CN115003988A - 使用多模光纤在测量点测量多个物理参数的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用多模光纤测量物理参数的领域。本发明涉及使用一个或多个多模光纤在一个或多个测量点测量P个物理参数的系统。根据本发明，系统(10)包括：光源(11)，设置成生成源光信号；多模测量光纤(16)，设置成以彼此不同的至少M个预定第二传播模式传输光信号，M是大于或等于P的整数，测量光纤(16)包括测量部分(18)，测量部分被设置成反射其波长根据待测量的物理参数可变的光信号；检测装置(17)，设置成测量由测量部分反射的光信号的波长；以及光模块(13、14、15)，设置成从源光信号生成M个光信号，光信号被注入测量光纤(16)，以使每个光信号以一个第二传播模式传播，光模块还被设置成将反射的光信号传输到检测装置(17)。

Description

使用多模光纤在测量点测量多个物理参数的系统
技术领域
本发明涉及使用光纤测量物理参数的领域，涉及一种使用一个或多个多模光纤在一个或多个测量点测量多个物理参数的系统。
本发明特别适用于使用具有布拉格光栅的光纤在结构的一点处测量温度和变形，但是更一般地适用于测量能够由光纤的敏感元件，例如布拉格光栅或法布里-珀罗腔，量化的任何物理参数。物理参数的测量也可以基于瑞利散射、拉曼效应或布里渊散射。
背景技术
布拉格光栅光纤传感器构成了用于在结构的一个或多个点处测量温度和变形的合适解决方案，特别是在可用于集成传感器的空间有限或者这些传感器经受显著的热应力和/或机械应力的情况下。布拉格光栅光纤传感器包括光纤，该光纤包括至少一个刻在该光纤的部分上的布拉格光栅，该部分被称为测量部分。根据施加到该部分的热机械应力，布拉格光栅的图案或多或少地彼此隔开。因此，反射光束的布拉格波长根据这些应力而不同。因此，确定布拉格波长相对于参考波长的偏移使得有可能在测量部分测量物理参数。为了测量温度和变形，通常使用两个光纤。包括第一布拉格光栅的第一光纤自由地安装在毛细管中，以便仅承受热应力，包括第二布拉格光栅的第二光纤附着到该结构上，以便承受由热应力和机械应力两者引起的变形。具有两个未知数的两个方程组的解使得能够确定每个未知数，即温度和变形。光纤传感器可以可选地测量大量的物理参数。然而，必须包括与要测量的物理参数数量一致的光纤。这导致传感器的集成和安装相对复杂。
借助于布拉格光栅光纤传感器在一点处测量两个物理参数的另一种解决方案在于辨别通过光纤的信号的电场的极化。在横向电(TE或S)极化中，布拉格光栅具有对变形的灵敏度KS,ε和对温度的灵敏度KS,θ。在横向磁极化(TM或P)中，布拉格光栅具有对变形的灵敏度KP,ε和对温度的灵敏度KP,θ。因此，对于单个布拉格光栅，可以确定该布拉格光栅处的变形和温度。然而，这种解决方案仅限于确定两个物理参数。由于需要保持光纤中信号的极化，该方案实现起来较为复杂。
还提出了使用多芯光纤，其芯对要测量的不同物理参数具有不同的灵敏度。这种解决方案的描述见李超等人的文章“Simultaneous measurement of refractive index,strain,and temperature based on a four-core fiber combined with a fiber Bragggrating(基于四芯光纤和光纤布拉格光栅同时测量折射率、应变和温度)”，Optics&LaserTechnology，第90卷，2017年，179-184页。该方案实现起来相对复杂，这是因为需要识别对要测量的不同物理参数具有不同灵敏度的多芯光纤。此外，这种类型的光纤的连接不是标准化的，使得其接口特别复杂。
因此，上述用于在测量点测量多个物理参数的解决方案并不完全令人满意。本发明的目的是提出一种通过具有相对简单结构的紧凑传感器来测量多个物理参数的技术，允许其在任何类型的工业中设计、制造和使用。
发明内容
为此，本发明基于对多模光纤中不同信号传播模式的差异化利用。多模光纤在测量部分具有敏感元件，该敏感元件被设置成以不同传播模式反射光信号，该光信号具有根据待测量的物理参数可变的波长或波长偏移。由于波长偏移也根据传播模式而变化，所以方程组的解使得有可能通过单个光纤和在该光纤的单个测量部分确定每个物理参数。
更具体地，本发明首先涉及一种使用多模光纤测量P个物理参数的系统，P是大于或等于2的整数。该系统包括：光源、多模测量光纤、检测装置和光模块。
光源被设置成生成源光信号。
多模测量光纤被设置成以彼此不同的至少M个预定的第二传播模式传输光信号，M是大于或等于P的整数，该测量光纤包括测量部分，该测量部分被设置成反射其波长根据待测量的物理参数可变的光信号。
检测装置被设置成测量由测量部分反射的光信号的波长。
光模块被设置成从源光信号生成M个光信号，这些光信号被注入测量光纤中，以使每个光信号以一个第二传播模式传播，该光模块还被设置成将反射的光信号传输到检测装置。
光源可以是宽带光源或可调光源。优选地，光源具有足以测量多个波长的带宽。带宽例如大于或等于3nm。
