本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，尤其涉及到一種低成本、高靈敏度扭轉(zhuǎn)方向可識別的光纖形狀傳感器、測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、目前，光纖形狀傳感技術(shù)在醫(yī)療、航空航天、智能機器人和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域的應用越來越成熟。如醫(yī)療領(lǐng)域中連續(xù)體機器人和內(nèi)窺鏡的術(shù)中形狀導航、無人機機翼或機械臂形狀的跟蹤反饋控制及巖土結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測等等。相比于傳統(tǒng)的視覺成像、x射線成像和電磁定位技術(shù)，光纖形狀傳感技術(shù)具備高傳感分辨率、抗電磁干擾、尺寸小易于集成和適用于惡劣環(huán)境的優(yōu)勢?；诠忸l域反射計（ofdr，optical?frequency?domainreflectometer）的光纖形狀傳感技術(shù)具備了抗電磁干擾、分布式、百微米傳感分辨率、毫米甚至亞毫米級形狀誤差的監(jiān)測能力，逐漸成為了該領(lǐng)域的研究熱點。

2、但該技術(shù)在實際應用中仍存在需要克服的難題，多數(shù)應用場景中，被測對象的軸向扭轉(zhuǎn)和多芯光纖形狀傳感器彎曲時的自然扭轉(zhuǎn)會導致傳統(tǒng)的光纖彎曲-應變模型失準，上述扭轉(zhuǎn)帶來的扭轉(zhuǎn)應變和扭轉(zhuǎn)角度使得傳統(tǒng)形狀重構(gòu)算法嚴重失配，形狀跟蹤精度大幅下降。為補償扭轉(zhuǎn)帶來的誤差，形狀傳感中對扭轉(zhuǎn)應變測量的靈敏度通常要求較高，同時扭轉(zhuǎn)帶有方向性，而普通多芯光纖或者光纖束不僅難以實現(xiàn)高精度高靈敏度的扭轉(zhuǎn)應變測量，而且無法識別扭轉(zhuǎn)方向。因此，通過研發(fā)高靈敏度扭轉(zhuǎn)方向可識別的光纖形狀傳感器，用于精準解調(diào)和補償扭轉(zhuǎn)效應是實現(xiàn)高精度形狀監(jiān)測的關(guān)鍵。

3、目前已公開的可識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器包括商用的螺旋多芯光纖和螺旋光纖束。前者是在預制棒拉制多芯光纖過程中增添軸向扭轉(zhuǎn)獲得；后者通過將多根單模光纖進行螺旋型緊密纏繞獲得。上述兩種方案雖然可以識別扭轉(zhuǎn)方向，但其扭轉(zhuǎn)應變測量靈敏度不高。另外，現(xiàn)有的商用螺旋多芯光纖和螺旋光纖束形狀傳感器均需在各纖芯上刻寫連續(xù)弱光柵以增強后向瑞利散射強度，需要進行特殊結(jié)構(gòu)封裝，且可能存在大曲率彎曲引起的反射譜分裂現(xiàn)象，導致其最小彎曲半徑受到一定限制。同時單根形狀傳感器價格成本均超萬元，嚴重限制了光纖形狀傳感的應用范圍。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種高靈敏度可識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器、測量裝置及方法，能夠?qū)εまD(zhuǎn)進行高靈敏度、精準測量和補償，同時大幅降低了高精度光纖形狀傳感器的生產(chǎn)成本。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明首先提出一種高靈敏度識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器，包括一根單模光纖和一根多芯光纖，所述單模光纖螺旋繞制于多芯光纖表面，所述單模光纖的繞制段和繞制段內(nèi)的多芯光纖封裝于柔性材料內(nèi)，所述螺旋單模光纖、多芯光纖的右端均被柔性材料封閉，螺旋單模光纖、多芯光纖的左端同時作為傳感器的光信號輸入和輸出端。

