一種三維形狀測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感技術領域，尤其涉及一種三維形狀測量方法。
【背景技術】
[0002] 光纖傳感器具有體積小，頻帶寬，靈敏度高，不受電磁干擾，耐腐蝕，耐高溫，抗高 壓，能適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點，目前已經(jīng)被廣泛地應用于溫度、應力、壓力、曲率、折射率、加速 度、濕度、電場、磁場、液位等參量的測量中。
[0003] 分布式光纖傳感技術是一種將光纖鏈路上的每一點都作為傳感元件的技術，光纖 既作信息傳輸媒介，同時又作傳感元，它可以連續(xù)測量沿光纖分布的環(huán)境參量，如溫度、應 力和曲率，且傳感長度可達幾十公里。鑒于其出色的技術解決方案和低廉的成本，分布式光 纖傳感器在石油管道、橋梁、大壩、隧道、電力線、房屋建筑、飛行器、地震預警、邊防等諸多 領域都有應用，是集智能化與環(huán)保于一身的理想的分布式測量工具。
[0004] 以往，絕大多數(shù)的分布式傳感系統(tǒng)所采用的都是普通的單模光纖。近年來，也有人 研究了基于光子晶體光纖、保偏光纖、少模光纖等特種光纖的分布式傳感系統(tǒng)。
[0005]目前，國際上已有少數(shù)幾個研究機構，包括美國國家航空航天局（NASA)、美國海軍 研究實驗室（NavalResearchLaboratory)等實現(xiàn)了基于多芯光纖的三維形狀傳感器，他 們所采用的技術都是在多芯光纖里刻寫光纖布拉格光柵（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG)，從 而獲得厘米量級的空間分辨率，數(shù)米長的傳感距離。考慮到其傳感原理，這樣的形狀傳感器 可以認為是點式或準分布式的傳感器。該方案的優(yōu)點是可以獲得非常高的空間分辨率，這 在一定場合是非常有必要的，但其缺點也非常突出，那就是該傳感器制作很復雜，因為制作 人員需要在數(shù)米長的多芯光纖的每一個纖芯中按厘米量級的間隔（這決定了空間分辨率） 刻寫總共上千個光纖布拉格光柵，這絕對是一件非常困難的事情。此外，在測量過程中，上 千個光柵的反射波長的解調(diào)也不是那么方便的一件事。另外，這種傳感器的傳感距離只有 數(shù)米，只能做到小范圍的點式或準分布式傳感，無法實現(xiàn)長距離、大范圍的分布式傳感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明實施例通過提供一種三維形狀測量方法，解決了現(xiàn)有技術中需要往多芯光 纖中刻寫數(shù)量眾多的光柵的技術問題，實現(xiàn)了簡化傳感器的制作工藝和流程，降低了實施 代價的技術效果。
[0007] 本發(fā)明實施例提供了一種三維形狀測量方法，包括：
[0008] 基于分布式測量系統(tǒng)測量含有偏心纖芯的光纖纖芯i的應力值ε1;
[0009] 通過公另
0，廉得矢量和中間量K(l);
[0010] 其中，山為外層芯距光纖幾何中心的距離；Θi為纖芯i的角度；
[0011] 通過公式，獲得光纖鏈路上每一點的彎曲角度 叭⑴；
[0012] 其中，α⑴是任意兩個外層芯的布里淵頻移的變化量的比值，為α⑴= Δ vBi (1)/ Δ vB j (1)；
[0013] 通過公式τ⑴=θ'b(l)，獲得繞率函數(shù)τ⑴；
[0014] 通過公另，獲得 曲率函數(shù)κ(1);
[0015] 將所述繞率函數(shù)τ(1)和所述曲率函數(shù)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，獲得切線向量Τ(1);
[0016] 通過公式S(l) =JT(l)dl+S(0)，獲得三維空間中的曲線S(l);
[0017] 其中，S(0)為初始的位置坐標。
[0018] 進一步地，所述基于分布式測量系統(tǒng)測量含有偏心纖芯的光纖纖芯i的應力值 εi，包括：
[0019] 基于所述分布式測量系統(tǒng)測量所述含有偏心纖芯的光纖纖芯i中每一點處的布 里淵頻移的變化量AvBl; Λ.ι.，
[0020] 通過公式4 = 一'獲得所述應力值ε
