CN115144002A - 光纤光栅阵列传感解调方法和系统 - Google Patents

光纤光栅阵列传感解调方法和系统 Download PDF

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Abstract

本申请提出一种光纤光栅阵列传感解调方法和系统，其中，方法包括：预先将光纤光栅阵列划分为预设数量个分段，并控制光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个分段返回的光谱；针对每个分段，根据分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值；获取已确定的一个环境参数值下的光谱中第一长波长光信号边沿，将光谱阈值与第一长波长光信号边沿的交叉点作为初始边沿位置；根据初始边沿位置计算分段返回的光谱的边沿位置变化量；根据待解调的环境参数的变化量与边沿位置变化量之间的线性关系解调待解调的环境参数。该方法显著增加可解调的光栅数量，提高解调效率，降低解调成本，满足对光纤光栅解调的大容量和高空间分辨率的需求。

Description

光纤光栅阵列传感解调方法和系统
技术领域
本申请涉及矿用设备技术领域，尤其涉及一种定光纤光栅阵列传感解调方法和系统。
背景技术
随着人们对井下安全意识的加强，通过光纤光栅传感器对井下的环境参数测量以便及时采取对应的措施已知逐渐普及。
其中，光纤布拉格光栅传感器(Fiber Grating Sensor,简称FBG)由于可以同时作为传感单元和传输的媒介近年来得到了迅速发展。目前FBG传感器最广泛的应用是通过测量光栅波长变化量再进行解调获取测量数据。FBG外界环境中温度或拉力发生改变后它的中心波长会发生漂移，通过解调波长的变化量能够计算出外界的环境参量的变化。由于FBG传感器的探测不会受到光源功率波动的影响，以及损耗低、寿命长、抗老化、耐磨损、不受电磁干扰和易级联复用等优良特性，使其在煤矿、化工、军事以及航空航天等领域得到了广泛应用。但是在井下大型工程和地理环境长期监控项目中，FBG传感器复用量要求较高，且要求传感单元数量多，因此，对光纤光栅解调网络提出了较高的要求。
相关技术中，光纤光栅解调网络的构建原理主要为光时域反射技术(OpticalTime Domain Reflectometry，简称OTDR)和光频域反射技术(Optical Frequency DomainReflectometry，简称OFDR)。然而，相关技术的解调方案中，以OTDR技术为基础的传感解调方式为满足高空间分辨率需求导致解调成本较高，解调时间较长，不适用于井下大规模的工程应用。而以OFDR技术为基础的传感解调方式，解调光栅数量和解调距离都存在很大的局限，解调过程较复杂，实现成本较高。因此，如何实现大容量、高效率和低成本的光纤光栅传感解调成为目前亟需解决的问题。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请的第一个目的在于提出一种光纤光栅阵列传感解调方法和系统，该方法通过对弱光栅分段解调的方式，能够大幅减少数据处理单元，提高感知密集度、信噪比与响应速度，实现了对大容量长距离的密集型光纤光栅阵列的解调，可以显著增加可解调的光栅数量，提高解调效率，降低解调成本，满足对光纤光栅解调的大容量和高空间分辨率的需求。
本申请的第二个目的在于提出一种光纤光栅阵列传感解调系统。
本申请的第三个目的在于提出一种非临时性计算机可读存储介质。
为达上述目的，本申请的第一方面实施例提出了一种光纤光栅阵列传感解调方法，包括以下步骤：
预先将待解调的光纤光栅阵列划分为预设数量个分段，并控制光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的光谱；
针对每个所述分段，根据所述分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值；
获取已确定的一个环境参数值下的初始光谱中第一长波长光信号边沿，将所述光谱阈值与所述第一长波长光信号边沿的交叉点作为初始边沿位置；
根据所述初始边沿位置计算所述分段返回的光谱的边沿位置变化量；
根据所述待解调的环境参数的变化量与所述边沿位置变化量之间的线性关系解调所述待解调的环境参数。
