CN115950372B - 一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光纤形状传感测量技术领域，尤其涉及一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统及方法。该分布式多维传感光纤形状传感测量方法包括获取参考信号，其中，参考信号包括多维传感光纤在初始状态下的后向瑞利散射信号；获取测量信号，其中，测量信号包括多维传感光纤在目标状态下的后向瑞利散射信号；基于参考信号和测量信号的互相关求解多维传感光纤若干等弧长的目标状态相对初始状态的偏移量；根据偏移量，确定多维传感光纤的弯曲曲率；根据弯曲曲率以及若干等弧长，确定等弧长中的每个等弧长对应的圆弧；将若干等弧长对应的圆弧依次拼接，组成目标状态下多维传感光纤的形状。本申请提供的技术方案，能够实现大范围的分布式多维形状测量。

Description

一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统及方法

技术领域

本申请涉及光纤形状传感测量技术领域，尤其涉及一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统及方法。

背景技术

多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，传统的多维形状传感测量方法利用激光扫描或机器视觉等非接触式光学检测技术进行形状传感测量，对测量环境有较高要求，并且在一些恶劣环境或大范围的场合也难以实施。例如：在航空航天领域，传统的测量仪器无法对飞机或者航天器进行完整的测量，需要逐个位置测量，再将测量的结果进行组合，形成完整的飞机或者航天器形状测量数据。另外，传统的测量仪器在工作时涉及电信号，而电信号在易燃易炸的恶劣环境中使用，会受到限制，甚至无法工作。

此外，在长距离管道的形状监测中，管道形状的微小变化，预示着管道在将来可能会出现破损等问题。此种情况下，需要有较高应变灵敏度的测量仪器来测量管道的应变情况。现有的测量仪器，既无法对长距离管道进行测量，也不具有较高的灵敏度以监测管道的应变情况。

因此，亟需一种能够适应大范围监测物体的形状，并且灵敏度稿的分布式形状传感测量方法。

发明内容

本申请一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统及方法，能够解决现有形状传感测量的方法，无法应用在大范围场合的问题。

本申请一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法，所述方法包括：

获取参考信号，其中，所述参考信号包括多维传感光纤在初始状态下的后向瑞利散射信号；

获取测量信号，其中，所述测量信号包括多维传感光纤在目标状态下的后向瑞利散射信号；

基于所述参考信号和所述测量信号的互相关求解所述多维传感光纤若干等弧长的所述目标状态相对所述初始状态的偏移量；

根据所述偏移量，确定所述多维传感光纤的弯曲曲率；

根据所述弯曲曲率以及若干所述等弧长，确定所述等弧长中的每个等弧长对应的圆弧；

将若干所述等弧长对应的所述圆弧依次拼接，组成所述目标状态下所述多维传感光纤的形状。

在可实施的一种方式中，所述根据所述偏移量，确定所述多维传感光纤的弯曲曲率的步骤，包括：

确定所述弯曲曲率与所述多维传感光纤的应变之间的关系；

确定所述偏移量与所述应变之间的关系；

根据所述弯曲曲率与所述应变之间的关系以及所述偏移量与所述应变之间的关系，求解所述弯曲曲率。

在可实施的一种方式中，所述弯曲曲率的计算公式为：

其中，κ为弯曲曲率，ΔV为偏移量，C_ε为后向瑞利散射偏移应变系数，L_i为多维传感光纤的纤芯距离中性轴的距离。

在可实施的一种方式中，所述根据所述弯曲曲率以及若干所述等弧长，确定所述等弧长对应的圆弧的步骤，包括：

获取所述多维传感光纤的起始端点的坐标，以及所述起始端点的切线方向；

根据所述起始端点的坐标和切线方向，确定所述圆弧的弯曲方向θ，其中：

θ＝angle(κ)。

在可实施的一种方式中，所述将若干所述等弧长对应的所述圆弧依次拼接，组成所述目标状态下所述多维传感光纤的形状的步骤，包括：

获取待拼接的两个圆弧，确定所述两个圆弧的拼接点，其中，所述待拼接的两个圆弧表示若干所述等弧长对应的所述圆弧中，拼接前相邻的两个圆弧；

根据所述拼接点的切线方向，确定所述两个圆弧的拼接形状。

本申请的第二方面提供一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统，应用于前述的方法，所述系统包括：

