CN112433306B - 分布式光纤三维形状快速重构装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布式光纤三维形状快速重构装置，包括激光光源、传感基带、待测物和信号接收解调装置，传感基带包括相互平行且等长的第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，第一纤芯的首端通过第一连接段分别与激光光源、信号接收解调装置连接，尾端通过第二连接段与第二纤芯的首端连接，第二纤芯的尾端通过第三连接段与第三纤芯的首端连接，第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的中心轴围成一个正三棱柱；激光光源产生的激光信号依次传输给第一连接段、第一纤芯、第二连接段、第二纤芯、第三连接段和第三纤芯，传输过程中产生后向传输的散射信号，信号接收解调装置对散射信号进行采集并进行三维形状重构。本发明结构简单、三维形状重构效率和空间分辨率高。

Description

分布式光纤三维形状快速重构装置

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种分布式光纤三维形状快速重构装置。

背景技术

在航空、航海、医疗、风力发电的装备制造和检测等应用领域中，对于器件形变或形态的分布式监测有着迫切的需求。如模拟薄叶片、无人机机翼蒙皮及船底结构在工作中发生局部形变的情况；医疗设备中内窥探针轨迹引导等。而传统的点式FBG(Fiber BraggGrating，光纤布拉格光栅)应变传感器难以实现分布式传感，无法很好地满足现代工业领域的传感需求，因此，分布式三维形状感知具有十分重要的应用价值和发展前景。而在目前的基于光纤传感的三维形状重构技术中，为了解调出扭转角度、弯曲方向等外部作用因素以及消除交叉敏感等问题，需要使用多芯光纤或是多根单模光纤，此时传感系统中往往需要增加光开关或是扇入扇出器等装置，光开关或扇入扇出器需要按顺序逐一与每根纤芯或每根光纤相连，设光开关或扇入扇出器每次与对应纤芯或光纤相连所花费的时间为T，则三维成像单次测量所需的时间为N*T，N表示多芯光纤中所涉及的纤芯的数量或单模光纤的根数。光开关或扇入扇出器的增加使得系统的复杂性增加，不但增大了传感器的体积，为嵌入式或侵入式传感带来了不便，而且延长了单次测量所需的时间，降低了三维成像的刷新速率。

发明内容

本发明提供一种基于分布式光纤三维形状快速重构装置，以解决目前进行三维形状重构时存在的结构复杂、重构效率和空间分辨率低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种分布式光纤三维形状快速重构装置，包括激光光源、传感基带、待测物和信号接收解调装置，所述传感基带包括相互平行且等长的第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，其中该第一纤芯的首端通过第一连接段分别与该激光光源、信号接收解调装置连接，尾端通过第二连接段与该第二纤芯的首端连接，该第二纤芯的尾端通过第三连接段与该第三纤芯的首端连接，该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的中心轴围成一个正三棱柱，且三者之间的位置关系通过固定结构进行固定；该传感基带设置在该待测物上；

所述激光光源用于产生激光信号，该激光信号依次传输给第一连接段、第一纤芯、第二连接段、第二纤芯、第三连接段和第三纤芯，该激光信号在传输过程中产生后向传输的散射信号，所述散射信号包括瑞利散射信号或布里渊散射信号，该信号接收解调装置对该待测物在初始状态下，该激光信号传输过程中产生的散射参考信号以及该待测物在测量状态下，该激光信号传输过程中产生的散射测量信号进行采集；所述信号接收解调装置根据该散射参考信号和散射测量信号，进行该待测物的三维形状重构。

在一种可选的实现方式中，所述传感基带包括相互平行且等长的第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤和记忆合金丝，所述第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯分别为第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤中的纤芯，圆柱形的该记忆合金丝位于该第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤内，其中心轴与该正三棱柱的中心轴重叠，且分别与该第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤外切，采用粘合剂对该记忆合金丝、第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤进行浇筑固定，形成圆柱形的传感基带。

