基于光频域反射技术的高速光纤分布式物理量测量方法、装置及系统制造方法及图纸

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。的装置和系统。的装置和系统。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于光纤传感
，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。

技术介绍

[0002]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：
[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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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 standard telecommunication distributed feedback laser diode.Opt Lett,2013.38(11):p.1999-2001.)
[0009]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 tunable light source integrated with distributed reflector laser array.Optical Fiber Communication 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 REC technology.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。

技术实现思路

[0010]本专利技术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。
[0011]本专利技术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。
[0012]本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【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：