可选地，在本申请的一个实施例中，光纤光栅阵列传感解调装置包括：放大自发辐射ASE光源、光滤波器、半导体光放大器SOA、光环形器、光电探测器和脉冲信号发生器，所述控制所述光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的光谱，包括：控制所述ASE光源分时地发射不同波长的脉冲光，并通过所述光滤波器根据控制指令过滤出预设波长的脉冲光；控制所述半导体光放大器SOA根据所述脉冲信号发生器输入的调制信号，对滤波后的脉冲光进行脉冲调制，并放大脉冲调制后的脉冲光的光功率；将放大后的脉冲光输入所述光纤光栅阵列，获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的反射脉冲；控制所述光环形器转换每个所述分段返回的所述反射脉冲的传输方向，以将所述反射脉冲传输至所述光电探测器，并通过所述光电探测器进行光电转换，对光电转换后的数据进行处理还原每个所述分段的光谱。
可选地，在本申请的一个实施例中，根据所述分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值，包括：根据所述光谱的形状确定第二长波长光信号，获取所述第二长波长光信号处的噪声信息；基于在滤除所述噪声信息的基础上趋近于光谱底部的准则选取光谱阈值。
可选地，在本申请的一个实施例中，根据所述初始边沿位置计算所述分段返回的光谱的边沿位置变化量，包括：获取待解调的环境参数下的光谱中所述第二长波长光信号边沿，将所述光谱阈值与所述第二长波长光信号边沿的交叉点作为当前边沿位置；将所述当前边沿位置与所述初始边沿位置相减获得所述边沿位置变化量。
可选地，在本申请的一个实施例中，通过以下公式解调所述待解调的环境参数：
Si＝S0+ΔS＝S0+K·Δλ
其中，Si是解调得到的环境参数，S0是已确定的一个环境参数值，ΔS是环境参数变量，K是线性系数，Δλ是边沿位置变化量。
可选地，在本申请的一个实施例中，所述ASE光源包括C波段ASE光源和C+L波段ASE光源，所述光滤波器包括F-P可调谐滤波器，所述光纤光栅阵列中的每个光栅为弱光栅。
本申请的第二方面实施例还提出了一种光纤光栅阵列传感解调系统，包括以下模块：
控制模块，用于预先将待解调的光纤光栅阵列划分为预设数量个分段，并控制所述光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的光谱；
选取模块，用于针对每个所述分段，根据所述分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值；
确定模块，用于获取已确定的一个环境参数值下的光谱中第一长波长光信号边沿，将所述光谱阈值与所述第一长波长光信号边沿的交叉点作为初始边沿位置；
计算模块，用于根据所述初始边沿位置计算所述分段返回的光谱的边沿位置变化量；
解调模块，用于根据所述待解调的环境参数的变化量与所述边沿位置变化量之间的线性关系解调所述待解调的环境参数。
可选地，在本申请的一个实施例中，光纤光栅阵列传感解调装置包括：放大自发辐射ASE光源、光滤波器、半导体光放大器SOA、光环形器、光电探测器和脉冲信号发生器，所述控制模块，具体用于：控制所述ASE光源分时地发射不同波长的脉冲光，并通过所述光滤波器根据控制指令过滤出预设波长的脉冲光；控制所述半导体光放大器SOA根据所述脉冲信号发生器输入的调制信号，对滤波后的脉冲光进行脉冲调制，并放大脉冲调制后的脉冲光的光功率；将放大后的脉冲光输入所述光纤光栅阵列，获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的反射脉冲；控制所述光环形器转换每个所述分段返回的所述反射脉冲的传输方向，以将所述反射脉冲传输至所述光电探测器，并通过所述光电探测器进行光电转换，对光电转换后的数据进行处理还原每个所述分段的光谱。
可选地，在本申请的一个实施例中，选取模块，具体用于：根据所述光谱的形状确定第二长波长光信号，获取所述第二长波长光信号处的噪声信息；基于在滤除所述噪声信息的基础上趋近于光谱底部的准则选取光谱阈值。
为达上述目的，本申请第三方面实施例还提出了一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的光纤光栅阵列传感解调方法。