光源，用于射出窄线宽光信号；

扫频脉冲信号模块，设置在所述光源的下游，用于将射向其的光信号调制为扫频脉冲信号；

多维传感光纤，设置在所述扫频脉冲信号模块的下游，用于在所述初始状态和所述目标状态下，将射向其的所述扫频脉冲信号产生后向瑞利散射信号；

第一环形器，设置在所述多维传感光纤的下游，用于将射向其的所述后向瑞利散射信号传输至采集模块；

所述采集模块，设置在所述第一环形器的下游，用于采集所述后向瑞利散射信号，以得到采样信号和参考信号。

在可实施的一种方式中，所述扫频脉冲信号模块包括：

第一偏振控制器，设置在所述光源的下游，用于改变射向其的光信号的偏振态；

第一电光调制器，设置在所述第一偏振控制器的下游，用于对射向其的所述光信号进行双边带调制，形成频率偏移的光信号；

光纤布拉格光栅，设置在所述第一电光调制器的下游，用于抑制射向其的所述双边带调制的光信号中的一个边带；

第二偏振控制器，设置在所述光纤布拉格光栅的下游，用于改变射向其的已经抑制一个边带的光信号的偏振态；

第二电光调制器，设置在所述第二偏振控制器的下游，用于调制由所述第二偏振控制器射出的光信号，使光信号形成扫频脉冲信号；

第二环形器，在光路上，设置在所述第一电光调制器和所述第二电光调制器之间；所述第二环形器，用于接收所述第一电光调制器射出的光信号，将该光信号传输给所述光纤布拉格光栅，并将所述光纤布拉格光栅返回的信号传输给所述第二电光调制器。

在可实施的一种方式中，还包括波形发生器，所述波形发生器分别与所述第一电光调制器和所述第二电光调制器连接，用于调制经过所述第一电光调制器和所述第二电光调制器的光信号频率。

在可实施的一种方式中，还包括：

第一掺饵光纤放大器，设置在所述扫频脉冲信号模块的下游，用于放大所述扫频脉冲信号，并将放大后的所述扫频脉冲信号传输至所述第一环形器。

在可实施的一种方式中，所述采集模块包括：

第二掺饵光纤放大器，设置在所述第一环形器的下游，用于接收由所述第一环形器射出的所述后向瑞利散射信号；

探测器，设置在所述第二掺饵光纤放大器的下游，用于探测所述后向瑞利散射信号；

采集卡，设置在所述探测器的下游，用于采集所述探测器探测到的所述后向瑞利散射信号。

有益效果：

通过获取多维传感光纤初始状态的后向瑞丽瑞利散射频谱信号作为参考信号。再通过获取多维传感光纤目标状态的后向瑞丽瑞利散射频谱信号，作为测量信号。利用参考信号和测量信号的互相关求解多维传感光纤若干等弧长的目标状态相对初始状态的偏移量。接下来，根据偏移量，确定多维传感光纤的弯曲曲率。再根据确定偏移信息的偏移量。这样，利用偏移量以及目标状态下多维传感光纤等弧长的圆弧对应的弯曲曲率。通过弯曲曲率以及若干等弧长，确定等弧长中的每个等弧长对应的圆弧。最后，将若干等弧长对应的圆弧依次拼接，组成目标状态下多维传感光纤的形状，例如，形成二维或三维的多维传感光纤的形状。上述方法可适用于几公里或者几十公里的形状测量，例如，用于长距离管道及光缆形状监测、大型结构形状变化监测、飞机机翼形状监测等诸多领域的行业检测需求。具有方法简单，易于操作的优点。

另外，以多芯光纤作为传感光纤，对光纤弯曲产生的应变信息进行监测，通过分析后向瑞利散射谱偏信号中偏移量与弯曲曲率之间的关系，完成相应的形状重构，实现沿光纤方向的分布式多维形状测量，应变灵敏度较高，可实现更小形状变化的测量。

此外，构成多维传感光纤的光路简单，无需复杂的器件即可实现物体形状的测量，易于推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法的流程图；

