CN105371781B

CN105371781B - 一种三维形状测量方法

Info

Publication number: CN105371781B
Application number: CN201510777343.3A
Authority: CN
Inventors: 唐明; 赵志勇; 付松年; 童维军; 李博睿; 韦会峰
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2015-11-13
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2018-09-07
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: CN105371781A

Abstract

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。

Description

一种三维形状测量方法

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)；

其中，S(0)为初始的位置坐标。

进一步地，所述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，包括：

基于所述分布式测量系统测量所述含有偏心纤芯的光纤纤芯i中每一点处的布里渊频移的变化量Δν_Bi；

通过公式获得所述应力值ε_i；

其中，η为曲率响应系数，ν_B为未发生弯曲时的布里渊频移。

进一步地，所述曲率响应系数η通过拟合得到。

进一步地，所述曲率响应系数η通过拟合得到，具体包括：

进一步地，选择相对称的两个外层芯的布里渊频移的变化量的比值计算α(l)。

进一步地，所述含有偏心纤芯的光纤的纤芯为对称分布结构，则所述曲率函数κ(l)的计算公式简化为：k(l)＝2|K(l)|/n。

进一步地，所述分布式测量系统包括但不限于布里渊光时域反射仪、布里渊光时域分析仪、布里渊相关域反射仪、布里渊相关域分析仪、布里渊光频域分析仪、光频域反射仪、相干光时域反射仪、相位敏感的光时域反射仪、偏振光时域反射仪。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

1、通过分布式传感技术可以测出多个纤芯各处所受的应力大小，从而可算出曲线的曲率函数(curvature function)和挠率函数(torsion function)，进而可以计算出光纤上各处的三个矢量(切线向量、法线向量和副法线向量)，根据这三个矢量可以还原三维空间中的任意曲线，由此实现三维的形状传感。由于本发明实施例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，因而基于本发明实施例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。

2、由于本发明实施例采用了分布式传感技术，因而本发明实施例可以实现长距离、大范围的分布式三维形状测量。现有的技术只能测量数米(<5米)，而本发明实施例能测量数十公里。

3、在本发明实施例的计算过程中，选择相对称的两个外层芯的布里渊频移的变化量的比值参与计算，减小了由于测量误差而导致的求得的弯曲角度的误差产生，从而提高了本发明实施例的三维测量精度。

4、当含有偏心纤芯的光纤的纤芯为对称分布结构时，可对曲率函数的计算公式进行简化，降低了计算复杂度，从而避免了计算误差的产生，进一步地提高了本发明实施例的三维测量精度。

5、本发明实施例所采用的分布式测量系统包括但不限于布里渊光时域反射仪、布里渊光时域分析仪、布里渊相关域反射仪、布里渊相关域分析仪、布里渊光频域分析仪、光频域反射仪、相干光时域反射仪、相位敏感的光时域反射仪、偏振光时域反射仪等，因而本发明实施例的适用范围广，具有很强的实用性。

本发明实施例提出和实现了一种全分布式的三维形状传感器，分布式光纤传感器技术成熟，系统简单，无需对多芯光纤进行任何处理，大大降低了工艺要求。此外，在性能方面，可以针对具体的应用场合兼顾空间分辨率和传感距离，实施例中我们实现了1公里的传感距离，20厘米的空间分辨率。可以预见地，本发明实施例将在众多应用领域大展身手，具有非常广阔的市场前景。

附图说明

图1为多芯光纤在三维空间中的分布图；

图2为本发明实施例一提供的三维形状测量方法的流程图；

图3为本发明实施例二中使用的布里渊光时域分析仪的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

在含有偏心纤芯的光纤(如多芯光纤)中，当发生弯曲时，除了位于光纤几何中心的纤芯(中心芯)外，一部分外层纤芯会被拉伸，另一部分外层纤芯会被压缩。不管是拉伸还是压缩，都会使光纤产生沿弯曲位置切线方向的应力，而且还可能产生扭力。更深入地说，会引起光纤折射率、杨氏模量、密度等参量发生变化，从而使得该处的布里渊频移、偏振态、损耗等参量发生变化。通过分布式传感技术可以测出多个纤芯(3个以上，且不含中间芯)各处所受的应力大小，从而可算出曲线的曲率函数(curvature function)和挠率函数(torsion function)，进而可以计算出光纤上各处的三个矢量(切线向量、法线向量和副法线向量)，根据这三个矢量可以还原三维空间中的任意曲线，由此实现三维的形状传感。在具体应用中，只需将分布式传感系统中的含有偏心纤芯的光纤贴附在物体的表面或内部，或将其在放在任意的三维空间中，利用本发明实施例就可以实现全分布式的三维形状传感。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