本申请的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：本申请通过弱光栅分段解调的方式，将被测光纤光栅阵列分为若干分段，以每分段为一个测量单元而不是每个光栅点为测量单元，再根据每个分段传感后返回的光谱计算边沿位置变化量来解调环境变化量。由此，本申请能够大幅减少数据处理单元，提高解调过程中的感知密集度、信噪比与响应速度，不仅能够具备超高的空间分辨率同时能够达到超长距离的实时监测，满足对光纤光栅解调的大容量和高空间分辨率的需求，实现了对大容量长距离的密集型光纤光栅阵列的解调，可以显著增加可解调的光栅数量，提高解调效率，降低解调成本。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本申请实施例提供的一种光纤光栅阵列传感解调方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种光纤光栅阵列传感解调装置的结构示意图；
图3本申请实施例提供的一种具体的光纤光栅阵列传感解调方法的流程图；
图4为本申请实施例提供的一种光纤光栅阵列传感解调系统的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种具体的光纤光栅阵列传感解调系统的应用场景示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
需要说明的是，相关技术中为了突破在光纤光栅传感解调领域无法兼顾大容量和高空间分辨率的研究瓶颈，通过光纤光栅复用技术对光纤光栅传感解调系统进行了改进。比如，相关技术中提出了基于FBG阵列的传感解调系统、基于长光栅的分布式传感解调系统和基于OFDR的FBG-FP阵列解调系统等。基于OTDR技术和OFDR技术提出了一些改进的方案，比如，在一个方案中实现了相同波长的弱反射光栅阵列制作的在线刻写技术，并设计了基于OTDR的解调系统对其进行解调，同时理论分析建立了入射光、相互串扰与复用量之间的数学关系。又比如，在另一个方案中设计的解调系统能够对1000个FBG进行解调，并完成了相关的温度实验。
然而，上述方案中以OTDR技术为基础的传感解调系统，由于空间分辨率受到激光器脉冲宽度限制，为了提高分辨率就要减小脉冲宽度，同时要提高数据的采样率、传输速度以及优化解调算法，导致成本和解调时间急剧增加不再适用于大规模的工程应用。另一方面，基于OFDR技术的传感解调系统，解调光栅数量和解调距离都存在很大的局限，系统无法满足长距离解调的要求，而且基于OFDR的解调系统要求采用较窄线宽的激光器，解调的过程同样相对复杂，系统的实现成本很高。
为此，针对上述方案的缺陷，本申请立足于研究大容量长距离的密集型光纤光栅解调系统。对时分、波分复用结合的解调方法在系统与算法等各方面进行改进，研究能够同时达到大容量长距离、高精度、高空间分辨率和低仪表化成本的弱反射FBG传感解调系统。以满足对光纤光栅解调系统的大容量和高空间分辨率的需求。
下面参考附图详细描述本申请实施例的光纤光栅阵列传感解调方法和系统。
图1为本申请实施例提供的一种光纤光栅阵列传感解调方法的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤S101，预先将待解调的光纤光栅阵列划分为预设数量个分段，并控制光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个分段返回的光谱。
其中，光纤光栅阵列是由多个光纤光栅传感器组成的阵列，比如，阵列中的传感器可以选用FBG光学传感器，基于FBG光学传感器易于级联复用的特性组成光纤光栅阵列，待解调的光纤光栅阵列是当前对井下环境参量进行测量且需要解调波长的光纤光栅阵列。
其中，待解调的环境参数即是需要测量变化量的环境参数，比如，它可以是井下的温度和应力等环境变量。由于在外部环境参数作用下，光纤光栅传感器对光波进行了调制，因此，光纤光栅阵列返回的带有外场信息的光波需要进行解调，该外场信息对应的参数即待解调的环境参数。
具体的，本申请先将待解调的光纤光栅阵列划分为预设数量个分段，每个分段包括多个光纤光栅传感器，将每个分段作为一个基本的测量单元。其中，划分出的分段的数量可以根据测量精度、解调需求和当前光纤光栅阵列的参数等各种因素预先确定。