在另一种可选的实现方式中，所述第一连接段、第二连接段和第三连接段为普通的单模光纤，所述记忆合金丝为镍铬记忆合金丝，所述粘合剂为胶水。

在另一种可选的实现方式中，所述传感基带包括多芯光纤段和分别位于该多芯光纤段两端的第一波导结构和第二波导结构，该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯分别为所述多芯光纤段中除中心纤芯外的三个纤芯，该第一波导结构中的第一波导段、第三波导段对应作为该第一连接段、第三连接段，该第二波导结构中的第二波导段作为该第二连接段；

其中，该多芯光纤段的两端分别与该第一波导结构和第二波导结构熔接，此时该多芯光纤段中第一纤芯的首端通过该第一波导结构中的第一波导段与该激光光源连接，尾端通过该第二波导结构中的第二波导段与该多芯光纤段中的第二纤芯的首端连接，该第二纤芯的尾端通过该第一波导结构中的第三波导段与该多芯光纤段中的第三纤芯的首端连接。

在另一种可选的实现方式中，所述信号接收解调装置对所述散射参考信号和散射测量信号进行解调，分别获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的波长漂移曲线；根据所述波长漂移曲线，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲曲率；根据所述弯曲曲率，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲应变信息；根据该弯曲应变信息，进行该待测物的三维形状重构。

在另一种可选的实现方式中，所述信号接收解调装置在对所述散射参考信号和散射测量信号进行解调之前，还包括：将该第一连接段、第二连接段和第三连接段上产生的后向传输的散射参考信号和散射测量信号剔除，并对该第二纤芯上产生的后向传输的散射参考信号和散射测量信号进行空间域上的倒序处理。

在另一种可选的实现方式中，所述信号接收解调装置针对该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯中每个纤芯，按照以下公式获得其弯曲应变信息εi：

以传感基带中性面的中心点为原点，建立在光纤横截面上的笛卡尔坐标系，其中ε_i表示第i纤芯的弯曲应变，i的取值为1、2和3，d_i表示第i纤芯到弯曲中性面的距离，R_i表示第i纤芯的弯曲半径，κ_i表示第i纤芯的弯曲曲率，θ_b表示传感基带弯曲方向与y轴的角度，θ_i表示第i纤芯与过原点的中心连线与y轴的角度。

在另一种可选的实现方式中，所述信号接收解调装置根据该弯曲应变信息，按照以下步骤进行该待测物的三维形状重构：

针对该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯中的每个纤芯，将其对应位置处的表观弯曲曲率表示为

以传感基带中性面的中心点为原点，建立在光纤横截面上的笛卡尔坐标系，其中κ_app，i表示第i纤芯的表观弯曲曲率，ε_i表示第i纤芯的弯曲应变，θ_i表示第i纤芯与过原点的中心连线与y轴的角度，j,k分别对应于y轴和z轴的单位向量；

将该传感基带对应位置处的表观弯曲曲率表示为：

其中M＝3；

将该传感基带对应位置处的实际弯曲曲率表示为：

其中N表示设定的传感基带传感点的个数，r表示各个纤芯到原点的距离；

将该传感基带对应位置处的弯曲方向表示为：θ＝angle(κ_app)；

分别计算出该传感基带上N个传感点对应位置处的实际弯曲曲率和弯曲方向后，获得离散序列κ(n)和θ(n)，n为0<n<N的整数且表示第n个传感点，N为传感基带上设定的传感点的总个数；

将离散序列κ(n)和θ(n)拟合为与该传感基带的长度s相关的平滑函数κ(s)和θ(s)，其中0≤s≤L,L是传感基带的总长度；

将κ(s)和τ(s)带入Frenet-Serret框架：

计算出T(s)，N(s)，B(s)，其中τ(s)＝θ′(s)，为平滑函数θ(s)的导数；

利用切线函数T(s)的积分重构出三维曲线的形状：

r＝∫T(s)ds+r(0)

