一种三维形状测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种三维形状测量方法。
【背景技术】
[0002] 光纤传感器具有体积小，频带宽，灵敏度高，不受电磁干扰，耐腐蚀，耐高温，抗高 压，能适应恶劣环境等优点，目前已经被广泛地应用于温度、应力、压力、曲率、折射率、加速 度、湿度、电场、磁场、液位等参量的测量中。
[0003] 分布式光纤传感技术是一种将光纤链路上的每一点都作为传感元件的技术，光纤 既作信息传输媒介，同时又作传感元，它可以连续测量沿光纤分布的环境参量，如温度、应 力和曲率，且传感长度可达几十公里。鉴于其出色的技术解决方案和低廉的成本，分布式光 纤传感器在石油管道、桥梁、大坝、隧道、电力线、房屋建筑、飞行器、地震预警、边防等诸多 领域都有应用，是集智能化与环保于一身的理想的分布式测量工具。
[0004] 以往，绝大多数的分布式传感系统所采用的都是普通的单模光纤。近年来，也有人 研究了基于光子晶体光纤、保偏光纤、少模光纤等特种光纤的分布式传感系统。
[0005]目前，国际上已有少数几个研究机构，包括美国国家航空航天局（NASA)、美国海军 研究实验室（NavalResearchLaboratory)等实现了基于多芯光纤的三维形状传感器，他 们所采用的技术都是在多芯光纤里刻写光纤布拉格光栅（FiberBraggGrating，FBG)，从 而获得厘米量级的空间分辨率，数米长的传感距离。考虑到其传感原理，这样的形状传感器 可以认为是点式或准分布式的传感器。该方案的优点是可以获得非常高的空间分辨率，这 在一定场合是非常有必要的，但其缺点也非常突出，那就是该传感器制作很复杂，因为制作 人员需要在数米长的多芯光纤的每一个纤芯中按厘米量级的间隔（这决定了空间分辨率） 刻写总共上千个光纤布拉格光栅，这绝对是一件非常困难的事情。此外，在测量过程中，上 千个光栅的反射波长的解调也不是那么方便的一件事。另外，这种传感器的传感距离只有 数米，只能做到小范围的点式或准分布式传感，无法实现长距离、大范围的分布式传感。
【发明内容】
[0006] 本发明实施例通过提供一种三维形状测量方法，解决了现有技术中需要往多芯光 纤中刻写数量众多的光栅的技术问题，实现了简化传感器的制作工艺和流程，降低了实施 代价的技术效果。
[0007] 本发明实施例提供了一种三维形状测量方法，包括：
[0008] 基于分布式测量系统测量含有偏心纤芯的光纤纤芯i的应力值ε1;
[0009] 通过公另
0，廉得矢量和中间量K(l);
[0010] 其中，山为外层芯距光纤几何中心的距离；Θi为纤芯i的角度；
[0011] 通过公式，获得光纤链路上每一点的弯曲角度 叭⑴；
[0012] 其中，α⑴是任意两个外层芯的布里渊频移的变化量的比值，为α⑴= Δ vBi (1)/ Δ vB j (1)；
[0013] 通过公式τ⑴=θ'b(l)，获得绕率函数τ⑴；
[0014] 通过公另，获得 曲率函数κ(1);
[0015] 将所述绕率函数τ(1)和所述曲率函数κ(1)代入到公式Τ' (1) =κ(l)N(l)、 Nr (1)=-κ(1)Τ(1)+τ(1)B⑴和B' (1) = _τ(1)N⑴中，获得切线向量Τ(1);
[0016] 通过公式S(l) =JT(l)dl+S(0)，获得三维空间中的曲线S(l);
[0017] 其中，S(0)为初始的位置坐标。
[0018] 进一步地，所述基于分布式测量系统测量含有偏心纤芯的光纤纤芯i的应力值 εi，包括：
[0019] 基于所述分布式测量系统测量所述含有偏心纤芯的光纤纤芯i中每一点处的布 里渊频移的变化量AvBl; Λ.ι.，
[0020] 通过公式4 = 一'获得所述应力值ε
