[发明专利]一种基于动态BOTDA的逐芯扫描式多芯光纤形状传感器

说明书

本发明提供的是一种基于动态BOTDA的逐芯扫描式多芯光纤形状传感器。它由多芯光纤，多芯光纤Fan‑in器件，多芯光纤Fan‑out器件，两个光开关和连接各个部件的单模光纤组成。在多芯光纤的两端都依次连接有一个多芯光纤Fan‑in/out器件和光开关，通过两个光开关的控制，能够使得光波在多芯光纤的各个纤芯内逐芯扫描，从而获得每个纤芯各自的形变信息。本发明可用于动态BOTDA传感系统的形状传感器件，可广泛用于智能结构的健康监测，还可用于机器人或者飞机机翼的蒙皮结构，实时检测其形状变化。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于动态BOTDA的逐芯扫描式多芯光纤形状传感器，可用于智能结构的健康监测，还可用于机器人或者飞机机翼的蒙皮结构，实时检测其形状变化，属于分布式光纤形变传感技术领域。

(二)背景技术

光纤形变传感是一种分布式传感技术，它利用光纤局部应变产生的后向散射信号来探测光纤的弯曲和扭转等信息，然后对这些信息进行处理以重构光纤的空间形变。这种技术在医疗、能源、国防、航空航天、结构安全监测以及其它智能结构等领域具有广泛的应用价值。而在航空航天领域，光纤智能结构已应用于自适应机翼、智能蒙皮、振动噪声控制以及智能结构健康监测等领域的研究。1979年5月，美国国家航空航天局(NASA)哥达德空间飞行中心提出“光纤机敏结构与蒙皮”计划，将光纤传感器植入飞行器的复合材料蒙皮中，构建光纤智能结构，监测应变和温度参数，使得飞行器和关键构件具有自检测、自诊断、自监控、自适应等功能，该计划开创了智能结构(Intelligent Structures)研究的先河。随后，美国空军项目“预测II”计划提出，21世纪的美国空军飞机及空间系统将在飞行器结构与蒙皮中植入集成阵列传感器、执行器，构建新型“机敏结构与蒙皮”，用于对飞行器的外部负载、内部温度、应力应变、裂纹及其扩展、损伤及失效等进行在线、动态、主动的监测，以保证飞行更加安全、可靠、经济。

分布式布里渊光纤传感因具有分布式应变和温度的测量能力，以及在结构健康监测领域的重要应用而受到广泛的研究。在多种传感方案中，布里渊光时域分析技术(BOTDA)具有信噪比好、空间分辨率高、传感距离远等优点，受到广泛关注。但是，传统的BOTDA系统需要比较费时的平均和扫频过程，只适宜进行静态或缓慢的应变测量。为了提升BOTDA系统的动态分布式传感性能，各国研究人员提出了很多改进方案：偏振补偿技术、光学捷变频技术、斜坡法、光学啁啾链技术、光学频率梳技术等。哈尔滨工业大学的董永康研究团队采用差分脉宽对的方法，有效的提高了BOTDA系统的空间分辨率(Dong Y，Ba D，Jiang T，etal.High-Spatial-Resolution Fast BOTDA for Dynamic Strain Measurement Based onDifferential Double-Pulse and Second-Order Sideband of Modulation[J].IEEEPhotonics Journal，2013，5(3)：2600407-2600407.)。

基于高分辨率的动态BOTDA系统，为了实现弯曲、扭转等形状变化的传感探测，还需要有结构简单、形状变化传感信息完备、集成度高的光纤形状传感器这一核心器件。

将布里渊光纤传感技术与多芯光纤相结合，国内外研究者在多芯光纤形状传感方面开展了卓有成效的探索与研究。2015年，Yosuke Mizuno等人研究了七芯光纤的边芯和中间芯在布里渊散射测量中对应变和温度的感知系数不同，指出了多芯光纤用于应变和温度传感的可能性(Mizuno Y，Hayashi N，Tanaka H，et al.Brillouin scattering in multi-core optical fibers for sensing applications[J].Sci Rep，2015，5：11388.)。专利CN103438927B中采用多芯光纤作为分布式传感器件，但是其只是将多芯光纤的多个纤芯作为多个传输通道，起到了多次测量的作用，并不能用于作为形状的实时传感。

(三)发明内容