分布式光纤形状传感技术及其端点误差补偿：理论与实验验证 莱昂纳多·罗西（Leonardo Rossi）、 弗朗切斯科·法尔切泰利（Francesco Falcetelli）、 弗朗切斯科·加利亚尔多（Francesco Gagliardo）、 皮耶罗·洛瓦托（Piero Lovato）、 菲利波·巴斯蒂亚尼尼（Filippo Bastianini）、 拉斐拉·迪·桑特（Raffaella Di Sante） 以及加布里埃莱·博洛尼尼（Gabriele Bolognini）

《Sensors》：Distributed Fiber-Optic Shape Sensing with Endpoint Error Compensation: Theory and Experimental Validation Leonardo Rossi, Francesco Falcetelli, Francesco Gagliardo, Piero Lovato, Filippo Bastianini, Raffaella Di Sante and Gabriele Bolognini

　　

摘要

光纤形状传感技术能够实时监测各种应用中的结构变形。对于大规模结构，基于布里渊效应的分布式传感技术（通常通过布里渊光时域分析BOTDA实现）在准静态测量中具有较长的测量范围，但其有限的空间分辨率会降低重建精度。本研究通过引入一种新的误差补偿算法来解决这一根本性问题，该算法特别适用于基于布里渊效应的形状传感系统，且与具体的传感技术无关。该方法利用传感路径的起始点和终点，进行正向和反向重建，并通过测试多种多项式和指数加权策略来融合这两种轨迹。该算法在一条28.91米长的四芯形状传感光纤电缆上进行了实验验证，该电缆采用BOTDA技术进行测量，空间分辨率为50厘米，并通过Frenet–Serret框架进行重建。校准过程包括通过热点参考点进行径向偏移调整和段对齐。研究以一个非平凡的S形几何结构作为案例，特别关注由直线段和曲线段混合引起的曲率不连续性问题。重建精度通过基于欧几里得距离的优度指标（FOMs）进行量化。与传统的无补偿方法相比，三次加权策略在所有FOMs指标上均显示出超过86%的改进。具体而言，其均方根误差（RMSE）为0.145米（占长度L的0.50%），平均绝对误差（MAE）为0.109米（占长度L的0.38%），最大误差为0.341米（占长度L的1.18%）。值得注意的是，这些百分比误差与文献中报道的光纤布拉格光栅（FBG）和光频域反射仪（OFDR）系统的误差处于同一数量级，表明所提出的补偿策略使得基于BOTDA的形状传感技术能够在较低的空间分辨率下实现相当的重建精度。