光位置和/或形状感测制造技术

本发明专利技术公开了用多芯光纤进行形状感测的精确测量方法和装置。检测直到多芯光纤上一点处的多芯光纤内的各个芯的光程变化。基于所检测到的光程变化来确定多芯光纤上该点处的位置和/或指向。该确定的精度优于直到多芯光纤上该点处的多芯光纤的光程变化的0.5％。在一个优选的示例性实施例中，该确定包括基于所检测到的光程变化来确定多芯光纤的至少一部分的形状。

【技术实现步骤摘要】
光位置和/或形状感测本申请是申请日为2010年9月16日、题为“光位置和/或形状感测”的中国专利技术专利申请201080041709.6的分案申请。本申请要求享有2009年9月18日提交的美国临时专利申请61/243,746、2009年10月28日提交的美国临时专利申请61/255,575以及2010年6月1日提交的美国临时专利申请61/350,343的优先权，其全部内容通过引用结合到本文中。
本
涉及光测量，更具体地涉及光位置和/或形状感测。
技术介绍
形状测量是一个通用的术语，其包括感测三维空间中的某一结构的位置。此测量与人眼看见的物体的位置相符。由于人眼持续地完成此任务，因此可能会觉得这种测量很简单。如果考虑的是绳子的长度，那么人可能要物理性地测量沿绳子上的每一英寸处的位置，以便估计其形状。但是，这种任务是单调的，并且形状越复杂其越困难。另一考虑是，如果该绳子无法物理性地够到或看到，那么如何进行这种测量。如果绳子装在一个密封的盒子里，它的位置就不可能通过常规的测量技术来确定。这种例子中的绳子可用光纤来代替。感测细长形圆柱体如光纤的形状在例如从制造和施工到医药和航空的许多应用中都是有用的。在大多数的这些应用中，形状感测系统必须能精确地确定光纤的位置，误差例如小于其长度的百分之一，而在许多情况下要小于其长度的千分之一。针对形状测量问题存在许多方法，但是均未充分满足多数应用的要求，因为它们太慢，不能接近所需要的精度，在出现拉紧弯曲时无法工作，或者不能充分地补偿光纤的扭转。在许多应用中，存在使光纤扭转的扭力降低了精度，因此也消弱了这些方法的有效性。测量光纤形状的常规方法是采用应变作为基础测量信号。应变是受压后的光纤分段的长度相对于该分段的原始长度(受压前)的变化比率。当象光纤这样的物体被弯曲时，弯曲外侧上的材料被拉长，而弯曲内侧上的材料被压缩。如果知道局部应变的这些变化以及物体的原始位置，就可以粗略地估计出光纤的新位置。为了有效地高精度地感测位置，必须解决几个关键的因素。首先，对于基于应变的方法来说，应变测量优选精确到10个纳米级应变(每10亿10份)的水平。然而，通过常规的电阻式或光学式应变仪无法容易地获得高精度的应变测量。因此，必须设计出一种能以非常高的精度来测量应变的新技术，它不是常规意义上的基于应变的技术。其次，必须要高精度地测量到光纤中存在的扭转，且要在形状计算中对其加以考虑。通过形成螺旋式的且具有中心芯的多芯光纤，就可以感测光纤的扭转。但问题是，如何获得高于1度的旋转位置精度。对于高精度的旋转传感器，必须以高精度的方式来确定一段光纤上的应变传感器的位置。因此，希望有一些可测量螺旋光纤中的外芯的旋转率的方法，其能够用来校正光纤位置的计算。第三，具有以足够比率形成螺旋的多个芯和布拉格光栅(常规的光学应变仪)的光纤难以制造且成本昂贵。因此，希望提供一种不用布拉格光栅就能实现纳米级应变分辨率的方法。第四，多芯光纤通常不是保偏的，因此最好还要考虑到偏振效应。
技术实现思路