测量光纤必须是多模光纤。可以是轻微多模的，即具有使传播模式的数量从几个到几十个模式变化的物理特性，或者是强多模的，即具有使传播模式的数量从几十个到几百个模式变化的物理特性。
测量光纤的测量部分充当敏感元件。该测量部分被设置成反射其波长根据要测量的物理参数可变的光信号。换言之，该测量部分被设置成反射每个入射光信号作为反射光信号，该反射光信号具有取决于待测量的不同物理参数的波长。测量部分对不同物理参数的灵敏度参数根据信号传播模式而不同。因此，对于物理参数的给定变化，反射信号相对于入射信号的波长变化根据传播模式而彼此不同。因此，已知不同反射光信号的波长使得能够通过求解方程组来确定不同的物理参数。
根据第一特定实施例，光模块包括M个传输光纤和模式多路复用器。
每个传输光纤被设置成以第一预定传播模式传输光信号。
模式多路复用器一方面连接到M个传输光纤，另一方面连接到测量光纤，该模式多路复用器被设置成通过将每个第一传播模式转换成一个第二传播模式来将从传输光纤接收的光信号传输到测量光纤，并且被设置成通过将每个第二传播模式转换成与传输光纤相关联的第一传播模式来将从测量光纤接收的每个反射光信号传输到该传输光纤。
根据本发明，模式多路复用器执行多路复用和解复用功能。因此，可以被称为“模式多路复用器/解复用器”。然而，为了简明起见，在本文中，模式多路复用器被简单地称为“模式多路复用器”。一方面，模式多路复用器使得可以为测量光纤生成具有不同传播模式的光信号，另一方面，可以在不同的接收信道(在这种情况下是M个传输光纤)上恢复与每个传播模式相关联的波长信息，从而有助于确定这些波长。模式多路复用器在每个传输光纤的第一传播模式和测量光纤的一个第二传播模式之间建立一一对应的关系。
在专利申请US2017/010463A1中描述了根据本发明的模式多路复用器的示例。
有利的是，传输光纤是单模光纤。因此，每个第一传播模式都是基模。传输光纤也可以是多模光纤。然而，在每个传输光纤中使用单一模式。
根据第一特定实施例的第一替代方案，测量系统还包括分光器，该分光器被设置成接收源光信号，将该源光信号分成M个光信号，并以与传输光纤相关联的第一传播模式将光信号传送到每个传输光纤。
分光器在所有传输光纤上分配源光信号的功率。分布可能相等，也可能不相等。
分光器还可以被设置成接收从传输光纤接收的反射光信号，将这些反射光信号相加，以获得重构光信号，并将该重构光信号传送到检测装置。测量系统还可以包括光循环器，该光循环器被设置成将源光信号从光源传输到分光器，并将重构光信号传输到检测装置。
根据第一实施例的第二替代方案，测量系统还包括光开关，该光开关被设置成接收源光信号，将该源光信号在时间上分成M个光信号，并以与传输光纤相关的第一传播模式将光信号传送到每个传输光纤。
光开关还可以被设置成接收从传输光纤接收的反射光信号，在时间上接合这些反射光信号，以获得重构光信号，并将重构光信号传送到检测装置。测量系统还可以包括光循环器，该光循环器被设置成将源光信号从光源传输到光开关，并将重构光信号传输到检测装置。
在本发明的替代实施例中，检测装置包括K个检测器，K是大于或等于2且小于或等于M的整数，每个检测器被设置成测量从一个或多个传输光纤接收的一个或多个反射光信号的波长。每个检测器例如通过光循环器连接到传输光纤，光循环器被设置成将来自分光器或光开关的每个光信号传输到模式多路复用器，并将来自模式多路复用器的每个反射光信号传输到检测器。
当模式多路复用器的工作光谱范围对于要测量的物理参数的数量而言过于有限，因此对于要生成的第二传播模式的数量过于有限时，可以使用多个模式多路复用器。模式多路复用器被定义为特定的光谱宽度，通常为10到30nm。然而，源光信号的光谱宽度可以超过该值，并达到50至100nm。在这种情况下，模式多路复用器的尺寸不能覆盖光源的整个工作范围。因此，使用多个模式多路复用器使得能够覆盖光源的整个光谱范围。例如，对于发射1520和1580nm之间的光的光源(即60nm的光谱宽度)，可以使用三个模式多路复用器，第一个模式多路复用器在1520和1540nm之间工作，第二个模式多路复用器在1540和1560nm之间工作，第三个模式多路复用器在1560和1580nm之间工作。
因此，根据第二特定实施例，光模块包括：X个第一传输光纤、第二多模传输光纤、Y个第三传输光纤、第四多模传输光纤、第一模式多路复用器、第二模式多路复用器、源侧分光器或源侧光开关以及测量侧分光器或测量侧光开关。
X是大于或等于2的整数，每个第一传输光纤被设置成以第一预定传播模式传输光信号。
第二多模传输光纤被设置成以彼此不同的至少X个第二预定传播模式传输光信号。
Y是大于或等于2的整数，每个第三传输光纤被设置成以第三预定传播模式传输光信号，X和Y之和等于M。
第四多模传输光纤被设置成以彼此不同且不同于X个第二传播模式的至少Y个第二预定传播模式传输光信号。
第一模式多路复用器一方面连接到X个第一传输光纤，另一方面连接到第二传输光纤，第一模式多路复用器被设置成通过将每个第一传播模式转换成X个第二传播模式中的一个，将从第一传输光纤接收的光信号传输到第二传输光纤，并且被设置成通过将每个第二传播模式转换成与第一传输光纤相关联的第一传播模式，将从第二传输光纤接收的每个反射光信号传输到一个第一传输光纤。
