基于光纤瑞利散射的柔性面板形状构造方法与流程

本发明属于分布式光纤传感领域，具体涉及一种基于光纤瑞利散射的柔性面板形状构造方法。

背景技术：

曲面板状结构广泛应用于空间站，人造卫星，航空航天等重要领域之中，如构成太阳能帆板，航空航天机翼。太空空间由于无阻尼，宇宙粒子流冲击，各种宇宙微粒扰动，长期如此，极易对曲面板状结构造成损坏，导致系统的损坏。除此之外，随着航天航空事业的迅猛发展，由此引出的安全问题也越来越多，飞机失事案例屡见不鲜。飞机在飞行过程中，机翼极易受到气流的影响，导致机翼结构不稳定，长时间的影响将导致其机翼损坏，导致飞行事故。因此，对曲面板状结构的实时结构监测具有重要的意义。

目前所使用的曲面重构传统方法多是使用光纤光栅、应变片等离散方式，无法在曲面上获得多点的传感信息，因此空间分辨率不足，重构出的形状误差大，无法满足现代航空航天的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种基于光纤瑞利散射的柔性面板形状构造方法，以解决目前采用分布式传感光纤进行形变测量的方法的空间分辨率和测量准确度较低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于光纤瑞利散射的柔性面板形状构造方法，包括：

步骤s110、针对待测的柔性面板，选定该柔性面板的上表面的一点作为零点，将平铺的柔性面板上表面上通过该零点的一条线作为x轴，将平铺的柔性面板上表面上通过该零点并与该x轴垂直的线作为y轴，将通过该零点并垂直于该平铺的柔性面板的线作为z轴，从而建立三维坐标系；

步骤s120、在平铺的柔性面板的下表面和上表面对应铺设多条平行于y轴的第一光纤和多条平行于x轴的第二光纤，各条相邻第一光纤之间以及各条相邻第二光纤之间相连，该下表面的一条第一光纤的自由端作为下表面光信号出口，与该上表面的一条第二光纤的自由端相连，从而形成分布式光纤传感网络，每条第一光纤和第二光纤上的各个位置都对应于唯一的x-y轴坐标，且针对每条第一光纤，其都与对应第二光纤垂直正交，该下表面的另一条第一光纤的自由端作为下表面光信号入口，与光频域反射仪ofdr(opticalfrequencydomainreflectometer)系统相连；

步骤s130、在测量该柔性面板的形变时，所述ofdr系统向该下表面光信号入口输入光信号，以使所述光信号在该分布式光纤传感网络的传输过程中产生瑞利散射信号，该瑞利散射信号向后传输给所述ofdr系统，所述ofdr系统与处理装置相连，并将该瑞利散射信号传输给该处理装置，该处理装置对该瑞利散射信号进行处理，获得各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的曲率；

步骤s140、该处理装置根据各条第一光纤上各个位置处的曲率，构建出对应条数的y-z轴二维曲线，根据各条y-z轴二维曲线构建出该柔性面板的下表面曲面，并且根据各条第二光纤上各个位置处的曲率，构建出对应条数的x-z轴二维曲线，根据各条x-z轴二维曲线构建出该柔性面板的上表面曲面；

步骤s150、所述处理装置对该柔性面板的下表面曲面和上表面曲面进行结合处理，获得该柔性面板的三维曲面。

在一种可选的实现方式中，所述步骤s140中根据各条y-z轴二维曲线构建出该柔性面板的下表面曲面包括：采用二维插值算法对该y-z轴二维曲线进行二维插值，获得该下表面曲面；

所述步骤s140中根据各条x-z轴二维曲线构建出该柔性面板的上表面曲面包括：采用二维插值算法对该x-z轴二维曲线进行二维插值，获得该上表面曲面。

在另一种可选的实现方式中，所述步骤s120中该上表面上与该下表面光信号出口相连的一条第二光纤的自由端为上表面光信号入口，选取所述零点为该下表面光信号入口，x轴上的一点(x0，0)为该下表面光信号出口，该零点为该上表面光信号入口，x0为非零值。

在另一种可选的实现方式中，所述步骤s130中该处理装置对该瑞利散射信号进行处理，获得各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的曲率包括：