[0021] 其中，η為曲率響應系數(shù)，vB為未發(fā)生彎曲時的布里淵頻移。
[0022] 進一步地，所述曲率響應系數(shù)η通過擬合得到。
[0023] 進一步地，所述曲率響應系數(shù)η通過擬合得到，具體包括：
[0024] 通過對測量光纖多次構造彎曲半徑已知的圓形彎曲，并相應地實施布里淵分布式 測量實驗，進行校準和標定，得到布里淵頻移的變化量AνΒ與彎曲半徑R之間的關系，即

[0025] 結合公式^8 4°°8的得3 慶得曲率響應系 數(shù)η。
[0026] 進一步地，選擇相對稱的兩個外層芯的布里淵頻移的變化量的比值計算α(1)。
[0027] 進一步地，所述含有偏心纖芯的光纖的纖芯為對稱分布結構，則所述曲率函數(shù) Κ(1)的計算公式簡化為：k(l) = 2|κ(1) |/η。
[0028] 進一步地，所述分布式測量系統(tǒng)包括但不限于布里淵光時域反射儀、布里淵光時 域分析儀、布里淵相關域反射儀、布里淵相關域分析儀、布里淵光頻域分析儀、光頻域反射 儀、相干光時域反射儀、相位敏感的光時域反射儀、偏振光時域反射儀。
[0029] 本發(fā)明實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優(yōu)點：
[0030] 1、通過分布式傳感技術可以測出多個纖芯各處所受的應力大小，從而可算出曲線 的曲率函數(shù)（curvaturefunction)和燒率函數(shù)（torsionfunction)，進而可以計算出光纖 上各處的三個矢量（切線向量、法線向量和副法線向量），根據(jù)這三個矢量可以還原三維空 間中的任意曲線，由此實現(xiàn)三維的形狀傳感。由于本發(fā)明實施例不需要像現(xiàn)有技術那樣在 多芯光纖里刻寫光纖布拉格光柵，因而基于本發(fā)明實施例的分布式傳感器制作方便且解調(diào) 方便，從而實現(xiàn)了簡化傳感器的制作工藝和流程，降低實施代價的技術效果。
[0031] 2、由于本發(fā)明實施例采用了分布式傳感技術，因而本發(fā)明實施例可以實現(xiàn)長距 離、大范圍的分布式三維形狀測量?，F(xiàn)有的技術只能測量數(shù)米（〈5米），而本發(fā)明實施例能 測量數(shù)十公里。
[0032] 3、在本發(fā)明實施例的計算過程中，選擇相對稱的兩個外層芯的布里淵頻移的變化 量的比值參與計算，減小了由于測量誤差而導致的求得的彎曲角度的誤差產(chǎn)生，從而提高 了本發(fā)明實施例的三維測量精度。
[0033] 4、當含有偏心纖芯的光纖的纖芯為對稱分布結構時，可對曲率函數(shù)的計算公式進 行簡化，降低了計算復雜度，從而避免了計算誤差的產(chǎn)生，進一步地提高了本發(fā)明實施例的 三維測量精度。
[0034] 5、本發(fā)明實施例所采用的分布式測量系統(tǒng)包括但不限于布里淵光時域反射儀、布 里淵光時域分析儀、布里淵相關域反射儀、布里淵相關域分析儀、布里淵光頻域分析儀、光 頻域反射儀、相干光時域反射儀、相位敏感的光時域反射儀、偏振光時域反射儀等，因而本 發(fā)明實施例的適用范圍廣，具有很強的實用性。
[0035] 本發(fā)明實施例提出和實現(xiàn)了 一種全分布式的三維形狀傳感器，分布式光纖傳感器 技術成熟，系統(tǒng)簡單，無需對多芯光纖進行任何處理，大大降低了工藝要求。此外，在性能方 面，可以針對具體的應用場合兼顧空間分辨率和傳感距離，實施例中我們實現(xiàn)了 1公里的 傳感距離，20厘米的空間分辨率?？梢灶A見地，本發(fā)明實施例將在眾多應用領域大展身手， 具有非常廣闊的市場前景。
【附圖說明】
[0036] 圖1為多芯光纖在三維空間中的分布圖；
[0037] 圖2為本發(fā)明實施例一提供的三維形狀測量方法的流程圖；
[0038] 圖3為本發(fā)明實施例二中使用的布里淵光時域分析儀的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0039] 本發(fā)明實施例通過提供一種三維形狀測量方法，解決了現(xiàn)有技術中需要往多芯光 纖中刻寫數(shù)量眾多的光柵的技術問題，實現(xiàn)了簡化傳感器的制作工藝和流程，降低了實施 代價的技術效果。
[0040] 本發(fā)明實施例中的