CN113670348A - 高精度光纤分布式物理量测量方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了高精度光纤分布式物理量测量方法用于通过耦合于待测物体的光纤传感器测量待测物体的物理量变化，本申请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，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。本申请还公开了相应的装置和系统。

Description

高精度光纤分布式物理量测量方法、装置和系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种低成本分布式物理量测量方法，装置和系统。
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，其原理是利用传感或测量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。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，单价一般几万美元。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。
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.)。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。
发明内容
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，研究一种基于垂直腔面反射激光器的低成本分布式物理量测量方法，装置和系统。
本申请的一些实施例提供了高精度光纤分布式物理量测量方法，其用于通过耦合于待测物体的光纤传感器测量待测物体的物理量变化，其包括以下步骤：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；将所述激光输出与所述光纤传感器的反射光的相干涉的干涉光转换为主路干涉光信号；在包括所述物理量变化的测量态，同步地采集所述主路干涉光信号以及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得到测量态主路干涉光信号以及测量态激光输出波长监测信号；根据所述测量态激光输出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形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及基于所述拼接后测量态主路干涉光信号和拼接后参考态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
本申请的另一些实施例提供高精度光纤分布式物理量测量装置，用于通过耦合于待测物体的光纤传感器测量待测物体的物理量变化，其特征在于该装置包括：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；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；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；主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述光纤传感器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，配置为在包括所述物理量变化的测量态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测量态激光输出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测量态主路干涉光信号以及拼接后参考态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
本申请的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，研究一种基于垂直腔面反射激光器的低成本分布式物理量测量方法，装置及系统。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为依据本申请的实施例的一种垂直腔面反射激光器结构示意图；
图2为依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为依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相邻波段直接强度探测单元信号的拼接点确定示意图；；
图7为依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。
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，3为第一光纤耦合器，4为第三光纤耦合器，12为第二光纤耦合器，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，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，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，101为基准源，102为乘法鉴相器，103为环路滤波器，104为积分器，105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垂直腔面反射激光器的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获得垂直腔面反射激光器的输出波长的调谐，并对各个波段的探测信号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，使得垂直腔面反射激光器的各个波段的探测信号的波长可以实现无间隔覆盖。对基于该激光器的分布式物理量测量系统，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。
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：
(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。
(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。
(3)温度调谐系数为0.1nm/摄氏度，温度梯度设置为10度，50度；
(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。
图2显示了一种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；其中主路干涉仪22单元中包括传感光纤6；
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；
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22，主路干涉仪信号21，波长监测单元20的原始信号，以及存储数据处理单元31数据处理后得到的各个波段信号拼接位置，拼接后辅助干涉仪信号，拼接后主路干涉仪信号，最终辅助干涉仪信号，最终主路干涉仪信号，以及存储分布式物理量解算结果。存储单元32可以为计算机的硬盘，内存或嵌入式设备的DRAM等。
控制单元1用于电流驱动单元25、温度控制单元26、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，在所述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。
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进行波长调谐，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，第二电流驱动信号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。
上述采集的波长监测单元20输出的原始信号按访问波段波长顺序依次排列为：MA11(1530-1535nm)MA12(1534-1539nm)。
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波长顺序依次排列为：MB11(1530-1535nm)MB12(1534-1539nm)。
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波长顺序依次排列为：MC11(1530-1535nm)MC12(1534-1539nm)。
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。需要将两个波段进行拼接与组合，构成一个无重叠的完整信号。需要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。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。
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R20R19R18R17R16R15R14R13R12R11处存在吸收峰，MC11在波长位置R12R11R10R9R8R7R6R5处存在吸收峰。
R12(1534.41514nm)R11(1534.97258nm)为两个波段所共有的吸收峰，因此可以用R12(1534.41514nm)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，MC12舍弃该波长位置所对应的采样点(图6中71)前边的数据。新得到的相邻两段的主路干涉仪单元输出信号重组为拼接后的MC1112信号(图6中77)。
同理完成其他相邻波段各路信号的拼接，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，拼接后主路干涉仪信号。