其中r为三维曲线的向量形式，r(0)为曲线在空间的初始物理位置，r(0)＝(x₀,y₀,z₀)＝(0,0,0)。

在另一种可选的实现方式中，所述第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯为普通的完整纤芯。

在另一种可选的实现方式中，所述三个纤芯为该多芯光纤中除中心纤芯外的任意三个纤芯。

本发明的有益效果是：

1、本发明第一纤芯的首端通过第一连接段与该激光光源连接，尾端通过第二连接段与该第二纤芯的首端连接，该第二纤芯的尾端通过第三连接段与该第三纤芯的首端连接，激光光源不需要设置光开关、扇入扇出器等器件来依次向第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯提供激光信号，其一次性就可以按序向三个纤芯提供激光信号，由于避免了使用光开关、扇入扇出器等器件，因此结构更加简单，装置体积更小，如此便于后续做嵌入式或侵入式三维形状重构模块；由于激光光源一次性可以按序向三个纤芯提供激光信号，因此激光光源可以连续采集到三个纤芯返回的散射信号，缩短了单次测量所需时间，实现了三维形状的快速扫描，提高了三维形状重构效率；此外，本发明中第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯均为普通的完整纤芯，其上并未刻有光栅，且本发明是基于瑞利散射效应或布里渊散射效应，利用传输中产生的后向传输的瑞利散射信号或布里渊散射信号，进行三维形状重构，相比于利用刻制有光栅的光纤进行三维形状传感，本发明三维形状传感的空间分辨率更高；

2、本发明在该第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤内设置了圆柱形的该记忆合金丝，使记忆合金丝中心轴与该正三棱柱的中心轴重叠，且分别与该第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤外切，由于记忆合金丝具有塑性很强的性能，其对变形的感知度很高，因此本实施例不仅可以提高三维形状传感的空间分辨率，而且可以保证传感灵敏度；

3、本发明在采用多芯光纤制备传感基带时，将第一连接段和第三连接段制备在第一波导结构中，将第二连接段制备在第二波导结构中，在连接对应两个纤芯时，只需要将第一波导结构和第二波导结构与多芯光纤的两端对准熔接即可，对应两个纤芯的连接效率较快且对准准确度高；

4、本发明在获得弯曲应变信息时，首先对所述散射参考信号和散射测量信号进行解调，分别获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的波长漂移曲线；根据所述波长漂移曲线，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲曲率；根据所述弯曲曲率，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲应变信息，获得弯曲应变信息的结构简单且效率较高。

附图说明

图1是本发明分布式光纤三维形状快速重构装置的一个实施例立体图；

图2是图1的剖视图；

图3是本发明分布式光纤三维形状快速重构装置的另一实施例立体透视图；

图4是图3的俯视图；

图5是图3的剖视图；

图6是传感基带横截面建立笛卡尔坐标系后的示意图；

图7为基于本发明三维重构算法模拟出的螺旋曲线。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供一种分布式光纤三维形状快速重构装置，其特征在于，包括激光光源、传感基带、待测物和信号接收解调装置，所述传感基带包括相互平行且等长的第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，其中该第一纤芯的首端通过第一连接段分别与该激光光源、信号接收解调装置连接，尾端通过第二连接段与该第二纤芯的首端连接，该第二纤芯的尾端通过第三连接段与该第三纤芯的首端连接，该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的中心轴围成一个正三棱柱，且三者之间的位置关系通过固定结构进行固定；该传感基带设置在该待测物上；所述激光光源用于产生激光信号，该激光信号依次传输给第一连接段、第一纤芯、第二连接段、第二纤芯、第三连接段和第三纤芯，该激光信号在传输过程中产生后向传输的散射信号，所述散射信号包括瑞利散射信号或布里渊散射信号，该信号接收解调装置对该待测物在初始状态下，该激光信号传输过程中产生的散射参考信号以及该待测物在测量状态下，该激光信号传输过程中产生的散射测量信号进行采集；所述信号接收解调装置根据该散射参考信号和散射测量信号，进行该待测物的三维形状重构。