步骤s131、针对每条第一光纤，若光信号在该第一光纤中的传输方向与y轴正方向相反，则将该第一光纤的光信号输入端作为该第一光纤的末端，光信号输出端作为该第一光纤的始端，若光信号在该第一光纤中的传输方向与y轴正方向相同，则将该第一光纤的光信号输入端作为该第一光纤的始端，光信号输出端作为该第一光纤的末端；针对每条第二光纤，若光信号在该第二光纤中的传输方向与x轴正方向相反，则将该第二光纤的光信号输入端作为该第二光纤的末端，光信号输出端作为该第二光纤的始端，若光信号在该第二光纤中的传输方向与x轴正方向相同，则将该第二光纤的光信号输入端作为该第二光纤的始端，光信号输出端作为该第二光纤的末端；

步骤s132、该处理装置对该瑞利散射信号进行处理，获得各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的波长漂移值；

步骤s133、从始端到末端，对各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的波长漂移值进行重排；

步骤s134、根据各条第一光纤和第二光纤上重排后的波长漂移值，计算出各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的曲率。

在另一种可选的实现方式中，所述步骤s132包括：该处理装置对该瑞利散射信号进行频域转换和互相关运算，获得各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的波长漂移值；所述步骤s134包括：根据以下公式计算出各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的曲率c：c＝δλ/κ＝δλ/(1-pe)λch

其中δλ表示第一光纤或第二光纤对应位置处的波长漂移值，κ表示应变系数，pe表示光纤的弹光系数，λc表示中心波长，h表示柔性面板的厚度。

在另一种可选的实现方式中，所述步骤s140包括根据以下向量参数方程构建下表面各条第一光纤变形后的二维曲线：r(s)＝y(s)j+z(s)k，其中y(s)表示下表面二维曲线上各点的y轴坐标函数，z(s)表示下表面二维曲线上各点的z轴坐标函数，s表示下表面各条第一光纤长度的参量，0≤s≤ly，ly是下表面各条第一光纤的总长度；

该下表面二维曲线上任意位置对应的点表示为：

式中，yⁿ⁺¹表示该点的y轴坐标值，yⁿ表示沿y轴正方向，其上一点的y轴坐标值，zⁿ⁺¹表示该点的z轴坐标值，zⁿ表示该上一点的z轴坐标值，ds表示二维曲线的微小弧度；

式中，cy表示该点的曲率；

根据以下向量参数方程构建上表面各条第二光纤变形后的曲面：r(s)＝x(s)i+z(s)k，其中x(s)表示上表面二维曲线上各点的x轴坐标函数，z(s)表示上表面二维曲线上各点的z轴坐标函数，s表示上表面各条第二光纤长度的参量，0≤s≤lx，lx是上表面各条第二光纤的总长度；

该上表面二维曲线上任意位置对应的点表示为：

式中，xⁿ⁺¹表示该点的x轴坐标值，xⁿ表示沿x轴正方向，其上一点的x轴坐标值，zⁿ⁺¹表示该点的z轴坐标值，zⁿ表示该上一点的z轴坐标值，ds表示二维曲线的微小弧度；

式中，cx表示该点的曲率。

在另一种可选的实现方式中，所述ds等于两相邻点之间的连线长度。

在另一种可选的实现方式中，所述步骤s150包括：从下表面曲面和上表面曲面中查找到对应的点p(x，y，z1)和q(x，y，z2)，使z＝(z1+z2)，将点(x，y，z)作为该柔性面板的三维曲面上的对应点。