[0021] 其中，η为曲率响应系数，vB为未发生弯曲时的布里渊频移。
[0022] 进一步地，所述曲率响应系数η通过拟合得到。
[0023] 进一步地，所述曲率响应系数η通过拟合得到，具体包括：
[0024] 通过对测量光纤多次构造弯曲半径已知的圆形弯曲，并相应地实施布里渊分布式 测量实验，进行校准和标定，得到布里渊频移的变化量AνΒ与弯曲半径R之间的关系，即
[0025] 结合公式^8 4°°8的得3 庆得曲率响应系 数η。
[0026] 进一步地，选择相对称的两个外层芯的布里渊频移的变化量的比值计算α(1)。
[0027] 进一步地，所述含有偏心纤芯的光纤的纤芯为对称分布结构，则所述曲率函数 Κ(1)的计算公式简化为：k(l) = 2|κ(1) |/η。
[0028] 进一步地，所述分布式测量系统包括但不限于布里渊光时域反射仪、布里渊光时 域分析仪、布里渊相关域反射仪、布里渊相关域分析仪、布里渊光频域分析仪、光频域反射 仪、相干光时域反射仪、相位敏感的光时域反射仪、偏振光时域反射仪。
[0029] 本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
[0030] 1、通过分布式传感技术可以测出多个纤芯各处所受的应力大小，从而可算出曲线 的曲率函数（curvaturefunction)和烧率函数（torsionfunction)，进而可以计算出光纤 上各处的三个矢量（切线向量、法线向量和副法线向量），根据这三个矢量可以还原三维空 间中的任意曲线，由此实现三维的形状传感。由于本发明实施例不需要像现有技术那样在 多芯光纤里刻写光纤布拉格光栅，因而基于本发明实施例的分布式传感器制作方便且解调 方便，从而实现了简化传感器的制作工艺和流程，降低实施代价的技术效果。
[0031] 2、由于本发明实施例采用了分布式传感技术，因而本发明实施例可以实现长距 离、大范围的分布式三维形状测量。现有的技术只能测量数米（〈5米），而本发明实施例能 测量数十公里。
[0032] 3、在本发明实施例的计算过程中，选择相对称的两个外层芯的布里渊频移的变化 量的比值参与计算，减小了由于测量误差而导致的求得的弯曲角度的误差产生，从而提高 了本发明实施例的三维测量精度。
[0033] 4、当含有偏心纤芯的光纤的纤芯为对称分布结构时，可对曲率函数的计算公式进 行简化，降低了计算复杂度，从而避免了计算误差的产生，进一步地提高了本发明实施例的 三维测量精度。
[0034] 5、本发明实施例所采用的分布式测量系统包括但不限于布里渊光时域反射仪、布 里渊光时域分析仪、布里渊相关域反射仪、布里渊相关域分析仪、布里渊光频域分析仪、光 频域反射仪、相干光时域反射仪、相位敏感的光时域反射仪、偏振光时域反射仪等，因而本 发明实施例的适用范围广，具有很强的实用性。
[0035] 本发明实施例提出和实现了 一种全分布式的三维形状传感器，分布式光纤传感器 技术成熟，系统简单，无需对多芯光纤进行任何处理，大大降低了工艺要求。此外，在性能方 面，可以针对具体的应用场合兼顾空间分辨率和传感距离，实施例中我们实现了 1公里的 传感距离，20厘米的空间分辨率。可以预见地，本发明实施例将在众多应用领域大展身手， 具有非常广阔的市场前景。
【附图说明】
[0036] 图1为多芯光纤在三维空间中的分布图；
[0037] 图2为本发明实施例一提供的三维形状测量方法的流程图；
[0038] 图3为本发明实施例二中使用的布里渊光时域分析仪的结构示意图。
【具体实施方式】
[0039] 本发明实施例通过提供一种三维形状测量方法，解决了现有技术中需要往多芯光 纤中刻写数量众多的光栅的技术问题，实现了简化传感器的制作工艺和流程，降低了实施 代价的技术效果。
[0040] 本发明实施例中的