本实施例中，该激光光源的输出端可以与环形器的第一端连接，该环形器的第二端通过第一连接段连接该第一纤芯的首端，第三端连接该信号接收解调装置的输入端。第一纤芯的首端通过第一连接段分别与该激光光源、信号接收解调装置连接，尾端通过第二连接段与该第二纤芯的首端连接，该第二纤芯的尾端通过第三连接段与该第三纤芯的首端连接，激光光源不需要设置光开关、扇入扇出器等器件来依次向第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯提供激光信号，其一次性就可以按序向三个纤芯提供激光信号，由于避免了使用光开关、扇入扇出器等器件，因此结构更加简单，装置体积更小，如此便于后续做嵌入式或侵入式三维形状重构模块；由于激光光源一次性可以按序向三个纤芯提供激光信号，因此激光光源可以连续采集到三个纤芯返回的散射信号，缩短了单次测量所需时间，实现了三维形状的快速扫描，提高了三维形状重构效率；此外，本发明中第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯均为普通的完整纤芯，其上并未刻有光栅，且本发明是基于瑞利散射效应或布里渊散射效应，利用传输中产生的后向传输的散射信号，进行三维形状重构，相比于利用刻制有光栅的光纤进行三维形状传感，本发明三维形状传感的空间分辨率更高。

参见图1，为本发明分布式光纤三维形状快速重构装置的一个实施例立体图，结合图2和图3所示，所述传感基带可以包括相互平行且等长的第一单模光纤2、第二单模光纤4、第三单模光纤6和记忆合金丝7，所述第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯分别为第一单模光纤2、第二单模光纤4和第三单模光纤6中的纤芯(对应地，该第一纤芯与第一单模光纤2的长度相等，如此类推)，圆柱形的该记忆合金丝7位于该第一单模光纤2、第二单模光纤4和第三单模光纤6内，其中心轴与该正三棱柱的中心轴重叠，且分别与该第一单模光纤2、第二单模光纤4和第三单模光纤6外切，采用粘合剂8对该记忆合金丝7、第一单模光纤2、第二单模光纤4和第三单模光纤6进行浇筑固定，形成圆柱形的传感基带。

本实施例中，该第一单模光纤2的首端通过第一连接段1分别与该激光光源、信号接收解调装置连接，尾端通过第二连接段3与该第二单模光纤4的首端连接，该第二单模光纤4的尾端通过第三连接段5与该第三单模光纤6的首端连接。所述第一连接段1、第二连接段3和第三连接段5可以为普通的单模光纤，所述记忆合金丝7可以为镍铬记忆合金丝，所述粘合剂可以为胶水。该第一单模光纤2、第二单模光纤4和第三单模光纤6均为普通的未经处理的单模光纤，且对于三个单模光纤的中心分别与该正三棱柱中心之间的连线，两两相邻连线之间的夹角均为120度，在采用粘合剂进行浇筑固定时，可以采用模具对该记忆合金丝7、第一单模光纤2、第二单模光纤4和第三单模光纤6的相对位置进行固定，且形成的圆柱形的传感基带的直径可以为2mm。该第一连接段1、第一单模光纤2、第二连接段3、第二单模光纤4、第三连接段5和第三单模光纤6可以为一条完整的单模光纤。

虽然相比于利用刻制有光栅的光纤进行三维形状传感，本发明利用传输中产生的后向传输的散射信号，进行三维形状重构，可以提高三维形状传感的空间分辨率，但是通常情况下瑞利散射信号或布里渊散射信号较弱，对应地三维形状传感的灵敏度会有所降低，为此本发明在该第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤内设置了圆柱形的该记忆合金丝，使记忆合金丝中心轴与该正三棱柱的中心轴重叠，且分别与该第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤外切，由于记忆合金丝具有塑性很强的性能，其对变形的感知度很高，因此本实施例不仅可以提高三维形状传感的空间分辨率，而且可以保证传感灵敏度。此外，在进行三维形状重构时需要的只是第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤上后向传输回的散射信号，需要将第一连接段、第二连接段和第三连接段上后向传输回的散射信号进行剔除，为了对第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤上后向传输回的散射信号进行快速识别，可以将该第一连接段、第二连接段和第三连接段设计成具有不同弯曲弧度的弧段。