在另一种可选的实现方式中，所述柔性面板在正常使用时处于弯曲状态。

本发明的有益效果是：

1、相较于传统方式，光纤具有抗电磁干扰，抗高温等优点，具有极高的实用性，在重构柔性曲面时，本发明将光纤上的各个点都可以作为传感点，重构出来的图形误差小；本发明针对平铺的柔性面板建立三维坐标系，使x-y坐标系位于平铺柔性面板上，在平铺柔性面板的下表面铺设多条平行于y轴的第一光纤，上表面铺设多条平行于x轴的第二光纤，使第一光纤与第二光纤垂直正交，并且各个相邻第一光纤之间、各个相邻第二光纤之间以及具有自由端的对应第一光纤与第二光纤之间相连，构成分布式光纤传感网络，光信号在分布式光纤传感网络的传输过程中产生向后传输的瑞利散射信号，根据各条第一光纤对应的瑞利散射信号构建出对应条数的y-z轴二维曲线，从而构建出该柔性面板的下表面曲面，根据各条第二光纤对应的瑞利散射信号构建出对应条数的x-z轴二维曲线，从而构建出该柔性面板的上表面曲面，对该柔性面板的下表面曲面和上表面曲面进行结合处理，获得该柔性面板的三维曲面，由此可以减小应力形变带来的微小误差，提高柔性面板形变测量准确度，本发明采用光纤对柔性曲面测量的方式，将柔性曲面离散成多条光纤曲线进行重构，空间分辨率极高，本发明重构出来的整个图形，空间分辨率极高，准确率极高，适用于航空航天等高精度领域；

2、本发明通过采用二维插值算法对该y-z轴二维曲线进行二维插值，获得该下表面曲面，采用二维插值算法对该x-z轴二维曲线进行二维插值，获得该上表面曲面，采用二维插值的方式，在柔性曲面相邻光纤之间插入多条曲线，提高相邻两条光纤的空间分辨率，可以提高柔性面板的上下表面曲面构建准确度，提高形变测量的准确度和空间分辨率。

附图说明

图1是本发明基于光纤瑞利散射的柔性面板形状构造方法的一个实施例流程图；

图2是本发明分布式光纤传感网络的一个实施例结构示意图；

图3是本发明单条曲线重构算法的示意图；

图4是采用本发明方法构造出的三维曲面效果图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明基于光纤瑞利散射的柔性面板形状构造方法的一个实施例流程图。该方法可以包括以下步骤：

步骤s110、针对待测的柔性面板，选定该柔性面板的上表面上的一点作为零点，将平铺的柔性面板的上表面上通过该零点的一条线作为x轴，将平铺的柔性面板上通过该零点并与该x轴垂直的线作为y轴，将通过该零点并垂直于该平铺的柔性面板的线作为z轴，从而建立三维坐标系。

步骤s120、结合图2所示，在平铺的柔性面板4的下表面铺设多条平行于y轴的第一光纤1(如图2中虚线所示)，各条相邻第一光纤1之间通过过渡光纤3连接；在平铺的柔性面板4的上表面铺设多条平行于x轴的第二光纤2(如图2中实线所示)，各条相邻第二光纤2之间通过过渡光纤3连接，该下表面的一条第一光纤1-2的自由端作为下表面光信号出口(x0，0)，通过光纤连接段5与该上表面的一条第二光纤2-1的自由端相连，x0为非零值，从而形成分布式光纤传感网络，每条第一光纤1和第二光纤2上的各个位置都对应于唯一的x-y轴坐标，且针对每条第一光纤1，其都与对应第二光纤2垂直正交，该下表面的另一条第一光纤1-1的自由端作为下表面光信号入口，与光频域反射仪ofdr(opticalfrequencydomainreflectometer)系统相连。

步骤s130、在测量该柔性面板的形变时，所述ofdr系统向该下表面光信号入口提供光信号，以使所述光信号在该分布式光纤传感网络的传输过程中产生瑞利散射信号，该瑞利散射信号向后传输给所述ofdr系统，所述ofdr系统与处理装置相连，并将该瑞利散射信号传输给该处理装置，该处理装置对该瑞利散射信号进行处理，获得各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的曲率。

步骤s140、该处理装置根据各条第一光纤上各个位置处的曲率，构建出对应条数的y-z轴二维曲线，根据各条y-z轴二维曲线构建出该柔性面板的下表面曲面，并且根据各条第二光纤上各个位置处的曲率，构建出对应条数的x-z轴二维曲线，根据各条x-z轴二维曲线构建出该柔性面板的上表面曲面。

步骤s150、所述处理装置对该柔性面板的下表面曲面和上表面曲面进行结合处理，获得该柔性面板的三维曲面。

本实施例中，由于各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的x-y轴坐标是唯一的，而且各个位置距离该下表面光信号入口的距离也是固定不变的，因此处理装置根据接收到的瑞利散射信号的时间，可以确定该瑞利散射信号是在哪个位置产生的，从而根据该瑞利散射信号，获得各个位置处的曲率。

