本发明涉及光纤三维形状传感技术，尤其涉及一种光纤三维形状传感解调方法、装置及系统。
背景技术：
1、光纤形状传感器是利用光纤同时测量到的应变数据，经过特殊的算法将监测物体的形状还原出来的一种新型传感器。由于其最小干扰性和几乎没有重量的独特特征在二维或三维定位，如微创手术导管或柔性针跟踪，以及结构健康监测、航空航天中得到广泛应用。
2、基于光频域反射技术(optical frequency domain reflectometry，ofdr)的光纤三维形状传感器将多芯光纤摆放成不同的形状，因为不同的位置产生不同的应变分布，利用曲率半径与应变之间的关系，将各个纤芯的应变值代入重构算法中，以重构出不同的形状，其在空间分辨率以及传感精度上有明显的优势。
3、在对多个纤芯进行测量时，目前主要有三种方式，一是利用光开关将测量信号依次切换到不同的纤芯中，这种方式增加了测量时间，光纤形状变化与应变测量之间不同步；二是在光频域反射仪中构建多个主干涉臂，分别对多个纤芯进行同步的数据采集与处理，这种方式增加了数据量与计算时间；三是利用ofdr并行测量技术，仅需一个主干涉臂和一次测量，就可以完成多个纤芯的应变测量，在保证了测量同步性的同时不增加数据量，但是这种测量方式在相同的空间分辨率下，随着复用纤芯的数量增加，三维形状的传感精度会下降。
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种光纤三维形状传感解调方法，基于光频域并行测量技术，在不降低空间分辨率以及传感精度的情况下，不仅增加多芯光纤中用于传感的纤芯数量，而且提高了各纤芯应变的同步性和减少了数据测量及计算时间。
2、本发明还提供基于上述光纤三维形状传感解调方法的传感解调装置及光纤三维形状传感系统。
3、本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：
4、一种基于光频域并行测量技术的光纤三维形状传感解调方法，用于对多芯光纤进行解调，所述多芯光纤沿轴向设有多个感测位置，所述多芯光纤内的各条传感纤芯在各个感测位置处均设有光纤光栅，且同一传感纤芯中的光纤光栅具有相同的波长带宽，不同传感纤芯中的光纤光栅具有不同的波长带宽；所述光纤三维形状传感解调方法包括如下步骤：
5、步骤100：获取所有传感纤芯的混合参考信号；
6、步骤200：根据各个光纤光栅的波长带宽，在所述混合参考信号中获取各个光纤光栅的参考光谱；
7、步骤300：获取所有传感纤芯的混合测量信号；
8、步骤400：根据各个光纤光栅的波长带宽，在所述混合测量信号中获取各个光纤光栅的测量光谱；
9、步骤500：对同一光纤光栅的参考光谱和测量光谱进行漂移解调，得到各个光纤光栅的波长漂移量；
10、步骤600：根据同一感测位置处的各个光纤光栅的波长漂移量，计算所述多芯光纤在各个感测位置处的应变数据；
11、步骤700：根据所述多芯光纤在各个感测位置处的应变数据，对监测物体进行三维形状重构。
12、进一步的，在步骤200中，根据各个光纤光栅的波长带宽，在所述混合参考信号中获取各个光纤光栅的参考光谱的步骤如下：
13、步骤210：对所述混合参考信号进行快速傅里叶变换，以将所述混合参考信号由时域转换到距离域；
14、步骤220：根据所述多芯光纤的各个感测位置，对所述混合参考信号进行加窗取值，得到多组局部参考数据；
15、步骤230：对各组局部参考数据进行快速傅里叶逆变换，以将各组局部参考数据由距离域转换到频域；
16、步骤240：根据各个光纤光栅的波长带宽，在各组局部参考数据中截取与各个光纤光栅相对应的参考光谱。
17、进一步的，在步骤400中，根据各个光纤光栅的波长带宽，在所述混合测量信号中获取各个光纤光栅的测量光谱的步骤如下：
18、步骤410：对所述混合测量信号进行快速傅里叶变换，以将所述混合测量信号由时域转换到距离域；
