高精度光纤分布式物理量测量方法、装置和系统制造方法及图纸

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，本发明专利技术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。公开了相应的装置和系统。公开了相应的装置和系统。

【技术实现步骤摘要】
高精度光纤分布式物理量测量方法、装置和系统


[0001]本专利技术属于光纤传感
，尤其涉及一种低成本分布式物理量测量方法，装置和系统。

技术介绍

[0002]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：
[0003]Distributed measurement of static strain in an optical fiber with multiple Bragg gratings at nominally equal wavelengths[J].Applied Optics,1998,37(10):1741-1746.
[0004]High-spatial-resolution distributed strain measurement in optical fiber with Rayleigh scatter[J].Applied Optics,1998,37(10):1735-1740.
[0005]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。
[0006]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 phase modulation 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。

技术实现思路

[0007]本专利技术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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]本申请的一些实施例还提供了包括上述装置的系统。
[0011]本专利技术的有益效果：本专利技术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，本专利技术的方法和装置具有成本低，测量精度高的优点。
附图说明
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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；
[0016]图5为依据本申请的实施例的氰化氢气室吸收谱；
[0017]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；；
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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为波长监本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵士元，武湛君，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：