一种基于多芯光纤的三维形状感知监测方法和系统与流程

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于多芯光纤的三维形状感知监测方法和系统。

背景技术：

具备自主感知能力的三维形状传感技术是未来环境感知与外形自适应主动控制的重要支撑。基于光纤感知的三维形状传感技术以其轻小型、易于植入结构内部、抗电磁干扰、稳定性好、可靠性高等优势成为最具发展潜力的形状传感解决方案之一。

针对待测结构三维形状感知、解调、重构的应用，常规圆对称光纤的标量测量手段存在自身局限性，无法真实准确地反映结构三维形状的矢量变化；采用多方向布设的常规圆对称光纤来监测三维形状的矢量变化，受待测结构的应变场—形变模型、温度交叉敏感的影响大，存在测量精度低、布设难度大等问题。因此，如何利用光纤技术实现三维形状感知、解调和重构成为亟待解决又富有挑战性的问题。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于多芯光纤的三维形状感知监测方法和系统，解决了三维形状自主感知与诊断、曲率解调、三维形状重构等关键技术难题，可满足未来结构环境感知与外形自适应主动控制的需求。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于多芯光纤的三维形状感知监测方法，包括：

获取多芯光纤的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变；

根据获取的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变，反演得到各测量截面的曲率和弯曲方向；

根据测量截面间隔，对各测量截面的曲率进行插值和加密处理，得到各测量截面的曲率函数；

将各测量截面的曲率函数带入frenet方程组，得到各测量截面的向量表达式；

根据各测量截面的向量表达式，进行迭代运算，得到各测量截面的中心坐标；

根据各测量截面的中心坐标，进行三维形状重构，确定待测结构的三维形状。

在上述基于多芯光纤的三维形状感知监测方法中，多芯光纤，包括；沿光纤轴向分布的多个纤芯；其中，每一个纤芯上连续刻写多个光纤光栅，在一个光纤横截面上的光纤光栅构成了一个测量截面。

在上述基于多芯光纤的三维形状感知监测方法中，根据获取的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变，反演得到各测量截面的曲率和弯曲方向，包括：

根据获取的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变，确定多芯光纤不同纤芯之间的应变差值；

根据多芯光纤不同纤芯之间的应变差值，反演得到各测量截面的曲率和弯曲方向。

在上述基于多芯光纤的三维形状感知监测方法中，根据测量截面间隔，对各测量截面的曲率进行插值和加密处理，得到各测量截面的曲率函数，包括：

根据测量截面间隔，对各测量截面的曲率进行插值和加密，得到测量截面之间的曲率分布；

根据插值和加密处理后得到的测量截面之间的曲率分布，确定各测量截面沿光纤长度方向的曲率函数。

在上述基于多芯光纤的三维形状感知监测方法中，将各测量截面的曲率函数带入frenet方程组，得到各测量截面的向量表达式，包括：

将各测量截面的曲率函数带入frenet方程组，利用frenet方程组，获得各测量截面的切向向量、法向向量和轴向向量；

根据获得的各测量截面的切向向量、法向向量和轴向向量，构建得到各测量截面的向量表达式。

在上述基于多芯光纤的三维形状感知监测方法中，根据各测量截面的向量表达式，进行迭代运算，得到各测量截面的中心坐标，包括：

根据各测量截面的向量表达式，以光纤端口为初始点，通过迭代各测量截面的方向向量，获得各测量截面的中心坐标。

本发明还公开了一种基于多芯光纤的三维形状感知监测系统，包括：

获取模块，用于获取多芯光纤的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变；

反演模块，用于根据获取的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变，反演得到各测量截面的曲率和弯曲方向；

插值加密处理模块，用于根据测量截面间隔，对各测量截面的曲率进行插值和加密处理，得到各测量截面的曲率函数；

向量表达式构建模块，用于将各测量截面的曲率函数带入frenet方程组，得到各测量截面的向量表达式；

迭代模块，用于根据各测量截面的向量表达式，进行迭代运算，得到各测量截面的中心坐标；

重构模块，用于根据各测量截面的中心坐标，进行三维形状重构，确定待测结构的三维形状。

在上述基于多芯光纤的三维形状感知监测系统中，多芯光纤，包括；沿光纤轴向分布的多个纤芯；其中，每一个纤芯上连续刻写多个光纤光栅，在一个光纤横截面上的光纤光栅构成了一个测量截面。

本发明具有以下优点：

(1)自主感知形状，不依赖于待测结构的具体力学模型，通用性强：多芯光纤各纤芯的应变分布和弯曲变形之间存在映射关系，主要取决于多芯光纤的横截面设计。对于特定设计的多芯光纤，利用不同纤芯的应变分布差异即可解调出光纤曲率及方向，不依赖于待测结构的具体力学模型，通用性强。

(2)受环境影响小，性能稳定：环境温度对多芯光纤的各纤芯的影响近似为共模信号，通过比较各个纤芯之间的应变差异可以抑制环境温度的干扰，受环境影响小，性能稳定。

(3)集成在待测结构内部，不影响结构性能：多芯光纤的体积小、重量轻、抗电磁干扰，可以无损植入到待测结构内部，而不影响结构力学性能。

附图说明

图1是本发明实施例中一种多芯光纤示意图；

图2是本发明实施例中一种多芯光纤弯曲时的纤芯应变示意图；

图3是本发明实施例中一种多芯光纤弯曲时曲率和弯曲方向示意图；

图4是本发明实施例中一种多芯光纤曲率解调示意图；

图5是本发明实施例中一种三维曲线重构示意图；

图6是本发明实施例中一种基于多芯光纤的三维形状感知监测方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