在本申请一个实施例中，预先在井下相应位置处设置的光纤光栅阵列中的每个光栅采用弱光栅(WFBG)，弱反射光纤光栅是一种低反射率的FBG，其反射率通常小于0.1％，弱反射光纤光栅阵列可以在一根光纤上密集刻写海量的WFBG，从而增加单根光纤的复用光栅数量，即传感容量。从而有利于进一步提高光纤光栅解调的容量。
进一步的，在获取每个分段在环境参数作用下返回的光谱信息时，采用本申请提出的一种光纤光栅阵列传感解调装置，通过控制该装置中各组件的运行获取光谱信息。在本申请实施例中，采用0时域反射技术来进行光纤光栅阵列的解调，控制光纤光栅阵列传感解调装置分时的向光纤光栅阵列里发射不同波长的脉冲光，控制脉冲光进入每个分段中的传感光栅，传感光栅在环境参数作用下对输入的脉冲光进行调制，然后获取每个分段返回的带有环境参数变化信息的反射脉冲，进而经过转换获得每个分段返回的光谱。
作为一种示例，本申请实施例提出的光纤光栅阵列传感解调装置如图2所示，该装置包括：放大自发辐射(Amplified spontaneous emission，简称ASE)光源10、光滤波器20、半导体光放大器SOA30、脉冲信号发生器40、光环形器50和光电探测器60。其中，ASE光源10的输出端与光滤波器20的输入端连接，光滤波器20的输出端与SOA30的第一输入端连接，脉冲信号发生器40的输出端与SOA30的第二输入端连接，SOA30的输出端与光环形器50的第一端连接，光环形器50的第二端与待解调的光纤光栅阵列连接，光环形器50的第二端与光电探测器60连接。其中，光纤光栅阵列被分为多个分段，即图中所示的分段1、分段2至分段n，每个分段包括若干数量的FBG光学传感器。
在本实施例中，该光纤光栅阵列传感解调装置中各组件的规格型号可以根据实际需要设置，比如，ASE光源可以采用C波段ASE光源或C+L波段ASE光源，光滤波器可以采用F-P可调谐滤波器。
具体实施时，在本申请一个实施例中，通过图2所示的光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个分段返回的光谱包括以下步骤：
首先，控制ASE光源10分时地发射不同波长的脉冲光，并通过光滤波器20根据控制指令过滤出预设波长的脉冲光。具体的，ASE光源作为宽带光源的一种，可以输出功率稳定的光源，并可以在一定范围内调节输出功率，ASE光源10在预设的时间点发射不同波长的脉冲光，脉冲光经过光滤波器20进行滤波，光滤波器20可以根据接收到的控制指令进行滤波，以输出所需的预设波长的脉冲光，比如，光滤波器将脉冲光滤波后输出100MHz的线宽的光源信号。
然后，控制半导体光放大器SOA30根据脉冲信号发生器40输入的调制信号，对滤波后的脉冲光进行脉冲调制，并放大脉冲调制后的脉冲光的光功率。具体的，SOA30根据脉冲信号发生器40输入的调制信号，对输入的固定线宽的光源信号进行脉冲调制并放大脉冲光的光功率。
将放大后的脉冲光输入光纤光栅阵列，获取在待解调的环境参数作用下每个分段返回的反射脉冲。具体的，进行脉冲调制并放大后的脉冲光沿着光纤传输至密集光栅阵列，阵列中各个光栅在每个波长下的反射脉冲会沿光纤返回，进而获取返回的光信号。
需要说明的是，由于本申请将光纤光栅阵列划分未多个分段，如图2所示，分段内每个光栅反射的脉冲相互叠加，无法分辨每个分段内每个光栅的反射脉冲，但是本申请将每各分段的反射信号作为一个整体进行解调。
最终，控制光环形器50转换每个分段返回的反射脉冲的传输方向，以将反射脉冲传输至光电探测器60，并通过光电探测器进行光电转换，对光电转换后的数据进行处理还原每个分段的光谱。
具体的，光环形器是一种多端口的具有非互易特性的光器件，可以完成正、反等多向传输的分离任务，返回的反射脉冲经过光环形器50转换方向，不再原路返回而是传输至光电探测器60处。光电探测器60用于将输入的光信号转换为电压模拟信号，光电探测器60对反射脉冲进行光电转换后，进行后续的数据处理得到反射光谱。
在本申请一个实施例中，进行后续的数据处理时，通过探测各个分段光栅返回的反射光脉冲之间的时间差就能精确的还原每个分段的位置信息，再根据各个分段光栅在不同波长脉冲光下的反射光的强度信息就能还原每个分段光栅的光谱信息。从而，便于后续根据分段的位置信息和光谱信息实现对该位置上环境参数的精确解调感知。