图2为一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法的后向瑞利散射谱频谱偏移量原理图；

图3为一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法的频率偏移示意图；

图4为一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法的确定多维传感光纤的弯曲曲率的流程图；

图5为一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法的确定多维传感光纤位置的流程图；

图6为一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法的圆弧拼接的流程图；

图7为一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统的结构示意图。

附图标记：

1-光源；2-第一偏振控制器；3-第一电光调制器；4-光纤布拉格光栅；5-第二偏振控制器；6-第二电光调制器；7-波形发生器；8-第一环形器；9-第一掺饵光纤放大器；10-第二环形器；11-光开关；12-多维传感光纤；13-第二掺饵光纤放大器；14-探测器；15-采集卡。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为便于对申请的技术方案进行，以下首先在对本申请所涉及到的一些概念进行说明。

多维传感光纤，是指在传感光纤的基础上，能形成多个维度的传感光纤，例如二维或三维。其中，传感光纤是指将非光信号的物理量转变成光信号，经光学纤维感知传递，最后再转换成所测的物理量，用以测量温度、压力、位移、速度、电压、电流和熔液的浓度等物理量的光导纤维。

互相关，是指对两个函数分别作复数共轭和反向平移并使其相乘的无穷积分，或者说：第一个函数依次作复共轭和平移后与第二个函数相乘的无穷积分。互相关运算的结果反映了两个信号之间相似性的量度。特别是对于实函数f(x)和h(x)而言，其相关运算相当于求两函数的曲线相对平移1个参变量x后形成的重叠部分与横轴所围区域的面积。

等弧，是指在同圆或等圆中，能够互相重合的弧叫等弧。等弧长，是指在初始状态下的一段等弧的长度。

后向瑞利散射，是指在光纤中形成瑞利散射后，向入射方向的散射。

本申请提供一种基于扫频相位敏感光时域反射技术的长距离分布式光纤形状传感技术，具体包括一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法，以及一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统。

本申请提供一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法，如图1所示，方法包括：

S100：获取参考信号。

其中，参考信号包括多维传感光纤在初始状态下的后向瑞利散射信号。

具体地，初始状态为多维传感光纤未工作状态。示例性地，初始状态为多维传感光纤未弯曲的状态。在多维传感光纤在未弯曲的状态下获得多维传感光纤的后向瑞利散射信号。

需要说明地是，参考信号携带有初始状态下的多维传感光纤的后向瑞利散射信号。

S200：获取测量信号。

其中，测量信号包括多维传感光纤在目标状态下的后向瑞利散射信号。

具体地，目标状态为多维传感光纤工作状态。示例性地，目标状态为多维传感光纤弯曲一定角度后的状态，如多维传感光纤铺设在被测量物的表面后，多维传感光纤的状态即为目标状态。

需要说明地是，测量信号携带目标状态下的多限位传感光纤的后向瑞利散射信号。

S300：基于参考信号和测量信号的互相关求解多维传感光纤若干等弧长的目标状态相对初始状态的偏移量。

如图2和图3所示，其中，在分别获取到多维传感光纤在初始状态以及目标状态下的参考信号和测量信号后，将参考信号和测量信号互相关，利用互相关求解多维传感光纤中任意的等弧长在目标状态下，图2中，初始状态为实线，目标状态为虚线，利用初始状态和目标状态的比较得到频移，即目标状态相对于初始状态下的偏移量。图3中，初始状态下多维传感光纤的形状无变化，未产生频谱偏移，如图中的实线所示；而在目标状态下多维传感光纤的形状发生变化，产生应变，形成频谱偏移，如图中的虚线所示。利用互相关求解得到初始状态和目标状态多维传感光纤的应变变化情况形成的频谱偏移变化，也就是说利用互相关即可得出目标状态下多维传感光纤频谱的偏移量。