第二模式多路复用器一方面连接到Y个第三传输光纤，另一方面连接到第四传输光纤，第二模式多路复用器被设置成通过将每个第三传播模式转换成Y个第二传播模式中的一个，将从第三传输光纤接收的光信号传输到第四传输光纤，并且被设置成通过将每个第二传播模式转换成与第三传输光纤相关联的第三传播模式，将从第四传输光纤接收的每个反射光信号传输到一个第三传输光纤。
源侧分光器被设置成接收源光信号，将该源光信号分成X+Y个光信号，以与第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤传送光信号，以与第三传输光纤相关联的第三传播模式向每个第三传输光纤传送光信号，源侧光开关被设置成接收源光信号，将该源光信号在时间上分成X+Y个光信号，以与第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤传送光信号，以及以与第三传输光纤相关联的第三传播模式向每个第三传输光纤传送光信号。
测量侧分光器一方面被设置成接收来自第一模式多路复用器和第二模式多路复用器的光信号，将这些光信号相加，以获得公共光信号，并将该公共光信号传送给测量光纤，另一方面被设置成接收反射的公共光信号，将该反射的公共光信号分成两个光信号，并将这些光信号中的每一个传输到第一多路复用器和第二模式多路复用器之一。测量侧光开关一方面被设置成接收来自第一模式多路复用器和第二模式多路复用器的光信号，在时间上接合这些光信号，以获得公共光信号，并将该公共光信号传送到测量光纤，另一方面被设置成接收反射的公共光信号，将该反射的公共光信号在时间上分成两个光信号，并将这些光信号中的每一个传输到第一多路复用器和第二模式多路复用器之一。
第一传输光纤和/或第三传输光纤是单模光纤，每个第一传播模式和/或每个第三传播模式是基模。
源侧分光器可以包括：一阶分光器、第一二阶分光器以及第二二阶分光器。
该一阶分光器被设置成接收源光信号并将该源光信号分成第一中间光信号和第二中间光信号。
该第一二阶分光器被设置成接收第一中间光信号，将该中间光信号分成X个光信号，并且以与第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤传送光信号。
该第二二阶分光器被设置成接收第二中间光信号，将该中间光信号分成Y个光信号，并且以与第三传输光纤相关联的第三传播模式向每个第三传输光纤传送光信号。
源侧光开关可以包括：一阶光开关、第一二阶光开关以及第二二阶光开关。
该一阶光开关被设置成接收源光信号并将该源光信号在时间上分成第一中间光信号和第二中间光信号。
该第一二阶光开关被设置成接收第一中间光信号，将该中间光信号在时间上分成X个光信号，并且以与第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤传送光信号。
该第二二阶光开关被设置成接收第二中间光信号，将该中间光信号在时间上分成Y个光信号，并且以与第三传输光纤相关联的第三传播模式向每个第三传输光纤传送光信号。
在特定实施例中，测量系统还包括处理单元，该处理单元被设置成根据测量部分反射的光信号的波长和P×M个预定灵敏度参数KPP(j,i)来确定P个物理参数中的每一个，每个灵敏度参数KPP(j,i)表示对于第二传播模式i下的测量部分的物理参数PPj的灵敏度，其中，i是介于1和M之间的整数，j是介于1和P之间的整数。
每个分光器可以被设置成接收反射的光信号，将这些光信号相加，并将其传送到另一部件。具体而言，源侧分光器可以被设置成接收X+Y个反射光信号，将这些光信号相加，以获得重构光信号，并将该重构光信号传送给检测装置。
类似地，每个光开关可以被设置成接收反射的光信号，在时间上接合这些光信号，并将其传送到另一部件。具体而言，源侧光开关可以被设置成接收X+Y个反射光信号，在时间上接合这些光信号，以获得重构光信号，并将该重构光信号传送给检测装置。
优选地，第一模式多路复用器和第二模式多路复用器的工作范围不重叠，并且包括在光源的光谱范围内。
根据第一和第二特定实施例的测量系统使得能够在单个多模光纤的测量部分测量多个物理参数。然而，本发明适用于在多个多模光纤的测量部分测量多个物理参数。
因此，本发明还涉及一种使用多模光纤测量P+Q个物理参数的系统，P和Q是大于或等于2的两个整数。该系统包括：光源、第一多模测量光纤、第二多模测量光纤、检测装置以及光模块。
光源被设置成生成源光信号。
第一多模测量光纤被设置成以彼此不同的至少M个第二预定传播模式传输光信号，M是大于或等于P的整数，第一测量光纤包括第一测量部分，该第一测量部分被设置成反射其波长具有根据待测量的物理参数可变的光信号。
第二多模测量光纤被设置成以彼此不同的至少N个预定的第四传播模式传输光信号，N是大于或等于Q的整数，第二测量光纤包括第二测量部分，该第二测量部分被设置成反射其波长根据待测量的物理参数可变的光信号。
