本發(fā)明涉及一種可實(shí)現(xiàn)彎曲半徑和彎曲角度雙參傳感的橢圓環(huán)芯光纖，其特點(diǎn)是具有優(yōu)異的抗彎曲損耗特性，并且在只利用一個(gè)纖芯的情況下，實(shí)現(xiàn)分布式的彎曲半徑和彎曲角度的雙參傳感，屬于分布式光纖傳感。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，形狀傳感技術(shù)在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛的研究和關(guān)注，如醫(yī)療領(lǐng)域中的探針、軟體操作器、內(nèi)窺鏡等，航空航天領(lǐng)域中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)體的變形監(jiān)測(cè)，以及橋梁在線變形測(cè)量又或者柔性機(jī)器人觸手形狀感測(cè)等(文獻(xiàn)1：r.t.schermer,and?j.h.cole,"improvedbend?loss?formula?verified?for?optical?fiber?by?simulation?and?experiment,"ieee?j?quantum?elect?43,899-909(2007).；文獻(xiàn)2：y.j.meng,r.l.sui,w.f.liang?etal.,"multicore?fiber?shape?sensing?based?on?optical?frequency?domainreflectometry?parallel?measurements,"j?lightwave?technol?42,3909-3917(2024).)。在可實(shí)現(xiàn)形狀傳感的諸多備選技術(shù)中，光纖傳感技術(shù)因其抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量距離長(zhǎng)、傳輸可靠性和精度高、布線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為曲率以及彎曲角度的傳感技術(shù)提供了新的探索方向(文獻(xiàn)3：r.t.schermer,"mode?scalability?in?bent?optical?fibers,"optexpress?15,15674-15701(2007).)。在這之中，受激布里淵散射傳感技術(shù)是通過(guò)觀測(cè)光纖傳輸中后向布里淵散射信號(hào)與本地參考信號(hào)的頻率變化量來(lái)傳感光纖受到的應(yīng)變，再利用空間重構(gòu)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將應(yīng)變信息轉(zhuǎn)化為光纖的曲率信息以及彎曲角度信息。據(jù)報(bào)道與單模光纖相比，少模光纖中彎曲引起的布里淵頻移變化要大得多。盡管如此，對(duì)于已報(bào)道的少模光纖而言，較大的彎曲損耗嚴(yán)重限制了其可傳感的最小彎曲半徑以及傳感距離。而對(duì)于多芯光纖而言，雖然有已報(bào)道的分布式形狀傳感技術(shù)，但其同樣受限于彎曲損耗導(dǎo)致傳感的彎曲半徑較大以及容易受光纖扭轉(zhuǎn)的影響導(dǎo)致傳感中存在較大誤差(文獻(xiàn)4：z.y.zhao,m.a.soto,m.tang?et?al.,"distributed?shape?sensing?using?brillouinscattering?in?multi-core?fibers,"opt?express?24,25211-25223(2016).)。對(duì)于環(huán)芯光纖來(lái)說(shuō)，由于其優(yōu)異的抗彎曲性能因此可實(shí)現(xiàn)分布式曲率傳感，卻受限于光纖的對(duì)稱性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其對(duì)彎曲角度不敏感(文獻(xiàn)5：l.shen,h.wu,c.zhao?et?al.,"distributedcurvature?sensing?based?on?a?bending?loss-resistant?ring-core?fiber,"photonics?res?8,165-174(2020).)。在小彎曲半徑的情況下，同時(shí)檢測(cè)彎曲半徑和彎曲半徑兩個(gè)參量往往受到彎曲損耗以及傳感靈敏度較低的限制。

