[发明专利]基于光纤布拉格光栅物体形状重构的方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅物体形状重构的方法，包括以下步骤：①当待测物体形状发生变化时，通过光谱分析仪测得光纤布拉格光栅的中心波长，将光谱分析仪测量得到的波长漂移量转换为应变值，②将应变值转换为离散曲率值，④根据空间曲线理论和样条插值理论，将各个传感点的离散曲率值连续化，⑤将连续化的弯曲曲率代入Frenet‑serret方程，⑥求得切向量后，不定积分得到待测物曲线形状。本发明的测量精度得到了提高，适应于相邻光纤布拉格光栅传感器距离相对较远的情况下进行测量，该方法可以节约为了增加测量精度而需要增加的光纤布拉格光栅传感器数量。

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种基于光纤布拉格光栅物体形状重构的方法及系统。

背景技术

近几十年来，光纤形状传感技术因其广泛的潜在应用领域而备受关注，如医学、建筑、航空和智能结构系统，包括土木工程中的结构健康监测，用于生物医学目的的可穿戴设备的运动检测，以及软体机器人装置的实时感测。光纤形状传感器研究在过去十年中蓬勃发展，由于其得天独厚的先天固有优势，与传统的电子传感器相比，具有重量轻，体积小，长距离测量传输损耗低，即时响应，免疫电磁干扰，化学惰性和无毒，即作为体内传感器对人体无害的优良特性。光纤形状传感器的独特性能使其成为软体机器人和生物医学应用的理想选择，它在跟踪柔性仪器的路径中发挥着重要作用。

迄今为止，研究人员已经提出了几种基于各种不同技术的形状传感器方案。例如，基于光纤布拉格光栅进行物体形状重构，包括使用具有独特结构的特种光纤以及各种类型的光纤光栅。基于摄影系统验证物体形状,用于比对基于光纤布拉格光栅技术重建出的物体形状。基于加速度传感器和磁传感器技术重建物体形状。基于飞行时间相机重建物体形状。基于视觉系统实时重建物体形状。基于电子透镜和照明扫描技术重建物体形状。基于布里渊光时域分析技术重建物体形状。尽管摄影摄像系统和电传感器方案通常具有比大多数其他技术方案更高的灵敏度，但由于电传感器结构复杂度高和制造成本大，因此并不利于工业生产和大规模应用。而光纤布拉格光栅传感器因其有别于电传感器的先天固有优势正好弥补了形状传感这一研究领域的空缺。

基于光纤布拉格光栅传感技术的物体形状传感器的工作原理是：利用光纤布拉格光栅对外界应变敏感的固有特性，结合光纤布拉格光栅自身的传感机理和物体形状重建算法，通过后期的数据处理，还原出物体的形状。

目前，光纤布拉格光栅传感实验装置主要包含：宽谱光源、环形器、分布式光纤布拉格光栅传感器阵列和光谱分析仪。利用分布式光纤布拉格光栅传感技术就可以在同一根光纤上波分复用多个光纤布拉格光栅传感器，构成分布式光纤布拉格光栅阵列，将光纤布拉格光栅阵列表贴在待测物体表面即可实现待测物形状测量。

因此，大量研究致力于开发基于光纤布拉格光栅的形状传感器。通常这些光纤形状传感器需要光纤布拉格光栅传感器阵列或光纤布拉格光栅传感网络。但是，现有技术中利用分布式光纤布拉格光栅传感技术的测量方法一般都只适用于相邻光纤布拉格光栅传感器距离比较近的情况。如果相邻光纤布拉格光栅传感器之间相距较远，或者要测量的形状复杂性增加，现有的测量方法会对测量精度产生较大的影响。如果要避免该情况发生，则需要大量光纤布拉格光栅传感器使得相邻光纤布拉格光栅传感器之间距离足够近，这样，就会导致投入成本增高。而且，基于波分复用原理，光纤布拉格光栅传感器数量的增加还需要扩大宽谱光源光谱以保证能够解调得到更多的光纤布拉格光栅传感器。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于光纤布拉格光栅物体形状重构的方法，该方法尤其适用于相邻光纤布拉格光栅传感器距离相对较远的情况下，可以大量节约光纤布拉格光栅传感器的数量，降低测量成本。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：.一种基于光纤布拉格光栅物体形状重构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

①当待测物体形状发生变化时，通过光谱分析仪测得光纤布拉格光栅的中心波长，