检测装置被设置成测量由每个测量光纤反射的光信号的波长。
光模块被设置成从源光信号生成M+N个光信号，M个光信号被注入第一测量光纤中，使得每个光信号以一个第二传播模式传播，并且N个光信号被注入第二测量光纤中，使得每个光信号以一个第四传播模式传播。该光模块另外被设置成将反射的光信号传输到检测装置。
根据特定实施例，光模块包括：M个第一传输光纤、第一模式多路复用器、N个第二传输光纤、第二模式多路复用器、以及分光器或光开关。
M是大于或等于P的整数，每个第一传输光纤被设置成以第一预定传播模式传输光信号。
第一模式多路复用器一方面连接到M个第一光纤，另一方面连接到第一测量光纤，第一模式多路复用器被设置成通过将每个传播模式转换成一个第二传播模式，将从第一传输光纤接收的光信号传输到第一测量光纤，并且被设置成通过将每个第二传播模式转换成与一个第一传输光纤相关联的第一传播模式，将从第一测量光纤接收的每个反射光信号传输到第一传输光纤。
N是大于或等于Q的整数，每个第二传输光纤被设置成以第三预定传播模式传输光信号。
第二模式多路复用器一方面连接到N个第二传输光纤，另一方面连接到第二测量光纤，第二模式多路复用器被设置成通过将每个第三传播模式转换成一个第四传播模式，将从第二传输光纤接收的光信号传输到第二测量光纤，并且被设置成通过将每个第四传播模式转换成与一个第二传输光纤相关联的第三传播模式，将从第二测量光纤接收的每个反射光信号传输到第二传输光纤。
分光器被设置成接收源光信号，将该源光信号分成M+N个光信号，以与第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤传送光信号，并且以与第二传输光纤相关联的第三传播模式向每个第二传输光纤传送光信号。光开关被设置成接收源光信号，将该源光信号在时间上分成M+N个光信号，以与第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤传送光信号，以及以与第二传输光纤相关联的第三传播模式向每个第二传输光纤传送光信号。
第一传输光纤和/或第二传输光纤可以是单模光纤，每个第一传播模式和/或每个第三传播模式是基模。
分光器可以包括：一阶分光器、第一二阶分光器以及第二二阶分光器。
该一阶分光器被设置成接收源光信号并将该源光信号分成第一中间光信号和第二中间光信号。
该第一二阶分光器被设置成接收第一中间光信号，将该中间光信号分成M个光信号，并且以与第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤传送光信号。
该第二二阶分光器被设置成接收第二中间光信号，将该中间光信号分成N个光信号，并且以与第二传输光纤相关联的第三传播模式向每个第二传输光纤传送光信号。
光开关可以包括：一阶光开关、第一二阶光开关以及第二二阶光开关。
该一阶光开关被设置成接收源光信号，并将该源光信号在时间上分成第一中间光信号和第二中间光信号。
该第一二阶光开关被设置成接收第一中间光信号，将该中间光信号在时间上分成M个光信号，并且以与第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤传送光信号。
该第二二阶光开关被设置成接收第二中间光信号，将该中间光信号在时间上分成N个光信号，并且以与第二传输光纤相关联的第三传播模式向每个第二传输光纤传送光信号。
该测量系统还可以包括处理单元，该处理单元被设置成根据测量光纤反射的光信号的波长、P×M个预定灵敏度参数KPP(j,i)和Q×N个预定灵敏度参数KPP(l,k)来确定P+Q个物理参数中的每一个，每个灵敏度参数KPP(j,i)表示对于第二传播模式i下的第一测量部分的物理参数PPj的灵敏度，其中，i是介于1和M之间的整数，j是介于1和P之间的整数，每个灵敏度参数KPP(l,k)表示对于第四传播模式k下的第二测量部分的物理参数PPl的灵敏度，其中，k是介于1和N之间的整数，l是介于1和Q之间的整数。
与上述使用多模光纤测量P个物理参数的系统相关的各种可选特征和优点适用于使用多模光纤测量P+Q个物理参数的系统。
在根据本发明的每个测量系统中，每个测量部分包括例如布拉格光栅或法布里-珀罗腔。
附图说明
通过阅读以下仅作为示例并参考附图提供的描述，本发明的其他特征、细节和优点将变得清楚，附图中：
图1示出了根据本发明的使用多模光纤测量P个物理参数的系统的第一示例；
图2示出了根据本发明的使用多模光纤测量物理参数的系统的第二示例，该测量系统包括多个检测器；
图3示出了根据本发明的使用多模光纤测量P个物理参数的系统的第三示例，该测量系统包括具有两种传播模式的公共检测器；
图4示出了根据本发明的使用多模光纤测量P个物理参数的系统的第四示例，该测量系统包括两个光多路复用器；