S400：根据偏移量，确定多维传感光纤的弯曲曲率。

其中，如图4所示，确定多维传感光纤的弯曲曲率包括步骤S401至S403。

S401：确定弯曲曲率与多维传感光纤的应变之间的关系。

其中，多维传感光纤在目标状态下，光纤的相对的两侧壁分别为第一侧壁和第二侧壁，第一侧壁表示为光纤壁被拉伸的侧壁，与第一侧壁相对的第二侧壁表示为光纤壁被压缩的侧壁。

其中，多维传感光纤在目标状态下，光纤会产生弯曲，弯曲的光纤壁会形成被拉伸侧和被压缩侧的情况。示例性地，光纤纤芯被拉伸侧和被压缩侧离中性轴的距离分别L1和L2，弯曲后被拉伸侧和被压缩侧的应变分别为ε1和ε2，光纤未弯曲时的长度为d，弯曲后被拉伸侧和被压缩侧的长度分别为d1和d2，弯曲半径为r，侧d1和d2分别表示为：

d1＝(1+ε1)·d (1)

d2＝(1+ε2)·d (2)

几何关系表示为：

联立公式(1)、(2)和(3)可以得出应变与弯曲半径之间的关系：

通过公式(4)和(5)即可得到多维传感光纤的应变与多维传感光纤的目标状态下的弯曲半径之间的关系，用于后续步骤中弯曲曲率的计算。

S402：确定偏移量与应变之间的关系。

其中，如图3所示，在目标状态下光纤弯曲时，利用目标状态相对于初始状态下的瑞利散射频谱偏移信息，通过互相关求解得到瑞利散射频谱的偏移量。瑞利散射频谱偏移量与温度和应变还存在如下关系：

ΔV＝C_T·ΔT+C_ε·Δε (6)

其中，ΔV表示后向瑞利散射频谱偏移量，C_T为后向瑞利散射偏移温度系数，ΔT为温度变化值，C_ε为后向瑞利散射偏移应变系数，Δε为应变变化值。

当外界温度不变时，后向瑞利散射偏移信息只与应变存在对应关系，如下式：

ΔV＝C_ε·Δε (7)

通过公式(7)可知后向瑞利散射频谱与应变变化值成正比关系，若初始状态下，应变为0，则公式(7)可变形为：

ΔV＝C_ε·ε (8)

需要说明地是，外界温度发生变化，ΔT不为0时，且初始状态下应变为0时，偏移量与应变之间的关系的计算公式为：

ΔV＝C_T·ΔT+C_ε·ε (9)

需要说明地是，偏移量与应变之间的关系还会受到外界温度的影响，也就是说，在外界温度影响下，偏移量与应变之间的关系的计算公式为：

当外界温度发生变化时ΔT不为0，因此，偏移量与应变之间的关系利用公式(9)进行计算。相反地，当外界温度未发生变化时ΔT为0，因此，偏移量与应变之间的关系利用公式(8)计算。

S403：根据弯曲曲率与应变之间的关系以及偏移量与应变之间的关系，求解弯曲曲率。

其中，将公式(8)和公式(9)分别与公式(4)和公式(5)联立得到对应的公式。

公式(8)与公式(4)和公式(5)联立后，公式为：

ΔV＝C_ε·L_i·κ (10)

公式(9)与公式(4)和公式(5)联立后，公式为：

ΔV＝C_T·ΔT+C_ε·L_i·κ (11)

根据公式(10)以及公式(11)计算弯曲曲率，也就是说，弯曲曲率的计算包括了外界温度发生变化和未发生变化的两种情况。

外界温度未发生变化时，利用公式(10)得到弯曲曲率计算公式为：

外界温度发生变化时，利用公式(11)得到弯曲曲率计算公式为：

其中，κ为弯曲曲率，L_i为多维传感光纤的纤芯距离中性轴的距离。

通过弯曲曲率的计算公式，将偏移值与弯曲曲率对应，即可求出目标状态下多维传感光纤的任意段对应的弯曲曲率，将每一段的弯曲曲率得出后，即可得到任意段等弧长的圆弧。

S500：根据弯曲曲率以及若干等弧长，确定等弧长中的每个等弧长对应的圆弧。

其中，在前述步骤中得到弯曲曲率以及若干等弧长后，还需要确定多维传感光纤的位置，如图5所示，确定多维传感光纤位置包括步骤S501和S502。

S501：获取多维传感光纤的起始端点的坐标，以及起始端点的切线方向。

其中，在目标状态下，首先确定多维传感光纤的起始端点，并将起始端点置于预设的坐标系中，并在坐标系中确定多维传感光纤起始端点的坐标，再根据弯曲曲率得到起始端点的切线方向，这样，即可将切线方向作为等弧长的偏转角度，来判断圆弧的弯曲方向。

