要求中任意一项所述的方法,其特征在于：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工作温度的增大而增加。
5.一种基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感装置，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：
分布式反馈阵列激光器，配置为提供分布式反馈阵列激光器中所述选定的激光二极管通过所述改变其工作温度以使得所述选定的激光二极管发出超出其与相邻的所述选定的激光二极管固有输出波长间隔的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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或光纤耦合器的光电探测器，所述直接强度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反射光信号；
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，包含所述激光输出的相对波长信息的相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的反射光信号；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相对波长监测信号和所述反射光信号的拼接点；
根据所述拼接点去除所述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相对波长监测信号，以及根据所述拼接点去除所述反射光信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的反射光信号；
利用所述拼接后相对波长监测信号确定等光频间隔采样点；
利用所述等光频间隔采样点对所述拼接后反射光信号进行重采样，得到经重采样的拼接反射光信号；
基于所述经重采样的拼接反射光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与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。根据权利要求7的装置，其特征在于：所述分布式激光器被配置为所述每个选定的激光二极管在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的波长值的激光二极管在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。
6.根据以上权利要求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。
7.根据以上权利要求任意一项所述的装置，其特征在于：还包括电流驱动单元，用于为分布式反馈激光器阵列中的激光二极管提供恒定的驱动电流控制信号。
8.根据以上权利要求任意一项所述的装置，其特征在于：还包括温度控制单元，用于为分布式反馈激光器阵列提工作温度控制信号，进而对激光二极管进行波长调谐。
9.根据以上权利要求任意一项所述的装置，其特征在于：还包括电学开关，用于切换分布式反馈激光器阵列内不同激光二极管。
10.一种基于分布式反馈激光器阵列的光纤光栅阵列传感系统，用于测量待测物体的物理量变化，其特征在于该系统包括：
光纤光栅阵列，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；耦合于所述待测物体，且受所述物理量作用待测物体；
分布式反馈阵列激光器，配置为提供分布式反馈阵列激光器中所述选定的激光二极管通过所述改变其工作温度以使得所述选定的激光二极管发出超出其与相邻的所述选定的激光二极管固有输出波长间隔的激光输出从而连续地覆盖全部所述选定的激光二极管的所述输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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或光纤耦合器的光电探测器，所述直接强度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反射光信号；
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，包含所述激光输出的相对波长信息的相对波长监测信号，以及所述光纤光栅阵列对于所述激光输出的反射光信号；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相对波长监测信号和所述反射光信号的拼接点；
根据所述拼接点去除所述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相对波长监测信号，以及根据所述拼接点去除所述反射光信号中的除所述拼接点以外的重叠区域形成拼接的反射光信号；
利用所述拼接后相对波长监测信号确定等光频间隔采样点；
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