CN113670349A - 基于光频域反射技术的高速光纤分布式物理量测量方法、装置及系统 - Google Patents

基于光频域反射技术的高速光纤分布式物理量测量方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了基于光频域反射技术的高速光纤的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，其基于所述拼接后测量态主路干涉光信号和在无所述物理量变化的参考态获得的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，实现了大范围无跳模波长调谐范围，提高了分布式测量的空间分辨力和测量量程。本申请还公开了相应的装置和系统。

Description

基于光频域反射技术的高速光纤分布式物理量测量方法、装 置及系统
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种高速高分辨力的分布式物理量测量方法、装置及系统。
背景技术
基于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系统中使用可调谐激光器作为系统光源，测量系统的空间分辨力及量程受限于可调谐激光器输出信号的调制范围。系统空间分辨力在数值上反比于可调谐激光器输出信号的调制范围，调谐范围越大，系统空间分辨力越高。同时，调谐范围越大，被测物理量如应变温度等物理量变化的作用的测量量程也越大。可见，要想提高系统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完整扫频的时间，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。而半导体激光器通常扫频范围只有几十GHz，对应波长小于1nm，无法满足分布式物理量测量系统对光源的要求。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，影响了在一些高速测量的场合下的测量速度。
分布式反馈激光器(DFB激光器)是半导体激光器的一种，分布式反馈激光器的波长不仅可随电流或温度连续调谐,还具有线宽窄、频率稳定度高等优点。由于温度调谐下灵敏度高且波长调谐范围大，故通常情况下采用改变温度的方式进行波长调谐。但是温度调谐速度慢，通常不超过5nm/s。对于一般的商用的分布式反馈激光器，温度每变化1摄氏度，波长变换0.1nm左右，在安全温度范围内，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灵敏度低，调谐范围小，通常在标称安全电流以内每mA对应波长变化量为1pm左右。因此，在可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)，密集波分复用(DWDM)等场景下，一般将分布式反馈激光器的驱动电流设置为恒定值，而仅通过改变温度来实现波长调制。
近年来有学者指出可以通过短时间对分布式反馈激光器施加超过安全电流的调制电流来对激光器实现更宽范围的波长调谐，如Njegovec等人通过实验验证了采用持续时间200ns，峰值电流2A的斜坡驱动电流信号下对分布式反馈激光器调谐波长达到10nm，这一驱动方式有效拓展了单个分布式反馈激光器的电流驱动下的波长调谐范围。(Njegovec,M.and D.Donlagic,Rapid and broad wavelength sweeping of standardtelecommunication distributed feedback laser diode.Opt Lett,2013.38(11):p.1999-2001.)
另一方面，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 tunablelight source 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。
发明内容
本发明的目的在于结合基于光频域反射原理的分布式物理量测量系统对可调谐光源的需求，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系统中，研究一种基于分布式反馈阵列激光器的具有高调谐速度，高分辨力的分布式物理量测量方法。
本发明的一些实施例提供了一种基于光频域反射技术的高速光纤的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：提供分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过所述改变其驱动电流以使得相邻所述选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围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；使得所述激光输出与所述光纤传感器对所述激光输出的反射光发生干涉得到干涉光，并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激光输出波长监测信号；在包括所述物理量变化的测量态采集同步地采集所述主路干涉光信号以及所述激光输出波长监测信号以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在无所述物理量变化的参考态获得的拼接后参考态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
本发明的一些实施例还公开了一种基于光频域反射技术的高速光纤的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选定的激光二极管通过改变其驱动电流以使得相邻选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围的激光输出从而连续地覆盖全部选定的激光二极管的输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；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，配置为在所述包括所述物理量变化的测量态采集所述波长监测信号形成测量态波长监测信号，采集所述主路干涉光信号形成测量态主路干涉光信号；数据处理单元，配置为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测量态主路干涉光信号和无所述物理量变化的参考态获得的拼接后参考态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
本发明的一些实施例还公开了基于上述装置的与光纤传感器组合后形成的系统。
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，实现了大范围无跳模波长调谐范围，提高了分布式测量的空间分辨力和测量量程。同时，由于电流调谐速度较温度调谐速度快，测量时间可以在几百微秒内完成，可以将原本受限于系统光源调谐速度只能工作在静态或准静态测量的分布式物理量测量系统可以应用于动态测量场合。该方法和装置具有测量速度快，成本低，且利于系统集成的优点。
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基于光频域反射技术的高速光纤分布式物理量测量装置；
图3为根据本申请的实施例的特征信号输出时序关系示意图；
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FP标准器输出信号；
图8为根据本申请的实施例的光纤干涉仪输出信号；
图9为根据本申请的实施例的光纤环形谐振腔输出信号；
