Array FBG sensing and 3D reconstruction of spacecraft configuration

In this paper, a plate shape perception technique based on quasi-distributed fiber Bragg grating (FBG) array and space surface reconstruction algorithm is proposed. Firstly, in order to make curvature continuous, the bicubic plane interpolation algorithm is studied. Then, taking the simulated satellite bulkhead structure as the research object, we research the space surface reconstruction algorithm based on orthogonal curvature and coordinate transformation (translation and rotation). Finally, a four-sided fixed plate deformation monitoring system based on quasi-distributed FBG sensors network and surface reconstruction algorithm is built. Many experiments are conducted to verify the reliability and accuracy of the algorithm. The proposed algorithm provides a new method for three-dimensional reconstruction of spacecraft structure.     

引入应变灵敏度矩阵的探针形状光纤测量方法

介入探针形状监测技术能够为医生在手术中提供重要参考信息,是保证手术安全性的必要手段。为提高介入探针形状测量精度,文中提出一种引入应变灵敏度矩阵的光纤光栅传感阵列介入探针形状测量方法。首先,基于光纤光栅传感理论,分析了植入在探针中光纤光栅波长漂移量与其应变的关系,同时引入了应变灵敏度矩阵,研究了光纤光栅中心波长漂移量与其弯曲曲率的关系。然后,推导了探针的局部单元几何参数关系和坐标转换方程,建立了基于光纤光栅的探针形状测量模型。最后,为了验证引入应变灵敏度矩阵对形状测量精度的影响,对植入光纤光栅传感阵列的介入探针进行了不同弯曲状态下的形状测量实验,对比分析了引入应变灵敏度矩阵前后形状测量的误差。实验结果表明,引入光纤光栅应变灵敏度矩阵可有效提升介入探针的测量精度,在不同弯曲情况下,介入手术探针末端偏移量平均误差降低了1.385 mm,最大误差降低了3.317 mm。文中所提出的基于光纤光栅传感阵列的形状测量方法在介入手术柔性医疗器械的形状重构方向具有广阔的应用前景。     

电磁矢量阵列的四元数Toeplitz矩阵重构算法

对于电磁矢量阵列的相干信源波达方向估计,针对空间平滑算法解相干时减少阵列有效孔径的问题,提出了一种四元数Toeplitz矩阵重构算法。首先,根据四元数的正交特性建立了信号接收模型,很好地保持了电磁矢量阵列的阵元输出信号两分量间的正交性,同时保证了波达方向角信息和极化信息都能包含在重构矩阵中;然后,在阵列各阵元接收数据与参考阵元接收数据的相关函数基础上,构成Hermitian Toeplitz矩阵,从而实现解相干。该算法与空间平滑算法相比增加了相干信源估计个数,且在低信噪比和入射角度接近时具有更好的估计性能,通过仿真实验得到了验证。     

引入曲率与角度校正的柔性机构三维形状多芯光纤重构方法

为提高柔性机构三维位形参数光纤测量精度,提出了基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法。通过引入方向角和曲率校正系数,改进了柔性三维形变多芯光纤重构算法;利用准分子激光器和相位掩膜法制备了多芯光纤光栅传感阵列,建立了多芯光纤三维形状重构实验系统;实验测量了不同曲率比例因子下的形状重构误差,分析了曲率与角度校正前后形状重构误差;通过对应变进行了三次样条插值,并对方向角和曲率进行了校正,得到了形状重构误差平均值为0.74 mm、最大值为1.64 mm;利用校正后的多芯光纤传感系统进行三维螺旋形变重构实验,得出重构精度提高了10.2%。研究结果表明,基于曲率与角度校正的多芯光纤三维形状重构方法具有更高精度,在柔性机构三维位形实时监测中具有应用前景。     

基于轴向应变误差修正的FBG形状重构算法

针对轴向应变误差影响光纤布拉格光栅(FBG)形状传感器的重构精度问题,提出了一种基于轴向应变误差修正的形状重构算法。纤芯位置偏差是造成轴向应变误差的主要因素,为了获取光纤形状传感器的纤芯位置偏差,提出了三芯光纤形状传感器的误差理论模型。通过ANSYS Workbench对误差理论模型进行有限元建模仿真,将纤芯位置偏差和标定偏差代入误差理论模型,对存在位置偏差的纤芯轴向应变数据进行修正,并与理想纤芯位置处的轴向应变数据进行对比,证明了该理论模型对存在误差的轴向应变数据具有良好的修正效果。为了计算每个检测点的纤芯位置偏差,根据提出的误差理论模型,提出了一种基于二分法逐次逼近的FBG形状传感器纤芯位置偏差计算方法。仿真结果表明,纤芯位置偏差修正前后重构曲线的最大位置误差从1.74 mm减小到0.10 mm。对于自封装的FBG形状传感器,使用纤芯位置偏差修正前后,重构空间曲线的最大位置误差从19.81 mm减小到7.66 mm。     