19、步骤420：根据所述多芯光纤的各个感测位置，对所述混合测量信号进行加窗取值，得到多组局部测量数据；
20、步骤430：对各组局部测量数据进行快速傅里叶逆变换，以将各组局部测量数据由距离域转换到频域；
21、步骤440：根据各个光纤光栅的波长带宽，在各组局部测量数据中截取与各个光纤光栅相对应的测量光谱。
22、进一步的，在步骤600中，根据同一感测位置处的各个光纤光栅的波长漂移量，计算所述多芯光纤在各个感测位置处的应变数据的步骤如下：
23、步骤610：根据同一感测位置处的各个光纤光栅的波长漂移量，计算各个光纤光栅由于弯曲应变所引起的漂移弯曲分量；
24、步骤620：根据同一感测位置处的各个光纤光栅的漂移弯曲分量，计算出所述多芯光纤在各个感测位置上的曲率大小和弯曲方向。
25、进一步的，所述多芯光纤包括中心纤芯和外围纤芯，所述外围纤芯至少有两条，并且各条外围纤芯均匀地围绕在所述中心纤芯外；在步骤610中，根据同一感测位置处的各个光纤光栅的波长漂移量，计算各个光纤光栅由于弯曲应变所引起的漂移弯曲分量的步骤如下：
26、步骤611：消除环境温度和轴向拉伸对各条外围纤芯中的光纤光栅的波长漂移量的影响，
27、
28、其中，δλci和分别为各条外围纤芯中同一光纤光栅在消除影响前和消除影响后的波长漂移量，δλc0为所述中心纤芯在同一感测位置处的光纤光栅的波长漂移量；
29、步骤612：计算所述多芯光纤在各个感测位置处由于扭曲应变所引起的漂移扭曲分量δλτ，
30、
31、其中，为各条外围纤芯在同一感测位置处的光纤光栅的波长漂移量，n为所述外围纤芯的数量；
32、步骤613：计算各条外围纤芯中的光纤光栅由于弯曲应变所引起的漂移弯曲分量
33、
34、其中，为各条外围纤芯在同一感测位置处的光纤光栅的波长漂移量，δλτ为所述多芯光纤在同一感测位置处的漂移扭曲分量。
35、进一步的，在步骤620中，根据同一感测位置处的各个光纤光栅的漂移弯曲分量，计算出所述多芯光纤在各个感测位置上的曲率大小和弯曲方向的步骤如下：
36、步骤621：计算各条外围纤芯中的光纤光栅由于弯曲应变所引起的正应变量εci，
37、
38、其中，k为所述多芯光纤的应变系数，εci和为各条外围纤芯中同一光纤光栅的正应变量和漂移弯曲分量；
39、步骤622：在所述多芯光纤中，选取其中两条外围纤芯计算所述多芯光纤在各个感测位置上的曲率大小κ和弯曲方向θb，
40、
41、其中，εcm和εcn分别为选取的第n条外围纤芯和第m条外围纤芯的正应变量，rn和rm为分别为选取的第n条外围纤芯和第m条外围纤芯与所述多芯光纤的中心距离，θn和θm分别为选取的第n条外围纤芯和第m条外围纤芯在光纤起始点的角度，x为各个感测位置的轴向距离，ω为所述多芯光纤在各个感测位置处的扭率。
42、进一步的，若所述多芯光纤为平行多芯光纤，则所述多芯光纤在各个感测位置处的扭率ω＝0，若所述多芯光纤为螺旋多芯光纤，则所述多芯光纤在各个感测位置处的扭率ω满足如下公式：
43、
44、l2＝s2+(rω0s)2
45、其中，k为所述多芯光纤的应变系数，l为各条外围纤芯在各个感测位置处的光栅长度，s为各条外围纤芯在各个感测位置处的光纤光栅投影至光纤轴向上的投影长度，r为各条外围纤芯与所述多芯光纤的中心距离，ω0为所述多芯光纤的初始扭率。
46、进一步的，在步骤700中，根据所述多芯光纤在各个感测位置处的应变数据，采用bishop框架重构算法或者frenet-serret框架重构算法对监测物体进行三维形状重构。
47、一种传感解调装置，包括处理器和存储器，所述存储器中储存有供所述处理器执行的计算机程序，所述处理器在执行该计算机程序时，进行上述的光纤三维形状传感解调方法。
