0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

基于OFDR重构框架分布式形状传感误差模型研究

QQ287392669 来源:光纤传感Focus 2023-01-08 15:00 次阅读

01导读

目前光纤形状传感重构误差通常表示为欧几里得距离。然而,形状重构的欧几里得距离误差取决于待重构形状的复杂度,而形状复杂度取决于长度、曲率和挠率。

天津大学丁振扬副教授团队基于Frenet-Serret框架和误差传递理论,建立了光频域反射(OFDR)中分布式形状传感的重构误差模型,阐明了重构误差与曲率、挠率、光纤长度和应变测量误差等参数之间的关系

通过基于OFDR的分布式光纤形状传感系统实验验证了所提出的重构误差模型的可行性和适用性。

当需要重构形状的曲率、挠率、光纤长度的估计范围以及OFDR系统的应变测量误差已知时,所提出的重构误差模型可预测最大重构误差,进而判断形状重构误差是否满足要求实际应用的需求。

bc307384-8e0c-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

封面图形状重构误差传递模型 图源:Optics Express

02研究背景


近年来,光纤形状传感已成为光纤传感领域的一个热门研究方向。与其他形状重构技术相比,光纤形状传感具有一系列优点,如结构紧凑、灵活性高、耐恶劣环境和腐蚀,并且能够实现分布式传感。光纤形状传感在医疗器械、机器人、航空航天等领域具有巨大的应用潜力。 目前光纤形状传感重构误差通常表示为欧几里得距离。

光纤形状传感重构误差模型研究相对有限。尽管已有研究者对光纤形状传感精度进行了研究,但只给出单一数值,而形状传感精度与形状参数(如曲率、挠率、长度和应变测量误差)是直接相关的,单一精度值并不能反映其在任意形状下情况。而目前欧几里得距离误差与形状参数之间的模型尚未进行研究。

如果建立了重构误差模型,则可以基于应变测量误差和形状参数来估计任意形状的重构误差,这对于根据形状轨迹确定形状重构误差是否符合实际应用要求非常有用。

03创新研究


3.1 形状重构误差模型

分布式应变测量是形状测量的基础和前提。显然,更好的空间分辨率和更高的应变测量精度将导致更精确的形状重构。事实上,光纤形状传感中OFDR的感测空间分辨率通常基于OFDR系统的信噪比(SNR)设置为最小值,并且在这种情况下,空间分辨率对重构误差的影响可以忽略不计。

因此,建立形状重构误差与应变测量误差之间的三维形状传感误差模型具有重要意义。 本文中使用微分几何形状重构算法是基于广泛使用的Frenet-Serret框架,通过求解Frenet公式中切向量、法向量和副法向量来获得曲线的空间坐标。基于Franet-Serret框架的形状重构算法的误差传播过程如下:应变测量误差Δε导致曲率误差Δκ和挠率误差Δτ,这进一步导致切线向量ΔT的计算偏差。

ΔT在形状长度s积分过程中不断累积,最终导致欧几里得距离重构误差ΔE。 通过构建曲率误差、挠率误差与应变误差关系,得到了任意空间曲线下距离重构误差ΔE模型:

bc422d40-8e0c-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg  

3.2 已定应变误差下的重构误差模型验证

为了验证重构误差模型的有效性,我们进行了基于OFDR的多芯光纤形状传感实验。我们把实验分成两部分。在第一部分,我们通过变量控制方法验证了重构误差与模型参数之间的关系。在第二部分,我们通过校准OFDR系统的最大应变误差来验证该模型对随机应变误差的相同适用性。

为了消除空间分辨率对实验的影响,基于OFDR系统的SNR,将所有实验的空间分辨率设置为最小3.6mm。如何选择合理的形状来验证模型是一个关键点。形状的复杂性无法定量定义。任何复杂的形状都可以看作是由具有常数曲率κ和挠率τ的弧微段组成。

