[发明专利]一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置

权利要求书

1.一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，其特征在于，所述方法具体包括步骤：

步骤一、通过光纤光栅传感分析仪分别测得多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长；

步骤二、根据所测得的多芯光纤在形状改变前后每根纤芯中光纤光栅布拉格中心波长，计算多芯光纤每根纤芯中光纤光栅的最大应变；

步骤三、计算光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度；

步骤四、利用空间曲线理论和插值理论对多芯光纤进行曲率插值和扭转角度插值，求得多芯光纤相邻两个光纤光栅横截面之间多个测量位置的曲率和扭转角度；

步骤五、利用三维重构算法对多芯光纤进行三维形状重构；

步骤六、将重构的多芯光纤在计算机中进行显示，实现多芯光纤三维形状传感测量。

2.如权利要求1所述的基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，其特征在于，所述多芯光纤中包括至少三根纤芯，每根纤芯包括至少两个以上的光纤光栅。

3.如权利要求1所述的基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，其特征在于，步骤三具体计算过程为：

以应变后的三芯光纤为例，每个纤芯中有三个光纤光栅，在三芯光纤上截取一个光纤光栅横截面，每个光纤光栅由于形状改变会产生应变，结合每根纤芯中光纤光栅所产生的应变以及每根纤芯到光纤光栅横截面几何中心的距离r计算出光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度，所述光纤光栅横截面所在位置有以下方程组成立：

式中，ε₁、ε₂和ε₃分别为三个纤芯中光纤光栅所产生的应变，θ₁为光纤光栅横截面的扭转角度；令ε是光纤光栅横截面的最大应变，ε₀是三芯光纤的轴向应变，设纤芯1、纤芯2和纤芯3所在位置分别点A、B、C，光纤光栅横截面的几何中心为点O，则定义AO和BO的夹角Δθ₁₂为纤芯1和纤芯2之间的夹角，BO和CO的夹角Δθ₂₃为纤芯2和纤芯3之间的夹角，Δθ₁₂＝Δθ₂₃＝120°；

三芯光纤在形状改变时若只受弯曲影响，三芯光纤的轴向应变ε₀＝0，光纤光栅横截面所产生的最大应变ε与曲率k的关系为：

ε＝-k·r

式中，纤芯1、纤芯2和纤芯3到光纤光栅横截面几何中心O的距离均为r；因此对于三个纤芯分别有以下方程成立：

ε₁＝-k·rsin(θ₁)

ε₂＝-k·rsin(θ₁+Δθ₁₂)

ε₃＝-k·rsin(θ₁+Δθ₁₂+Δθ₂₃)

根据三个方程中任意两个方程求解三个纤芯上光纤光栅的曲率和扭转角度，并计算平均值，作为当前光纤光栅横截面的曲率和扭转角度；

同理，对三芯光纤中其他位置光纤光栅横截面均按照以上方法进行计算，得到三芯光纤中所有光纤光栅横截面所在位置的曲率和扭转角度。

4.如权利要求1所述的基于多芯光纤的三维形状传感测量方法，其特征在于，步骤四采用线性插值方法，令第p+1个测量位置的曲率为k_p+1，第p个测量位置的曲率为k_p，p＝1,2,…,m-1，m为光纤光栅横截面的数量；在这两个测量位置中间共有e个插值点，每个插值点均对应一个插入测量位置，则这两个测量位置之间的三芯光纤被分为e+1段，此时，插入的第j个插值点对应的插入测量位置的曲率k_j为：

其中，j＝1,2,3...e；通过上式求出任意相邻两个光纤光栅横截面之间测量位置的曲率；同理求出每个测量位置的扭转角度。