光纤形状传感（Optical Fiber Shape Sensing）技术是一种通过测量光纤上弯曲曲率、弯曲方向、扭转角度等关键参数来获得沿光纤路径上多维度空间形状的一种技术,具有高空间分辨率、高精度、尺寸小和抗电磁干扰等特点,尤其在微创手术器械的形状跟踪导航、变体飞行器的姿态反馈控制、连续体机器人形状姿态、运动状态的获取和岩土结构的形貌监测等方面发挥着重要的作用。目前光纤形状传感技术也存在着一些共性感知难题,比如在发生复杂的空间弯曲形变时,传感器自身会产生轴向扭转从而导致弯曲-变理论模型出现偏差、理论模型与反演算法失配,极大降低形状重构的精度,造成形状传感效果不佳。本文针对以上挑战,开展研究工作如下:1.在阐明光频域反射仪分布式应变传感原理的基础上,建立了光纤弯曲形变、应变及瑞利散射光谱波长漂移间的物理关系。构建了弯曲曲率、弯曲方向以及挠率与空间曲线微分框架中三个正交分量间的数学关系,最后采用光纤切向分量的线积分实现其三维形状重构。此外,建立了光纤总应变与弯曲、扭转的理论模型,提出了三种弯曲和扭转解耦的逆向求解算法。2.研制了一种柔性细径光纤束形状传感器及其真空注胶封装装置,实验探究了形状传感器在封装过程中胶水材料及配比对残余应变的产生、积累和分布情况的影响。实验结果表明,胶水交联反应使得光纤产生的残余应变随着固化时间逐渐增大,且形状传感器中三根光纤的残余应变随时间的积累以及沿光纤轴向的空间分布具有一致性。经过约16 h的固化反应后,三根光纤的残余应变达到最大值并稳定保持在80-100με范围内。最后,在标定光纤束形状传感器的弯曲灵敏度系数基础上,光纤束形状传感器的二维、三维形状末端重构的最大平均误差为其总长度的0.58%和3.45%。3.提出一种基于光频域反射仪和螺旋多芯光纤的分布式弯曲、扭转同时测量方法,实验验证了采用波长漂移曲线纵向平移方法和横向周期变化分析方法实现弯曲、扭转同时测量的可行性,结果表明弯曲测量平均相对误差为4.80%,两种扭转测量平均相对误差为6.62%和7.30%。在此基础上,实现了基于光频域反射仪和螺旋多芯光纤的分布式三维形状传感,在0.62 m光纤长度范围重建和设计的三维空间曲线间的平均欧氏距离为9.6 mm。