图1中：33为多模干涉耦合器，35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：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为主控单元，26为温度控制单元，25为高速电学开关，24为电流驱动单元，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为激光器波长监测单元，21为辅助干涉仪，22为主路干涉仪，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，47为第一激光二极管驱动电流信号，48为第二激光二极管驱动电流信号，49为第三激光二极管驱动电流信号，50为第十激光二极管驱动电流信号，51为第十一激光二极管驱动电流信号，52为第十二激光二极管驱动电流信号。56为第一激光二极管的波长调谐范围，57为第二激光二极管的波长调谐范围，58为第三激光二极管的波长调谐范围，59为第十激光二极管的波长调谐范围，60为第十一激光二极管的波长调谐范围，61为第十二激光二极管的波长调谐范围。41为第一激光二极管开关信号，42为第二激光二极管开关信号，43为第三激光二极管开关信号，44为第十激光二极管开关信号，45为第十一激光二极管开关信号，46为第十二激光二极管开关信号。53为最大驱动电流值，54激光器标称安全电流值，55激光器阈值电流值，56为第一激光二极管的波长调谐范围，57为第二激光二极管的波长调谐范围，58为第三激光二极管的波长调谐范围，59为第十激光二极管的波长调谐范围，60为第十一激光二极管的波长调谐范围，61为第十二激光二极管的波长调谐范围。
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为前一段主路干涉仪输出信号拼接位置，71为后一段主路干涉仪输出信号拼接位置，72为前一段主路干涉仪输出信号，73为后一段主路干涉仪输出信号，74为前一段氰化氢气室输出信号，75为后一段氰化氢气室输出信号，77为拼接后的主路干涉仪输出信号。
具体实施方式
本专利所提出的基于光频域反射技术的高速光纤分布式物理量测量方法及装置以分布式反馈阵列激光器作为系统光源。采用驱动电流调谐而不是温度调谐来控制激光器的输出波长的调谐，为了扩大在分布式反馈阵列激光器中每一个激光二极管的波长调谐范围，该驱动电流将被配置为持续时间很短的由低变高的锯齿电流脉冲，且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。同时由于驱动电流的变化会改变激光器输出激光的光功率，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波段信号的拼接位置，使得分布式反馈阵列激光器内各个激光二极管的波长可以实现无间隔覆盖。输出激光注入到分布式物理量测量单元中，通过考察参考态和测量态的相对光谱移动来实现基于光频域反射技术的高速光纤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(https:// www.furukawa.co.jp/fitel/english/active/pdf/signal/ODC-7AH001H_FRL15TCWx-D66- xx xxx-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。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基于光频域反射技术的高速光纤分布式物理量测量装置的光源来说明如何实现测量。
如图2，首先通过主控单元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35来改变激光器温度，将分布式反馈阵列激光器2的温度设置为某一定值，如20摄氏度。温度控制单元26实际上是一个恒流源。同时需要注意在后续的电流调制以及激光二极管切换中，温度均保持恒定。分布式反馈阵列激光器2通过主控单元1控制高速电学开关25切换不同的激光二极管，将电流驱动单元24产生的恒定电流依次连接到分布式反馈阵列激光器2各个管脚的阳极，阳极管脚为图2中第一激光二极管引脚28，第二激光二极管引脚29，直到第十二激光二极管引脚30。分布式反馈阵列激光器2各个激光二极管输出激光的波长随着激光器驱动电流的增加而增加。对D66型号分布式反馈阵列激光器来说，其上相邻的激光二极管固有波长间隔为3.5nm。所以，对每个激光二极管而言若其通过驱动电流调谐改变的波长量大于固有波长间隔，即可达到每个激光二极管扫频范围的波长重叠。另外需要说明在以下实施例中，为了达到最大的波长调谐范围，分布式反馈阵列激光器2中所有的激光二极管(对于D66型号为激光二极管数量为12个)均通过调谐驱动电流来进行波长调谐。但是，如果仅仅对分布式反馈阵列激光器2中的一部分激光二极管进行波长调谐而弃置剩余的部分，如果能满足所需的波长范围也是可以的(如只用其中的前五个激光二极管)。同时，假设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，且激光二极管外加驱动电流越大，输出波长越大。
主控单元1控制高速电学开关25切换到第一号激光二极管。主控单元1控制电流驱动单元24给第一号激光二极管提供电流驱动信号，在电流驱动信号作用下，分布式反馈阵列激光器输出波长调制信号，波长从起始波长增加到终止波长。激光器输出的激光首先进入到闭环功率控制单元40，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波长监测单元20，辅助干涉仪21与主路干涉仪22。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输出到辅助干涉仪21，辅助干涉仪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光纤干涉仪而言，在波长调谐过程下其输出的信号为如图8所示的正弦信号，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。辅助干涉仪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输出光到主路干涉仪22，主路干涉仪22也是完成测量或者传感的光路结构，包括具有马赫曾德结构或者迈克尔孙结构的光纤干涉仪，用于测量传感光纤上的散射或者反射信号。图2所示的为一个马赫曾德结构的光纤干涉仪。第二光纤耦合器4分出一束参考臂直接连接到第四光纤耦合器7，另一路为测量臂，从第二光纤耦合器4输出到光纤环形器5的a端口，光纤环形器5特性为a进c出，c进b出。因此，从光纤环形器5的a端口进去的光进入到测量传感光纤6，传感光纤6上的散射或者反射信号返回到光纤环形器5并进入到光纤环形器5的b端口进而进入到第四光纤耦合器7。两束光在第四光纤耦合器7中合束后被第三光电探测器10探测并被采集单元19采集。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，或直接送入数据处理单元。
接下来，主控单元1控制高速电学开关25切换到第二号激光二极管，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。
依此类推，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。记录下的数据是各个激光二极管在温度恒定仅仅利用驱动电流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。随着激光二极管序号增加，采集的数据的波长也在递增，将其称为各个波段下的数据为了得到大范围波长范围内的数据需要将各个波段数据进行拼接，利用拼接后的数据作为分布式物理量解调程序的输入，进而得到分布式物理量结果。
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[美国thorlabs公司出品的C波段光学放大器BOA和SOA，https://www.thorlabs.de/ newgrouppage9.cfm？objectgroup_id＝3901)