在对本发明实施例的技术方案进行说明之前，需要先对理论模型进行说明，具体地：

将多芯光纤抽象为三维空间中的曲线，特别地，以中间芯所在的曲线进行表示，设其为其中l为沿曲线的长度，如图1所示。

实施例一

参见图2，本发明实施例提供的三维形状测量方法，包括：

步骤S110：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；

在本实施例中，分布式测量系统包括但不限于BOTDR(Brillouin optical time-domain reflectometry，布里渊光时域反射仪)、BOTDA(Brillouin optical time-domainanalysis，布里渊光时域分析仪)、BOCDR(Brillouin optical correlationdomainreflectometry，布里渊相关域反射仪)、BOCDA(Brillouin optical correlationdomainanalysis，布里渊相关域分析仪)、BOFDA(Brillouin optical frequencydomainanalysis，布里渊光频域分析仪)、OFDR(Optical frequency domain reflectometry，光频域反射仪)、C-OTDR(Coherent optical time-domain reflectometer，相干光时域反射仪)、f-OTDR(Phase-sensitive optical time-domain reflectometer，相位敏感的光时域反射仪)、POTDR(Polarization optical time domain reflectometer，偏振光时域反射仪)等。

对本步骤进行说明：

基于分布式测量系统测量含有偏心纤芯的光纤纤芯i中每一点处的布里渊频移的变化量Δν_Bi；

通过公式获得应力值ε_i；

在本实施例中，曲率响应系数η通过拟合得到。具体包括：

步骤S120：通过公式获得矢量和中间量K(l)；

步骤S130：通过公式获得光纤链路上每一点的弯曲角度θ_b(l)；

为了减小由于测量误差而导致的求得的弯曲角度的误差产生，选择相对称的两个外层芯的布里渊频移的变化量的比值计算α(l)。

需要说明的是，在本实施例中，步骤S120与步骤S130的顺序可以互换，即K(l)和θ_b(l)的计算顺序可以互换，本发明实施例对此不作出具体的限制。

步骤S140：通过公式τ(l)＝θ′_b(l)，获得绕率函数τ(l)；

特别地，当含有偏心纤芯的光纤的纤芯为对称分布结构时，则上述曲率函数κ(l)的计算公式可简化为：k(l)＝2|K(l)|/n。

步骤S160：将绕率函数τ(l)和曲率函数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)；

步骤S170：通过公式S(l)＝∫T(l)dl+S(0)，获得三维空间中的曲线S(l)；

其中，S(0)为初始的位置坐标。

实施例二

首先需要特别声明，在本发明实施例中，我们只采用了中心对称分布的七芯光纤作为含有偏心纤芯的光纤，一种分布式传感技术(BOTDA)。但需要指出的是，采用其他的含有偏心纤芯的光纤或其他的分布式传感技术(包括但不仅限于上面所提到的几种分布式传感技术)所实现的分布式三维形状传感技术也在本发明实施例所要求的保护范围内，本发明实施例的具体实施方式如下：

(1)根据需要，适当地选择含有多个偏心纤芯的多芯光纤，合理地选择适当的分布式传感技术。本实施例采用的是含有6个偏心纤芯的七芯光纤，采用的分布式传感技术为BOTDA。

(2)搭建如图3所示的BOTDA测量系统。窄线宽的激光器(laser)输出频移为n₀的光，经耦合器(coupler)分成两路：一路依次通过偏振控制器(PC)、调制器(modulator 1)、掺铒光纤放大器(EDFA)、偏振开关(PS)、隔离器(isolator)，用于产生探测光，经扇入耦合器(Fan-in)进入七芯光纤。其中，modulator 1由微波发生器(Microwave generator)进行控制，用以产生双边带调制的探测光，频率为n₀±n_M。其中，n_M为调制频率。当n_M等于光纤某处的布里渊频移时，该处的布里渊增益达到最大，因此只要控制modulator 1改变n_M，通过扫频就可以获得光纤各处的布里渊增益谱，也就知道了该处的布里渊频移。另一路依次经过偏振控制器(PC)、调制器(modulator 2)、掺铒光纤放大器(EDFA)、环形器(circulator1)，然后经扇入耦合器(Fan-in)进入七芯光纤。其中，modulator 2由脉冲发生器(pulsegenerator)控制，用以产生脉冲。传感用的七芯光纤(MCF)两头分别由扇入耦合器(Fan-in)和扇出耦合器(Fan-out)进行连接。在扇出端，根据需要将n个纤芯依照对应光路进行连接，便可以构成一个基于多芯光纤空间复用的系统，实现光路往返传输的结构，这样的优势是只需要一次测量就可以获得多个纤芯的布里渊增益谱。当然也可以根据需要只用1个纤芯。经过放大(增益型系统)或衰减(损耗型系统)的布里渊探测光由扇入(Fan-in)端输出，经环形器(circulator 1)进入到环形器(circulator 2)，之后经过光栅(FBG filter)滤掉不需要的频率成分，将滤出来的探测光送入光电探测器(PD)，PD再与信号处理模块相连，用于采集数据及处理。