接下来通过拼接后辅助干涉仪信号对拼接后主路干涉仪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仪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仪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仪信号与波长监测信号进行重采样，重采样后的主路干涉仪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仪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 with measurement rangebeyond 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仪信号记为最终主路干涉仪信号，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101，乘法鉴相器102，环路滤波器103，积分器104和加法器105；包含了激光器调谐非线性的相对波长监测单元21输出信号与基准源101(一般为信号发生器的正弦信号)设置的信号在乘法鉴相器102中进行比较。频率误差信号被输入到环路滤波器103，然后进入积分器104，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105合成后输入到激光器的电流驱动单元25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，此时无需再校正主路干涉仪信号的非线性。数据处理单元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。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
[2]https://courses.cit.cornell.edu/ece533/Lectures/handout9.pdf]
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，传感光纤发生了物理量变化的作用。基于垂直腔面反射激光器的分布式物理量测量过程如下：
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仪信号；
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，测量态各个波段波辅助干涉仪信号，测量态各个波段主路干涉仪信号；
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仪信号，参考态拼接后辅助干涉仪信号，测量态拼接后主路干涉仪信号，和测量态拼接后主路干涉仪信号；
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仪信号和测量态拼接后主路干涉仪信号进行非线性校正，得到最终参考态主路干涉仪信号和最终测量态主路干涉仪信号；
第5步、分布式物理量解算：所述解算包括对所述拼接后参考态主路干涉光信号和所述拼接后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拼接后参考态主路干涉光信号和所述拼接后测量态主路干涉光信号的距离域信号，分别对所述拼接后参考态主路干涉光信号和所述拼接后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。
传感光纤6可以为普通单模光纤，具有或者刻写了中心波长相等的弱反射光纤光栅阵列的光纤(Use of 3000 Bragg 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光纤(Loranger,S.,et al.,Rayleigh scatter basedorder of magnitude increase in distributed temperature and strain sensing bysimple UV exposure of optical fibre.Scientific Reports,2015.5:p.11177.)等。
其中，若传感光纤由刻写了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：所述解算包括：包括对所述拼接后参考态主路干涉光信号和所述拼接后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拼接后参考态主路干涉光信号和所述拼接后测量态主路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；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；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 toimprove the distributed strain measurement accuracy in optical frequencydomain 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 Techniquesfor Fiber Bragg Grating Sensors.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。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，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、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。
本发明公开的方法、装置以及系统还可以通过以下具体示例实现：
1.高精度光纤分布式物理量测量方法，其用于通过耦合于待测物体的光纤传感器测量待测物体的物理量变化，其特征在于该方法包括以下步骤：
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；
将所述激光输出与所述光纤传感器的反射光的相干涉的干涉光转换为主路干涉光信号；
在包括所述物理量变化的测量态，同步地采集所述主路干涉光信号以及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得到测量态主路干涉光信号以及测量态激光输出波长监测信号；
根据所述测量态激光输出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形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及
基于所述拼接后测量态主路干涉光信号和拼接后参考态主路干涉光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：所述拼接后参考态主路干涉光信号为预存的信号或者通过以下方式获得：
在不包括所述物理量变化的参考态下同步地采集所述主路干涉光信号以及包含所述参考态激光输出的绝对波长信息的参考态激光输出波长监测信号，得到参考态主路干涉光信号以及参考态激光输出波长监测信号；
根据所述参考态激光输出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形成拼接后参考态主路干涉光信号。
3.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：还包括
提供所述参考态下的垂直腔面反射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；同步地采集所述参考态主路干涉光信号，所述参考态激光输出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采集到的参考态主路干涉光信号进行非线性校正；以及
提供所述测量态下的垂直腔面反射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；同步地采集所述测量态主路干涉光信号，所述测量态激光输出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采集到的测量态主路干涉光信号进行非线性校正。
4.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：还包括提供所述参考态下的垂直腔面反射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；同步地采集所述参考态主路干涉光信号，所述参考态激光输出波长监测信号以及参考态辅助干涉光信号；基于所述采集的参考激光输出波长监测信号提供的绝对波长信息对所述参考态辅助干涉光信号进行拼接，并用拼接后的所述参考态辅助干涉光信号对拼接后的所述参考态主路干涉光信号进行非线性校正；以及
提供所述测量态下的垂直腔面反射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；同步地采集所述测量态主路干涉光信号，所述激光输出波长监测信号以及测量态辅助干涉光信号；基于所述采集的测量态激光输出波长监测信号提供的绝对波长信息对所述测量态辅助干涉光信号进行拼接，并用拼接后的所述测量态辅助干涉光信号对拼接后的所述测量态主路干涉光信号进行非线性校正。
5.根据以上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根据所述辅助干涉光信号估算所述激光输出监测信号的相位，并由此对所述采集的干涉仪信号以及所述采集的激光输出波长监测信号进行非线性校正，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。
6.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述非线性校正用于得到等光频间隔的输出信号。
7.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：还包括
提供不包括所述物理量变化的参考态下的垂直腔面反射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垂直腔面反射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。
8.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：对在上述不同温度值下对垂直腔面反射激光器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模块，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，以达到输出功率稳定的目的。
9.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：向所述垂直腔面反射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。