步骤S102，针对每个分段，根据分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值。
具体的，对每个分段返回的光谱进行解调，信号解调首先选取每个分段光谱的阈值，阈值的选取关乎分段光谱解调的精度，可以根据光谱的形状和噪声选取合适的阈值。
在本申请一个实施例中，根据分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值，包括先根据光谱的形状确定第二长波长光信号，并获取该第二长波长光信号处的噪声信息，然后基于在滤除噪声信息的基础上趋近于光谱底部的准则选取光谱阈值。
具体而言，在本实施例中，针对任意一个分段对应的光谱，首先观察光谱形状，确定该光谱中波长较长的谱线，即第二长波长光信号，其中，“第二”用于对其他状况下的长波长光信号进行区分。
然后通过对光谱进行分析，确定该分段光谱第二长波长光信号处的噪声和旁瓣。选取阈值时，选取的阈值要在滤除上述噪声和旁瓣的基础上尽可能接近光谱底部。需要说明的是，由于当密集光栅光谱分段内只有少量光栅温度发生变化时，对整个分段光谱边沿的影响在底部更加明显，因此本申请在尽可能接近光谱的底部选取光谱阈值。
步骤S103，获取已确定的一个环境参数值下的初始光谱中第一长波长光信号边沿，将光谱阈值与第一长波长光信号边沿的交叉点作为初始边沿位置。
具体的，在确定光谱阈值之后，需要获取一个确定的环境参数值下，分段返回的初始光谱中第一长波长光信号的边沿位置作为标定位置。
其中，已确定的一个环境参数值可以是上一测量周期最后时刻确定的环境参数值，也可以是通过其他检测方式确定的环境参数值，具体获取确定的环境参数值的方式此处不做限定。
需要说明的是，由于无论分段内光栅的环境变量发生何种变化情况，分段光谱底部都会对该环境参数值做出响应，因此，本申请通过该光谱的光谱阈值与已确定的一个环境参数值下，密集光栅分段光谱中一个长波长光信号(即第一长波长光信号)边沿的交叉点作为边沿的位置，以该边沿位置作为后续解调时所需的初始边沿位置。
步骤S104，根据初始边沿位置计算分段返回的光谱的边沿位置变化量。
在本申请实施例中，根据初始边沿位置计算分段返回的光谱的边沿位置变化量，包括先获取待解调的环境参数下的光谱中第二长波长光信号边沿，将光谱阈值与第二长波长光信号边沿的交叉点作为当前边沿位置，再将当前边沿位置与初始边沿位置相减获得边沿位置变化量。
具体的，将光谱阈值与待解调的未知环境参数下密集光栅分段光谱中长波长光信号边沿边沿的交叉点，作为当前的待解调的环境参数发生变换后光谱中的边沿位置，将该边沿位置与步骤S103确定的初始边沿位置相减得到位置的变化量。
在本申请一个实施例中，为了减少误差可选取多次变化量的均值。其波长位置变化量如以下公式所示：
Δλ＝λ1－λ0
其中，Δλ是边沿位置变化量，λ1是待解调的未知环境参数作用下，分段光谱中当前的边沿位置，λ0是初始边沿位置。
步骤S105，根据待解调的环境参数的变化量与边沿位置变化量之间的线性关系解调待解调的环境参数。
具体的，由于密集光栅的分段光谱中长波长光信号的边沿位置波长变化量，与环境参数的变化量之间的关系满足线性关系，该线性关系中的线性系数K值与单个光栅的中心波长-环境参数变化的K值一致，因此可以通过长波长光信号的边沿位置的变化解调环境参数的变化。
在本申请一个实施例中，可以通过以下公式解调待解调的环境参数：
Si＝S0+ΔS＝S0+K·Δλ
其中，Si是解调得到的环境参数，S0是已确定的一个环境参数值，ΔS是环境参数变量，K是线性系数，Δλ是边沿位置变化量。其中，K值可以预先通过对单个光栅的中心波长与环境参数变化的关系进行大量的实验研究等方式预先确定。
需要说明的是，由于密集型光纤光栅传感解调系统具有光栅间距短、测点多、信号弱和噪声大等特性。如果采用传统的时分解调技术，10cm的光栅间距感知就需要1ns的光脉冲信号，为了得到反射脉冲光的峰值信息则需要10Gsps的采样率，同时就需要10GHz的光电探测器，显然会大大提高系统的硬件成本，而且高速光电探测器必然会引入更多的电噪声，也增加了数据处理的难度，难以实用化和工程化。
