【摘 要】
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形状传感(Shape Sensing)技术通过长期实时的形状监测,广泛应用于交通、通信、能源电力、航空航天、边界安防等领域,给国家和人们的生命财产安全提供保障。光纤形状传感(Fiber Optic Shape Sensing)技术依靠高空间分辨率和高精度等优势,近些年来逐渐成为研究人员的研究热点,特别是基于光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)的光纤形状传感正在介入医疗、变体飞行器等应用上发挥着重要的作用。但是目前该传感技术依旧存在不少的问题
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形状传感(Shape Sensing)技术通过长期实时的形状监测,广泛应用于交通、通信、能源电力、航空航天、边界安防等领域,给国家和人们的生命财产安全提供保障。光纤形状传感(Fiber Optic Shape Sensing)技术依靠高空间分辨率和高精度等优势,近些年来逐渐成为研究人员的研究热点,特别是基于光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflectometry,OFDR)的光纤形状传感正在介入医疗、变体飞行器等应用上发挥着重要的作用。但是目前该传感技术依旧存在不少的问题和挑战,如在环境因素的影响下,瑞利散射信号中的有用信息很容易被“淹没”;自然条件下多芯光纤内部会发生扭转,造成测量瑞利散射信号时会与弯曲发生混淆,导致出现错误的形状传感结果等。
本文针对以上问题和挑战,开展研究工作如下:
1.提出一种局部频谱匹配算法。通过移动匹配局部频谱窗,并采用平均欧氏距离作为新的评判标准,进一步改善OFDR的信噪比、空间分辨率和应变分辨率等,可以解决传统全局频谱互相关算法出现的多峰、伪峰问题。实验结果表明该算法具有在寻找波长漂移时具有更高的准确性,为后续的光纤形状传感提供理论支撑。
2.设计一种二维形状传感器,搭建光纤二维形状传感系统来测量光纤二维形状。通过探究光纤在拉伸和挤压两种形式的应变下瑞利散射频谱的漂移,曲率灵敏度系数的标定值在0~20m-1的弯曲曲率范围内的线性拟合相对误差为1.8%。结合二维形状重构算法,最终在1米长光纤的形状传感实验中,实现0.95厘米的空间分辨率,形状重构的相对误差小于1%,还验证该传感器具有温度不敏感的特性。通过光纤二维形状传感系统的搭建和二维形状传感的研究为光纤三维形状传感提供器件基础。
3.建立基于Frenet-Serret框架的光纤三维形状传感的数学物理模型。利用七芯光纤的纤芯规则分布的特点,通过测量不同纤芯的波长漂移,最终实现50m-1的最大弯曲曲率以及0~360°偏转角的测量,结合三维形状重构算法,精准还原出多种三维形状,充分体现出多芯光纤在三维形状传感中集成度高的优势。
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