机器人柔性触手形状的光纤传感及重构方法

为了解决机器人与外界交互时形状感知的需求,本文提出了一种基于FBG的用于解决机器人触手形状感知的方法。采用无粘结剂的形式将光纤光栅植入柔性硅胶片中固定,当柔性硅胶片紧贴所测物体表面时,硅胶片发生的形状变化将带动植入光纤的形状变化。通过光纤波长漂移量和弯曲曲率的关系,结合曲面重构算法构建出所测物体的表面形状,同时对柔性传感器的灵敏度进行了分析。实验证明了形状感知系统的可行性及稳定性,其灵敏度为65.822 pm/m-1,空间分辨率为3 cm,测量误差在2.9 %左右。该传感器结构简单,抗干扰性能良好,可通过改变光纤植入的深度及光栅之间的距离调节其灵敏度和空间分辨率以适应不同的情景,为执行机器人触手形状感知提供了参考。     

Visual reconstruction of flexible structure based on fiber grating sensor array and extreme learning machine algorithm

A visual reconstruction method was proposed based on fiber Bragg grating (FBG) sensors and an intelligent algorithm, aiming to solve the problems of low accuracy and complex reconstruction process in conventional reconstruction methods of flexible structures. Firstly, the wavelength data containing structural strain information was captured by FBG sensors, together with deformation displacement information. Subsequently, a predicted model was built based on an extreme learning machine (ELM) and further optimized by the particle swarm optimization (PSO) algorithm. Different deformation patterns were tested on an aluminum alloy plate, indicating the ability of the predicted model to produce the deformation displacement for reconstruction. The experimental results show that the maximum error can be as low as 0.050 mm, which verifies that the proposed method is feasible and satisfied with the deformation monitoring of the spacecraft structure.     

鲁棒的四元数空间平滑算法

本文针对相干信号波达方向(DOA)估计问题,利用简化电磁矢量传感器阵列提出了一种基于四元数模型的空间平滑(Q-SS)算法。首先,根据四元数的正交特性能够很好地描述矢量传感器阵元内部信号分量之间的垂直关系这一特点,将每个阵元的两分量接收数据合成为一个四元数,建立了简化电磁矢量传感器阵列的四元数接收模型,该模型比传统的长矢量模型更适合于矢量传感器阵列的信号处理。在此基础上,利用本文提出的Q-SS算法对相干信号进行预处理,实现了解相干,并对解相干性能进行了分析,然后通过四元数域的ESPRIT算法估计出相干信号的DOA。理论分析表明Q-SS算法比传统的长矢量空间平滑(V-SS)方法有更高的DOA估计精度,具有对矢量传感器内部电场噪声分量解相关的能力,这是V-SS算法所不具备的优势。最后,通过计算机仿真实验比较和分析了所提算法的有效性。      

In-fiber Bragg-grating temperature sensor system for medicalapplications

A novel quasidistributed in-fiber Bragg grating (FBG) temperature sensor system has been developed for temperature proving in vivo in the human body for medical applications, e.g., hyperthermia treatment. This paper provides the operating principle of FBG temperature sensors and then the design of the sensor head. High-resolution detection of the wavelength-shifts induced by temperature changes are achieved using drift-compensated interferometric detection while the return signals from the FBG sensor array are demultiplexed with a simple monochromator which offers crosstalk-free wavelength-division-multiplexing (WDM). A “strain-free” probe is designed by enclosing the FBG sensor array in a protection sleeve. A four FBG sensor system is demonstrated and the experimental results are in good agreement with those obtained by traditional electrical thermocouple sensors. A resolution of 0.1°C and an accuracy of ±0.2°C over a temperature range of 30-60°C have been achieved, which meet established medical requirements     