如图3为特征信号输出时序关系示意图，以D66型分布式反馈阵列激光器上全部的12个激光二极管均参与工作为例，图中画出了前三个和后三个激光二极管控制及输出的时序，上部信号为主控单元1给电学开关25施加的控制信号，可以为数字信号或者模拟信号，控制驱动电流信号施加到第一激光二极管上，如第一激光二极管开关信号41。在切换至第一激光二极管后，主控单元1控制电流驱动单元24对激光二极管施加如图3中中间所示的电流信号，第一激光二极管驱动电流信号47。在驱动电流调制下，第一激光二极管扫过的波长如图3下部所示，第一激光二极管的波长调谐范围56。将该激光作为光源信号光注入到闭环功率控制单元40及其后的光学装置中。至此完成分布式反馈阵列激光器内一个(第一个)激光二极管的波长调制与输出。接下来，主控单元1给电学开关25施加第二激光二极管开关信号42，切换至第二激光二极管，主控单元1控制电流驱动单元24对激光二极管施加第二激光二极管驱动电流信号42，在驱动电流调制下，第一激光二极管扫过的波长为第二激光二极管的波长调谐范围57。依次类推，完成分布式反馈阵列激光器内12个激光二极管的输出，上述整个过程记为“一次完整扫描”。可以看出，尽管分布式反馈阵列激光器的每个激光二极管在调谐中均超过其标称安全电流，但是由于各个激光二极管是分时工作的，因此其上积聚热量在短时间内是很小的，因此不会对激光器本身造成损害。
驱动电流可以为如图3中中部所示的持续时间很短的由低变高的锯齿电流脉冲，且其最大驱动电流值53，这一数值可能超过分布式反馈阵列激光器的标称安全工作电流54。优选的(对于D66型分布式反馈阵列激光器，其标称安全工作电流为250mA)，最大驱动电流值53可以为1安培，持续时间可以为100微秒。这种情况下，虽然最大驱动电流53超过了54，但是由于持续的时间很短，产生的热量很小而不会将激光器损伤。这一设置的原因在于对于分布式反馈阵列激光器内的单个激光二极管而言，通常从最小驱动电流增加到最大驱动电流，波长调谐的范围较小，无法超过相邻两个激光二极管的固有波长间隔(对于D66型分布式反馈阵列激光器，这一值为3.5nm)。通过将最大驱动电流值53设置为超过标称安全工作电流54，可以使得波长调谐范围超过相邻两个激光二极管的固有波长间隔，进而实现图3下部所示的相邻激光二极管具有重叠的波长部分，使得分布式反馈阵列激光器内激光二极管在波长调谐过程覆盖所有波长位置，同时便于后续采用波长监测单元来确定拼接点位置。具体而言就是在波长调谐中保证每个激光二极管在该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固有波长值的激光二极管在电流调谐下的终止波长。
另外考虑到对于分布式反馈阵列激光器，在阈值电流之下激光器无激光输出，所以激光二极管的驱动电流的最小值应不低于激光器阈值电流值55。此外，综合总的激光二极管数量(如12个)以及切换所需时间，完成“一次完整扫描”只需要几个毫秒。这对于基于光频域反射原理的分布式物理量测量或传感而言，相当于测量时间只需要几个毫秒，大大提高了分布式物理量测量速度。
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。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。
为了实现物理量的分布式解调，需要首先记录参考态的数据，然后记录测量态的数据，这两次过程所执行的操作是一样的，采集的数据用参考态和测量态来区分，采集到的参考态波长监测输出信号，参考态辅助干涉仪输出信号，参考态主路干涉仪输出信号，以及测量态波长监测输出信号，测量态辅助干涉仪输出信号，测量态主路干涉仪输出信号被存在存储单元31中。存储单元31将这些原始数据传到数据处理单元32，在数据处理单元32中完成非线性校正，拼接点位置确定，分布式物理量解调等操作。解调结果及拼接点位置等结果可以存入到存储单元31中。
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，传感光纤可能发生了扰动，即在传感光纤上发生了物理量变化的作用。下面介绍基于分布式反馈阵列激光器的基于光频域反射技术的高速光纤分布式物理量测量或传感过程。
第1步、外界第一个状态下，主控单元1控制其他单元对分布式反馈阵列激光器2完成“一次完整扫描”过程，该扫频激光输出经过作为分布式物理量测量装置的光源输入分布式物理量测量装置中，记录各个激光二极管波长调谐下的分布式物理量测量装置输出的参考态信号，包括：参考态波长监测输出信号，参考态辅助干涉仪输出信号，参考态主路干涉仪输出信号；
第2步、外界第二个状态下，重复第1步，此时记录的为各个激光二极管波长调谐下的分布式物理量测量装置输出的测量态信号，包括：测量态波长监测输出信号，测量态辅助干涉仪输出信号，测量态主路干涉仪输出信号；
第3步、根据参考态波长监测输出信号和测量态波长监测输出信号确定各个激光二极管输出的参考态波长重叠位置和测量态波长重叠位置，根据该位置分别对参考态主路干涉仪输出信号，参考态辅助干涉仪输出信号，以及测量态主路干涉仪输出信号和测量态辅助干涉仪输出信号进行信号拼接，得到拼接后参考态主路干涉仪输出信号，拼接后参考态辅助干涉仪输出信号，拼接后测量态主路干涉仪输出信号，和拼接后测量态主路干涉仪输出信号；
第4步、分别利用拼接后参考态辅助干涉仪输出信号和拼接后测量态辅助干涉仪输出信号对参考态主路干涉仪输出信号和测量态主路干涉仪输出信号进行非线性校正，得到最终参考态主路干涉仪输出信号和最终测量态主路干涉仪输出信号；
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。
对未进行非线性校正的情形，则基于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，并进行后续解算。
此外，在第1步和第2步内容及顺序不变的情况下，第3步和第4步可以调整为：第3步、利用参考态辅助干涉仪输出信号对参考态主路干涉仪输出信号及参考态波长监测输出信号进行非线性校正，利用测量态辅助干涉仪输出信号对测量态主路干涉仪输出信号及测量态波长监测输出信号进行非线性校正，得到校正后参考态波长监测输出信号，校正后测量态波长监测输出信号，校正后参考态波长监测输出信号，校正后测量态波长监测输出信号；第4步，根据校正后参考态波长监测输出信号和校正后测量态波长监测输出信号确定各个激光二极管输出的参考态波长重叠位置和测量态波长重叠位置，根据该位置分别对参考态主路干涉仪输出信号，校正后测量态主路干涉仪输出信号进行信号拼接，得到最终参考态主路干涉仪输出信号和最终测量态主路干涉仪输出信号。这一最终参考态主路干涉仪输出信号和最终测量态主路干涉仪输出信号将用来参与分布式物理量测量信息的解调。
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输出信号对测量态主路干涉仪输出信号及测量态波长监测输出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输出信号或波长监测输出信号进行非线性校正。方法为将辅助干涉仪输出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输出信号与波长监测输出信号进行重采样，重采样后的主路干涉仪输出信号与波长监测输出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输出信号和波长监测输出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 frequencydomain reflectometry with measurement range beyond laser coherence lengthrealized using concatenative reference method.Optics letters,2007.32(22):p.3227 3.Swept-wavelength Interferometric Interrogation of Fiber RayleighScatter for Distributed Sensing Applications 4.Song,J.,et al.,Long-Range HighSpatial Resolution Distributed Temperature and Strain Sensing Based onOptical Frequency-Domain Reflectometry.IEEE Photonics Journal,2014.6(3):p.1-8.5.张浩,电流调谐半导体激光器绝对距离测量技术研究,2016,哈尔滨工业大学.第15页)