需要说明地是，预设的坐标系可以为二维坐标系或三维坐标系，具体根据被测物体的形状确定，例如平面物体可使用二维坐标系，立体物体可使用三维坐标系。在测量物体前预先构建坐标系，以便将获取到的测量信息放入坐标系中。

S502：根据起始端点的坐标和切线方向，确定圆弧的弯曲方向θ。

其中：圆弧的弯曲方向θ的计算公式为：

θ＝angle(κ)。

利用圆弧的弯曲方向公式，即可计算出每个圆弧的弯曲方向，以便后续步骤中将圆弧进行组合。

S600：将若干等弧长对应的圆弧依次拼接，组成目标状态下多维传感光纤的形状。

其中，得到等弧长对应的圆弧后，对圆弧拼接，圆弧拼接完成后，即可形成最终的多维传感光纤在目标状态下的形状。

具体地，圆弧拼接包括步骤S601和S602。

如图6所示，S601：获取待拼接的两个圆弧，确定两个圆弧的拼接点。

其中，待拼接的两个圆弧表示若干等弧长对应的圆弧中，拼接前相邻的两个圆弧。

具体地，将若干等弧长对应的圆弧顺序排序，得到拼接前相邻的两个圆弧，根据圆弧的切线以及坐标得到圆弧的偏转角。接下来将两个圆弧中的一个圆弧的尾端以及另一个圆弧的首端作为拼接点。

S602：根据拼接点的切线方向，确定两个圆弧的拼接形状。

其中，根据相邻两个圆弧中一个圆弧的尾端以及另一个圆弧的首端的两个拼接点的切线方向，确定两个圆弧拼接形状。接下来，将两个圆弧拼接。

以多维传感光纤起始端点为例，进行示例性地说明：根据多维传感光纤的起始端点的坐标得到第一圆弧，根据第一圆弧的弯曲方向作为偏转角，确定第一圆弧在三维空间中的形状。选取与第一圆弧相邻的第二圆弧，将第一圆弧的尾端与第二圆弧的首端作为拼接点，得到第一圆弧尾端的切线方向，以及第二圆弧首端的切线方向，利用两个切线方向确定第一圆弧和第二圆弧在三维空间中的形状，最后将第一圆弧的尾端与第二圆弧的首端进行拼接，即可得到多维传感光纤的第一圆弧与第二圆弧的形状。以此类推，顺序依次的对圆弧进行拼接，即可得到多维传感光纤目标状态下的形状。这样就完成了多维传感光纤整体形状的还原，从而实现对光纤的二维或三维形状的分布式测量。

本实施例中，利用多维传感光纤对大范围场景中的物体形状进行测量，根据物体的形状选用适合长度的多维传感光纤即可。例如，测量飞机机翼的形状时，可以将多维传感光纤覆盖在飞机机翼的表面。又例如，测量长度为几公里或几十公里的管道时，将多维传感光纤沿管道的长度方向铺设在管道壁上，当管道壁的形状发生改变时，多维传感光纤的形状即发生了改变，进而通过多维传感光纤改变的形状，判断出管道的形状变化。由于后向瑞利散射的灵敏度高，在管道形状发生小幅度变化时，即可被多维传感光纤感知，并测量出来。这样，根据管道的形状变化，判断管道是否处出现故障。

如图7所示，与前述一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法的实施例相对应，本申请还提供了一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统的实施例。该分布式多维传感光纤形状传感测量系统基于分布式多维传感光纤形状传感测量系统构成，包括光源1、扫频脉冲信号模块、多维传感光纤12、第一环形器8和采集模块。

其中，光源1用于射出窄线宽光信号，光源1为窄线宽激光器。例如，激光器采用波长为1550nm的窄线宽激光器作为光源1。

扫频脉冲信号模块设置在光源1的下游，用于将射向扫频脉冲信号模块的光信号调制为扫频脉冲信号。

具体地，扫频脉冲信号模块包括第一偏振控制器2、第一电光调制器3、光纤布拉格光栅4、第二偏振控制器5、第二电光调制器6和第二环形器10。

其中，第一偏振控制器2设置在光源1的下游，改变射向第一偏振控制器2设置的偏振态，使得经过第一偏振器光信号变为偏振光信号。

第一电光调制器3设置在第一偏振控制器2的下游，以双面带调制方式工作，用于对射向其的偏振光信号进行双边带调制，形成频率偏移的光信号，进而实现连续光信号的频率偏移，以便光信号能够更好的光纤中传播。