基于FBG阵列的滑动探测系统设计

为了实现机械结构中夹持状态的实时监测,避免施力过大造成损坏或施力过小造成滑落,设计了一种基于FBG阵列的滑动探测系统。利用正交分布FBG阵列实现对不同方向滑动的感知,通过解算各位置上FBG波长偏移量完成对目标位置与滑动状态的分析。给出了系统结构设计及计算方法,仿真分析了不同参数的FBG对物体的滑动测试效果。仿真结果显示,采用lFBG=10 mm,h=4 mm的参数选择可以在保证空间分辨精度的基础上达到最大灵敏度。实验中,传感单元采用60 mm×40 mm×10 mm的硅胶体构成,内部预埋5个FBG构成传感阵列。实验结果显示,在x轴和y轴方向上,其灵敏度分别为0.0051 nm/N和0.0063 nm/N。FBG波长偏移量的变化曲线可以明确表征在传感模块上被测物的状态(静止、开始滑动、稳定滑动)。针对不同滑动速度进行了测试,FBG产生的波长偏移量变化所占时长与滑动时长成比例,即可通过波形完成滑动时长的解算。     

Shape reconstruction based on FBG flexible sensor

In this paper, the shape of the object is reconstructed based on the fiber Bragg grating (FBG) flexible sensor encapsulated by polydimethylsiloxane (PDMS) material, and the influence of the number and layout of the sensors on the reconstruction accuracy of the object is studied. The COMSOL simulation software is used to verify the accuracy of the algorithm, and four sensors are prepared to measure and reconstruct the bent aluminum plate under set conditions. The maximum relative error of the shape reconstruction span is 1.203%, and the maximum relative error of the height is 2.802%. The research results provide the application basis for the shape detection of soft robots.     

多芯光纤光栅形状传感性能与重构误差研究

多芯光纤光栅形状传感技术利用空分复用以及应变监测的优势,结合不同的栅点布设方案,实现待测对象的连续曲率和形状传感。首先介绍了多芯光纤光栅曲率和挠率传感原理,提出采用齐次矩阵变换的三维重构算法实现光纤的三维形状重构。为了探究不同光栅密度对实验精度的影响,利用算法编程模拟了不同光栅间距下的三维形状重构精度,依据模拟仿真的结果,建立了不同光栅间距与三维重构误差之间的关系。三维形状传感实验使用光栅间距为10 cm和5 cm的七芯光纤光栅串。实验结果表明,最大误差出现在尾点处,分别为2.56 cm和1.15 cm,占全长的3.2%和1.4%,平均误差为1.32 cm和0.62 cm,占全长的1.7%和0.8%。实验结果与仿真值比较接近,说明可以依据仿真结果对不同光栅间距下的三维形状误差进行预测。结合具体的应用场景合理配置测点资源,在较低的成本范围内实现高性能的检测。     

光纤光栅和静态电阻在静压模型管桩测试中的对比试验研究

为了提高光纤布拉格光栅(fiber Bragg gratin g,简称FBG)应变传感器测量精度,针对光纤光栅传 感器在模型管桩试验应用情况,提出了一种光纤光栅传感器理论灵敏度系数和实验灵敏度系 数应变标定方 法。该方法通过实验标定微型光纤光栅应变传感器的灵敏度系数,与理论分析传感器灵敏度 系数进行对比, 同时在模型管桩安装传感器位置粘贴应变片。实验结果表明,标定后的FBG应变传感器测试 结果更加准确, 为基于FBG应变传感器的模型管桩监测技术奠定了基础。同时,该方法适用于FBG传感器应 用与模型管 桩前的标定,可以得到准确反映模型管桩受力变形的真实数据,提高了光纤光栅传感器在模 型管桩试验中 的测量精度。同时,该方法简单、易操作,为光纤光栅传感器在试验和工程中应用奠定了基 础,加快了FBG 传感器在模型管桩荷载传递监测应用的步伐。     

基于稀疏拉伸式COLD传感器的波达角和极化参数估计

同点正交配置磁环和电偶极子(Co-centered Orthogonal Loop and Dipole, COLD)是常用的二分量电磁矢量传感器之一, 但是COLD传感器没有充分利用磁环和电偶极子分量的空间信息.针对由COLD传感器组成的均匀线阵, 磁环分量保持不变, 将电偶极子分量沿正交方向稀疏拉伸, 形成L形阵, 扩展阵列的空间孔径, 提出了基于广义旋转不变的降维多重信号分类算法.该算法利用L形阵的几何构形, 将导向矢量分隔成三部分, 利用广义旋转不变矩阵分别估计各个部分, 使得波达角和极化参数仅需一维谱峰搜索就可以估计得到.同时, 在参考点处新增一个电偶极子天线, 利用四元数模型解决了由于稀疏拉伸引起的相位周期模糊问题.仿真实验验证了所提算法的有效性.     