以下所描述的技术阐明了如何按照上述因素和考虑来利用光纤的内在属性以实现非常精确的形状计算。事实上，光纤的位置通过解释光纤内的激光散射出的玻璃分子的背反射来确定。这种测量可以高分辨率地快速进行，并且达到高精度。公开了一种用于采用多芯光纤来测量位置和/或方向的非常精确的测量方法和装置。检测直到多芯光纤上的一点处的多芯光纤的各个芯中的光程变化。基于所检测到的光程变化来确定多芯光纤上的该点处的位置和/或指向。该指向对应于基于正交应变信号所确定的在多芯光纤上的该位置处的多芯光纤的弯曲角度。这种确定的精度优于直到多芯光纤上该点处的多芯光纤的光程的0.5％。在一个优选的示例性实施例中，该确定包括基于所检测到的光程变化来确定多芯光纤的至少一部分的形状。该确定可包括基于所检测的直到该位置的长度变化来计算在多芯光纤上任何位置处的多芯光纤的弯曲角度。之后，可基于所计算的弯曲角度来确定多芯光纤的形状。可以两维或三维的方式来计算该弯曲角度。检测光程变化优选地包括检测直到多芯光纤上的一点处的对于多个分段长度中的每一分段长度的多芯光纤的各个芯的光程的递增变化。总的所检测到的光程变化基于这些递增变化的组合。通过计算多芯光纤上各个分段长度处的光相位变化并解绕该光相位变化以确定光程，从而来确定光程的变化。更具体地说，在一个非限制的示例性实施例中，可以检测来自多个分段长度的在多芯中的至少两个芯中反射的光信号的相位响应。这些分段长度处的光纤上的应变导致了这两个芯中的来自分段长度的反射光信号的相移。优选地，针对各个分段长度连续地监控多芯光纤的光程上的相位响应。在另一个非限制的示例性实施例中，针对各个分段长度来检测反射光信号中的反射的瑞利散射模式，从而不需要采用布拉格光栅等。针对各个分段长度将反射的瑞利散射模式与参考瑞利散射模式进行比较。基于该比较来确定针对各个分段长度的相位响应。一个非限制的示例性实施例还基于多芯光纤的所检测到的光程变化来确定在多芯光纤上的一点处与多芯光纤相关联的扭转参数。随后基于所确定的扭转参数将多芯光纤上该点处的位置转化到正交坐标系统中。优选地，针对各个分段长度来校正所确定的扭转参数。在一个示范性应用中，多芯光纤包括三个外围芯，它们围绕着沿多芯光纤中心的第四芯与之间隔开，可以确定来自各个分段长度的四个芯中的每一个芯中反射的光信号的相位响应。多芯光纤的在一个或多个分段长度处的应变导致了各个芯中的反射光信号的相移。对三个外围芯的相位响应进行平均。平均后的相位响应与第四个芯的相位响应相结合，以消除共模应变。然后，根据所结合的相位响应来确定扭转参数。在另一个非限制的示例性实施例中，确定多芯光纤上由弯曲引发的光程变化，并在确定扭转参数时加以考虑。计算一个分段长度处的弯曲，并对其进行平方。平方后的弯曲与一常数相乘，得到弯曲积，其与所述这个分段长度处的多芯光纤的外芯的所确定的光程变化相结合。此实施例的一个示范性的有利应用是弯曲半径小于50mm的情况。另一个非限制的示例性实施例确定在各个分段长度处的多芯光纤上的一点处多芯光纤关于其轴线的旋转方位。基于所检测的多纤芯中的光程变化来校正扭转效应和在该确定方位上所产生的扭转。需要用这种校正来计算正确的弯曲方向。假设多芯光纤具有公称自旋率，另一非限制的示例性实施例确定各个分段长度处的多芯光纤上的一点处的多芯光纤相对于多芯光纤的公称自旋率的角度旋转。确定并校正多芯光纤上该点处的公称自旋率的变化。通过在一个平面中将多芯光纤约束成弯曲的定向，可以确定多芯光纤的“抖动因子”。随后在基于所检测的光程变化来确定多芯光纤上的该点处的位置时对抖动因子进行校正。在另一个非限制的示例性实施例中，光以至少两个偏振状态沿多芯光纤传输。具有至少两个偏振状态的光的反射被组合起来，并用于基于所检测的光程变化来确定多芯光纤上的该点处的位置或指向。这两个偏振状态包括至少标准正交的第一偏振状态和第二偏振状态。