图5示出了根据本发明的使用两个多模光纤测量P+Q个物理参数的系统的示例。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的使用多模光纤测量物理参数的系统的第一示例。测量系统10使得能够测量P个物理参数，P是大于或等于2的整数。测量系统包括光源11、光循环器12、光开关13、M个单模光纤14、模式多路复用器/解复用器15(以下简称为“模式多路复用器15”)、多模光纤16和检测装置17。数字M是大于或等于P的整数。在图1的示例中，光纤14使得能够以基模传输光信号。然而，根据本发明的测量系统使得能够使用多模光纤。因此，根据称为“第一传播模式”的单个传播模式在每个光纤中传输信号。第一传播模式可以根据光纤而不同。多模光纤16被设置成以彼此不同的至少M个第二预定传播模式传输光信号。多模光纤在其被称为“测量部分”的部分上包括布拉格光栅18。光源11可以是宽带光源或可调光源。例如，宽带光源具有大于或等于3nm的带宽。光循环器12在第一输入/输出端接收来自光源11的源光信号，并将该源光信号传输到第二输入/输出端，用于光开关13。光开关13被设置成接收源光信号，将该信号在时间上分成M个相同的光信号，并将这些光信号中的一个以基模传送给每个光纤14。可以使用分光器来代替光开关13。分光器划分源光信号的功率，以便生成M个相同的光信号。模式多路复用器15连接到光纤14和多模光纤16。模式多路复用器被设置成通过将每个第一传播模式转换成M个第二传播模式中的一个，将从光纤14接收的光信号传输到多模光纤16。模式多路复用器还被设置成通过将每个第二传播模式转换成基模来将从多模光纤16接收的每个反射光信号传输到一个光纤14。每个反射的光信号被模式多路复用器15引导到其所来自的光纤14，以便在每个光纤14和多模光纤的第二传播模式之间建立一一对应的关系。检测装置17被设置成测量由光纤14传输的反射光信号的波长。
测量系统10还可以包括未示出的处理单元，该处理单元被设置成根据由检测装置17确定的反射光信号的波长和P×M个预定灵敏度参数KPP(j,i)来确定P个物理参数中的每一个。每个灵敏度参数KPP(j,i)表示对于第二传播模式i下的布拉格光栅18的物理参数PPj的灵敏度，其中，i是1和M之间的整数，j是1和P之间的整数。
由具有P个未知数的M个方程的组的解来确定物理参数，模式i的每个方程被写成：
Figure BDA0003767195130000121
其中，Δλi表示与模式i相关的光信号的波长相对于参考波长的变化。
当要测量的参数数量小于模式数量(P<M)时，方程组超定。然后，至少一些物理参数可以多次确定，由此能够更精确地确定这些物理参数。
图2示出了根据本发明的使用多模光纤测量P个物理参数的系统的第二示例。根据该实施例的测量系统20与参考图1描述的测量系统10的本质区别在于，检测装置17由M个独立的检测器171、172、…17M形成。测量系统20包括M个光循环器121、122、…12M。每个光循环器12i连接到一个光纤14的两个部分和检测器17i，使得来自光开关13的每个光信号被传输到模式多路复用器模块15，来自模式多路复用器15的每个反射光信号被传输到相关的检测器17i。处理单元可以类似地恢复不同反射光信号的波长，以便确定布拉格光栅18处的P个物理参数。
图3示出了根据本发明的使用多模光纤测量P个物理参数的系统的第三示例。根据该实施例的测量系统30与参考图2描述的测量系统20的本质区别在于，检测装置17由严格小于M的多个检测器构成。测量系统30仍然包括M个光循环器12i。该测量系统还包括一个或多个信号组合器。在这种情况下，该测量系统包括信号组合器1912，该信号组合器连接到光循环器121和122的，以便接收由两根光纤14传输的反射光信号，并被设置成在时间上将这些信号相加或接合，并将其传输到检测器1712。其他检测器17i接收单个反射光信号。
图4示出了根据本发明的使用多模光纤测量P个物理参数的系统的第四示例。测量系统40还包括光源11、光循环器12、多模光纤16和检测装置17。该测量系统还包括一阶光开关41、第一二阶光开关131、第二二阶光开关132、X个第一单模传输光纤44、第二多模传输光纤421、Y个第三单模传输光纤45、第四多模传输光纤422、第一模式多路复用器151、第二模式多路复用器152和测量侧光开关43。光开关41被设置成接收源光信号，并将其在时间上分成第一中间光信号和第二中间光信号。类似于光开关13，第一光开关131被设置成接收第一中间光信号，将其在时间上分成X个光信号，并将每个光信号传送到一个传输光纤44。第二光开关132被设置成接收第二中间光信号，将其在时间上分成Y个光信号，并将每个光信号传送到一个传输光纤45。第一传输光纤44和第三传输光纤45均被设置成以基模传输光信号。第一传输光纤和第三传输光纤的总数(X+Y)等于M，M大于或等于P。第一传输光纤421被设置成以至少X个第二预定传播模式传输光信号，这些第二预定传播模式彼此不同并且选自多模光纤16的M个第二传播模式。第四传输光纤422被设置成以至少Y个第二预定传播模式传输光信号，这些第二预定传播模式彼此不同并且不同于X个第二传播模式，并且选自多模光纤16的M个第二传播模式。第一模式多路复用器151连接到传输光纤44和第二传输光纤421。