FBG形状传感器应变传递与传感性能研究

为提高光纤布拉格光栅(FBG)形状传感器的形状重建精度,减小光栅点的重建位置误差,设计了一种FBG传感元件结构。通过建立传感元件应变传递力学模型,推导出平均应变传递率表达式,并结合传感元件有限元仿真模型,分析了相关结构参数对传感元件应变传递率的影响,将有限元仿真与理论计算结果进行对比,验证了理论模型的有效性。进而分析了应变传递率对传感系统形状重建精度的影响,得出当光栅点应变传递率保持在90%以上时,光栅点的重建位置误差将保持在0.08mm内。该研究表明,通过合理控制影响参数,可有效提高传感元件应变传递效率,减小传感系统形状重建位置误差,从而提高光纤形状传感器的形状重建定位精度。     

基于FPGA的光纤光栅温度传感器高速解调系统

为了实现对光纤光栅温度传感器的高速解调,采用了一种基于现场可编程门阵列和小型光谱仪模块的光纤光栅温度传感器高速解调系统,利用放大自发辐射光源产生的近红外宽带光辐射,照射光纤光栅温度传感器,对其反射光通过高斯拟合寻峰算法确定中心波长,并由中心波长偏移量判定环境温度的解调方法,进行了理论分析和实验验证。结果表明,在30℃~60℃温度范围内,完成了解调速率达20kHz、温度灵敏度为12.49pm/℃的高速温度测量,实现了对光纤光栅温度传感器的高速解调。     

Crack width estimate in reinforced concrete with FBG sensor:experimental and numerical analysis

A detecting method of investigating the function of crack width versus fiber Bragg grating (FBG) spectrum deformation was proposed. In this paper, the bond-slip model of deformed steel bar in concrete slab was used to calculate the crack width. The stress distributions along optic-fiber grating were extracted by the three-dimensional (3D) finite element method (FEM) and the spectrum deformation of FBG induced by the uneven distribution of the stress was calculated. Experiments were carried out with an FBG fixed on the bottom of concrete slab. The crack width and FBG spectrum deformation of experimental results were given, and the function of crack width versus wavelength shift of FBG sensor was given also. The proposed technology in this paper could improve the safety of large-scale concrete building by early identification of structural crack.     

基于拉伸式COLD 传感器的DOA 和极化参数估计*

同点正交配置磁环和电偶极子(Co-centered orthogonal loop and dipole, COLD)是一种最常用的二分量 电磁矢量传感器,但是COLD 传感器没有充分利用磁环和电偶极子分量的空间信息。本文针对由COLD 传感器组成 的均匀线阵(Uniform linear array ,ULA),将所有磁环和电偶极子分量分别沿两个正交方向均匀拉伸,形成L 形阵,扩 展阵列的空间孔径,并提出了基于广义旋转不变的降维多重信号分类算法(Dimension reduction multiple signal classi fication method based on generalized rotational invariance, GRIDR-MUSIC)。所提算法利用L 形阵的几何构形,将导向 矢量分隔成三部分,通过两个正交ULA 的广义旋转不变结构,分别估计各个部分,使得波达角(Direction of arrival)和 极化参数仅需一维谱峰搜索就可以估计得到,且无需参数匹配。最后,仿真实验验证了所提算法的有效性。     

阵列式振动传感器环境干扰消除方法研究

为了克服复杂环境下单振动传感器误报率高的问题,采用了传感器阵列的定位(定区域)技术消除环境干扰的方法。首先首次提出了传感器阵列的最佳分布模型和传感器阵列消除环境干扰的算法模型,然后给出了目标定位(定区域)的具体算法,最后将传感器阵列定位(定区域)方法与单传感器方法进行实验对比。实验结果表明:本方法消除环境干扰效果好,目标定位(定区域)的精度高、检测率高。     

基于改进遗传算法双重约束的FBG应变分布重构研究

光纤布拉格光栅(FBG)已广泛应用于应变参数测量中,但非均匀应变易引起FBG光谱变形而无法进行波长检测,因此需重构沿FBG的应变分布。针对应变分布重构效果差且收敛速度慢的难题,在深入研究改进遗传算法的基础上,提出基于FBG光谱中心波长位置与反射率双重约束的应变分布重构理论,显著改善了重构的非唯一性和置信度。同时,假设应变分布为多项式形式,通过对多项式系数的重构实现应变分布的重构,大大提高了重构的速度。在此基础上开展了应变分布参数重构仿真实验,多项式系数重构误差均小于1.5%;结合两端固定压杆调谐光纤光栅实验,验证了该应变分布重构方法的有效性、适用性和可操作性,形成了一种快速有效的应变分布重构方法。