为了更深入地研究光频域反射法（optical frequency domain reflectometry, OFDR）在形状检测，有效计算变形监测等应用场景下光纤的形状和位置，设计了一种利用分布式光频域反射技术测得的光纤应变数据来重构三维形状的算法。与已有算法相比，在数据处理环节加入了样条插值，从而使得形状还原精度提高，并利用仿真实验对算法进行了验证。首先设计了通过应变数据得到三芯光纤曲率和弯曲方向采样值的计算方法，结合Frenet-Serret公式构造了曲线方程；然后利用有限元分析软件对空间S形应变数据进行建模并提取，带入已设计的算法求解，在三维空间中重建S形光纤；最后得出位置误差随着光纤长度的增加逐渐增加，均方根误差计算结果为0.996 mm，单位长度误差最大值为0.082 4%。结果表明，该算法能较好地恢复原始曲线，具有一定的工程价值。

多芯光纤光栅形状传感技术利用空分复用以及应变监测的优势，结合不同的栅点布设方案，实现待测对象的连续曲率和形状传感。首先介绍了多芯光纤光栅曲率和挠率传感原理，提出采用齐次矩阵变换的三维重构算法实现光纤的三维形状重构。为了探究不同光栅密度对实验精度的影响，利用算法编程模拟了不同光栅间距下的三维形状重构精度，依据模拟仿真的结果，建立了不同光栅间距与三维重构误差之间的关系。三维形状传感实验使用光栅间距为10 cm和5 cm的七芯光纤光栅串。实验结果表明，最大误差出现在尾点处，分别为2.56 cm和1.15 cm，占全长的3.2%和1.4%，平均误差为1.32 cm和0.62 cm，占全长的1.7%和0.8%。实验结果与仿真值比较接近，说明可以依据仿真结果对不同光栅间距下的三维形状误差进行预测。结合具体的应用场景合理配置测点资源，在较低的成本范围内实现高性能的检测。

介入探针形状监测技术能够为医生在手术中提供重要参考信息，是保证手术安全性的必要手段。为提高介入探针形状测量精度，文中提出一种引入应变灵敏度矩阵的光纤光栅传感阵列介入探针形状测量方法。首先，基于光纤光栅传感理论，分析了植入在探针中光纤光栅波长漂移量与其应变的关系，同时引入了应变灵敏度矩阵，研究了光纤光栅中心波长漂移量与其弯曲曲率的关系。然后，推导了探针的局部单元几何参数关系和坐标转换方程，建立了基于光纤光栅的探针形状测量模型。最后，为了验证引入应变灵敏度矩阵对形状测量精度的影响，对植入光纤光栅传感阵列的介入探针进行了不同弯曲状态下的形状测量实验，对比分析了引入应变灵敏度矩阵前后形状测量的误差。实验结果表明，引入光纤光栅应变灵敏度矩阵可有效提升介入探针的测量精度，在不同弯曲情况下，介入手术探针末端偏移量平均误差降低了1.385 mm，最大误差降低了3.317 mm。文中所提出的基于光纤光栅传感阵列的形状测量方法在介入手术柔性医疗器械的形状重构方向具有广阔的应用前景。

软体机器人运行中的形状信息反馈对机器人精准操控非常重要，由于其柔性的躯体特性，对搭载的形状测量传感器的柔顺性同样要求很高，为此面向软件机器人的光纤光栅柔性传感，提出了一种基于双层正交光纤布拉格光栅的可实现三维形状测量的柔性传感器，阐述了传感器的结构组成和测量原理，制备了由两层4×4光纤布拉格光栅阵列组成的传感器原型。对该传感器进行横向和纵向的曲率标定，得到了波长漂移量与曲率之间的线性递增关系；随后开展了三维形状测量研究，通过测量空间传感点的曲率建立三维坐标系，将曲率信息转化为空间坐标信息，再通过对空间离散坐标点的插值拟合来重建被测物体表面的三维形状。该柔性形状传感器可实现对复杂曲面的三维形状感知，曲率测量误差为2.8%~4.5%。本文提供的光纤光栅柔性传感器可为软体机器人的形状测量提供技术支持。