因此，本申请应用了弱光栅分段时分解调的方式，将被测光栅阵列分为若干分段，以每分段为一个测量单元(而不是每个光栅点)，这种方法牺牲相对允许的定位精度，但是能够大幅减少数据处理单元，提高感知密集度、信噪比与响应速度。分段一个段内为间距密集的光栅，整个分段内所有光栅看作一个整体，利用混合光谱特性进行传感，当分段内任何一个、多个或者整段光栅测量的环境参量发生变化，将会产生局部光谱的移出或者整体光谱的平移，因此能够实现高密度的环境参量感知。
综上所述，本申请实施例的光纤光栅阵列传感解调方法，通过弱光栅分段解调的方式，将被测光纤光栅阵列分为若干分段，以每分段为一个测量单元而不是每个光栅点为测量单元，再根据每个分段传感后返回的光谱计算边沿位置变化量来解调环境变化量。由此，该方法能够大幅减少数据处理单元，提高解调过程中的感知密集度、信噪比与响应速度，不仅能够具备超高的空间分辨率同时能够达到超长距离的实时监测，满足对光纤光栅解调的大容量和高空间分辨率的需求，实现了对大容量长距离的密集型光纤光栅阵列的解调，可以显著增加可解调的光栅数量，提高解调效率，降低解调成本。
为了更加清楚的描述上述光纤光栅阵列传感解调方法的实现过程，下面以一个具体的实施例中根据分段光谱解调环境变化量中的应力为示例进行描述。
图3本申请实施例提供的一种具体的光纤光栅阵列传感解调方法的流程图，如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤S301,选取阈值。
具体的，首先观察光谱形状，主要观察分段光谱长波长处的噪声和旁瓣。选取的阈值要在滤除噪声的基础上尽可能接近光谱底部。
步骤S302,获取初始边沿位置。
具体的，在确定光谱阈值之后，需要获取一个确定应力S0下的初始光谱长波长边沿位置λ0作为标定位置。通过该阈值与某一个确定应力下密集光栅分段光谱边沿的交叉点作为边沿的位置，这是一种易于实现的获取边沿位置的方法，立足点是无论分段内光栅的应力变化情况如何，分段光谱底部都会对应力做出响应。
步骤S303,获取边沿位置变化量。
具体的，通过步骤S302的获取光谱长波长边沿位置的方式，获得未知应力下密集光栅分段光谱的边沿位置信息，与初始边沿位置相减得到位置的变化量，为了减少误差可选取多次变化量的均值。
步骤S304，解调应力。
具体的，密集光栅分段光谱长波长边沿位置波长变化量与应力变化量之间的关系满足线性关系，该线性系数K值与单个光栅中心波长-应力变化K值一致，因此可以通过长波长边沿位置的变化解调应力。
由此，该方法能够准确快速地通过分段光谱的变化解调光栅的应力变化。
为了实现上述实施例，本申请实施例还提出一种光纤光栅阵列传感解调系统，图4为本申请实施例提供的一种光纤光栅阵列传感解调系统的结构示意图。如图4所示，该系统包括：控制模块100、选取模块200、确定模块300、计算模块400和解调模块500。
其中，控制模块100，用于预先将待解调的光纤光栅阵列划分为预设数量个分段，并控制光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个分段返回的光谱。
选取模块200，用于针对每个分段，根据分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值。
确定模块300，用于获取已确定的一个环境参数值下的光谱中第一长波长光信号边沿，将光谱阈值与第一长波长光信号边沿的交叉点作为初始边沿位置。
计算模块400，用于根据初始边沿位置计算分段返回的光谱的边沿位置变化量。
解调模块500，用于根据待解调的环境参数的变化量与边沿位置变化量之间的线性关系解调待解调的环境参数。
可选的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，光纤光栅阵列传感解调装置包括：放大自发辐射ASE光源、光滤波器、半导体光放大器SOA、光环形器、光电探测器和脉冲信号发生器，控制模块100，具体用于：控制ASE光源分时地发射不同波长的脉冲光，并通过光滤波器根据控制指令过滤出预设波长的脉冲光；控制半导体光放大器SOA根据脉冲信号发生器输入的调制信号，对滤波后的脉冲光进行脉冲调制，并放大脉冲调制后的脉冲光的光功率；将放大后的脉冲光输入光纤光栅阵列，获取在待解调的环境参数作用下每个分段返回的反射脉冲；控制光环形器转换每个分段返回的反射脉冲的传输方向，以将反射脉冲传输至光电探测器，并通过光电探测器进行光电转换，对光电转换后的数据进行处理还原每个分段的光谱。
