[发明专利]一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置，属于光纤形状传感测量技术领域。本发明根据多芯光纤形状改变前后光纤光栅布拉格中心波长，计算光纤光栅的最大应变和光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度，对多芯光纤进行曲率和扭转角度插值，利用三维重构算法进行三维形状重构后在计算机进行显示，实现多芯光纤三维形状传感测量。所述测量装置包括计算机、光纤光栅传感分析仪和多芯光纤扇入扇出模块，本发明采用全光纤结构结合光纤光栅测量应变，通过改变相邻两个光纤光栅的距离和数量，可以提高测量精度，采用的多芯光纤，消除了安装误差，有利于后期维护和换装，可靠性更高。

技术领域

本发明属于光纤形状传感测量方法及系统技术领域，具体涉及一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置。

背景技术

三维形状传感测量是对灵活的可弯曲物体的形状测量，在航空航天、医疗器械、石油勘探、机器人搜救等领域具有巨大的发展潜力。由于测量仪器的结构化与检测原理的分离性等原因，传统的方法利用激光扫描、机器视觉等非接触式光学检测技术进行三维形状传感测量在一些场合难以实施，例如在有电磁干扰或易燃易炸的恶劣环境中，基于电信号测量的三维形状传感器受到很大的限制，甚至无法工作；在机器人搜救时，大型的仪器设备无法快速运至事故现场；在航空航天领域，沉重的仪器无法对飞机或者航天器进行非接触式检测。

这就需要采用接触式的应变测量方法，传统的电阻应变片引线多、重量大、抗电磁干扰能力差，而利用光纤光栅进行多点应变测量，布线简单、疲劳寿命长、抗电磁干扰、可以实现复合材料内部埋植，具有无可替代的优势。

一根单芯光纤光栅只能进行应变的测量，是不能测出三维形状的，只能通过采集多个应变值计算出曲率，进而重构出二维形状。但是，多根光纤光栅通过组合测量，可以测量同一个位置的多个应变值，进而重构出三维形状。2014年，沈林勇等将4根FBG(光纤光栅)传感阵列分别安放在基材上相互呈90°角的位置，每一个空间点由相互垂直的两个方向的两根FBG阵列测量，实现了光纤形状传感(参见参考文献：沈林勇，肖海，钱晋武等，智能内窥镜的形状重建和可视化方法研究[J].仪器仪表学报，2014(12):2725-2730)。但是这种方法在传感器安装和布置时很复杂，而且会产生安装误差。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，方便可靠地实现高精度三维形状传感测量，本发明提出一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置。

本发明首先提出一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，所述方法具体包括步骤：

步骤一、通过光纤光栅传感分析仪分别测得多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长；所述多芯光纤中包括至少三根纤芯，每根纤芯上包括至少两个以上的光纤光栅。

步骤二、根据所测得的多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长，计算多芯光纤每根纤芯中光纤光栅的最大应变；

步骤三、计算光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度；

步骤四、利用空间曲线理论和插值理论对多芯光纤进行曲率和扭转角度插值，求得多芯光纤中相邻两个光纤光栅横截面之间多个测量位置的曲率和扭转角度；

步骤五、利用三维重构算法对多芯光纤进行三维形状重构；

步骤六、将重构的多芯光纤在计算机中进行显示，实现多芯光纤三维形状传感测量。