一方面，该第一模式多路复用器被设置成通过将基模转换成X个第二传播模式中的一个，将从传输光纤44接收的每个光信号传输到第二传输光纤421，另一方面，通过将每个第二传播模式转换成基模，将从第二传输光纤421接收的每个反射光信号传输到一个传输光纤44。第二模式多路复用器152连接到传输光纤45和第四传输光纤422。一方面，该第二模式多路复用器被设置成通过将基模转换成Y个第二传播模式中的一个，将从传输光纤45接收的每个光信号传输到第四传输光纤422，另一方面，通过将每个第二传播模式转换成基模，将从第四传输光纤422接收的每个反射光信号传输到一个传输光纤45。测量侧光开关43被设置成，一方面接收来自第一模式多路复用器151的X个光信号和来自第二模式多路复用器152的Y个光信号，以在时间上接合这些光信号，从而获得公共光信号并将该公共光信号传送到多模光纤16，另一方面接收反射的公共光信号，在时间上将该光信号分成两个光信号，并将每个光信号传送到第一和第二模式多路复用器151、152中的一个。
图5示出了根据本发明的使用两个多模光纤测量P+Q个物理参数的系统的示例。测量系统50还包括光源11、光循环器12和检测装置17。该测量系统还包括分别与测量系统40的相同的一阶光开关41、第一二阶光开关131、第二二阶光开关132、第一模式多路复用器151和第二模式多路复用器152。测量系统50还包括M个第一单模传输光纤54、N个第二传输光纤55、第一多模测量光纤161和第二多模测量光纤162。第一光开关131被设置成从光开关41接收第一中间光信号，将第一中间光信号在时间上分成M个光信号，并将每个光信号传送到一个传输光纤54。第二光开关132被设置成从光开关41接收第二中间光信号，在时间上将第二中间光信号分成N个光信号，并将每个光信号传送到一个传输光纤55。第一传输光纤54和第三传输光纤55均被设置成以基模传输光信号。第一测量光纤161被设置成以彼此不同的至少M个第二预定传播模式传输光信号，M是大于或等于P的整数，并且包括第一布拉格光栅181。第二测量光纤162被设置成以彼此不同的至少N个第四预定传播模式传输光信号，N是大于或等于Q的整数，并且包括第二布拉格光栅182。N个第四传播模式可以与M个第二传播模式相同或不同。第一模式多路复用器151连接到传输光纤54和第一测量光纤161。该第一模式多路复用器一方面被设置成通过将基模转换成M个第二传播模式中的一个，将从传输光纤54接收的每个光信号传输到测量光纤161，另一方面被设置成通过将每个第二传播模式转换成基模，将从第一测量光纤161接收的每个反射光信号传输到一个传输光纤54。第二模式多路复用器152连接到传输光纤55和第二测量光纤162。该第二模式多路复用器一方面被设置成通过将基模转换成N个第四传播模式中的一个，将从传输光纤55接收的每个光信号传输到测量光纤162，另一方面被设置成通过将每个第四传播模式转换成基模，将从第二测量光纤162接收的每个反射光信号传输到一个传输光纤55。
测量系统50可以另外包括未示出的处理单元，该处理单元被设置成基于由检测装置17确定的反射光信号的波长、P×M个预定灵敏度参数KPP(j,i)和Q×N个预定灵敏度参数KPP(l,k)来确定P和Q个物理参数中的每一个。每个灵敏度参数KPP(j,i)表示对于第二传播模式i下的布拉格光栅181的物理参数PPj的灵敏度，其中，i是1和M之间的整数，j是1和P之间的整数。每个灵敏度参数KPP(l,k)表示对于第四传播模式k下的布拉格光栅182的物理参数PP1的灵敏度，其中，k是1和N之间的整数，l是1和Q之间的整数。

Claims (15)

1.一种使用多模光纤测量P个物理参数的测量系统，P是大于或等于2的整数，所述系统包括：
光源(11)，所述光源被设置成生成源光信号，
多模测量光纤(16)，所述多模测量光纤被设置成以彼此不同的至少M个预定的第二传播模式传输光信号，M是大于或等于P的整数，所述测量光纤(16)包括测量部分(18)，所述测量部分被设置成反射其波长根据待测量的物理参数可变的光信号，
检测装置(17、171、172、17M、1712)，所述检测装置被设置成测量由测量部分反射的光信号的波长，以及
光模块(13、131、132、14、15、151、152、41、421、422、43、44、45)，所述光模块被设置成从所述源光信号生成M个光信号，这些光信号被注入所述测量光纤(16)中，以使每个光信号以一个第二传播模式传播，所述光模块还被设置成将反射的光信号传输到所述检测装置(17、171、172、17M、1712)。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述光模块包括：
M个传输光纤(14)，每个传输光纤被设置成以第一预定传播模式传输光信号，以及
模式多路复用器(15)，所述模式多路复用器一方面连接到M个传输光纤(14)，另一方面连接到所述测量光纤(16)，所述模式多路复用器被设置成通过将每个第一传播模式转换成一个第二传播模式来将从所述传输光纤接收的光信号传输到所述测量光纤，并且被设置成通过将每个第二传播模式转换成与一个传输光纤相关联的第一传播模式来将从所述测量光纤接收的每个反射光信号传输到所述传输光纤。