可选的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，选取模块200，具体用于：根据光谱的形状确定第二长波长光信号，获取第二长波长光信号处的噪声信息；基于在滤除噪声信息的基础上趋近于光谱底部的准则选取光谱阈值。
可选的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，计算模块400，具体用于：获取待解调的环境参数下的光谱中第二长波长光信号边沿，将光谱阈值与第二长波长光信号边沿的交叉点作为当前边沿位置；将当前边沿位置与初始边沿位置相减获得边沿位置变化量。
可选的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，解调模块5000具体用于通过以下公式解调待解调的环境参数：
Si＝S0+ΔS＝S0+K·Δλ
其中，Si是解调得到的环境参数，S0是已确定的一个环境参数值，ΔS是环境参数变量，K是线性系数，Δλ是边沿位置变化量。
可选的，在本申请实施例一种可能的实现方式中，ASE光源包括C波段ASE光源和C+L波段ASE光源，光滤波器包括F-P可调谐滤波器，光纤光栅阵列中的每个光栅为弱光栅。
在本申请一个实施例中，实际应用时，通过本申请的光纤光栅阵列传感解调系统，对上述实施例中的光纤光栅阵列传感解调装置进行控制的方式如图5所示，上述的本申请的光纤光栅阵列传感解调系统1000与光滤波器20、脉冲信号发生器40和光电探测器60相连，图中虚线表示光纤光栅阵列传感解调系统1000可以通过无线或有线方式进行连接，向光滤波器20发送滤波器控制指令，向脉冲信号发生器40发送脉冲调节指令，并接收光电探测器60发送的电压模拟信号，并通过数据处理获取光谱并根据分段光谱进行解调。
需要说明的是，前述对光纤光栅阵列传感解调方法的实施例的解释说明也适用于该实施例的系统，实现原理类似，此处不再赘述。
本申请实施例的光纤光栅阵列传感解调系统，通过弱光栅分段解调的方式，将被测光纤光栅阵列分为若干分段，以每分段为一个测量单元而不是每个光栅点为测量单元，再根据每个分段传感后返回的光谱计算边沿位置变化量来解调环境变化量。由此，该系统能够大幅减少数据处理单元，提高解调过程中的感知密集度、信噪比与响应速度，不仅能够具备超高的空间分辨率同时能够达到超长距离的实时监测，满足对光纤光栅解调的大容量和高空间分辨率的需求，实现了对大容量长距离的密集型光纤光栅阵列的解调，可以显著增加可解调的光栅数量，提高解调效率，降低解调成本。
为了实现上述实施例，本申请实施例还提出一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述任一方面实施例所述的光纤光栅阵列传感解调方法。
在本说明书的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本申请的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种光纤光栅阵列传感解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
预先将待解调的光纤光栅阵列划分为预设数量个分段，并控制光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的光谱；
针对每个所述分段，根据所述分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值；
获取已确定的一个环境参数值下的初始光谱中第一长波长光信号边沿，将所述光谱阈值与所述第一长波长光信号边沿的交叉点作为初始边沿位置；
根据所述初始边沿位置计算所述分段返回的光谱的边沿位置变化量；
根据所述待解调的环境参数的变化量与所述边沿位置变化量之间的线性关系解调所述待解调的环境参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤光栅阵列传感解调装置包括：放大自发辐射ASE光源、光滤波器、半导体光放大器SOA、光环形器、光电探测器和脉冲信号发生器，所述控制所述光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的光谱，包括：
