光纤传感技术在三维形貌测量中的研究进展综述

本文由Haodi Zhai（东北大学信息科学与工程学院）、Qi Wang（通讯作者，东北大学/河北省微纳精密光学传感与测量技术重点实验室）、Bing Zhou、Yijie Fan（东北大学）、Fuyin Wang、Qiong Yao、Ji Xia（国防科技大学气象与海洋学院）合作完成，发表于2025年的《Optics and Laser Technology》期刊（Volume 190, 113190）。作为一篇系统性综述，文章全面梳理了光纤三维形貌传感技术的原理、方法、算法及未来挑战，为复杂环境下的实时形变监测提供了技术路线图。

一、技术背景与研究意义

光纤三维形貌传感技术凭借抗电磁干扰和高空间分辨率的特性，在现代工业自动化、智能机器人及微创医疗等领域具有不可替代的优势。例如，桥梁安全监测需要毫米级位移检测精度（文献[4-10]），而血管介入手术要求导管尖端定位达到亚毫米级（文献[11-13]）。然而，传统形变传感技术（如电磁跟踪、惯性传感器网络和计算机视觉）在强磁干扰、离散节点配置或光照条件变化下表现受限（文献[16-19]）。分布式光纤形变传感（DFOSS）通过光子信号传输实现全场测量，成为解决上述问题的关键技术路径（文献[20]）。

二、核心技术分类与机制

1. 多芯光纤（MCFs）与光纤束配置

• 多芯光纤：在单根光纤包层内集成3-7个纤芯，利用飞秒激光刻写光纤布拉格光栅（FBG）阵列进行准分布式测量。其优势在于小型化，但制造工艺复杂且纤芯间距过近会导致应变传递效率降低（文献[21]）。
  
• 光纤束：将多个单模光纤封装成束，通过增大纤芯间距提升空间分辨率，适用于高曲率场景（如机械臂多关节运动监测），但封装工艺复杂（文献[22]）。
  

2. 应变测量技术

文章将应变测量分为准分布式和分布式两类：
- 准分布式技术：以FBG为核心，通过波长移位（δλb）解析应变与温度变化（公式5）。为解决温度-应变交叉敏感性，研究者开发了混合结构（如FBG/LPFG组合）和双波长FBG补偿技术（文献[43-47]）。机器学习（如TCN-LightGBM和ADPNet模型）进一步提升了信号解调精度（文献[49-51]）。
- 分布式技术：基于瑞利散射（Rayleigh scattering）和布里渊散射（Brillouin scattering）。
- 瑞利散射：相位敏感光时域反射仪（φ-OTDR）通过相位解调实现±10 nε级超高灵敏度（文献[62-63]），而光频域反射仪（OFDR）可达毫米级空间分辨率（文献[75]）。
- 布里渊散射：布里渊光时域分析（BOTDA）和布里渊光相关域分析（BOCDA）通过频率调制突破声子寿命限制，实现0.64 mm空间分辨率（文献[100]）。混沌激光（PCL-BOCDA）进一步将信噪比提升25.4 dB，适用于长距离监测（文献[107]）。

三、形貌重建算法

1. 曲率重建

• 理论模型：从二维平面（Kirchhoff弹性杆理论）发展到三维空间（Frenet-Serret框架），通过应变差计算弯曲方向角θ和曲率κ（公式1-2）（文献[119-123]）。
  
• 拓扑优化：如形状记忆合金基底（文献[124]）、金属网状载体（误差0.84 mm，文献[129]）和螺旋槽设计（文献[139]），显著提升抗扭干扰能力。
  

2. 形貌重建

• 传统方法：基于微分几何的局部曲率积分（文献[121]）或Frenet-Serret框架（误差7.2%，文献[146]）。
  
• 机器学习：
  
  • 数据驱动：DNN和TNN直接映射FBG信号与形貌，平均偏差3.19 mm（文献[157]）。
    
  • 混合模型：CNN-LSTM-Attention模型结合时空特征，曲率半径700 mm时RMSE为1.5739 mm，较数值方法提升58.96%（文献[162]）。
    

四、挑战与未来方向

1. 扭转与应变分离：长距离监测中螺旋结构易因螺距误差导致应变传递失真，需结合多物理场模型优化（文献[143]）。
   
2. 极端温度补偿：非线性热-应变耦合要求开发多参数光纤与物理引导神经网络（文献[134]）。
   
3. 制造工艺：千米级FBG阵列的均匀性和封装强度平衡仍是难题（文献[22]）。
   
4. 实时数据处理：轻量化混合架构与量子计算有望解决算法复杂度与实时性矛盾（文献[162]）。
   

五、论文价值与亮点

1. 全面性：首次系统整合DFOSS的传感机制、算法及跨学科应用，涵盖从原理到工程化的全链条技术。
   
2. 创新点：
   
   • 提出混沌激光增强的BOCDA方案，实现100 km监测与±0.64 MHz频率精度（文献[107]）。
     
   • 机器学习算法将形貌重建误差降低一个数量级（文献[162]）。
     
3. 应用导向：针对医疗机器人、基础设施监测等场景提出定制化解决方案（如血管介入0.58 mm精度，文献[74]）。
   

六、其他重要内容

• 交叉技术融合：如光子时间拉伸（TS-DFT）将FBG动态响应提升至MHz级（文献[40-42]）。
  
• 开源数据：作者声明数据可依请求提供，促进学术验证与工业转化。
  

本文为光纤形貌传感领域提供了里程碑式的技术综述，其方法论与挑战分析将推动下一代智能传感系统的开发。