《基於多芯光纖的高精度三維姿態測量關鍵技術研究》是依託重慶大學，由尹國路擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於多芯光纖的高精度三維姿態測量關鍵技術研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：尹國路
- 依託單位：重慶大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
三維姿態測量在微創手術器械的跟蹤定位、飛行器疲勞損傷的形變預警、連續體機器人的運動軌跡控制等工程領域具有重要作用，其中跟蹤定位精度、軌跡精確重構、實時監測能力是三維姿態測量的核心參數。光纖感測由於具有抗電磁干擾、易復用、測量快、靈敏度高等優點，非常適合於三維姿態測量，但目前光纖姿態測量技術的跟蹤定位和軌跡重構精度還局限在厘米量級，遠達不到微創醫療和智慧型結構監控等領域的要求。多芯光纖具有多維度、多參數分散式感測能力，可為軌跡矢量空間的建立提供保障。為此，結合項目組在多芯光纖器件製作和分散式光纖感測等技術方面的基礎，本項目提出了基於多芯光纖瑞利背向散射的高精度、分散式三維姿態測量關鍵技術研究，擬通過光頻域分析技術提高分散式參數測量的空間解析度，建立從測量參數到三維姿態表征的反演模型，最終實現一種具有毫米重構精度的三維姿態測量技術。
結題摘要
三維姿態測量在微創手術器械的跟蹤定位、飛行器疲勞損傷的形變預警、連續體機器人的運動軌跡控制等工程領域具有重要作用，其中跟蹤定位精度、軌跡精確重構、實時監測能力是三維姿態測量的核心參數。本項目主要開展了高精度、分散式光纖形狀關鍵技術研究。 （1）在搭建形狀感測系統的基礎上，提出局域互相關方法，解決傳統互相關計算存在多峰偽峰問題。該方法摒棄了使用整段頻譜進行互相關的傳統方法，採用基於局部頻譜更為相似的原理，計算局部頻譜的歐氏距離，然後根據此距離來判斷波長漂移值。採用該方法進行了裸纖應變和貼上在鋼尺上的彎曲測量，其空間解析度為1cm，應變靈敏度為1.26pm/微應變，彎曲靈敏度為216 pm/m-1。 （2）提出了一種溫度不敏感的光纖形狀感測方法，採用微元累積積分的重構原理，實現了橋型、水滴形、S形等複雜的二維形狀的測量，單位長度重構誤差可以控制在3%以內。結合計算機成像技術，設計開發了一套二維形狀重構客戶端，實現可視化操作。 （3）我們提出一種基於螺旋七芯光纖的方向可識別的高靈敏度扭曲感測器。光纖扭轉時產生剪下應力，當扭轉方向與固有旋向一致時，瑞利散射光譜波長向正向漂移，其靈敏度為1.04pm/(rad/m)；當扭轉方向與固有旋向相反時，瑞利散射光譜波長向負向漂移，其靈敏度為0.50pm/(rad/m)。從而實現扭轉方向的識別。然而，中心光纖幾乎不存在剪下應力，因此無論正反如何扭轉光纖，波長始終穩定不變。 （4）我們提出了一種基於單模光纖在纖馬赫-曾德爾干涉儀的強度調製型扭曲感測器。採用CO2雷射器在單模光纖一端產生非圓對稱的微擾，從而激發非圓對稱的包層模式，並與第二處微擾的纖芯模發生干涉。為了識彆扭轉方向，在兩處微擾之間設計了一個初始扭轉角度。實驗和理論都表明，當光纖從逆時針方向扭轉到順時針方向旋轉時，光譜的波峰/波谷分別逐漸轉變為了波谷/波峰。該強度調製型扭曲感測器在-50 to 50 rad/m範圍內實現了靈敏度為45.3%/(rad/cm)的可以識別方向的扭曲測量。