控制所述ASE光源分时地发射不同波长的脉冲光，并通过所述光滤波器根据控制指令过滤出预设波长的脉冲光；
控制所述半导体光放大器SOA根据所述脉冲信号发生器输入的调制信号，对滤波后的脉冲光进行脉冲调制，并放大脉冲调制后的脉冲光的光功率；
将放大后的脉冲光输入所述光纤光栅阵列，获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的反射脉冲；
控制所述光环形器转换每个所述分段返回的所述反射脉冲的传输方向，以将所述反射脉冲传输至所述光电探测器，并通过所述光电探测器进行光电转换，对光电转换后的数据进行处理还原每个所述分段的光谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值，包括：
根据所述光谱的形状确定第二长波长光信号，获取所述第二长波长光信号处的噪声信息；
基于在滤除所述噪声信息的基础上趋近于光谱底部的准则选取光谱阈值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述初始边沿位置计算所述分段返回的光谱的边沿位置变化量，包括：
获取待解调的环境参数下的光谱中所述第二长波长光信号边沿，将所述光谱阈值与所述第二长波长光信号边沿的交叉点作为当前边沿位置；
将所述当前边沿位置与所述初始边沿位置相减获得所述边沿位置变化量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式解调所述待解调的环境参数：
Si＝S0+ΔS＝S0+K·Δλ
其中，Si是解调得到的环境参数，S0是已确定的一个环境参数值，ΔS是环境参数变量，K是线性系数，Δλ是边沿位置变化量。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述ASE光源包括C波段ASE光源和C+L波段ASE光源，所述光滤波器包括F-P可调谐滤波器，所述光纤光栅阵列中的每个光栅为弱光栅。
7.一种光纤光栅阵列传感解调系统，其特征在于，包括以下模块：
控制模块，用于预先将待解调的光纤光栅阵列划分为预设数量个分段，并控制光纤光栅阵列传感解调装置获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的光谱；
选取模块，用于针对每个所述分段，根据所述分段返回的光谱的形状和噪声选取光谱阈值；
确定模块，用于获取已确定的一个环境参数值下的光谱中第一长波长光信号边沿，将所述光谱阈值与所述第一长波长光信号边沿的交叉点作为初始边沿位置；
计算模块，用于根据所述初始边沿位置计算所述分段返回的光谱的边沿位置变化量；
解调模块，用于根据所述待解调的环境参数的变化量与所述边沿位置变化量之间的线性关系解调所述待解调的环境参数。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述光纤光栅阵列传感解调装置包括：放大自发辐射ASE光源、光滤波器、半导体光放大器SOA、光环形器、光电探测器和脉冲信号发生器，所述控制模块，具体用于：
控制所述ASE光源分时地发射不同波长的脉冲光，并通过所述光滤波器根据控制指令过滤出预设波长的脉冲光；
控制所述半导体光放大器SOA根据所述脉冲信号发生器输入的调制信号，对滤波后的脉冲光进行脉冲调制，并放大脉冲调制后的脉冲光的光功率；
将放大后的脉冲光输入所述光纤光栅阵列，获取在待解调的环境参数作用下每个所述分段返回的反射脉冲；
控制所述光环形器转换每个所述分段返回的所述反射脉冲的传输方向，以将所述反射脉冲传输至所述光电探测器，并通过所述光电探测器进行光电转换，对光电转换后的数据进行处理还原每个所述分段的光谱。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述选取模块，具体用于：
根据所述光谱的形状确定第二长波长光信号，获取所述第二长波长光信号处的噪声信息；
基于在滤除所述噪声信息的基础上趋近于光谱底部的准则选取光谱阈值。
10.一种非临时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一所述的光纤光栅阵列传感解调方法。
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