传感光纤6可以为普通单模光纤，具有固定长度间隔或无间隔连续刻写的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 sensorsdistributed on four eight-meter optical fibers during static load tests of acomposite structure.)，或者瑞利散射增强的传感光纤(Loranger,S.,et al.,Rayleighscatter based order of magnitude increase in distributedtemperature andstrain sensing by simple UV exposure of optical fibre.Scientific Reports,2015.5:p.11177.)等。
其中，若传感光纤为具有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：包括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，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。(李政颖,孙文丰与王洪海,基于光频域反射技术的超弱反射光纤光栅传感技术研究.光学学报,2015(08):第64-71页.)；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.)。
对未进行非线性校正的情形，则基于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，并进行后续解算。
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.)。
为了在波长重叠区域内确定一个拼接位置以便对辅助干涉仪和主路干涉仪输出信号进行拼接来得到无重叠的连续的输出信号，需要对每一段电流调谐下的激光二极管调谐过程的波长进行监测或者追迹。在下面介绍利用激光器波长监测单元来确定相邻波段的辅助干涉仪和主路干涉仪输出信号拼接位置的过程。
激光器波长监测单元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，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。激光器波长监测单元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分子气室，乙炔分子气室。
下面用图6说明以氰化氢气室作为激光器波长监测单元20来确定拼接点位置，并对相邻波段的主路干涉仪输出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5的吸收谱线，在特定波长位置具有吸收谷底，通过峰值搜索可以确定在吸收峰值处信号采样位置与波长之间的对应关系，也就确定了在达到某一个吸收峰波长所对应的信号采样点序号。图6中信号72和73为某一对相邻波段的主路干涉仪输出信号，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75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。该位置对应的前一段主路干涉仪输出信号和后一段主路干涉仪输出信号采样点位置分别为70和71。对于前一段主路干涉仪输出信号72舍弃采样点70后边的数据，对于后一段主路干涉仪输出信号73舍弃采样点71前边的数据，新得到的相邻波段主路干涉仪输出信号按波长从小到大拼接得到新的主路干涉仪输出信号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输出信号。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。
激光器波长监测单元也可以是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7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 mapping using theFabry–Perot cavity as a reference with compensation for nonlinear opticalfrequency scanning.Optics Communications,2020.455:p.124556.)。图8为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9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9上的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。
可以看出，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，实现了大范围无跳模波长调谐范围，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，由于电流调谐速度较温度调谐速度快，测量时间可以在几个毫秒内完成，可以将原本受限于系统光源调谐速度只能工作在静态或准静态测量的分布式物理量测量系统可以应用于动态测量场合。此外，通过分布式反馈阵列激光器的各个激光二极管的分时工作，因此由于超过其标称安全电流带来的积聚热量在短时间内是很小的，因此不会对激光器本身造成损害。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。
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，例如拼接后参考态主路干涉光信号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：
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：
1.一种基于光频域反射技术的高速光纤的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：
提供分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过改变其驱动电流以使得相邻的所述的选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围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；
使得所述激光输出与所述光纤传感器对所述激光输出的反射光发生干涉得到干涉光，并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激光输出波长监测信号；
在包括所述物理量变化的测量态采集同步地采集所述主路干涉光信号以及所述激光输出波长监测信号以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在无所述物理量变化的参考态获得的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：
在所述参考态采集同步地采集所述主路干涉光信号以及所述激光输出波长监测信号以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.根据示例1所述的方法，其特征在于：还包括
提供在所述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；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；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
提供在所述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；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