参见图3，为本发明分布式光纤三维形状快速重构装置的另一个实施例立体透视图。结合图4和图5所示，所述传感基带可以包括多芯光纤段21和分别位于该多芯光纤段两端的第一波导结构22和第二波导结构23，该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯分别为所述多芯光纤段21中除中心纤芯外的三个纤芯211、212和213(其中该三个纤芯不仅限于中心轴围成一个正三棱柱的纤芯，其可以是该多芯光纤中除中心纤芯外的任意三个纤芯)，该第一波导结构22中的第一波导段221、第三波导段222对应作为该第一连接段、第三连接段，该第二波导结构23中的第二波导段231作为该第二连接段；其中，该多芯光纤段21的两端分别与该第一波导结构22和第二波导结构23熔接，此时该多芯光纤段21中第一纤芯211的首端通过该第一波导结构22中的第一波导段221与该激光光源连接，尾端通过该第二波导结构23中的第二波导段231与该多芯光纤段21中的第二纤芯212的首端连接，该第二纤芯212的尾端通过该第一波导结构22中的第三波导段222与该多芯光纤段21中的第三纤芯213的首端连接。

本实施例中，该第一波导结构22和第二波导结构23可以是在无芯光纤上形成的波导结构，例如采用飞秒激光刻蚀的方式在一个无芯光纤内形成第一波导结构中的第一波导段、第三波导段，在另一无芯光纤内形成第二波导结构中的第二波导段。在采用多芯光纤制备传感基带时，若将对应纤芯进行分别连接，那么连接效率较慢且对准准确度较低，本发明在采用多芯光纤制备传感基带时，将第一连接段和第三连接段制备在第一波导结构中，将第二连接段制备在第二波导结构中，在连接对应两个纤芯时，只需要将第一波导结构和第二波导结构与多芯光纤的两端对准熔接即可，对应两个纤芯的连接效率较快且对准准确度高。

需要注意的是：上述传感基带的两个实施例中，激光光源和信号接收解调装置可以采用OFDR(Optical Frequency Domain Reflectometer，光时域反射)系统，但不限于此，且本发明对于BOTDR(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometer，布里渊光时域反射)等分布式光纤传感系统同样适用。

本发明采用的三维形状重构算法是基于Frenet-Serret微分几何框架的反演算法，Frenet-Serret微分几何框架需要假设光纤属于线性的、均匀的、对称的基尔霍夫弹性杆模型，尽管由于①光纤涂覆层的存在，②光纤密度并不是均匀，以及③弯曲使得光纤横截面变为椭圆形截面，但是当光纤弯曲半径远远大于光纤横截面半径时，将光纤列入基尔霍夫弹性杆的假设是可行的，这使得三维空间下的传感光纤可以看作是简易的空间曲线。

所述信号接收解调装置根据该散射参考信号和散射测量信号，进行该待测物的三维形状重构时，首先对所述散射参考信号和散射测量信号进行解调，分别获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的波长漂移曲线；根据所述波长漂移曲线，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲曲率；根据所述弯曲曲率，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲应变信息；根据该弯曲应变信息，进行该待测物的三维形状重构。本发明在获得弯曲应变信息时，首先对所述散射参考信号和散射测量信号进行解调，分别获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的波长漂移曲线；根据所述波长漂移曲线，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲曲率；根据所述弯曲曲率，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲应变信息，获得弯曲应变信息的结构简单且效率较高。此外，所述信号接收解调装置在对所述散射参考信号和散射测量信号进行解调之前，还包括：将该第一连接段、第二连接段和第三连接段上产生的后向传输的散射参考信号和散射测量信号剔除，并对该第二纤芯上产生的后向传输的散射参考信号和散射测量信号进行空间域上的倒序处理。

