[發明專利]一種高靈敏度高精度的光纖形狀傳感測量方法及系統

有效

• 申請號: 201710195526.3
• 申請日: 2017-03-29
• 公開（公告）號: CN106949850B
• 公開（公告）日: 2019-05-24
• 發明（設計）人: 董永康;傅程;陳曦;張聃旸
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 北京天奇智新知識產權代理有限公司 11340
• 代理人: 范光曄

本發明提供了一種高靈敏度高精度的光纖形狀傳感測量方法及系統。方法中，將形狀傳感器分成若干段，每一段的布里淵頻移改變量做平均，求出其對應曲率作為該段的彎曲曲率，這樣每一段的曲率都能夠求出來，這樣我們就得到了一段一段等弧長的圓弧在圓弧進行拼接前，先選定起始段端點的坐標及其切線方向，然后需要對圓弧的彎曲方向進行判定，然后將這一系列圓弧上一段的尾端和下一段的首端連接起來，連接點處保持切線方向相同，這樣就完成了整體形狀的還原。系統包括：激光器、50:50耦合器、偏振控制器一、任意函數發生器、電光調制器一、摻餌光纖放大器、環形器、濾波器、傳感器、光電探測器、數據采集卡、隔離器、電光調制器二、微波源和偏振控制器二。

技術領域

本發明涉及一種高靈敏度高精度的光纖形狀傳感測量方法及系統，屬于光纖形狀傳感測量方法及系統技術領域。

背景技術

隨著20世紀60年代在光纖損耗方面出現巨大突破，光纖作為一個有效可靠的光傳輸介質，廣泛應用于通信和傳感領域。普通光纖主要成分為SiO2，其原材料豐富，制造成本低；由于其相對于常用金屬傳感器和電纜，密度小，因此在同等距離下，具有更小的體積，更輕的質量，有利于敷設和集成。而且光纖還具有抗電磁干擾、電絕緣性良好、穩定性好等等諸多優點，在傳感領域具有電學傳感器無法比擬的優勢，在國防軍事、航空航天、深海探測、工業控制、土木建筑等諸多領域具有廣泛應用。

分布式光纖傳感技術是利用光纖沿線光波分布的參量，同時獲得在傳感區域內被測量隨時間和空間變化的分布信息，是一種可以長距離、大范圍使用的連續傳感技術。光纖某處的布里淵散射頻移量取決于該位置處所受到的溫度和應變。溫度和應變的改變會使布里淵頻移發生變化，通過多次測量光纖各處的頻移值，就能得到光纖沿線的溫度和應變分布情況。經過幾十年的發展，在傳感距離和傳感精度上都已經達到了很高的水平，并且技術已經十分成熟，具有空間分辨率高、測量精度高、傳感距離長等等優點。2012年YongkangDong等人利用差分脈沖對布里淵光時域分析技術在2km的光纖上實現了2cm的空間分辨率(Dong Y,Zhang H,Chen L,et al.2cm spatial-resolution and 2km range Brillouinoptical fiber sensor using a transient differential pulse pair[J].Appliedoptics,2012,51(9):1229-1235)。

光纖形狀傳感技術是利用集成在光纖上的多個應變傳感器采集數據，然后通過特定的算法進行處理和還原。從基本的彎曲曲率傳感到單個彎曲傳感，發展到現在，已經發展到如何對整個形狀進行傳感還原的程度。2006年美國Luna公司在1.1m光纖上蝕刻FBG(光纖光柵，Fiber Bragg Grating)，結合光頻域反射技術(Optical Frequency DomainReflectometry)實現了光纖形狀傳感(Duncan R G,Raum M T.Characterization of afiber-optic shape and positionsensor[C].Smart Structures andMaterials.International Society for Optics andPhotonics,2006:616704-616704-11)。申請公布號為CN105423944A、申請公布日為2016年3月23日的中國專利“一種分布式光纖曲率傳感器”，申請公布號為CN105371781A、申請公布日為2016年3月2日的中國專利“一種三維形狀測量方法”，申請公布號為CN105371785A、申請公布日為2016年3月2日的中國專利“一種曲率測量方法”，他們提出基于布里淵散射的分布式測量系統采集獲得了空間分辨率為20cm的應變數據。

對于現有的光纖形狀傳感器，多數都是基于干涉式的(光纖光柵、馬赫增德爾干涉儀等等)無法進行全分布式的監測，其多是對光纖進行處理，過多的處理會使得光纖的損耗急劇增大，傳感距離受到了很大的限制。長距離傳感方面提出的技術空間分辨率(≥20cm)不足以應對某些彎曲半徑小的場景，存在短板。

發明內容