[发明专利]基于三芯光纤扭曲补偿的三维位姿恢复方法

说明书

本发明涉及一种基于三芯光纤扭曲补偿的三维位姿恢复方法，它包括如下步骤：步骤1：得出光纤内部扭转标定测量实验下的三芯光纤光栅阵列弯曲方向角及弹光系数；步骤2：任意设定三芯光纤光栅阵列的形态，得到对应的三芯光纤光栅阵列分布式曲率和弯曲方向角；步骤3：得到不受三芯光纤光栅阵列内部扭转影响的光纤形态旋转角，并修正由三芯光纤光栅阵列内部扭曲导致的三芯光纤光栅阵列的伸长量变化；步骤4：得到光纤的位姿曲线。该方案用于解决三芯光纤光栅阵列在传感过程中由于封装产生的扭转导致的误差。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于三芯光纤扭曲补偿的三维位姿恢复方法。

背景技术

三维位姿恢复研究在医学图像、工程形态检测、图像分析中具有重要意义，尤其是在临床医学中的非视觉结构形态测量方面发挥着非常重要的作用。但传统医学成像技术包括超声成像、X射线计算机断层扫描(CT)以及核磁共振成像(MRI)等，都存在精度不高、不能实时、多局限于2D图像以及存在高剂量辐射等缺点。因此，对高速、精确、实时的三维位姿恢复方法进行研究，具有重要的意义和实际使用价值。

目前，基于光纤光栅的三维位姿恢复方法得到了广大学者和研究员的青睐。2016年，Francois Parent等人提出了一种基于布拉格光纤光栅的三维形状传感器，通过布拉格光纤光栅采集获取到的弯曲扭转信息，进行三维曲线还原。但是，该方法是通过三根光纤的胶合来产生三角传感结构阵列，胶合过程中无法保证三根光纤始终保持固定角度，且引起光纤的扭转与不均匀受力，从而导致较大的还原误差(参考文献1：Parent F,Mandal K K,Loranger S,et al.3D shape tracking of minimally invasive medical instrumentsusing optical frequency domain reflectometry[C]//Medical Imaging 2016:Image-Guided Procedures,Robotic Interventions,and Modeling.International Societyfor Optics and Photonics,2016.)。为解决光纤之间的角度误差，美国NASA研究中心于2015年提出并完成了一种基于三芯光纤的三维传感方法，通过Frenet-Serret方程理论成功还原出三芯光纤的扭曲姿态，但文中提出外部封装导致的扭转问题是光纤形态还原误差的主要来源(参考文献2：Moore J P.Shape sensing using multi-core fiber[C]//Optical Fiber Communications ConferenceExhibition.IEEE,2015.)。2017年，赵志勇等人提出了一种基于布里渊散射的七芯光纤形态恢复方法成功还原出5米长度的光纤的形态，但由于其信噪比较差并受限于解调精度，只能恢复出光纤形态的大致走势，位置误差极大(参考文献3：Zhao Z,Soto M A,Tang M,et al.Demonstration of distributed shapesensing based on Brillouin scattering in multi-core fibers[C]//Optical FiberSensors Conference.IEEE,2017.)。2017年，David Barrera等人研究了基于多芯光纤的长周期光纤光栅的传感特性，其结果表明三芯光纤的扭转对其应变测量产生的影响可达15nm，相当于250uε所引发的波长漂移量(参考文献4：Barrera D,Madrigal J,SalesS.Long period gratings in multicore optical fibers for directional curvaturesensor implementation[J].Journal of Lightwave Technology,2017:1-1.)。