10.根据以上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激光输出通过闭环功率控制来对垂直腔面反射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。
11.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主路干涉光信号和所述拼接后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拼接后参考态主路干涉光信号和所述拼接后测量态主路干涉光信号的距离域信号，分别对所述拼接后参考态主路干涉光信号和所述拼接后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。
12.根据以上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激光输出的波长随外加驱动电流的增大而增加，随所述离散温度值的增加而增加。
13.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主路干涉光信号和所述拼接后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拼接后参考态主路干涉光信号和所述拼接后测量态主路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；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，或导致光纤传感器发生应变或温度变化的其他物理量。
15.高精度光纤分布式物理量测量装置，用于通过耦合于待测物体的光纤传感器测量待测物体的物理量变化，其特征在于该装置包括：
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；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；
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；
主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述光纤传感器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，配置为在包括所述物理量变化的测量态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
根据接收的所述测量态激光输出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
基于所述拼接后测量态主路干涉光信号以及拼接后参考态主路干涉光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：所述对应的拼接后参考态主路干涉光信号预先存储或者通过以下方式实时获得：
所述采集单元配置为在所述参考态同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号，以形成参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号；
所述数据处理单元被配置为根据接收的所述参考态激光输出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。
17.根据以上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。
18.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述光纤传感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。
19.根据以上示例中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被配置为：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第一波长至第二波长的调谐激光输出；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。
20.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括电流驱动单元以及温度控制单元，所述电流驱动单元以及所述温度控制单元被配置为向垂直腔面反射激光器中控制信号使所述垂直腔面反射激光器输出所述参考态激光输出以及所述测量态激光输出。
21.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，用于调节垂直腔面反射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。
22.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。
23.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参考态激光输出生成参考态辅助干涉光信号以及基于接收的所述测量态激光输出生成测量态辅助干涉光信号。
24.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采集所述参考态辅助干涉光信号以及所述测量态辅助干涉光信号并将采集到的参考态辅助干涉光信号以及测量态辅助干涉光信号作为采集时钟同步采集所述参考态干涉光，所述测量态主路干涉光信号，所述参考态激光输出监测信号以及所述测量态激光输出监测信号。
25.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：同步采集所述参考态主路干涉光信号，参考态辅助主路干涉光信号，以及所述参考态激光输出信号；根据采集的参考态辅助干涉光信号估算采集的所述参考态激光输出监测信号的相位，并由此对采集的参考态主路干涉光信号以及所述参考态激光输出监测信号进行非线性校正以使得所述参考态主路干涉光信号以及所述参考态激光输出监测信号具有等光频间隔；以及
同步采集所述测量态主路干涉光信号，测量态辅助干涉光信号，以及所述测量态激光输出监测信号；根据采集的测量态辅助干涉光信号估算采集的所述测量态激光输出监测信号的相位，并由此对所述采集的测量态主路干涉光信号以及所述测量态激光输出监测信号进行非线性校正以使得所述测量态主路干涉光信号以及所述测量态激光输出监测信号具有等光频间隔。
26.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述非线性校正包括重采样。
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。
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。
31.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述的垂直腔面反射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.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述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；辅助干涉仪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主路干涉仪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。
33.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或可以直接得到波长大小的光谱仪或波长计。
34.高精度光纤分布式物理量测量系统，以测量待测物体的物理量变化，其特征在于，该系统包括：
光纤传感器，耦合于所述待测物体；
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；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；
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；
主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述光纤传感器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，配置为在包括所述物理量变化的测量态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
根据接收的所述测量态激光输出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
基于所述拼接后测量态主路干涉光信号以及拼接后参考态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
35.根据示例34所述的系统，其特征在于：所述对应的拼接后参考态主路干涉光信号预先存储或者通过以下方式实时获得：
所述采集单元配置为在所述参考态同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号，以形成参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号；
所述数据处理单元被配置为根据接收的所述参考态激光输出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。
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。
37.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述光纤传感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。
38.根据以上示例中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被配置为：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第一波长至第二波长的调谐激光输出；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。