2、本發(fā)明結(jié)合環(huán)芯光纖的性能優(yōu)勢(shì)引入非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出了橢圓環(huán)芯光纖，能夠?qū)崿F(xiàn)布里淵頻移對(duì)彎曲角度以及彎曲半徑的同時(shí)敏感。根據(jù)數(shù)值仿真，我們探究了橢圓環(huán)芯光纖的對(duì)彎曲半徑和彎曲角度的傳感特性。本發(fā)明能夠傳感的彎曲半徑范圍是0.6cm到2.0cm，傳感彎曲方向的范圍為0°到90°。在彎曲半徑為0.6cm，彎曲角度為0°時(shí)，布里淵頻移的變化量的最大值為31.6mhz，同時(shí)我們的設(shè)計(jì)確保了限制損耗小于1.5×10-6db/m以及雙折射小于1×10-5。該發(fā)明為實(shí)現(xiàn)小彎曲半徑下分布式的形狀傳感提供新的方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為具有非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)的橢圓環(huán)芯光纖，利用其結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)對(duì)彎曲角度的靈敏響應(yīng)，以及利用環(huán)芯結(jié)構(gòu)的抗彎曲特性實(shí)現(xiàn)對(duì)小彎曲半徑的傳感。結(jié)合上述特性，該發(fā)明具備實(shí)現(xiàn)彎曲角度和彎曲半徑的雙參傳感潛力。

2、1.本發(fā)明的具體內(nèi)容

3、在實(shí)現(xiàn)彎曲半徑和彎曲角度的雙參傳感的同時(shí)具有優(yōu)異的抗彎曲性能對(duì)于分布式形狀傳感是至關(guān)重要的。

4、(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)抗彎曲損耗的橢圓環(huán)芯結(jié)構(gòu)，如圖1所示，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的橢圓度其中i＝1,2。定義參數(shù)優(yōu)化后γ＝0.55，這是我們兼顧了彎曲損耗以及傳感靈敏度的結(jié)果。

5、(2)所設(shè)計(jì)光纖以1550nm的平面波光源入射時(shí)，在最小傳感彎曲半徑(r)為0.6cm時(shí)，通過(guò)數(shù)值仿真得到的限制損耗(cl)以及雙折射(b)隨彎曲角度(θb)的變化趨勢(shì)如圖2所示。由于光纖的彎曲半徑越小則光纖的限制損耗和雙折射都會(huì)增大，因此我們只需保證最小曲率半徑下光纖的損耗以及雙折射符合限制就能確保分布式傳感。

6、(3)分別利用光場(chǎng)的lp01以及l(fā)p11e產(chǎn)生的布里淵散射信號(hào)的頻移變化量以共同解調(diào)彎曲角度和彎曲半徑的信息。

7、2.本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

8、(1)本發(fā)明與環(huán)芯光纖傳感器相比，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)彎曲半徑和彎曲半徑雙參傳感。

9、(2)本發(fā)明相比于多芯光纖傳感器，抗彎曲損耗性能提升，因此本發(fā)明可以傳感更小的彎曲半徑。

10、3.本發(fā)明的原理如下：

11、(1)以光纖截面中心為極坐標(biāo)原點(diǎn)，則界面中任意位置的坐標(biāo)為(r,θ)。設(shè)彎曲半徑r，則由彎曲引起的光纖截面中應(yīng)變可以表示為：ε＝-r·cos(θ-θb)/r。由彎曲引起的功率中心的變化量用向量(dx,dy)表示，其中

12、

13、由此可以得到布里淵頻移的變化量(δνb)為

14、

15、(2)光纖應(yīng)變對(duì)彎曲角度的靈敏度可以通過(guò)環(huán)芯的非對(duì)稱性設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)，這是由于不同彎曲角度下，光場(chǎng)基模的功率中心變化量(dx,dy)的模不同。隨著橢圓度的增加或者環(huán)芯厚度的減小，布里淵頻移對(duì)彎曲半徑和彎曲角度的靈敏度提高。

16、(3)通過(guò)適當(dāng)增加橢圓環(huán)芯的折射率，可以在彎曲情況下對(duì)光場(chǎng)有更好的限制以降低損耗，同時(shí)可以提高布里淵頻移對(duì)應(yīng)變的靈敏度。

17、(4)利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建兩種布里淵散射光中δνb與彎曲半徑r和彎曲角度θb之間的一一映射關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)彎曲半徑r和彎曲角度θb雙參傳感。

