基于分布式光纤传感的软体管状结构制造误差补偿及形态监测装置和方法

本发明属于光纤在线监测，特别涉及一种基于分布式光纤传感的软体管状结构制造误差补偿及形态监测装置和方法。

背景技术：

1、软体管状结构是流体输送系统中的关键组成部分，广泛应用于复杂工况下的柔性连接与传输作业中。在工作过程中，软体管状结构在外力干扰、环境扰动以及连接端相对运动等多种因素作用下，易产生剧烈甩动，严重影响系统运行的安全性与稳定性。传统的软体管状结构的监测技术主要依赖导航定位和视觉传感等测量方法，此类方法通常只能获取有限位置的状态信息，难以实现对软体管状结构全长度范围内的连续、高精度监测。

2、目前，软体管状结构监测技术面临的主要问题可以总结为：

3、(1) 导航定位监测技术，所提供的位姿信息在精度方面存在明显不足，难以满足高精度对接任务的需求。在工作过程中，其信号易受结构遮挡以及周边电磁环境的干扰，进一步降低了定位可靠性。此外，存在不可避免的误差累积效应，无法独立支撑自主工作所要求的高稳定性与长时精度。此外，无法监测软体管状结构的形态和受力状态。

4、(2) 视觉监测技术，易受环境条件干扰、存在视觉盲区及视野范围受限等固有缺陷。在复杂环境中，一旦发生特征丢失或误匹配，将导致位姿估计结果产生较大偏差甚至失效。同时，视觉系统易受遮挡影响，可靠性较低。此外，无法监测软体管状结构的受力状态。

5、(3) 内嵌光纤监测技术，易受内嵌光纤传感器制造误差影响，形态传感精度低。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中软体管状结构监测参数不够全面、精度不足、传感精度和可靠性相对较低的弊端，提供一种高精度、可靠、实施在线软体管状结构制造误差补偿及形态监测装置和方法。本发明将三根光纤传感器螺旋内嵌于软体管状结构，利用分布式光纤传感装备测量软体管状结构内部的三根光纤传感器分布应变，结合标定系统对应变曲线进行峰值检测，提取各通道应变峰值位置序列，并以应变峰值位置作为缠绕相位参考点，建立传感点空间位置与真实缠绕相位之间的对应关系，实现三根传感光纤实际内嵌缠绕相位的标定，进而利用最小旋转框架算法重构软体管状结构的形态曲线，能够实现软体管状结构制造误差补偿及形态的实时监测。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种基于分布式光纤传感的软体管状结构制造误差补偿及形态监测装置和方法，软体管状结构包括纤芯一、纤芯二、纤芯三，纤芯一、纤芯二、纤芯三螺旋内嵌于软体管状结构内部且螺距设计值相等为p，螺旋缠绕角设计值相等为α0，在软体管状结构的任意截面上纤芯一、纤芯二、纤芯三以设计值120°角环形均匀分布且距离软体管状结构截面的中心距离相等均为r0，在进行基于分布式光纤传感的软体管状结构制造误差补偿及形态监测前需对软体管状结构内部的纤芯一、纤芯二、纤芯三的内嵌螺距、螺旋缠绕角制造误差即相位制造误差进行标定，标定系统包括软体管状结构、光纤跳线一、光纤跳线二、光纤跳线三、金属套管光接口、多通道光频域分布式光纤传感设备、计算机，纤芯一、纤芯二、纤芯三通过金属套管光接口由软体管状结构引出，并分别通过光纤跳线一、光纤跳线二、光纤跳线三与多通道光频域分布式光纤传感设备连接形成传感光信号通路，多通道光频域分布式光纤传感设备与计算机连接形成数据通路，多通道光频域分布式光纤传感设备可采集纤芯一、纤芯二、纤芯三的分布应变并在计算机进行数据分析，空间分辨率即分布应变传感点间隔为δs，多通道光频域分布式光纤传感设备采集软体管状结构内部的三根纤芯的分布应变数据，其中分布应变数据一对应纤芯一，分布应变数据二对应纤芯二，分布应变数据三对应纤芯三，按以下步骤实现基于分布式光纤传感的软体管状结构制造误差补偿及形态监测：