(3)通过公式获得多芯光纤纤芯_i在某处所受的由弯曲引起的应力值ε_i。

(4)通过公式获得矢量和中间量K(l)；

(5)通过公式获得光纤链路上每一点的弯曲角度θ_b(l)；

(6)通过公式τ(l)＝θ′_b(l)，获得绕率函数τ(l)；

(8)将绕率函数τ(l)和曲率函数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，利用Matlab等软件求解微分方程组，获得切线向量T(l)；

(9)通过公式S(l)＝∫T(l)dl+S(0)，获得三维空间中的曲线S(l)。

至此，已经详细陈述了基于多芯光纤的分布式三维形状传感系统的工作原理。将多芯光纤贴附在物体的表面或内部，或将其在放在任意的三维空间中，利用本发明实施例就可以实现全分布式的三维形状传感。

【技术效果】

本发明实施例所提出的基于多芯光纤的分布式三维形状传感技术使整根光纤成为了“智能光纤”，将具有广泛的应用领域和巨大的市场前景，具体可以应用在：制作业、智能机器人、结构状态检测、运动体的跟踪识别、医疗、航空航天、军事等领域，具体的应用场合包括但不限于：制作业中智能过程检测和控制，智能机器识别，运动体的实时跟踪识别，桥梁、大坝、建筑体、风力发电机、输油管道、火车轨道、飞行器机翼和机体等的结构健康监测，海洋、井道等复杂环境的水下/地下环境、地貌的感知，非侵入式医疗定位探针等。

在本发明的实施例中，我们只采用了其中一种多芯光纤，为中心对称分布的七芯光纤，一种分布式传感技术，为BOTDA，但需要指出，采用其他多芯光纤或其他分布式传感技术(包括但不仅限于上面所提到的几种分布式传感技术)所实现的分布式三维形状传感技术也在本发明实施例所要求的保护范围内，意味着当所使用的光纤的尺寸、形状、纤芯数量、偏心纤芯的位置、空间复用的光路系统、顺序、方向、所用的分布式传感技术(包括但不仅限于上面提到的各种分布式传感技术)等与本实施例有不同时，亦在本发明实施例所要求保护的范围内。

Claims

1.一种三维形状测量方法，其特征在于，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

通过公式获得矢量中间量

其中，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

其中，是任意两个外层芯的布里渊频移的变化量的比值，为

通过公式获得绕率函数

通过公式获得曲率函数

将所述绕率函数和所述曲率函数代入到公式和中，获得切线向量

通过公式获得三维空间中的曲线

其中，S(0)为初始的位置坐标；

将分布式传感系统中的含有偏心纤芯的光纤贴附在物体的表面或内部，或将其在放在任意的三维空间中，利用本发明实施例就可以实现全分布式的三维形状传感。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于分布式测量系统测量含有偏心纤芯的光纤纤芯i的应力值包括：

通过公式获得所述应力值

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述曲率响应系数η通过拟合得到。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述曲率响应系数η通过拟合得到，具体包括：

通过对测量光纤多次构造弯曲半径已知的圆形弯曲，并相应地实施布里渊分布式测量实验，进行校准和标定，得到布里渊频移的变化量Δν_B与弯曲半径R之间的关系，即

结合公式得到获得曲率响应系数η。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，选择相对称的两个外层芯的布里渊频移的变化量的比值计算

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含有偏心纤芯的光纤的纤芯为对称分布结构，则所述曲率函数的计算公式简化为：

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，所述分布式测量系统为布里渊光时域反射仪或布里渊光时域分析仪或布里渊相关域反射仪或布里渊相关域分析仪或布里渊光频域分析仪或光频域反射仪或相干光时域反射仪或相位敏感的光时域反射仪或偏振光时域反射仪。