技術(shù)特征：

1.提出一種可實(shí)現(xiàn)彎曲半徑和彎曲角度雙參傳感的橢圓環(huán)芯光纖，特征在于：利用光纖橢圓環(huán)芯的非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)彎曲角度的靈敏傳感，再利用光纖環(huán)芯結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小彎曲半徑的傳感。在環(huán)芯區(qū)域，我們通過(guò)向sio2中摻雜geo2來(lái)增大折射率至1.457，而包層為純sio2材料，其折射率為1.444。環(huán)芯折射率的增加對(duì)光場(chǎng)的能量有很好的限制效果，能提升光纖的抗彎曲損耗性能并降低雙折射，這進(jìn)一步幫助我們實(shí)現(xiàn)在小彎曲半徑時(shí)對(duì)彎曲半徑進(jìn)行傳感。

2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的橢圓環(huán)芯非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其特征在于：環(huán)芯區(qū)域的橢圓度為1.3，以及內(nèi)橢圓與外橢圓的長(zhǎng)軸(或短軸)半徑比值(γ)為0.55。在確定外橢圓的長(zhǎng)軸半徑為7.125μm的條件下，確定外橢圓短軸半徑為5.481μm，內(nèi)橢圓的長(zhǎng)軸半徑為3.919μm以及其短軸半徑為3.014μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的基于非對(duì)稱橢圓環(huán)芯光纖傳感彎曲半徑和彎曲角度設(shè)計(jì)，其特征在于：利用非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)中，不同彎曲角度會(huì)導(dǎo)致光纖中產(chǎn)生不同的應(yīng)變，再根據(jù)布里淵頻移對(duì)應(yīng)變的靈敏度解調(diào)彎曲角度從而實(shí)現(xiàn)傳感過(guò)程。仿真結(jié)果表明，彎曲引起的最小的布里淵頻移變化量大于1mhz，這將有利于在實(shí)際傳感中檢測(cè)到由彎曲引起的光纖中布里淵頻移的變化。

4.根據(jù)權(quán)利要求1，2，3中所述的內(nèi)容，其特征在于：通過(guò)橢圓環(huán)芯光纖截面的幾何結(jié)構(gòu)以及摻雜特性，可實(shí)現(xiàn)光纖的雙折射小于10-5以及限制損耗小于5×10-6db/m。由仿真得到本發(fā)明彎曲半徑和彎曲角度雙參傳感曲線，為實(shí)現(xiàn)彎曲半徑和彎曲角度的雙參傳感奠定基礎(chǔ)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明是一種可實(shí)現(xiàn)彎曲半徑和彎曲角度雙參傳感的橢圓環(huán)芯光纖，屬于分布式傳感技術(shù)。本發(fā)明利用光纖的非對(duì)稱橢圓環(huán)芯結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小彎曲半徑以及彎曲角度的雙參傳感。通過(guò)數(shù)值模擬，優(yōu)化了光纖橢圓環(huán)芯的橢圓度以及環(huán)芯厚度，揭示了橢圓環(huán)芯光纖傳感彎曲半徑和彎曲角度的特性。本發(fā)明利用光場(chǎng)LP<subgt;01</subgt;以及LP<subgt;11e</subgt;模式所激發(fā)的布里淵散射光來(lái)實(shí)現(xiàn)雙參傳感，其中彎曲半徑的傳感范圍是0.6cm到2.0cm，彎曲半徑的傳感范圍為0°到90°。在彎曲半徑為0.6cm，彎曲角度為0°時(shí)，布里淵頻移的變化量最大，值為31.6MHz。同時(shí)我們的設(shè)計(jì)確保了光纖的限制損耗小于1.5×10<supgt;?6</supgt;dB/m以及雙折射小于1×10<supgt;?5</supgt;，與目前主流利用的多芯光纖相比有更低的限制損耗以及雙折射。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了彎曲角度以及彎曲半徑同時(shí)傳感。

技術(shù)研發(fā)人員：田慧平,暢運(yùn)龍,繩東賀,陳銘振
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京郵電大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15