实施例1

本发明公开了一种基于多芯光纤的三维形状感知监测方法，如图1所示的一种典型多芯光纤，当光纤发生弯曲变形时，如图2所示，以光纤的中性面为对称面，纤芯的应变由光纤的曲率、纤芯和中性面的距离决定。如图3～4所示根据多芯光纤不同纤芯之间的应变差值，可以计算出该截面位置的光纤曲率和弯曲方向；进一步的，如图5所示，可以通过空间曲线、曲面重构方法实现三维形状传感。

在本实施例中，如图6，该基于多芯光纤的三维形状感知监测方法，包括：

步骤101，获取多芯光纤的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变。

在本实施例中，多芯光纤包括；沿光纤轴向分布的多个纤芯；其中，每一个纤芯上连续刻写多个光纤光栅，在一个光纤横截面上的光纤光栅构成了一个测量截面。多芯光纤的高密度应变测量，采用光频域反射计结合瑞利散射、弱反射光纤光栅阵列的技术路线。在现有的单芯光纤高密度应变测量技术基础上，通过光源空分复用和多路光分束探测，实现多芯光纤的纤芯应变的高密度测量。将每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变记为εi。

步骤102，根据获取的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变，反演得到各测量截面的曲率和弯曲方向。

在本实施例中，可以根据获取的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变，确定多芯光纤不同纤芯之间的应变差值；然后，根据多芯光纤不同纤芯之间的应变差值，反演得到各测量截面的曲率和弯曲方向。

以如图1所示的多芯光纤为例，该多芯光纤横截面包含1个中心纤芯及6个周向旋转对称分布的外层纤芯。如图3，周向分布的6个纤芯到多芯光纤中心的距离为ri，纤芯—光纤中心连线和x轴的角度为θi。当多芯光纤发生弯曲变形时，多芯光纤弯曲方向(曲率方向)和x轴的角度记为θb。

每个纤芯的曲率表达式为：

对每个纤芯的曲率求和，通过纤芯在圆周上分布的对称性，实现共模干扰抑制和降噪：

对于对称结构的多芯光纤，周向分布的每个纤芯到光纤中心的距离都为r，多芯光纤的曲率的解算公式可以化简为：

多芯光纤的弯曲方向为：

τ＝angle(κapp)···(4)

步骤103，根据测量截面间隔，对各测量截面的曲率进行插值和加密处理，得到各测量截面的曲率函数。

在本实施例中，可以根据测量截面间隔，对各测量截面的曲率进行插值和加密，得到测量截面之间的曲率分布；然后，根据插值和加密处理后得到的测量截面之间的曲率分布，确定各测量截面沿光纤长度方向的曲率函数。

优选的，平滑加密曲率以及弯曲角度如下：

根据式(5)可分别得到：相对于距离s的曲率及弯曲方向函数：κ(s)和τ(s)。

步骤104，将各测量截面的曲率函数带入frenet方程组，得到各测量截面的向量表达式。

在本实施例中，已知κ(s)和τ(s)分别是曲率和扭转的标量，通过frenet-serret方程式联系在一起：

t'(s)＝κ(s)n(s)···(6)

n'(s)＝-κ(s)t(s)+τ(s)b(s)···(7)

b'(s)＝-τ(s)n(s)···(8)

其中，t(s)、n(s)、b(s)分别为切线向量、垂直向量以及侧方垂直向量。

则切线向量代表曲线的方向：

垂直向量代表曲率的方向：

侧方垂直向量代表0曲率的方向，同时垂直于t(s)和n(s)：

b(s)＝t(s)×n(s)···(11)

步骤105，根据各测量截面的向量表达式，进行迭代运算，得到各测量截面的中心坐标。

在本实施例中，可以根据各测量截面的向量表达式，以光纤端口为初始点，通过迭代各测量截面的方向向量，获得各测量截面的中心坐标。

优选的，假设多芯光纤上长度位置s处的点用向量r(s)来表示：

r(s)＝x(s)i+y(s)j+z(s)k···(12)

如图2所示，以l1为基准点建立坐标系，相距此点s1距离的第二个点的坐标相对l1可以用δx、δy、δz表示，s1段光纤的切线向量为t(s)。如果已知l1处的向量坐标为r1，那么与此点相隔s1距离的l2点向量坐标为t(s)s1+r1。各测量截面的中心坐标可以通过迭代的方法算出：

r(s)＝∫t(s)ds+r0···(13)

步骤106，根据各测量截面的中心坐标，进行三维形状重构，确定待测结构的三维形状。

在本实施例中，根据光纤与待测结构中心的相对位置关系函数p(s)，获得结构最终形状坐标：

d(s)＝r(s)+p(s)···(14)

实施例2

在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种基于多芯光纤的三维形状感知监测系统，包括：获取模块，用于获取多芯光纤的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变；反演模块，用于根据获取的每个测量截面上所有光纤光栅测量的应变，反演得到各测量截面的曲率和弯曲方向；插值加密处理模块，用于根据测量截面间隔，对各测量截面的曲率进行插值和加密处理，得到各测量截面的曲率函数；向量表达式构建模块，用于将各测量截面的曲率函数带入frenet方程组，得到各测量截面的向量表达式；迭代模块，用于根据各测量截面的向量表达式，进行迭代运算，得到各测量截面的中心坐标；重构模块，用于根据各测量截面的中心坐标，进行三维形状重构，确定待测结构的三维形状。

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。