其中，结合图6所示，以传感基带中性面的中心点为原点，建立在光纤横截面上的笛卡尔坐标系，所述信号接收解调装置针对该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯中每个纤芯，按照以下公式获得其弯曲应变信息ε_i：

其中ε_i表示第i纤芯的弯曲应变，i的取值为1、2和3，d_i表示第i纤芯到弯曲中性面的距离，R_i表示第i纤芯的弯曲半径，κ_i表示第i纤芯的弯曲曲率，θ_b表示传感基带弯曲方向与y轴的角度，θ_i表示第i纤芯与过原点的中心连线与y轴的角度。需要说明的是，当光纤发生形变时，若第i纤芯受到拉伸形变，则d_i为正值，反之若第i纤芯受到压缩形变，则d_i为负值。第i纤芯的弯曲曲率可以表示为κ_i＝1/R_i＝ε_i/[rcos(θ_b-3π/2-θ_i)]，从表达式可以看出，弯曲曲率κ只和弯曲应变应力ε和纤芯到原点的距离r有关。

此外，所述信号接收解调装置根据该弯曲应变信息，按照以下步骤进行该待测物的三维形状重构：

针对该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯中的每个纤芯，将其对应位置处的表观弯曲曲率表示为

其中k_app，i表示第i纤芯的表观弯曲曲率，ε_i表示第i纤芯的弯曲应变，θ_i表示第i纤芯与过原点的中心连线与y轴的角度，j,k分别对应于y轴和z轴的单位向量；

将该传感基带对应位置处的表观弯曲曲率表示为：

其中M＝3；

将该传感基带对应位置处的实际弯曲曲率表示为：

其中N表示设定的传感基带传感点的个数，r表示各个纤芯到原点的距离；

将该传感基带对应位置处的弯曲方向表示为：θ＝angle(k_app)；

分别计算出该传感基带上N个传感点对应位置处的实际弯曲曲率和弯曲方向后，获得离散序列κ(n)和θ(n)，n为0<n<N的整数且表示第n个传感点，N为传感基带上设定的传感点的总个数；

将离散序列κ(n)和θ(n)拟合为与该传感基带的长度s相关的平滑函数κ(s)和θ(s)，其中0≤s≤L,L是传感基带的总长度；

将κ(s)和τ(s)带入Frenet-Serret框架：

计算出T(s)，N(s)，B(s)，其中τ(s)＝θ′(s)，为平滑函数θ(s)的导数；

利用切线函数T(s)的积分重构出三维曲线的形状：

r＝∫T(s)ds+r(0)

其中r为三维曲线的向量形式，r(0)为曲线在空间的初始物理位置，r(0)＝(x₀,y₀,z₀)＝(0,0,0)。图7为基于本发明三维重构算法模拟出的螺旋曲线。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种分布式光纤三维形状快速重构装置，其特征在于，包括激光光源、传感基带、待测物和信号接收解调装置，所述传感基带包括相互平行且等长的第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯，其中该第一纤芯的首端通过第一连接段分别与该激光光源、信号接收解调装置连接，尾端通过第二连接段与该第二纤芯的首端连接，该第二纤芯的尾端通过第三连接段与该第三纤芯的首端连接，该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的中心轴围成一个正三棱柱，且三者之间的位置关系通过固定结构进行固定；该传感基带设置在该待测物上；

所述激光光源用于产生激光信号，该激光信号依次传输给第一连接段、第一纤芯、第二连接段、第二纤芯、第三连接段和第三纤芯，该激光信号在传输过程中产生后向传输的散射信号，所述散射信号包括瑞利散射信号或布里渊散射信号，该信号接收解调装置对该待测物在初始状态下，该激光信号传输过程中产生的散射参考信号以及该待测物在测量状态下，该激光信号传输过程中产生的散射测量信号进行采集；所述信号接收解调装置根据该散射参考信号和散射测量信号，进行该待测物的三维形状重构；