如果我们已经验证了该模型对于具有恒定曲率和挠率的形状是正确的,则该模型对于任何复杂形状都是正确的。原因是复杂的形状是许多简单形状的一个整体过程。为了将曲线的κ和τ控制在一个恒定值,我们结合3D打印技术设计并打印了一系列包含凹槽的模型,其中已知κ和τ曲线作为实验中多芯光纤的形状载体。

此外,我们选择较短的光纤进行实验,以使曲线的κ和τ的波动尽可能小。

首先验证了挠率误差与重构误差关系,设计并制作了曲率为0.1m,挠率为0 rad/m, 2 rad/m, 4 rad/m, 6 rad/m, 8 rad/m 和 10 rad/m的3D打印模型如图2所示。

实验中多芯光纤缠绕在3D打印模型的凹槽里,形状重构中加入5 με已定应变误差,相关实验结果如图3(a)所示。

根据模型计算的重构误差ΔE和实际测量的ΔE如图3(b)所示。理论预测重构误差与实验结果相符。重构误差随着挠率增加而减小。

挠率较小时,重构误差基本不随挠率变化。当挠率较大时,重构误差受挠率影响较大。

bc5447e6-8e0c-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

23D打印空间曲线模型 图源:Optics Express

bc6182da-8e0c-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

3挠率验证结果(a)重构曲线(b)理论和实验重构误差对比

其次,验证了曲率误差与重构误差关系。根据误差模型和图3(b)显示关系,挠率为0时,重构误差最大。这里采用二维曲线对重构误差与曲率关系验证,采用曲率半径为0.05m,0.1m,0.2m, 0.35m, 0.5m和1m的3D打印模型如图2所示。形状重构中加入5με已定应变误差。

二维曲线重构结果如图4(a)所示。同时根据误差模型计算了形状长度为0.2m和0.3m下不同曲率半径下的重构误差并与测量值进行比较如图4(b)所示。理论预测重构误差与实验结果相符。从图4(b)可以看出,但曲率半径较小时,重构误差随曲率半径增大迅速增加。当曲率半径较大时,重构误差随曲率半径增大趋于稳定。

bc7099d2-8e0c-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图4 曲率验证结果(a)重构曲线(b)理论和实验重构误差对比

再次,验证了光纤长度与重构误差关系。为了验证这一关系,我们重构了一个螺旋线形状,其长度为0.55m,曲率半径为0.052m,挠率为3.8rad/m。形状重构中加入5 με已定应变误差。

螺旋线重构结果如图5(a)所示。不同光纤长度下的重构误差并与测量值进行比较如图5(b)所示。理论预测重构误差与实验结果呈现高度一致性。重构误差与光纤长度呈现非线性增加,其原因是光纤重构过程中误差累积的结果。

bc7d81b0-8e0c-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图5 光纤长度与重构误差验证结果(a)重构曲线(b)理论和实验重构误差对比

最后,验证重构误差与应变测量误差关系。采用0.3 m长曲率半径为1m的弧形作为验证模型。沿光纤长度上分别加入已定应变误差f1 με, 2 με, 3 με, 4 με和5 με。

不同应变误差下的测量和理论的重构误差如图6所示。理论预测重构误差与实验结果呈现高度一致性。

bc8b0560-8e0c-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图6 不同应变误差下重构误差验证结果 图源:Optics Express

3.3 随机应变误差下的重构误差模型验证

之前已经证明了已定应变误差下误差模型的可行性,但在实际应用中,OFDR沿光纤应变误差是随机的,而在OFDR应变传感系统中会给出最大应变误差Δεmax。本节中,我们将通过校准实验中OFDR系统的Δεmax,进一步验证重构误差模型对随机应变测量误差的适用性。

如何构建不同Δεmax是实验关键,我们这里采用设置不同应变测量分辨率通过与纳米位移台应变标定值比对,得到不同的Δεmax。应变校准范围为0至25με,每5με进行一次校准。每个应变取80个应变测量点,并计算Δεmax。我们进行了形状重构实验,以验证在不同Δεmax下重构误差模型的适用性,其中测试形状为曲率半径为1m的二维圆弧。