4、第1步、标定基于分布式光纤传感的软体管状结构的制造误差，利用标定系统对软体管状结构及纤芯一、纤芯二、纤芯三的内嵌制造真实相位实施标定，标定实验将软体管状结构弯曲成等半径的圆弧形状，圆弧形状的半径为r，利用多通道光频域分布式光纤传感设备采集管状结构此时的纤芯一的应变数据一、纤芯二的应变数据二、纤芯三的应变数据三，将各通道应变数据εij保存在计算机上，空间分辨率即分布应变传感点间隔为δs，其中i=1、2、3分别对应纤芯一、纤芯二、纤芯三，j分别对应纤芯一、纤芯二、纤芯三分布应变传感点的空间位置，j=1、2、3…n，n为纤芯一、纤芯二、纤芯三分布应变传感点数量，利用寻峰方法处理各通道应变数据εij得到各通道应变数据εij的应变曲线峰值位置序列peaki={pi1，pi2,…,pimi}，其中i=1、2、3分别对应纤芯一、纤芯二、纤芯三，mi为通道i应变数据εij的应变曲线峰值数量，pij为通道i应变数据εij应变曲线峰值对应的传感点的空间位置，其中j=1、2、3…mi，假定各通道应变数据εij的应变曲线峰值位置peaki为缠绕零相位点，纤芯一、纤芯二、纤芯三相邻应变峰值位置间各传感点位置的缠绕相位可标定为，其中j=pin，pin+1，pin+2，…pin+1，通过相位外部插值，纤芯一、纤芯二、纤芯三的传感起点到第1个应变峰值区间内各传感点位置的缠绕相位可标定为，其中j=1，2，…pi1，纤芯一、纤芯二、纤芯三的最后1个应变峰值pimi到最末传感点间区间内各传感点位置的缠绕相位可标定为，其中j=pimi，pimi+1，pimi+2，…n，按上述步骤完成软体管状结构的纤芯一、纤芯二、纤芯三的内嵌制造真实相位的标定；

5、第2步、基于制造误差标定数据实现软体管状结构的形态监测，经过上述相位标定后，任意截面内纤芯一、纤芯二、纤芯三的真实制造缠绕相位分别为θ1j、θ2j、θ3j，根据材料力学中管结构弯曲理论，任意截面内纤芯一、纤芯二、纤芯三的应变ε1j、ε2j、ε3j与截面弯曲的曲率向量κj=[κxj,κyj]的关系表示为：

6、，

7、其中，κxj,和κyj为曲率在x轴和y轴上的分量，对于真实制造夹角不为理论值120°的θ1j、θ2j、θ3j，采用最小二乘法求解上述关系式，进而得到曲率向量κj=[κxj,κyj]，求解过程为，按上述过程求解软体管状结构各个截面的曲率向量κj=[κxj,κyj]，其中j=1、2、3…n；

8、第3步、利用最小旋转框架的微分方程迭代重构软体管状结构各截面的最小旋转框架[tj，n1j，n2j]：

9、，

10、其中，为纤芯一、纤芯二、纤芯三分布应变传感点空间分辨率δs在软体管状结构长度方向上的等效空间分辨率，在每一步的迭代计算中，第j个传感点的最小旋转框架[tj，n1j，n2j]作为微分方程初始值，进而求解第j+1个传感点的最小旋转框架[tj+1，n1j+1，n2j+1]，在第一次迭代中设置t1=[1，0，0]，n11=[0，1，0]，n21=[0，0，1]，之后，利用软体管状结构各截面的最小旋转框架[tj，n1j，n2j]和重构软体管状结构的形态曲线，其中c(xn,yn,zn)为软体管状结构的形态曲线空间三维坐标，得到软体管状结构的实时形态监测结果曲线c(xn,yn,zn)。

11、其中，在应变峰值检测的过程中设置最小峰距dmin约束条件，所述的最小峰距dmin按照dmin=np×ρ，其中，np=p/cosα0为螺距和螺旋缠绕角设计值p和α0下的软体管状结构等半径弯曲纤芯一、纤芯二、纤芯三传感点的理论应变峰值位置序列间隔，ρ的取值范围为0.5至1.5。

12、本发明的优点是：

13、1.监测传感器完全内嵌软体管状结构，对工作任务影响低，监测传感器安全可靠。本发明将三根传感光纤螺旋内嵌于软体管状结构内部以构建监测系统，光纤尺寸极小，对软体管状结构的结构影响小，且软体管状结构能够保护内部光纤传感器，使监测系统可长时间可靠工作，并且不影响软体管状结构外结构，不对工作任务产生负面影响。

14、2.能够实现软体管状结构内嵌光纤制造误差的标定与补偿，提高监测精度。本发明通过对软体管状结构进行等半径弯曲标定，利用分布式应变数据的周期性峰值特征识别内嵌光纤的真实缠绕相位，建立实际缠绕相位与设计缠绕参数之间的对应关系，实现对光纤内嵌制造的螺距误差、缠绕角误差的标定与补偿，从而提高曲率求解精度和三维形态重构精度。

15、3.能够实现全长度范围内的高精度分布式形态监测。本发明采用分布式光纤传感技术，将三根传感光纤螺旋内嵌于软体管状结构内部，可连续获取软体管状结构全长度范围内的应变信息，并进一步反演获得曲率分布和空间形态等信息，具有监测范围广、空间分辨率高以及连续测量能力强等优点。

16、4.可实现软体管状结构形态的实时在线监测。本发明利用多通道光频域分布式光纤传感设备实时采集软体管状结构内部应变数据，并结合曲率求解和形态重构算法实现数据在线处理，可实时获得软体管状结构的曲率变化和空间形态变化，为软体管状结构运行状态监测提供技术支撑。