48、一种光纤三维形状传感系统，包括数据采集装置、光频域反射仪、光分路模块、多芯光纤以及上述的传感解调装置，所述多芯光纤沿轴向设有多个感测位置，所述多芯光纤内的各条传感纤芯在各个感测位置处均设有光纤光栅，且同一传感纤芯中的光纤光栅具有相同的波长带宽，不同传感纤芯中的光纤光栅具有不同的波长带宽；所述光频域反射仪通过所述光分路模块分别连接至所述多芯光纤的各条传感纤芯，所述数据采集装置连接于所述传感解调装置和光频域反射仪之间。
49、本发明具有如下有益效果：本发明的光纤三维形状传感解调方法通过在所述多芯光纤的各条传感纤芯中分别设置所述光纤光栅阵列，且同一传感纤芯中的光纤光栅具有相同的波长带宽，不同传感纤芯中的光纤光栅具有不同的波长带宽，在快速傅里叶逆运算时，利用波长带宽的不同，将不同传感纤芯的参考信号和测试信号分离至光谱的不同波长范围内，实现了光频域并行测量时不同传感纤芯的信号分离，使得不同传感纤芯不会在信号解调时相互影响，可在不降低空间分辨率以及传感精度的情况下，不仅增加多芯光纤中用于传感的纤芯数量，而且提高了各纤芯应变的同步性和减少了数据测量及计算时间。
1.一种基于光频域并行测量技术的光纤三维形状传感解调方法，其特征在于，用于对多芯光纤进行解调，所述多芯光纤沿轴向设有多个感测位置，所述多芯光纤内的各条传感纤芯在各个感测位置处均设有光纤光栅，且同一传感纤芯中的光纤光栅具有相同的波长带宽，不同传感纤芯中的光纤光栅具有不同的波长带宽；所述光纤三维形状传感解调方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的光纤三维形状传感解调方法，其特征在于，在步骤200中，根据各个光纤光栅的波长带宽，在所述混合参考信号中获取各个光纤光栅的参考光谱的步骤如下：
3.根据权利要求1所述的光纤三维形状传感解调方法，其特征在于，在步骤400中，根据各个光纤光栅的波长带宽，在所述混合测量信号中获取各个光纤光栅的测量光谱的步骤如下：
4.根据权利要求1所述的光纤三维形状传感解调方法，其特征在于，在步骤600中，根据同一感测位置处的各个光纤光栅的波长漂移量，计算所述多芯光纤在各个感测位置处的应变数据的步骤如下：
5.根据权利要求4所述的光纤三维形状传感解调方法，其特征在于，所述多芯光纤包括中心纤芯和外围纤芯，所述外围纤芯至少有两条，并且各条外围纤芯均匀地围绕在所述中心纤芯外；在步骤610中，根据同一感测位置处的各个光纤光栅的波长漂移量，计算各个光纤光栅由于弯曲应变所引起的漂移弯曲分量的步骤如下：
6.根据权利要求5所述的光纤三维形状传感解调方法，其特征在于，在步骤620中，根据同一感测位置处的各个光纤光栅的漂移弯曲分量，计算出所述多芯光纤在各个感测位置上的曲率大小和弯曲方向的步骤如下：
7.根据权利要求6所述的光纤三维形状传感解调方法，其特征在于，若所述多芯光纤为平行多芯光纤，则所述多芯光纤在各个感测位置处的扭率ω＝0，若所述多芯光纤为螺旋多芯光纤，则所述多芯光纤在各个感测位置处的扭率ω满足如下公式：
8.根据权利要求1所述的光纤三维形状传感解调方法，其特征在于，在步骤700中，根据所述多芯光纤在各个感测位置处的应变数据，采用bishop框架重构算法或者frenet-serret框架重构算法对监测物体进行三维形状重构。
9.一种传感解调装置，包括处理器和存储器，所述存储器中储存有供所述处理器执行的计算机程序，其特征在于，所述处理器在执行该计算机程序时，进行权利要求1所述的光纤三维形状传感解调方法。
10.一种光纤三维形状传感系统，其特征在于，包括数据采集装置、光频域反射仪、光分路模块、多芯光纤以及权利要求9所述的传感解调装置，所述多芯光纤沿轴向设有多个感测位置，所述多芯光纤内的各条传感纤芯在各个感测位置处均设有光纤光栅，且同一传感纤芯中的光纤光栅具有相同的波长带宽，不同传感纤芯中的光纤光栅具有不同的波长带宽；所述光频域反射仪通过所述光分路模块分别连接至所述多芯光纤的各条传感纤芯，所述数据采集装置连接于所述传感解调装置和光频域反射仪之间。