在Δεmax分别为6.19με、6.22με、8.41με和10.04με的条件下进行形状重构,并通过将重构曲线与标准曲线进行比较来计算测量重构误差。显示了测量重构和光纤长度之间的关系,并与基于重构误差模型的理论值进行了比较,如图7所示。

应该注意的是,图7中观察到的理论值和实测值之间的差异相对较大。然而,多次实验的测量值没有超过重构误差模型计算的理论最大值。

由于OFDR系统的应变测量精度可以预先评估,因此根据Δεmax利用误差模型得到重构误差可以指导我们在光纤形状传感的设计中选择合适的OFDR系统应变测量精度,并预测形状重构精度。

bc966aea-8e0c-11ed-bfe3-dac502259ad0.jpg

图7 不同最大应变误差下重构误差验证结果。(a) Δεmax=6.19 με. (b) Δεmax=6.22 με. (c) Δεmax=8.41 με. (d) Δεmax=10.04 με.

04
应用与展望

三维形状传感误差模型的建立不仅让我们更清楚地了解了影响形状重构结果的因素,还为光纤形状传感系统在不同应用场景下的设计和性能评估提供了理论指导。

当形状测量精度要求以及待重构形状的曲率和挠率范围已明确时,所提出的重构误差模型可用于计算满足要求的最小应变测量误差

因此,该误差模型可以有效地指导设计者为形状传感器的选择合适的应变测量系统。







审核编辑:刘清

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 传感器
    +关注

    关注

    2545

    文章

    50438

    浏览量

    750947
  • SNR
    SNR
    +关注

    关注

    3

    文章

    195

    浏览量

    24341
  • 3D打印技术
    +关注

    关注

    4

    文章

    220

    浏览量

    31858

原文标题:Optics Express:基于OFDR重构框架分布式形状传感误差模型研究

文章出处:【微信号:光纤传感Focus,微信公众号:光纤传感Focus】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    分布式光纤测温是什么?应用领域是?

    时,该处的散射光特性会受到影响。通过高速信号采集与数据处理技术,可以准确地定位发生温度变化的位置,并给出实时的温度信息。简而言之,分布式光纤测温技术将整条传输光纤作为传感器,光纤上的每一点都兼具“传”和“感”
    的头像 发表于 10-24 15:30 159次阅读
    <b class='flag-5'>分布式</b>光纤测温是什么?应用领域是?

    分布式光纤声波传感技术的工作原理

    分布式光纤声波传感技术(Distributed Acoustic Sensing,DAS)是一种利用光纤作为传感元件,实现对沿光纤路径上的环境参数进行连续分布式测量的技术。
    的头像 发表于 10-18 14:50 239次阅读
    <b class='flag-5'>分布式</b>光纤声波<b class='flag-5'>传感</b>技术的工作原理

    分布式电源分配网络建模及去耦设计研究

    电子发烧友网站提供《分布式电源分配网络建模及去耦设计研究.pdf》资料免费下载
    发表于 09-19 17:42 0次下载

    昊衡科技推出OFDR光纤传感教学解决方案——助力打造更高性价比的教学方案

    OFDR技术具有精度高、抗电磁干扰等特性,在测量领域有独特的优势。但由于其技术壁垒较高,导致OFDR应用成本也很高。为助力高校实现大规模OFDR场景教学,昊衡科技推出具有高性价比的OFDR
    的头像 发表于 08-13 08:18 423次阅读
    昊衡科技推出<b class='flag-5'>OFDR</b>光纤<b class='flag-5'>传感</b>教学解决方案——助力打造更高性价比的教学方案

    昊衡科技推出分布式光纤传感教学解决方案——OFDR技术首次走进课堂,实现领域创新

    OFDR作为国内首家实现OFDR技术商用化以及OFDR技术综合解决方案提供商,武汉昊衡科技推出了OFDR分布式光纤
    的头像 发表于 08-02 08:18 264次阅读
    昊衡科技推出<b class='flag-5'>分布式</b>光纤<b class='flag-5'>传感</b>教学解决方案——<b class='flag-5'>OFDR</b>技术首次走进课堂,实现领域创新

