科创中国

行业领域

新材料产业,制造业

需求背景

长距离分布式光纤形状传感系统研发及产业化 

 项目简介： 1）技术背景 

 光纤形状传感技术是近年来发展起来的新兴光纤传感技术，光纤形状传感光缆通常由若干路在空间上具有特定排布的光纤紧密排列组合在一起，光纤形状传感利用各个光纤上在变形下的差异化的应变响应，结合空间重构算法来测量光纤形状传感光缆自身或与之相连的被测物体的位置和形状。在光纤形状传感技术中，如何提高测量精度，测量长度以及测量速度是该领域的核心问题。围绕上述几个问题，若干相关技术被研究发展起来。一是形状传感光缆的设计与构型，这是光纤形状传感与被测对象之间的桥梁，也是保证测量精度的关键。二是分布式应变测量方法，现有的空间位置一般是基于不同空间位置的若干根光纤在发生变形时的应变差异来求解的。因此快速地获取光纤在空间上足够密集，准确的应变分布是实现光纤形状传感的基础。第三是空间重构算法，它是联系应变与空间位置的纽带。
2）国内外发展现状 

 基于光纤应变解调技术和空间重构技术的光纤形状传感技术受到国内外学者的青睐，近年来，国内外学者针对光纤形状传感技术做了大量的研究。国际上，2008 年美国海军实验室的Askins 等人将多芯光纤的离轴纤芯设计成螺旋结构，以此解算出外部扭曲。2010 年，美国LUNA 公司利用螺旋多芯光纤作为形状传感器并采用光频域反射系统进行光相位追迹来实现导管空间位置追迹，后来LUNA 公司将该专利转让给美国直觉外科公司(Intuitive Surgical)，后者将该技术应用于微创介入导航系统Ion 中实现商用化产品。2012 年，美国LUNA 公司将多芯光纤形状传感器（30 米总长）布设在柔性结构表面（结构长10米左右），通过重构多芯光纤空间位置获得被测表面，然而，由于LUNA 的形状传感技术是基于光频域反射技术的，也就决定了其最长的传感长度最多为几十米，无法应用于更长距离的测量场合。2015年，美国 NASA 阿姆斯特朗飞行研究中心成功将基于光纤形状传感器的三维形状传感技术应用在火箭运载系统的变形测量上。2014 年，荷兰特温特大学的Roesthuis 等人采用光纤光栅阵列分别实现了对二维平面内单弯曲，二维平面内多弯曲以及三维形状的重构，成功应用于微创手术活检针位置检测和手术操作闭环控制。 国内关于光纤形状传感技术的研究起步较晚，大多都处于实验室研究阶段，未有成功的商用化产品。上海大学研究了基于光纤光栅形变测试技术的智能内窥镜形状重建和可视化的方法 , 实现了基于曲率的曲线形状重建。2016 年华中科技大学的唐明课题组首次验证了多芯光纤中外芯的布里渊频移和光纤曲率之间的线性关系，并利用分布式布里渊光时域分析（BOTDA）技术对多芯光纤分布式曲率进行求解，实现了分辨率为20 厘米的曲率测量。但是受限于多芯光纤扇出接头的影响，反射率较大，只是分别测试了两个纤芯的布里渊增益谱，没有实现多芯的同时测量和解调，也没有构建出光纤的三维形状。哈尔滨工业大学的董永康课题组及华中科技大学的刘德明课题组进一步发展了BOTDA 技术在光纤形状传感的应用。遗憾的是，基于布里渊分布式应变测量的研究在实验结果中均是在实验室条件下对几米的光纤摆成固定曲率和二维形状的重构，均没有给出长距离的整体形状以及三维形状测量结果。 

需解决的主要技术难题

光纤形状传感技术国内发展较慢，未有成熟的商用化产品，国外成熟的技术和产品大多应用于医疗微创手术和中短距离（100米以下）的形状监测，且对国内的应用有很多限制。因此研究开发一种长距离分布式光纤形状传感系统很有必要，我们研究的长距离分布式光纤形状传感系统是采用具有特定空间排列的光纤矩阵光缆作为测量结构，结合空间重构算法，构建光缆空间结构模型，使用长距离分布式光纤应变测量技术测量光缆沿线上光纤矩阵的应变差，最后使用形状还原算法完成计算，得到传感光缆的空间位置和变形信息，该技术可以实现公里量级的形状传感监测。 长距离分布式光纤形状传感系统一旦研发成功，将成为国内，乃至国际首创，打破国际的技术封锁，将大大提高我国在光纤传感领域的国际地位。长距离的形状传感技术应用前景广阔，因为监测距离足够长，可以大大拓宽光纤形状传感技术的应用领域，可广泛应用于桥梁的变形监测、隧道隧洞的结构变形监测、油气管道等管线结构的变形监测、海底线缆等线缆结构的变形监测、军事领域和航空航天领域结构的变形监测等。结合长距离分布式光纤形状传感技术，可以拓展到中短距离的应用，应用于医疗微创手术等医疗领域，应用于柔性机械臂的空间位置定位等工业领域，应用于可穿戴设备姿态的监测等民用领域。 

期望实现的主要技术目标

长距离分布式光纤形状传感系统预计达到的主要技术参数指标：

 1、传感长度：≥1000m；

 2、解调精度：＜10mm； 

 3、传感类型：三维形状传感。 

处理进度