由上述实施例可见，相较于传统方式，光纤具有抗电磁干扰，抗高温等优点，具有极高的实用性，在重构柔性曲面时，本发明将光纤上的各个点都可以作为传感点，重构出来的图形误差小；本发明针对平铺的柔性面板建立三维坐标系，使x-y坐标系位于平铺柔性面板上，在平铺柔性面板的下表面铺设多条平行于y轴的第一光纤，上表面铺设多条平行于x轴的第二光纤，使第一光纤与第二光纤垂直正交，并且各个相邻第一光纤之间、各个相邻第二光纤之间以及具有自由端的对应第一光纤与第二光纤之间相连，构成分布式光纤传感网络，光信号在分布式光纤传感网络的传输过程中产生向后传输的瑞利散射信号，根据各条第一光纤对应的瑞利散射信号构建出对应条数的y-z轴二维曲线，从而构建出该柔性面板的下表面曲面，根据各条第二光纤对应的瑞利散射信号构建出对应条数的x-z轴二维曲线，从而构建出该柔性面板的上表面曲面，对该柔性面板的下表面曲面和上表面曲面进行结合处理，获得该柔性面板的三维曲面，由此可以减小应力形变带来的微小误差，提高柔性面板形变测量准确度，本发明采用光纤对柔性曲面测量的方式，将柔性曲面离散成多条光纤曲线进行重构，空间分辨率极高，本发明重构出来的整个图形，空间分辨率极高，准确率极高，适用于航空航天等高精度领域。

另外，结合图2所示，所述步骤s120中该上表面上与该下表面光信号出口相连的一条第二光纤的自由端为上表面光信号入口，选取所述零点为该下表面光信号入口，x轴上的一点(x0，0)为该下表面光信号出口，该零点为该上表面光信号入口，x0为非零值。本发明通过对上表面光信号入口、下表面光信号入口和下表面光信号出口的坐标进行选择，可以使上表面和下表面的坐标相对应，避免后续重构形状时需要对波长漂移值做进一步重排，从而在一定程度上可以提高重构效率。

所述步骤s130中所述处理装置对该瑞利散射信号进行处理，获得各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的曲率包括：

步骤s131、针对每条第一光纤，若光信号在该第一光纤中的传输方向与y轴正方向相反，则将该第一光纤的光信号输入端作为该第一光纤的末端，光信号输出端作为该第一光纤的始端，若光信号在该第一光纤中的传输方向与y轴正方向相同，则将该第一光纤的光信号输入端作为该第一光纤的始端，光信号输出端作为该第一光纤的末端；针对每条第二光纤，若光信号在该第二光纤中的传输方向与x轴正方向相反，则将该第二光纤的光信号输入端作为该第二光纤的末端，光信号输出端作为该第二光纤的始端，若光信号在该第二光纤中的传输方向与x轴正方向相同，则将该第二光纤的光信号输入端作为该第二光纤的始端，光信号输出端作为该第二光纤的末端；

步骤s132、该处理装置对该瑞利散射信号进行处理，获得各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的波长漂移值；

步骤s133、从始端到末端，对各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的波长漂移值进行重排；

步骤s134、根据各条第一光纤和第二光纤上重排后的波长漂移值，计算出各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的曲率。

本发明通过对各条第一光纤和第二光纤的始端和末端进行确定，并从始端到末端，对各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的波长漂移值进行重排，可以使各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的波长漂移值对应沿着y轴正方向和x轴正方向排序，由此可以便于后续对柔性面板的上下表面曲面进行结合处理。

其中，所述步骤s132包括：该处理装置对该瑞利散射信号进行频域转换和互相关运算，获得各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的波长漂移值；所述步骤s134包括：根据以下公式计算出各条第一光纤和第二光纤上各个位置处的曲率c：c＝δλ/κ＝δλ/(1-pe)λch

