[发明专利]一种基于多芯光纤的三维形状感知监测方法和系统

说明书

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和系统，该方法包括：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，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。本发明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。

技术领域

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。

发明内容

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：