39.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：还包括电流驱动单元以及温度控制单元，所述电流驱动单元以及所述温度控制单元被配置为向垂直腔面反射激光器中控制信号使所述垂直腔面反射激光器输出所述参考态激光输出以及所述测量态激光输出。
40.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，用于调节垂直腔面反射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。
41.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。
42.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参考态激光输出生成参考态辅助干涉光信号以及基于接收的所述测量态激光输出生成测量态辅助干涉光信号。
43.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述采集单元被配置为采集所述参考态辅助干涉光信号以及所述测量态辅助干涉光信号并将采集到的参考态辅助干涉光信号以及测量态辅助干涉光信号作为采集时钟同步采集所述参考态干涉光，所述测量态主路干涉光信号，所述参考态激光输出监测信号以及所述测量态激光输出监测信号。
44.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：同步采集所述参考态主路干涉光信号，参考态辅助干涉光信号，以及所述参考态激光输出信号；根据采集的参考态辅助干涉光信号估算采集的所述参考态激光输出监测信号的相位，并由此对采集的参考态主路干涉光信号以及所述参考态激光输出监测信号进行非线性校正以使得所述参考态主路干涉光信号以及所述参考态激光输出监测信号具有等光频间隔；以及
同步采集所述测量态主路干涉光信号，测量态辅助干涉光信号，以及所述测量态激光输出监测信号；根据采集的测量态辅助干涉光信号估算采集的所述测量态激光输出监测信号的相位，并由此对所述采集的测量态主路干涉光信号以及所述测量态激光输出监测信号进行非线性校正以使得所述测量态主路干涉光信号以及所述测量态激光输出监测信号具有等光频间隔。
45.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述非线性校正包括重采样。
46.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。
47.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。
48.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。
49.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。
50.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述的垂直腔面反射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。
51.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述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；辅助干涉仪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主路干涉仪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。
52.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或可以直接得到波长大小的光谱仪或波长计。

Claims (10)

1.一种高精度光纤分布式物理量测量方法，其用于通过耦合于待测物体的光纤传感器测量待测物体的物理量变化，其特征在于该方法包括以下步骤：
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；
将所述激光输出与所述光纤传感器的反射光的相干涉的干涉光转换为主路干涉光信号；
在包括所述物理量变化的测量态，同步地采集所述主路干涉光信号以及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得到测量态主路干涉光信号以及测量态激光输出波长监测信号；
根据所述测量态激光输出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形成拼接后测量态主路干涉光信号；以及
基于所述拼接后测量态主路干涉光信号和拼接后参考态主路干涉光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：所述拼接后参考态主路干涉光信号为预存的信号或者通过以下方式获得：
在不包括所述物理量变化的参考态下同步地采集所述主路干涉光信号以及包含所述参考态激光输出的绝对波长信息的参考态激光输出波长监测信号，得到参考态主路干涉光信号以及参考态激光输出波长监测信号；
根据所述参考态激光输出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形成拼接后参考态主路干涉光信号。
3.根据以上任意一项权利要求所述的方法，其特征在于：还包括
提供所述参考态下的垂直腔面反射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；同步地采集所述参考态主路干涉光信号，所述参考态激光输出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采集到的参考态主路干涉光信号进行非线性校正；以及
提供所述测量态下的垂直腔面反射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；同步地采集所述测量态主路干涉光信号，所述测量态激光输出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采集到的测量态主路干涉光信号进行非线性校正。
4.根据以上任意一项权利要求所述的方法，其特征在于：还包括
提供所述参考态下的垂直腔面反射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；同步地采集所述参考态主路干涉光信号，所述参考态激光输出波长监测信号以及参考态辅助干涉光信号；基于所述采集的参考激光输出波长监测信号提供的绝对波长信息对所述参考态辅助干涉光信号进行拼接，并用拼接后的所述参考态辅助干涉光信号对拼接后的所述参考态主路干涉光信号进行非线性校正；以及
提供所述测量态下的垂直腔面反射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；同步地采集所述测量态主路干涉光信号，所述激光输出波长监测信号以及测量态辅助干涉光信号；基于所述采集的测量态激光输出波长监测信号提供的绝对波长信息对所述测量态辅助干涉光信号进行拼接，并用拼接后的所述测量态辅助干涉光信号对拼接后的所述测量态主路干涉光信号进行非线性校正。
5.一种高精度光纤分布式物理量测量装置，用于通过耦合于待测物体的光纤传感器测量待测物体的物理量变化，其特征在于该装置包括：
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；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；
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；
主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述光纤传感器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，配置为在包括所述物理量变化的测量态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
根据接收的所述测量态激光输出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
基于所述拼接后测量态主路干涉光信号以及拼接后参考态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述对应的拼接后参考态主路干涉光信号预先存储或者通过以下方式实时获得：
所述采集单元配置为在所述参考态同步采集所述主路干涉光信号以及所述波长监测信号，以形成参考态主路干涉光信号以及参考态波长监测信号；
所述数据处理单元被配置为根据接收的所述参考态激光输出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。
7.根据以上任意一项权利要求所述的装置，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。
8.根据以上任意一项权利要求所述的装置，其特征在于：所述光纤传感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。
9.根据以上任意一项权利要求所述的装置，其特征在于：所述垂直腔面反射激光器被配置为：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第一波长至第二波长的调谐激光输出；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。
10.一种高精度光纤分布式物理量测量系统，以测量待测物体的物理量变化，其特征在于，该系统包括：
光纤传感器，耦合于所述待测物体；
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；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；
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；
主路干涉仪单元，配置为接收所述激光输出以及所述光纤传感器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，配置为在包括所述物理量变化的测量态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
根据接收的所述测量态激光输出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
基于所述拼接后测量态主路干涉光信号以及拼接后参考态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
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