光纤布拉格光栅4FBG(Fiber Bragg Grating)设置在第一电光调制器3的下游，用于抑制射向其的双边带调制的光信号中的一个边带，使另一个边带的光信号通过，不仅节省发送功率，还节省一半的传输频带。

第二偏振控制器5设置在光纤布拉格光栅4的下游，用于改变射向其的已经抑制一个边带的光信号的偏振态。

利用第二偏振控制器5和第一偏振控制器2分别对光信号进行偏振态的调制，实现最大化电光调制器的消光比。

第二电光调制器6设置在第二偏振控制器5的下游，用于调制由第二偏振控制器5射出的光信号，使光信号形成扫频脉冲信号。

利用第一电光调制器3和第二电光调制器6产生脉冲信号，使得空间分辨率可以达到厘米量级，有效提高测量的准确率。

第二环形器10在光路上，设置在第一电光调制器3和第二电光调制器6之间；第二环形器10用于接收第一电光调制器3射出的光信号，将该光信号传输给光纤布拉格光栅4，并将光纤布拉格光栅4返回的信号传输给第二电光调制器6。

多维传感光纤12设置在扫频脉冲信号模块的下游，用于在初始状态和目标状态下，将射向多维传感光纤12的扫频脉冲信号产生后向瑞利散射信号。多维传感光纤12中的每个光纤均为多芯光纤。

第一环形器8设置在多维传感光纤12的下游，用于将射向第一环形器8的后向瑞利散射信号传输至采集模块。

其中，光信号在多维传感光纤12中形成瑞利散射信号后，向入射方向传输的后向瑞利散射信号经第一环形器8后，改变传输方向，射向采样模块。

采集模块设置在第一环形器8的下游，用于采集后向瑞利散射信号，以得到采样信号和参考信号。采集模块接收到瑞利散射信号后，将采集到的信息传输至指定设备，并在指定设备中形成二维或三维形状的分布式测量数据，将分布式的测量数据组合形成多维传感光纤12的形状。其中，指定设备可包括计算机。

在一个实施例中，分布式多维传感光纤形状传感测量装置还包括波形发生器7，波形发生器7分别与第一电光调制器3和第二电光调制器6连接，波形发生器7调制经过第一电光调制器3和第二电光调制器6的光信号的频率。

其中，波形发生器7分别与第一电光调制器3和第二电光调制器6连接，建立对应的CH1波形通道和CH2波形通道。

当第一电光调制器3以双面带调制方式工作，实现连续光信号的频率偏移时，该调制信号频率范围由波形发生器7通过CH1波形通道设定。例如，调制范围100GHz，步长为20MHz。

当FBG返回的光信号经过第二环形器10和第二偏振控制器5进入第二电光调制器6，产生扫频脉冲信号时，该扫频脉冲信号由波形发生器7通过CH2波形通道进行调制，通过CH2波形通道可设置脉冲重复频率和脉冲宽度。例如，10KHz重复频率，1ns脉冲宽度。

本实施例中，利用波形发生器7对第一电光调制器3和第二电光调制器6的光信号频率进行调整，以便在不同的场景下均能够形成适合的光信号频率。

在一个实施例中，分布式多维传感光纤形状传感测量装置还包括第一掺饵光纤放大器9，设置在扫频脉冲信号模块的下游。第一掺饵光纤放大器9用于放大扫频脉冲信号，并将放大后的扫频脉冲信号传输至第一环形器8。

具体地，第一掺饵光纤放大器9设置在第二电光调制器6的下游，对由第二电光调制器6射出的扫频脉冲信号进行放大，并将放大后扫频脉冲信号传输至多维传感光纤12。利用第一掺饵光纤放大器9能够提高光纤中扫频脉冲信号的传输距离。