提供在所述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；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.根据示例1所述的方法，其特征在于：还包括
提供在所述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
提供在所述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。
8.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选定的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输出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。
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。
10.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。
11.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：所述解算所述物理量变化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。
13.根据以上示例中任意一项所述的方法，其特征在于：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。
14.根据以上示例12中所述的方法，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。
15.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，所述解算所述物理量变化包括：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。
16.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。
17.一种基于光频域反射技术的高速光纤的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：
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选定的激光二极管通过改变其驱动电流以使得相邻选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围的激光输出从而连续地覆盖全部选定的激光二极管的输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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，配置为在所述包括所述物理量变化的测量态采集所述波长监测信号形成测量态波长监测信号，采集所述主路干涉光信号形成测量态主路干涉光信号；
数据处理单元，配置为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
基于所述拼接后测量态主路干涉光信号和无所述物理量变化的参考态获得的拼接后参考态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
18.根据示例17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。
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。
20.根据以上示例中任意一项所述的装置，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。
21.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：所述分布式反馈阵列激光器被配置为：
所述每个选定的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输出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。
22.根据以上示例中任意一项所述的装置，其特征在于：还包括电流驱动单元，其被配置为向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。
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恒定的工作温度控制信号。
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。
25.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。
26.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。
27.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。
28.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。
29.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。
30.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。
31.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。
32.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。
33.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。
34.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。
35.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。
36.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。
37.一种基于光频域反射技术的高速光纤的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，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，耦合于所述待测物体且受所述物理量作用；
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选定的激光二极管通过改变其驱动电流以使得相邻选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围的激光输出从而连续地覆盖全部选定的激光二极管的输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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，配置为在所述包括所述物理量变化的测量态采集所述波长监测信号形成测量态波长监测信号，采集所述主路干涉光信号形成测量态主路干涉光信号；
数据处理单元，配置为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
基于所述拼接后测量态主路干涉光信号和在无所述物理量变化的参考态获得的拼接后参考态主路干涉光信号解算所述物理量变化。
38.根据示例37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。
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。
40.根据以上示例中任意一项所述的系统，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。