所述传感基带包括相互平行且等长的第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤和记忆合金丝，所述第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯分别为第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤中的纤芯，圆柱形的该记忆合金丝位于该第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤内，其中心轴与该正三棱柱的中心轴重叠，且分别与该第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤外切，采用粘合剂对该记忆合金丝、第一单模光纤、第二单模光纤和第三单模光纤进行浇筑固定，形成圆柱形的传感基带。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤三维形状快速重构装置，其特征在于，所述第一连接段、第二连接段和第三连接段为普通的单模光纤，所述记忆合金丝为镍铬记忆合金丝，所述粘合剂为胶水。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤三维形状快速重构装置，其特征在于，所述信号接收解调装置对所述散射参考信号和散射测量信号进行解调，分别获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的波长漂移曲线；根据所述波长漂移曲线，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲曲率；根据所述弯曲曲率，获得该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯的弯曲应变信息；根据该弯曲应变信息，进行该待测物的三维形状重构。

4.根据权利要求3所述的分布式光纤三维形状快速重构装置，其特征在于，所述信号接收解调装置在对所述散射参考信号和散射测量信号进行解调之前，还包括：将该第一连接段、第二连接段和第三连接段上产生的后向传输的散射参考信号和散射测量信号剔除，并对该第二纤芯上产生的后向传输的散射参考信号和散射测量信号进行空间域上的倒序处理。

5.根据权利要求3所述的分布式光纤三维形状快速重构装置，其特征在于，所述信号接收解调装置针对该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯中每个纤芯，按照以下公式获得其弯曲应变信息ε_i：

以传感基带中性面的中心点为原点，建立在光纤横截面上的笛卡尔坐标系，其中ε_i表示第i纤芯的弯曲应变，i的取值为1、2和3，d_i表示第i纤芯到弯曲中性面的距离，R_i表示第i纤芯的弯曲半径，κ_i表示第i纤芯的弯曲曲率，θ_b表示传感基带弯曲方向与y轴的角度，θ_i表示第i纤芯与过原点的中心连线与y轴的角度。

6.根据权利要求3所述的分布式光纤三维形状快速重构装置，其特征在于，所述信号接收解调装置根据该弯曲应变信息，按照以下步骤进行该待测物的三维形状重构：

针对该第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯中的每个纤芯，将其对应位置处的表观弯曲曲率表示为

以传感基带中性面的中心点为原点，建立在光纤横截面上的笛卡尔坐标系，其中κ_app，i表示第i纤芯的表观弯曲曲率，ε_i表示第i纤芯的弯曲应变，θ_i表示第i纤芯与过原点的中心连线与y轴的角度，j，k分别对应于y轴和z轴的单位向量；

将该传感基带对应位置处的表观弯曲曲率表示为：

其中M＝3；

将该传感基带对应位置处的实际弯曲曲率表示为：

其中N表示设定的传感基带传感点的个数，r表示各个纤芯到原点的距离；

将该传感基带对应位置处的弯曲方向表示为：θ＝angle(κ_app)；

分别计算出该传感基带上N个传感点对应位置处的实际弯曲曲率和弯曲方向后，获得离散序列κ(n)和θ(n)，n为0＜n＜N的整数且表示第n个传感点，N为传感基带上设定的传感点的总个数；

将离散序列κ(n)和θ(n)拟合为与该传感基带的长度s相关的平滑函数κ(s)和θ(s)，其中0≤s≤L，L是传感基带的总长度；

将κ(s)和τ(s)带入Frenet-Serret框架：

计算出T(s)，N(s)，B(s)，其中τ(s)＝θ′(s)，为平滑函数θ(s)的导数；

利用切线函数T(s)的积分重构出三维曲线的形状：

r＝∫T(s)ds+r(0)

其中r为三维曲线的向量形式，r(0)为曲线在空间的初始物理位置，r(0)＝(x₀，y₀，z₀)＝(0，0，0)。

7.根据权利要求1所述的分布式光纤三维形状快速重构装置，其特征在于，所述第一纤芯、第二纤芯和第三纤芯为普通的完整纤芯。

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