3.根据权利要求2所述的测量系统，其中，所述传输光纤(14)是单模光纤，每个第一传播模式是基模。
4.根据权利要求2和3中任一项所述的测量系统，其中，所述测量系统还包括分光器(13)，所述分光器被设置成接收所述源光信号，将该源光信号分成M个光信号，并以与传输光纤相关联的第一传播模式将光信号传送到每个传输光纤(14)。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其中，所述分光器(13)还被设置成接收从所述传输光纤(14)接收的反射光信号，将这些反射光信号相加，以获得重构光信号，并将所述重构光信号传送到检测装置(17)，
所述测量系统(10)还包括光循环器(12)，所述光循环器被设置成将所述源光信号从所述光源(11)传输到所述分光器(13)，并将所述重构光信号传输到所述检测装置(17)。
6.根据权利要求2和3中任一项所述的测量系统，其中，所述测量系统还包括光开关(13)，所述光开关被设置成接收所述源光信号，将该源光信号在时间上分成M个光信号，并以与传输光纤相关的第一传播模式将光信号传送到每个传输光纤(14)。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其中，所述光开关(13)还被设置成接收从所述传输光纤(14)接收的反射光信号，在时间上接合这些反射光信号，以获得重构光信号，并将所述重构光信号传送到所述检测装置(17)，
所述测量系统(10)还包括光循环器，所述光循环器被设置成将所述源光信号从所述光源传输到所述光开关，并将所述重构光信号传输到所述检测装置。
8.根据权利要求2至4和6中任一项所述的测量系统，其中，所述检测装置包括K个检测器(171、172、17M、1712)，K是大于或等于2且小于或等于M的整数，每个检测器被设置成测量从一个或多个传输光纤(14)接收的一个或多个反射光信号的波长。
9.根据权利要求1所述的测量系统，其中，所述光模块包括：
X个第一传输光纤(44)，X是大于或等于2的整数，每个第一传输光纤被设置成以第一预定传播模式传输光信号，
第二多模传输光纤(421)，所述第二多模传输光纤被设置成以彼此不同的至少X个第二预定传播模式传输光信号，
Y个第三传输光纤(45)，Y是大于或等于2的整数，每个第三传输光纤被设置成以第三预定传播模式传输光信号，X和Y之和等于M，
第四多模传输光纤(422)，所述第四多模传输光纤被设置成以彼此不同且不同于X个第二传播模式的至少Y个第二预定传播模式传输光信号，
第一模式多路复用器(151)，所述第一模式多路复用器一方面连接到X个第一传输光纤(44)，另一方面连接到第二传输光纤(421)，所述第一模式多路复用器被设置成通过将每个第一传播模式转换成X个第二传播模式中的一个，将从第一传输光纤接收的光信号传输到第二传输光纤，并且被设置成通过将每个第二传播模式转换成与所述第一传输光纤相关联的第一传播模式，将从所述第二传输光纤接收的每个反射光信号传输到所述第一传输光纤中的一个，
第二模式多路复用器(152)，所述第二模式多路复用器一方面连接到Y个第三传输光纤(45)，另一方面连接到第四传输光纤(422)，所述第二模式多路复用器被设置成通过将每个第三传播模式转换成Y个第二传播模式中的一个，将从第三传输光纤接收的光信号传输到第四传输光纤，并且被设置成通过将每个第二传播模式转换成与所述第三传输光纤相关联的第三传播模式，将从所述第四传输光纤接收的每个反射光信号传输到所述第三传输光纤中的一个，
源侧分光器(131、132、41)或源侧光开关(131、132、41)，所述源侧分光器被设置成接收所述源光信号，将该源光信号分成X+Y个光信号，以与所述第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤(44)传送光信号，以与所述第三传输光纤相关联的第三传播模式向每个第三传输光纤(45)传送光信号，所述源侧光开关被设置成接收源光信号，将该源光信号在时间上分成X+Y个光信号，以与所述第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤(44)传送光信号，以及以与所述第三传输光纤相关联的第三传播模式向每个第三传输光纤(45)传送光信号，以及
测量侧分光器(43)或测量侧光开关(43)，所述测量侧分光器一方面被设置成接收来自所述第一模式多路复用器(151)和所述第二模式多路复用器(152)的光信号，将这些光信号相加，以获得公共光信号，并将该公共光信号传送至所述测量光纤(16)，另一方面被设置成接收反射的公共光信号，将该反射的公共光信号分成两个光信号，并将这些光信号中的每一个传送到所述第一模式多路复用器和所述第二模式多路复用器(151、152)之一，所述测量侧光开关一方面被设置成接收来自所述第一模式多路复用器(151)和所述第二模式多路复用器(152)的光信号，在时间上接合这些光信号，以获得公共光信号，并将该公共光信号传送到所述测量光纤(16)，另一方面被设置成接收反射的公共光信号，将该反射的公共光信号在时间上分成两个光信号，并将这些光信号中的每一个传送到所述第一模式多路复用器和所述二模式多路复用器(151、152)之一。
