or2)，之后经 过光栅（FBGfilter)滤掉不需要的频率成分，将滤出来的探测光送入光电探测器（PD)，PD 再与信号处理模块相连，用于采集数据及处理。
[0072] (3)通过公式￡·,二^获得多芯光纤纤芯i在某处所受的由弯曲引起的应力值 ε1〇
[0073] (4)通过公式
，.获得矢量和中间量K(l);
[0074] (5)通过公式
，获得光纤链路上每一点的弯曲 角度9J1);
[0075](6)通过公式τ⑴=Θ'b(l)，获得绕率函数τ⑴；
[0076] (7)通过公另
获得曲率函数κ(1);
[0077] (8)将绕率函数τ⑴和曲率函数κ⑴代入到公式t(1) =κ(l)N(l)、 N， （1)=-κ(1)Τ(1)+τ(l)B(l)和B， （1) = -τ(l)N(l)中，利用Matlab等软件求解微 分方程组，获得切线向量T(l);
[0078] (9)通过公式S(l)=JΤ⑴dl+S(0)，获得三维空间中的曲线S(l)。
[0079] 至此，已经详细陈述了基于多芯光纤的分布式三维形状传感系统的工作原理。将 多芯光纤贴附在物体的表面或内部，或将其在放在任意的三维空间中，利用本发明实施例 就可以实现全分布式的三维形状传感。
[0080]【技术效果】
[0081]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。
[0082] 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。
[0083] 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。
[0084] 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。
[0085] 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。
[0086] 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。
[0087] 本发明实施例所提出的基于多芯光纤的分布式三维形状传感技术使整根光纤成 为了"智能光纤"，将具有广泛的应用领域和巨大的市场前景，具体可以应用在：制作业、智 能机器人、结构状态检测、运动体的跟踪识别、医疗、航空航天、军事等领域，具体的应用场 合包括但不限于：制作业中智能过程检测和控制，智能机器识别，运动体的实时跟踪识别， 桥梁、大坝、建筑体、风力发电机、输油管道、火车轨道、飞行器机翼和机体等的结构健康监 测，海洋、井道等复杂环境的水下/地下环境、地貌的感知，非侵入式医疗定位探针等。
[0088] 在本发明的实施例中，我们只采用了其中一种多芯光纤，为中心对称分布的七芯 光纤，一种分布式传感技术，为B0TDA，但需要指出，采用其他多芯光纤或其他分布式传感技 术（包括但不仅限于上面所提到的几种分布式传感技术）所实现的分布式三维形状传感 技术也在本发明实施例所要求的保护范围内，意味着当所使用的光纤的尺寸、形状、纤芯数 量、偏心纤芯的位置、空间复用的光路系统、顺序、方向、所用的分布式传感技术（包括但不 仅限于上面提到的各种分布式传感技术）等与本实施例有不同时，亦在本发明实施例所要 求保护的范围内。
【主权项】
1. 一种=维形状测量方法，其特征在于，包括： 基于分布式测量系统测量含有偏屯、纤忍的光纤纤忍1的应力值e1; 通过公式，，获得矢量和中间量K(I); 其中，di为外层忍距光纤几何中屯、的距离；0 1为纤忍1的角度； 通过公式.获得光纤链路上每一点的弯曲角度 0b(l); 其中，a(1)是任意两个外层忍的布里渊频移的变化量的比值，为a(1) =Avei(l)/ AVgj(I)； 通过公式T(I) = 0 'b(l)，获得绕率函数T(I); 通过公式，获得曲率 函数K(1); 将所述绕率函数T(1)和所述曲率函数K(1)代入到公式T'a) =K(l)N(l)、N'W=-K(I)TQHT(I)Ba^nB'a)=-T(I)N(I)中，获得切线向量Ta); 通过公式S(I) =/T(l)dl+s(0)，获得S维空间中的曲线S(I); 其中，S(O)为初始的位置坐标。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于分布式测量系统测量含有偏屯、纤 忍的光纤纤忍i的应力值e1，包括： 基于所述分布式测量系统测量所述含有偏屯、纤忍的光纤纤忍1中每一点处的布里渊频 移的变化量AVbi; 通过公式>获得所述应力值e1; 其中，n为曲率响应系数，Ve为未发生弯曲时的布里渊频移。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述曲率响应系数n通过拟合得到。4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述曲率响应系数n通过拟合得到，具体包 括： 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AVe与弯曲半径R之间的关系，即结合公式 获得曲率响应系数 n。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择相对称的两个外层忍的布里渊频移的 变化量的比值计算a(1)。6. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有偏屯、纤忍的光纤的纤忍为对称分 布结构，则所述曲率函数K(1)的计算公式简化为：k(l) = 2|K(1)l/n。7. 如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述分布式测量系统包括布里 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。
【专利摘要】本发明公开了一种三维形状测量方法，包括：基于分布式测量系统测量含有偏心纤芯的光纤纤芯的应力值；获得矢量和中间量；获得光纤链路上每一点的弯曲角度；获得绕率函数；获得曲率函数；获得切线向量；获得三维空间中的曲线。由于本发明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。
【IPC分类】G01B11/24
【公开号】CN105371781
【申请号】CN201510777343
【发明人】唐明, 赵志勇, 付松年, 童维军, 李博睿, 韦会峰
【申请人】华中科技大学
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年11月13日