其中δλ表示第一光纤或第二光纤对应位置处的波长漂移值，κ表示应变系数，pe表示光纤的弹光系数，λc表示中心波长，h表示柔性面板的厚度。

具体地，波长漂移与应力的对应关系为：

δλ＝λc(1-pe)ε；

式中，δλ表示为应变ε引起波长漂移，λc表示中心波长，pe表示光纤的弹光系数；其中ε＝h/r，h表示待测柔性面板的厚度，r表示曲率半径；

弯曲曲率与曲率半径对应的关系为：c＝1/r；

通过求解方程组，可以得到曲率与波长漂移的关系式为：

c＝δλ/κ＝δλ/(1-pe)λch；

其中，δλ表示的是波长漂移量，κ＝(1-pe)λch，定义为应变系数。

另外，所述步骤s140中根据各条y-z轴二维曲线构建出该柔性面板的下表面曲面包括：采用二维插值算法对该y-z轴二维曲线进行二维插值，获得该下表面曲面；所述步骤s140中根据各条x-z轴二维曲线构建出该柔性面板的上表面曲面包括：采用二维插值算法对该x-z轴二维曲线进行二维插值，获得该上表面曲面。本发明通过采用二维插值算法对该y-z轴二维曲线进行二维插值，获得该下表面曲面，采用二维插值算法对该x-z轴二维曲线进行二维插值，获得该上表面曲面，采用二维插值的方式，在柔性曲面相邻光纤之间插入多条曲线，提高相邻两条光纤的空间分辨率，可以提高柔性面板的上下表面曲面构建准确度，提高形变测量的准确度和空间分辨率。

所述步骤s140包括根据以下向量参数方程构建下表面各条第一光纤变形后的二维曲线：r(s)＝y(s)j+z(s)k，其中y(s)表示下表面二维曲线上各点的y轴坐标函数，z(s)表示下表面二维曲线上各点的z轴坐标函数，s表示下表面各条第一光纤长度的参量，0≤s≤ly，ly是下表面各条第一光纤的总长度；

该下表面二维曲线上任意位置对应的点表示为：

式中，yⁿ⁺¹表示该点的y轴坐标值，yⁿ表示沿y轴正方向，对于yⁿ⁺¹对应点，其上一点的y轴坐标值，zⁿ⁺¹表示该点的z轴坐标值，zⁿ表示该上一点的z轴坐标值，ds表示二维曲线的微小弧度；

式中，cy表示该点(该点在对应y-z轴二维曲线上)的曲率；

根据以下向量参数方程构建上表面各条第二光纤变形后的二维曲线：r(s)＝x(s)i+z(s)k，其中x(s)表示上表面二维曲线上各点的x轴坐标函数，z(s)表示上表面二维曲线上各点的z轴坐标函数，s表示上表面各条第二光纤长度的参量，0≤s≤lx，lx是上表面各条第二光纤的总长度；

该上表面二维曲线上任意位置对应的点表示为：

式中，xⁿ⁺¹表示该点的x轴坐标值，xⁿ表示沿x轴正方向，其上一点的x轴坐标值，zⁿ⁺¹表示该点的z轴坐标值，zⁿ表示该上一点的z轴坐标值，ds表示二维曲线的微小弧度；

式中，cx表示该点(该点在对应x-z轴二维曲线上)的曲率。结合图3所示，ds可以等于两相邻点之间的连线长度。

所述步骤s150包括：从下表面曲面和上表面曲面中查找到对应的点p(x，y，z1)和q(x，y，z2)，使z＝z1+z2，将点(x，y，z)作为该柔性面板的三维曲面上的对应点。本发明尤其适用于正常使用时处于弯曲状态的柔性面板。本发明的空间分辨率为毫米至厘米量级。另外，举例说明，在柔性面板上取一个40cm*40cm的方形区域铺设，下表面x轴每间隔5cm铺设一条光纤，y轴空间分辨率为1cm，一共40个传感点，计算相应的z1；上表面y轴每隔5cm铺设一条光纤，x方向的空间分辨率为1cm，一共40个传感点，计算相应的z2；将上下表面均二维插值，分别求得插值之后的z1和z2轴坐标，然后进行相加，即为z轴坐标，此时插值计算之后的x,y,z三个坐标绘制出的三维效果图如图4所示。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。