10.根据权利要求9所述的测量系统，其中，所述第一传输光纤(44)和/或所述第三传输光纤(45)是单模光纤，每个第一传播模式和/或每个第三传播模式是基模。
11.根据前述权利要求中任一项所述的测量系统，其中，所述测量系统还包括处理单元，所述处理单元被设置成根据所述测量部分反射的光信号的波长和P×M个预定灵敏度参数KPP(j,i)来确定P个物理参数中的每一个，每个灵敏度参数KPP(j,i)表示对于第二传播模式i下的所述测量部分的物理参数PPj的灵敏度，其中，i是介于1和M之间的整数，j是介于1和P之间的整数。
12.一种使用多模光纤测量P+Q个物理参数的测量系统，P和Q是大于或等于2的两个整数，所述系统包括：
光源(11)，所述光源被设置成生成源光信号，
第一多模测量光纤(161)，所述第一多模测量光纤被设置成以彼此不同的至少M个预定的第二传播模式传输光信号，M是大于或等于P的整数，第一测量光纤包括第一测量部分(181)，所述第一测量部分被设置成反射其波长根据待测量的物理参数可变的光信号，
第二多模测量光纤(162)，所述第二多模测量光纤被设置成以彼此不同的至少N个预定的第四传播模式传输光信号，N是大于或等于Q的整数，第二测量光纤包括第二测量部分(182)，所述第二测量部分被设置成反射其波长根据待测量的物理参数可变的光信号，
检测装置(17)，所述检测装置被设置成测量由每个测量光纤(161、162)反射的光信号的波长，以及
光模块(131、132、151、152、41、54、55)，所述光模块被设置成从源光信号生成M+N个光信号，M个光信号被注入第一测量光纤(161)中，使得每个光信号以一个第二传播模式传播，并且N个光信号被注入第二测量光纤(162)中，使得每个光信号以一个第四传播模式传播，所述光模块还被设置成将反射的光信号传输到所述检测装置(17)。
13.根据权利要求12所述的测量系统，其中，所述光模块包括：
M个第一传输光纤(54)，M是大于或等于P的整数，每个第一传输光纤被设置成以第一预定传播模式传输光信号，
第一模式多路复用器(151)，所述第一模式多路复用器一方面连接到M个第一光纤(54)，另一方面连接到第一测量光纤(161)，所述第一模式多路复用器被设置成通过将每个传播模式转换成一个第二传播模式，将从第一传输光纤(54)接收的光信号传输到第一测量光纤(161)，并且被设置成通过将每个第二传播模式转换成与一个第一传输光纤相关联的第一传播模式，将从第一测量光纤(161)接收的每个反射光信号传输到所述第一传输光纤(54)，
N个第二传输光纤(55)，N是大于或等于Q的整数，每个第二传输光纤被设置成以预定的第三传播模式传输光信号，
第二模式多路复用器(152)，所述第二模式多路复用器一方面连接到N个第二传输光纤(55)，另一方面连接到第二测量光纤(162)，所述第二模式多路复用器被设置成通过将每个第三传播模式转换成一个第四传播模式，将从第二传输光纤(55)接收的光信号传输到第二测量光纤(162)，并且被设置成通过将每个第四传播模式转换成与一个第二传输光纤相关联的第三传播模式，将从第二测量光纤(162)接收的每个反射光信号传输到所述第二传输光纤(55)，以及
分光器(41)或光开关(41)，所述分光器被设置成接收源光信号，将该源光信号分成M+N个光信号，以与所述第一传输光纤(54)相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤(54)传送光信号，并且以与所述第二传输光纤(55)相关联的第三传播模式向每个第二传输光纤(55)传送光信号，所述光开关被设置成接收源光信号，将该源光信号在时间上分成M+N个光信号，以与所述第一传输光纤相关联的第一传播模式向每个第一传输光纤传送光信号，以及以与所述第二传输光纤相关联的第三传播模式向每个第二传输光纤传送光信号。
14.根据权利要求13所述的测量系统，其中，所述第一传输光纤(54)和/或所述第二传输光纤(55)是单模光纤，每个第一传播模式和/或每个第三传播模式是基模。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的测量系统，其中，所述测量系统还包括处理单元，所述处理单元被设置成根据测量光纤反射的光信号的波长、P×M个预定灵敏度参数KPP(j,i)和Q×N个预定灵敏度参数KPP(l,k)来确定P+Q个物理参数中的每一个，每个灵敏度参数KPP(j,i)表示对于第二传播模式i下的所述第一测量部分的物理参数PPj的灵敏度，其中，i是介于1和M之间的整数，j是介于1和P之间的整数，每个灵敏度参数KPP(l,k)表示对于第四传播模式k下的所述第二测量部分的物理参数PPl的灵敏度，其中，k是介于1和N之间的整数，l是介于1和Q之间的整数。
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