另外为了方便对进入多维传感光纤12中的扫频脉冲信号进行控制，在多维传感光纤12的入射端设置光开关11，以便通过光开关11控制进入多维传感光纤12的扫频脉冲信号。

需要说明地是，在多维传感光纤12的入射端设置光开关11的情况下，经过第一掺饵光纤放大器9放大后的扫频脉冲信号首先经过光开关11，然后在进入多维传感光纤12。

在一个实施例中，采集模块包括第二掺饵光纤放大器13、探测器14和采集卡15。

其中，第二掺饵光纤放大器13设置在第一环形器8的下游，第二掺饵光纤放大器13接收由第一环形器8射出的后向瑞利散射信号，并将后向瑞利散射信号放大。

探测器14设置在第二掺饵光纤放大器13的下游，探测器14探测经过第二掺饵光纤放大器13放大后的后向瑞利散射信号，并将后向瑞利散射信号转换为数字信号。

采集卡15设置在探测器14的下游，采集卡15采集经过探测器14转换的数字信号，并将数字信号传输至指定设备。

本实施例中，利用光源1射波长为1550nm的窄线宽光信号，光信号光经过第一偏振控制器2后进入第一光电调制器3，第一电光调制器3以双面带调制方式工作，从而实现连续光的频率偏移，该调制信号频率范围由波形发生器7的CH1波形通道设定；第一电光调制器3产生的光信号经第二环形器10进入光纤布拉格光栅4以抑制一个边带；光纤布拉格光栅4返回的光信号依次经过第二环形器10和第二偏振控制器5进入第二电光调制器6，产生脉冲信号，该脉冲信号由波形发生器通CH2波形通道进行调制，可设置脉冲重复频率和脉冲宽度；第一偏振控制器和第二偏振控制器共同作用，实现最大化电光调制器(电光调制器包括第一电光调制器3和第二电光调制器6)的消光比。之后，产生的扫频脉冲信号经过第一掺饵光纤放大器9进行脉冲放大，并经过第一环形器8和光开关11进入多维传感光纤12，多维传感光纤12测量后，形成后向瑞利散射信号；后向瑞利散射信号沿多维传感光纤12返回经第一环形器8进入第二掺铒光纤放大器13进行放大，由探测器14探测，最后由采集卡15采集。通过上述方式将形成的扫频脉冲信号作用于多维传感光纤12。当多维传感光纤12处于目标状态下，形成后向瑞利散射信号，采集后向瑞利散射信号，以便通过后向瑞利散射信号对测量的物体形状进行还原。准确还原处被测量物体的形状，即使物体形状发生小幅度变化时，也可以被电光调制器产生的厘米量级的空间分辨率的扫频脉冲信号在多维传感光纤12内捕捉到，对应形成小幅度变化后的后向瑞利散射信号，用于测量物体的形状。光路简单，形成光路的器件成本低，易于大范围的推广。

综上所述，本专利申请一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统及方法，利用后向瑞利散射实现在大范围场景内对物体形状的测量。由于后向瑞利散射具有灵敏度高的优点，能够实现物体小形状变化的测量，并且相对于现有的光频域反射技术，具有测量距离远，可以达到公里级，甚至几十公里的形状测量的优点。构成后向瑞利散射的光路结构简单，价格低廉，便于推广。

另外，本申请中利用电光调制器产生脉冲，空间分辨率可以达到厘米量级，测量准确率高。

以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种分布式多维传感光纤形状传感测量系统，其特征在于，所述系统包括：

