[发明专利]一种三维形状测量方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

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(Naval Research Laboratory)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(Fiber Bragg Grating，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

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。

本发明实施例提供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i的应力值ε_i；

通过公式获得矢量和中间量K(l)；

其中，d_i为外层芯距光纤几何中心的距离；θ_i为纤芯i的角度；

通过公式获得光纤链路上每一点的弯曲角度θ_b(l)；

其中，α(l)是任意两个外层芯的布里渊频移的变化量的比值，为α(l)＝Δv_Bi(l)/Δv_Bj(l)；

通过公式τ(l)＝θ′_b(l)，获得绕率函数τ(l)；

将所述绕率函数τ(l)和所述曲率函数κ(l)代入到公式T′(l)＝κ(l)N(l)、N′(l)＝-κ(l)T(l)+τ(l)B(l)和B′(l)＝-τ(l)N(l)中，获得切线向量T(l)；

通过公式S(l)＝∫T(l)dl+S(0)，获得三维空间中的曲线S(l)；