41.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：所述分布式反馈阵列激光器被配置为：
所述每个选定的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输出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。
42.根据以上示例中任意一项所述的系统，其特征在于：还包括电流驱动单元，其被配置为向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。
43.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恒定的工作温度控制信号。
44.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。
45.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。
46.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。
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。
48.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。
49.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。
50.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。
51.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。
52.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。
53.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。
54.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。
55.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。
56.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)

1.一种基于光频域反射技术的高速光纤的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：
提供分布式反馈阵列激光器中选定的激光二极管通过改变其驱动电流以使得相邻的所述的选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围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；
使得所述激光输出与所述光纤传感器对所述激光输出的反射光发生干涉得到干涉光，并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激光输出波长监测信号；
在包括所述物理量变化的测量态采集同步地采集所述主路干涉光信号以及所述激光输出波长监测信号以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在无所述物理量变化的参考态获得的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：
在所述参考态采集同步地采集所述主路干涉光信号以及所述激光输出波长监测信号以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.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：还包括
提供在所述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；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；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.根据以上权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于：还包括：
提供在所述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；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；以及提供在所述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；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。
5.一种基于光频域反射技术的高速光纤的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：
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选定的激光二极管通过改变其驱动电流以使得相邻选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围的激光输出从而连续地覆盖全部选定的激光二极管的输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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，配置为在所述包括所述物理量变化的测量态采集所述波长监测信号形成测量态波长监测信号，采集所述主路干涉光信号形成测量态主路干涉光信号；
数据处理单元，配置为
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
基于所述拼接后测量态主路干涉光信号和无所述物理量变化的参考态获得的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.根据以上权利要求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。
8.根据以上权利要求中任意一项所述的装置，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。
9.根据以上权利要求中任意一项所述的装置，其特征在于：所述分布式反馈阵列激光器被配置为：所述每个选定的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输出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。
10.一种基于光频域反射技术的高速光纤的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，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，耦合于所述待测物体且受所述物理量作用；
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选定的激光二极管通过改变其驱动电流以使得相邻选定的激光二极管发出具有重叠的波长范围的激光输出从而连续地覆盖全部选定的激光二极管的输出波长范围的输出功率稳定的激光输出；
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，配置为在所述包括所述物理量变化的测量态采集所述波长监测信号形成测量态波长监测信号，采集所述主路干涉光信号形成测量态主路干涉光信号；
数据处理单元，配置为
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
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