通过多模光纤布拉格光栅和深度学习实现的三维弯曲传感

《Optics & Laser Technology》：Three-dimensional bending sensing realized by multimode fiber Bragg grating and deep learning

三维向量弯曲传感器研究提出基于多模光纤布拉格光栅（MMFBG）的方案，通过核心偏移激发高阶模式实现多波长反射峰，结合硅胶管封装提升稳定性和方向灵敏度。实验验证TCN网络可100%分类36种空间弯曲状态，TCN-BiLSTM-Attention模型对三个位置的弯曲角度预测误差不超过1°，验证了该传感器在复杂三维弯曲检测中的高效性和高精度。

　　

Jing Xu|Yan Liu|Zhibo Hou|Lezhi Pang|Kunzhu Wang|Muguang Wang|Fengping Yan

中国教育部全光网络与先进电信网络重点实验室

摘要

本研究提出了一种基于多模光纤布拉格光栅（MMFBGs）的新型3D矢量弯曲传感器，并通过实验进行了验证。通过采用芯偏移发射技术，在MMFBG中激发了高阶模式。因此，在反射光谱中观察到了多个由这些高阶模式耦合产生的反射峰，其波长和强度会随着传感器的弯曲状态而变化。使用填充有聚二甲基硅氧烷（PDMS）的硅胶管对传感结构进行封装，有效提高了传感器的稳定性和方向灵敏度。基于MMFBG的反射光谱，利用时间卷积网络（TCN）对传感器在空间中的36种不同弯曲状态进行了分类，分类准确率为100%，证明了该传感器能够检测3D空间中的弯曲。此外，还进行了多点弯曲实验，并利用TCN-BiLSTM-Attention网络模型预测了传感器三个位置的弯曲角度。对于从-60°到60°的7种弯曲状态下的169种组合，三个位置的最大均方根误差（RMSE）为0.98°。结果表明，所提出的基于MMFBG的多弯曲传感器具有结构简单、解调容易和预测精度高的优点。

引言

随着现代工业的快速发展，多弯曲传感技术被广泛应用于机械反馈和结构监测中。由于光纤传感器具有高灵活性、抗电磁干扰能力强以及易于集成等优点，因此在智能制造、结构健康监测和生物医学领域受到了广泛关注[[1], [2], [3]]。典型的三维弯曲测量技术包括光纤散斑图传感[4,5]、光频域反射测量（OFDR）[[6], [7], [8]]和光纤布拉格光栅（FBG）传感。然而，光纤散斑图传感技术仅限于在特定位置进行精确测量，且只能检测有限的弯曲位置。此外，OFDR技术所需的设备复杂且成本较高，也限制了其实际应用。基于FBG的技术通过监测FBG的反射或传输光谱变化来检测弯曲状态，由于其高灵敏度、低成本以及能够进行多点、准分布式测量的能力而受到重视。

常见的基于光纤光栅的弯曲传感主要使用多芯光纤布拉格光栅或刻在单模光纤（SMF）上的多个偏心光栅[[10], [11], [12]]。与传统单模光纤布拉格光栅（SMFBGs）相比，多模光纤布拉格光栅（MMFBGs）由于具有更大的芯径，能够支持更高阶模式，从而提供了更好的灵敏度、测量范围和结构简洁性。此外，当受到干扰时，多模光纤会在模式之间重新分配功率，使其对扰动更加敏感[13,14]。Sun等人[15]通过分析MMFBG反射峰的波长位移和强度比实现了同时测量应变和曲率。Xu等人[16]通过监测MMFBG反射峰的波长位移和强度实现了应变、扭转和温度的同时检测。然而，这些研究仅限于在单一位置或2D弯曲情况下检测光纤变形，未探索复杂的3D矢量弯曲。

近年来，由于深度学习具有出色的非线性处理能力和易于解调的优点，已被应用于弯曲传感领域。Guo等人[17]通过构建4×3 FBG阵列并利用CNN模型解耦温度和曲率系数，实现了燃料棒矢量弯曲的精确重建。Martínez-Manuel等人[18]提出了一种基于椭圆芯光纤的多模干涉光谱和支持向量机（SVM）算法的方向弯曲监测光纤传感器。Ren等人[19]结合马赫-曾德尔干涉和轴对称位移结构，利用机器学习实现了矢量和曲率的同时解调。

本研究提出了一种3D矢量弯曲传感器，能够根据MMFBG的反射光谱测量每个点的弯曲方向、位置和角度。芯偏移发射使得传感器对弯曲变化更加敏感，并为解调提供了更丰富的光谱信息。此外，还提出了一种封装方案以提高传感器的稳定性和重复性。根据不同的弯曲传感需求，分别设计并使用了时间卷积网络（TCN）以及整合了TCN、双向长短期记忆（BiLSTM）和自注意力机制的深度学习模型来分析MMFBG的反射光谱。然后通过实验验证了所提方案测量复杂弯曲状态的能力。

原理与传感器设计

MMFBG是通过使用紫外光照射氢加载的多模光纤并经过相位掩模刻蚀制成的。图1显示了本研究中使用的光纤传感器结构，该传感器由一根单模光纤（SMF）与三个MMFBG拼接而成。光栅刻蚀在渐变折射率多模光纤（GIMMF，Corning，ClearCurve OM3）上，芯径为50 μm，数值孔径（NA）为0.2。三个FBG（每个长度为10 mm）沿光纤轴刻蚀，中心间距为

实验装置

图4(a)展示了用于方向弯曲识别的实验系统。实验中使用了掺铒光纤放大器（EDFA）作为宽带光源。宽带光通过光纤光环行器进入传感器，反射光谱由光谱分析仪（OSA，YOKOGAWA AQ6370D）收集。传感器的一端固定在支架上，另一端通过3D打印支架由伺服电机（SM40BL）驱动，以实现不同方向的弯曲

多弯曲传感的实验装置

为了进一步测试传感器的多弯曲检测能力，使用图10(a)所示的装置进行了多弯曲实验。三个MMFBG位于三个伺服电机之间，通过3D打印支架驱动MMFBG产生弯曲，弯曲角度由PC控制的伺服电机旋转位置决定。反射光谱也通过第3.1节描述的方法由OSA自动收集。

TCN-BiLSTM-Attention用于多弯曲传感

与方向弯曲识别相比，

结论

本文提出了一种基于多模光纤布拉格光栅结构的新型3D矢量弯曲传感器，该传感器采用偏心激励方式并具有光谱检测功能。通过SMF和MMF之间的芯偏移发射，有效激发了多模光纤中的多个高阶模式。使用硅胶管和PDMS封装传感结构，提高了其稳定性和方向分辨率。基于TCN的方向弯曲分类实验结果

CRediT作者贡献声明

Jing Xu：撰写——原始稿件、软件开发、方法论设计、概念构思。Yan Liu：撰写——审稿与编辑、撰写——原始稿件、项目管理、资金筹集。Zhibo Hou：软件开发、数据分析、形式化分析。Lezhi Pang：验证、形式化分析、数据管理。Kunzhu Wang：验证、形式化分析、数据管理。Muguang Wang：监督、资源协调。Fengping Yan：监督、资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（批准号：62335001、61975009、U2006217）的财政支持。