3、進一步的，所述多芯光纖的中間纖芯位于傳感器的中心軸線處。

4、優(yōu)選的，所述螺旋單模光纖的螺距越小，則光纖形狀傳感器的扭轉(zhuǎn)應變測量靈敏度越高。

5、進一步優(yōu)選的，所述螺旋單模光纖與多芯光纖的中心軸線間距越大，則光纖形狀傳感器的扭轉(zhuǎn)應變測量靈敏度越高。

6、基于上述光纖形狀傳感器，本發(fā)明進而提供一種高靈敏度識別扭轉(zhuǎn)方向的測量裝置，包括所述光纖形狀傳感器、扇入扇出器、光開關(guān)、光頻域反射計、數(shù)據(jù)采集處理和顯示設備；所述多芯光纖的輸出端通過所述扇入扇出器接入所述光開關(guān)，所述單模光纖的輸出端接入所述光開關(guān)，所述光開關(guān)的輸出端接入所述光頻域反射計，所述光頻域反射計分別通過采集通道和觸發(fā)通道連接所述數(shù)據(jù)采集處理設備；

7、所述扇入扇出器，用于實現(xiàn)單根多芯光纖到多根單模光纖的光耦合功能；

8、所述光開關(guān)，用于按序切換并詢問傳感器的各纖芯通道；

9、所述光頻域反射計，用于測量螺旋單模光纖和多芯光纖各纖芯的應變分布；

10、所述數(shù)據(jù)采集處理設備，用于進行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后重構(gòu)光纖形狀傳感器的形狀。

11、進一步的，所述測量裝置還包括顯示設備，顯示設備連接所述數(shù)據(jù)采集處理設備的輸出端，用于顯示所述光纖形狀傳感器的重構(gòu)形狀。

12、本發(fā)明同時提供基于上述高靈敏度識別扭轉(zhuǎn)方向的測量裝置的測量方法，包括以下步驟：

13、步驟ⅰ、通過測量螺旋單模光纖和多芯光纖各纖芯的應變曲線，獲得螺旋單模光纖和多芯光纖各纖芯的扭轉(zhuǎn)應變和扭轉(zhuǎn)角度；

14、步驟ⅱ、對多芯光纖形狀進行重構(gòu)前的扭轉(zhuǎn)角度補償和扭轉(zhuǎn)應變補償，得到多芯光纖經(jīng)過扭轉(zhuǎn)補償后的彎曲方向角和彎曲曲率；

15、步驟ⅲ、根據(jù)所述彎曲方向角和彎曲曲率，采用形狀重構(gòu)算法，依次求解出各傳感點的空間坐標，重構(gòu)出扭轉(zhuǎn)補償后傳感器的三維形狀。

16、具體，所述步驟ⅰ具體包括子步驟：

17、1-1）整個傳感器處于平直狀態(tài)時，采集螺旋單模光纖和多芯光纖各纖芯的瑞利散射拍頻信息，作為參考組信號；采集傳感器發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)時的螺旋單模光纖和多芯光纖各纖芯的拍頻信息，作為測量組信號；

18、1-2）對參考組信號和測量組信號采用相干解調(diào)或相位解調(diào)方式，獲得螺旋單模光纖和多芯光纖各纖芯的應變曲線；

19、1-3）從螺旋單模光纖的總應變曲線中準確解調(diào)螺旋單模光纖的扭轉(zhuǎn)應變的分布情況；

20、1-4）由螺旋單模光纖的扭轉(zhuǎn)應變分布得到螺旋單模光纖的扭轉(zhuǎn)角度分布。

21、具體，所述步驟ⅱ具體包括子步驟：

22、2-1）由于同截面內(nèi)螺旋單模光纖和多芯光纖會發(fā)生同步扭轉(zhuǎn)，因此兩者的扭轉(zhuǎn)角度相同，故根據(jù)所述螺旋單模光纖的扭轉(zhuǎn)角度對多芯光纖的扭轉(zhuǎn)角度進行補償；

23、2-2）根據(jù)多芯光纖的扭轉(zhuǎn)角度反推出多芯光纖的扭轉(zhuǎn)應變；

24、2-3）根據(jù)已得到的多芯光纖各纖芯的應變曲線、扭轉(zhuǎn)應變及扭轉(zhuǎn)角度，選取其中合適的多根纖芯構(gòu)成纖芯三元組，建立多芯光纖纖芯三元組的彎曲、扭轉(zhuǎn)-總應變解耦模型；

25、2-4）將多芯光纖的扭轉(zhuǎn)應變和扭轉(zhuǎn)角度帶入模型中進行補償，得到多芯光纖經(jīng)過扭轉(zhuǎn)補償后的彎曲方向角和彎曲曲率。