光源，用于射出窄线宽光信号；

扫频脉冲信号模块，设置在所述光源的下游，用于将射向其的光信号调制为扫频脉冲信号；

多维传感光纤，设置在所述扫频脉冲信号模块的下游，用于在初始状态和目标状态下，将射向其的所述扫频脉冲信号产生后向瑞利散射信号；

第一环形器，设置在所述多维传感光纤的下游，用于将射向其的所述后向瑞利散射信号传输至采集模块；

所述采集模块，设置在所述第一环形器的下游，用于采集所述后向瑞利散射信号；

其中，所述扫频脉冲信号模块包括：

第一偏振控制器，设置在所述光源的下游，用于改变射向其的光信号的偏振态；

第一电光调制器，设置在所述第一偏振控制器的下游，用于对射向其的所述光信号进行双边带调制，形成频率偏移的光信号；

光纤布拉格光栅，设置在所述第一电光调制器的下游，用于抑制射向其的双边带调制的光信号中的一个边带；

第二偏振控制器，设置在所述光纤布拉格光栅的下游，用于改变射向其的已经抑制一个边带的光信号的偏振态；

第二电光调制器，设置在所述第二偏振控制器的下游，用于调制由所述第二偏振控制器射出的光信号，使光信号形成扫频脉冲信号；

第二环形器，在光路上，设置在所述第一电光调制器和所述第二电光调制器之间；所述第二环形器，用于接收所述第一电光调制器射出的光信号，将该光信号传输给所述光纤布拉格光栅，并将所述光纤布拉格光栅返回的信号传输给所述第二电光调制器；

其中，还包括波形发生器，所述波形发生器分别与所述第一电光调制器和所述第二电光调制器连接，用于调制经过所述第一电光调制器和所述第二电光调制器的光信号频率。

2.如权利要求1所述的分布式多维传感光纤形状传感测量系统，其特征在于，还包括：

第一掺饵光纤放大器，设置在所述扫频脉冲信号模块的下游，用于放大所述扫频脉冲信号，并将放大后的所述扫频脉冲信号传输至所述第一环形器。

3.如权利要求1所述的分布式多维传感光纤形状传感测量系统，其特征在于，所述采集模块包括：

第二掺饵光纤放大器，设置在所述第一环形器的下游，用于接收由所述第一环形器射出的所述后向瑞利散射信号；

探测器，设置在所述第二掺饵光纤放大器的下游，用于探测所述后向瑞利散射信号；

采集卡，设置在所述探测器的下游，用于采集所述探测器探测到的所述后向瑞利散射信号。

4.一种分布式多维传感光纤形状传感测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-3中任一项所述的分布式多维传感光纤形状传感测量系统，所述方法包括：

获取参考信号，其中，所述参考信号包括多维传感光纤在初始状态下的后向瑞利散射信号；

获取测量信号，其中，所述测量信号包括多维传感光纤在目标状态下的后向瑞利散射信号；

基于所述参考信号和所述测量信号的互相关求解所述多维传感光纤若干等弧长的所述目标状态相对所述初始状态的偏移量，所述等弧长表示扫频脉冲信号中根据设定的重复频率得到的同脉冲宽度对应的弧长；

根据所述偏移量，确定所述多维传感光纤的弯曲曲率；

根据所述弯曲曲率以及若干所述等弧长，确定所述等弧长中的每个等弧长对应的圆弧；

将若干所述等弧长对应的所述圆弧依次拼接，组成所述目标状态下所述多维传感光纤的形状；

其中，所述根据所述弯曲曲率以及若干所述等弧长，确定所述等弧长对应的圆弧的步骤，包括：

获取所述多维传感光纤的起始端点的坐标，以及所述起始端点的切线方向；

根据所述起始端点的坐标和切线方向，确定所述圆弧的弯曲方向θ，其中：

θ＝angle(κ)；

其中，所述将若干所述等弧长对应的所述圆弧依次拼接，组成所述目标状态下所述多维传感光纤的形状的步骤，包括：

获取待拼接的两个圆弧，确定所述两个圆弧的拼接点，其中，所述待拼接的两个圆弧表示若干所述等弧长对应的所述圆弧中，拼接前相邻的两个圆弧；

根据所述拼接点的切线方向，确定所述两个圆弧的拼接形状。

5.如权利要求4所述的分布式多维传感光纤形状传感测量方法，其特征在于，所述根据所述偏移量，确定所述多维传感光纤的弯曲曲率的步骤，包括：

确定所述弯曲曲率与所述多维传感光纤的应变之间的关系；

确定所述偏移量与所述应变之间的关系；

根据所述弯曲曲率与所述应变之间的关系以及所述偏移量与所述应变之间的关系，求解所述弯曲曲率。

6.如权利要求4所述的分布式多维传感光纤形状传感测量方法，其特征在于，所述弯曲曲率的计算公式为：

其中，κ为弯曲曲率，ΔV为偏移量，C_ε为后向瑞利散射偏移应变系数，L_i为多维传感光纤的纤芯距离中性轴的距离。

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