    昊衡科技推出动态OFDR解调功能,实现耦合过程实时监测

    光频域反射(OFDR)是一种基于扫频光源的分布式光纤测量技术,它利用扫频光干涉信号频率与光纤位置之间的傅里叶变换关系获取沿光纤分布的散射、反射、相位和偏振等特征信息。相比于时域、相干域等分布式
    的头像 发表于 06-22 08:18 356次阅读
    昊衡科技推出动态<b class='flag-5'>OFDR</b>解调功能,实现耦合过程实时监测

    基于双频梳的光纤分布式声波传感(Comb-DAS)研究

    2024年1 月20日,电子科技大学信息与通信工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室饶云江教授团队在光纤分布式声波传感关键技术研究方面取得了突破性进展。
    的头像 发表于 02-27 09:29 845次阅读
    基于双频梳的光纤<b class='flag-5'>分布式</b>声波<b class='flag-5'>传感</b>(Comb-DAS)<b class='flag-5'>研究</b>

    什么是分布式架构?

    分布式架构是指将一个系统或应用拆分成多个独立的节点,这些节点通过网络连接进行通信和协作,以实现共同完成任务的一种架构模式。这种架构模式旨在提高系统的可扩展性、可靠性和性能表现。 一、分布式架构的特点
    的头像 发表于 01-12 15:04 1123次阅读
    什么是<b class='flag-5'>分布式</b>架构?

    分布式系统硬件资源池原理和接入实践

    一个无中心对称的分布式硬件外设管理系统。同时,分布式硬件框架定义了外设热插拔,虚拟硬件保活等机制,保证业务可靠性。在运行时,各个硬件外设的业务运行于独立进程中,在进程层面保证不同硬件的虚拟化业务互相
    发表于 12-06 10:02

    zookeeper分布式原理

    是提供一个高可用的、一致性的机制,用于解决分布式系统中常见的一致性问题,比如Leader选举、分布式锁等。在本文中,我们将详细介绍Zookeeper的原理和工作机制。 数据模型 Zookeeper的数据
    的头像 发表于 12-03 16:33 598次阅读

    分布式通信是什么 分布式网络搭建

    上的任务分配。 分布式通信 什么叫分布式? 机器人功能是由各种节点组成的,这些节点可能位于不同的计算机中,这种结构可以将原本资源消耗较多的任务,分配到不同的平台上,减轻计算压力,这就是分布式通信
    的头像 发表于 11-27 15:49 719次阅读
    <b class='flag-5'>分布式</b>通信是什么 <b class='flag-5'>分布式</b>网络搭建

    带有分布式锁相环的相控阵系统级LO相位噪声模型

    电子发烧友网站提供《带有分布式锁相环的相控阵系统级LO相位噪声模型.pdf》资料免费下载
    发表于 11-22 16:12 1次下载
    带有<b class='flag-5'>分布式</b>锁相环的相控阵系统级LO相位噪声<b class='flag-5'>模型</b>

    什么是分布式直流电源?分布式直流电源的范围 分布式直流电的特性

    什么是分布式直流电源?分布式直流电源的范围 分布式直流电的特性  分布式直流电源(Distributed DC Power Supply)是指分布
    的头像 发表于 11-16 11:17 1052次阅读

    springclould分布式教程

    Spring Cloud是一个基于Spring Boot的分布式系统开发工具,它提供了一系列的分布式系统解决方案,可以帮助开发者快速构建和部署分布式应用程序。本文将介绍Spring Cloud
    的头像 发表于 11-16 10:59 450次阅读

    spring分布式框架有哪些

    Spring分布式框架是一套基于Spring框架的解决方案,用于构建分布式系统。它提供了一系列的组件和模块,可以帮助开发人员轻松地构建可扩展、高可用、高性能的
    的头像 发表于 11-16 10:58 732次阅读