26、最優(yōu)的，在得到多芯光纖經(jīng)過扭轉(zhuǎn)補償后的彎曲方向角和彎曲曲率后，并對彎曲方向角和彎曲曲率進行插值處理。

27、本發(fā)明的高靈敏度可識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器及測量裝置，采用上述單模光纖螺旋繞制于多芯光纖表面的復合封裝方式，結(jié)合ofdr技術(shù)對光纖形狀傳感器的軸向扭轉(zhuǎn)應變、扭轉(zhuǎn)方向進行測量和補償，實現(xiàn)傳感器或待測物三維形狀的高精度重構(gòu)。該種形狀傳感器相比現(xiàn)有的商用形狀傳感器，不但提升了扭轉(zhuǎn)測量靈敏度，并且能夠?qū)εまD(zhuǎn)應變、扭轉(zhuǎn)方向進行精準測量和補償，同時也大幅降低了高精度光纖形狀傳感器的生產(chǎn)成本。

技術(shù)特征：

1.一種高靈敏度識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器，其特征在于，包括一根單模光纖和一根多芯光纖，所述單模光纖螺旋繞制于多芯光纖表面，所述單模光纖的繞制段和繞制段內(nèi)的多芯光纖封裝于柔性材料內(nèi)，所述螺旋單模光纖、多芯光纖的右端均被柔性材料封閉，螺旋單模光纖、多芯光纖的左端同時作為傳感器的光信號輸入和輸出端。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器，其特征在于，所述多芯光纖的中間纖芯位于傳感器的中心軸線處。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器，其特征在于，所述螺旋單模光纖的螺距越小，則光纖形狀傳感器的扭轉(zhuǎn)應變測量靈敏度越高。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器，其特征在于，所述螺旋單模光纖與多芯光纖的中心軸線間距越大，則光纖形狀傳感器的扭轉(zhuǎn)應變測量靈敏度越高。

5.一種基于權(quán)利要求1所述的高靈敏度識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器的測量裝置，其特征在于，包括所述光纖形狀傳感器、扇入扇出器、光開關(guān)、光頻域反射計、數(shù)據(jù)采集處理和顯示設備；所述多芯光纖的輸出端通過所述扇入扇出器接入所述光開關(guān)，所述單模光纖的輸出端接入所述光開關(guān)，所述光開關(guān)的輸出端接入所述光頻域反射計，所述光頻域反射計分別通過采集通道和觸發(fā)通道連接所述數(shù)據(jù)采集處理設備；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高靈敏度識別扭轉(zhuǎn)方向的光纖形狀傳感器的測量裝置，其特征在于，所述測量裝置還包括顯示設備，所述顯示設備連接所述數(shù)據(jù)采集處理設備的輸出端，用于顯示所述光纖形狀傳感器的重構(gòu)形狀。

7.一種基于權(quán)利要求5所述的測量裝置的測量方法，其特征在于，包括以下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量方法，其特征在于，所述步驟ⅰ具體包括以下子步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的測量方法，其特征在于，所述步驟ⅱ具體包括子步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量方法，其特征在于，在得到多芯光纖經(jīng)過扭轉(zhuǎn)補償后的彎曲方向角和彎曲曲率后，并對彎曲方向角和彎曲曲率進行插值處理。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，公開了一種高靈敏度扭轉(zhuǎn)方向識別的光纖形狀傳感器、測量裝置及方法。光纖形狀傳感器由單模光纖螺旋繞制于多芯光纖表面封裝而成。測量裝置包括光纖形狀傳感器、扇入扇出器、光開關(guān)、光頻域反射計和數(shù)據(jù)采集處理設備。單模光纖作為高靈敏度扭轉(zhuǎn)測量光纖，結(jié)合光頻域反射計實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)方向、扭轉(zhuǎn)應變的高精度解調(diào)，用于補償多芯光纖形狀的扭轉(zhuǎn)誤差，實現(xiàn)傳感器三維形狀的高精度重構(gòu)。本發(fā)明具備扭轉(zhuǎn)測量靈敏度高和可識別扭轉(zhuǎn)方向的優(yōu)良特性，大幅降低了高精度光纖形狀傳感器的生產(chǎn)成本。本發(fā)明可應用于醫(yī)療內(nèi)窺鏡的術(shù)中導航、介入手術(shù)導管形狀監(jiān)測及導航、飛行器和智能機器人的姿態(tài)跟蹤控制及巖土結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測等領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：王亮,徐州,唐明
受保護的技術(shù)使用者：華中科技大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21