采用偏振控制器来沿多芯光纤传输第一偏振状态的第一光信号，以及沿多芯光纤传输第二偏振状态的第二光信号。采用第一光信号和第二光信号的反射来计算直到达多芯光纤上的该点处的多芯光纤中的多芯中各个光纤的与偏振无关的光程变化。附图说明图1显示了一示范性多芯光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于光纤的测量方法，包括：确定光纤中的纤芯中的光程总变化，该总变化反映针对纤芯的多个分段长度直到光纤上的一点处的所有光程变化的累积，以及基于所检测到的光程总变化提供纤芯中的光程总变化，以用于计算一段长度的纤芯上的平均应变。

【技术特征摘要】
2009.09.18 US 61/243,746;2009.10.28 US 61/255,575;1.一种用于具有带有布拉格光栅的纤芯的光纤的测量方法，包括：跟踪与一段长度的纤芯上的布拉格光栅上的应变相关联的相位变化，其中，跟踪到的相位变化与光纤的该纤芯中的光程总变化成比例，该总变化反映针对纤芯的多个分段长度直到光纤上的一点处的所有光程变化的累积，以及基于所跟踪到的相位变化来测量该段长度的纤芯上的应变。2.如权利要求1所述的方法，其中，跟踪步骤包括：采用光频率域反射计来获得沿所述纤芯的相位数据值。3.如权利要求2所述的方法，其中，所述纤芯被分成多个分段，以及其中，跟踪步骤还包括：获取针对多个分段中的每个分段的参考测量，从而产生针对所述多个分段的每个分段的参考数据集合；获取针对多个分段中的每个分段的随后的测试测量，从而产生针对所述多个分段中的每个分段的测试数据集合；确定多个分段中的一个分段的延迟；调整对该一个分段的延迟，以对准所述参考数据集合和所述测试数据集合；以及计算对准的参考数据集合和测试数据集合之间的相位变化。4.如权利要求1所述的方法，其中，跟踪包括检测光纤中的该纤芯中针对多个分段长度中的各个分段到光纤上的该点的光程中的递增变化，并且其中，所述光程总变化基于递增变化的组合。5.如权利要求4所述的方法，其中，跟踪步骤包括检测光纤的纤芯中从纤芯中的多个分段长度反射的光信号的相位响应，以及其中多个分段长度上的光纤的应变导致了从纤芯的多个分段长度反射的光信号的相移。6.如权利要求5所述的方法，其中，该方法还包括连续监测沿所述光纤的该纤芯中的光程的相位响应。7.如权利要求5所述的方法，其中，所述方法包括：检测针对各个分段长度的反射光信号中的反射的瑞利散射模式，比较针对各个分段长度的所述反射的瑞利散射模式与参考的瑞利散射模式，和基于该比较来确定针对各个分段长度的相位响应。8.如权利要求1所述的方法，其中，光程变化的确定通过计算各个分段长度沿光纤的光相位变化以及解绕该光程变化以确定光程来进行。9.如权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：沿光纤传输具有至少两个偏振态的光，以及将具有至少两个偏振态的光的反射相组合以确定光程变化。10.如权利要求9所述的方法，其中，所述两个偏振态包括至少正交的第一偏振态和第二偏振态，并且该方法还包括：采用偏振控制器来沿光纤传输处于第一偏振态的第一光信号，采用所述偏振控制器来沿光纤传输处于第二偏振态的第二光信号，以及利用第一光信号和第二光信号的反射来计算光纤的纤芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·E·弗罗加特，贾斯丁·W·克莱恩，道恩·K·吉福德，史蒂芬·托德·克瑞格，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国;US