用于沿着三维空间测量微弯和任意微变形的系统技术方案

一种用于在三维空间中感测微弯和微变形的系统，该系统基于被形成为包括一组偏移纤芯的分布式长度光纤，这些偏移纤芯沿着光纤的长度以螺旋形配置部署，各个纤芯包括表现出相同布拉格波长的光纤布拉格光栅。多芯光纤的微尺度局部变形产生布拉格波长的局部移位，其中使用多个纤芯允许对局部变形进行完整的微尺度建模。顺序探测各个纤芯允许光学频域反射计(OFDR)实现给定的三维形状的重构，从而描绘各种微弯和微变形的位置和尺寸。种微弯和微变形的位置和尺寸。种微弯和微变形的位置和尺寸。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于沿着三维空间测量微弯和任意微变形的系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年3月13日提交并通过引用并入本文的美国临时申请No.62/989,117的权益。


[0003]本专利技术涉及一种基于光纤的分布式传感器，并且更具体地涉及一种基于多芯光纤的传感器，该传感器能够沿着给定光纤的范围检测微弯的存在，从而提供关于分布式传感器周围空间内各种变形的位置和尺寸的三维信息。

技术介绍

[0004]基于光纤的分布式传感器已成为执行三维空间中的任意变形的表征的宝贵工具。潜在应用包括3D打印、手术导管、智能可穿戴设备、油箱监视系统、复合结构等。使用光纤进行“形状感测”提供高精度和高速操作，并且可以由于用作感测探头的光束的内置屏蔽而特别适用于表征难以进入的表面和环境。
[0005]迄今为止，基于光纤的分布式传感器只能在“宏观”级别(即，在测量方面，在厘米/米的尺度)重构任意路径和形状。展望未来，以更小尺度(即，亚毫米变化/弯曲)执行分布式感测的能力将变得更加重要。例如，微弯对沿着传输光纤传播的光通信信号的衰减的影响已受到关注几十年。随着光纤中的传输损耗接近由玻璃中的固有吸收和散射决定的基本极限，由光纤(和线缆)中的微观物理弯曲引起的损耗变得越来越重要。但是，目前可用的传感器无法直接测量此类微弯。

技术实现思路

[0006]本专利技术解决了现有技术中剩余的需求，本专利技术涉及一种基于多芯光纤的传感器，该传感器能够沿着给定光纤的范围检测微弯的存在，从而提供关于分布式传感器周围空间内的各种变形的位置和尺寸的三维信息。
[0007]根据本专利技术的原理，“重构”沿着光纤的长度分布的微变形的能力由基于使用绞合多芯光纤来探测光在多个波导芯内的分布式反射的系统提供。形成纤芯以包括都表现出相同的布拉格波长的连续的光纤布拉格光栅(FBG)。感测光纤的微尺度(micro
‑
scale)局部变形产生布拉格波长的局部移位，其中使用多个纤芯允许对特定位置处的弯曲的完整建模。
[0008]在一个示例性实施例中，本专利技术采用用于在三维(3D)空间中感测和测量微弯和微变形的分布式系统的形式，该系统利用多芯感测光纤与光学反向散射反射仪相结合。特别地，多芯感测光纤被形成为包括处于一对一关系的与多芯感测光纤的中心径向间隔开R
o
的量的多个偏移纤芯以及刻在多个偏移纤芯中的多个连续的光纤布拉格光栅(FBG)。形成FBG的集合以反射公共布拉格波长λ
Bragg
处的光。光学反向散射反射仪包括用于生成跨越λ
Bragg
周围的波长范围的扫掠波长输出波束的可调谐激光源、光学分束器/组合器、光学检测器以及用于执行光学频域反射计(OFDR)的傅立叶变换分析器。光学分束器/组合器用于将来自
可调谐激光源的扫掠波长输出波束拆分成被指引到多芯感测光纤中的扫掠波长“探测”波束和被指引到反射器中的扫掠波长参考波束。光学分束器/组合器还用于组合来自多芯感测光纤的扫掠波长返回波束和反射的扫掠波长参考波束以创建干涉FBG感测波束。光学检测器响应于干涉FBG感测波束，创建该干涉波束的电子版本，随后傅立叶变换分析器用于对干涉FBG感测波束的电子版本执行傅立叶变换，以生成沿着多芯感测光纤的长度的布拉格波长的局部变化的测量结果，并由此重构三维空间的形状。
[0009]虽然传感器光纤可以由常规的玻璃材料形成，但其它实施例可以利用由弹性较小的材料形成的传感器光纤，具有较小的杨氏模量，从而允许更精细的测量分辨率。
[0010]在以下讨论的过程中并通过参考附图，本专利技术的其它和进一步的实施例和特征将变得清楚。
附图说明
[0011]现在参考附图，其中相似的附图标记在几个视图中表示相似的部分：
[0012]图1是根据本专利技术的用作多芯感测光纤的绞合多芯光纤的区段的等距视图；
[0013]图2是图1的多芯感测光纤的端视图；
[0014]图3是用于感测和测量与多芯感测光纤的位置相关联的三维空间中的变形的示例性系统的框图；
[0015]图4是沿着多芯感测光纤的弯曲位置的放大横截面视图，例示了在各种偏移纤芯之间存在压缩和扩张两者；
[0016]图5是描绘光纤形状测量中的标准偏差随着所采取的测量次数而减少的曲线图；以及
[0017]图6例示了与执行多次测量相关联的形状重构的改进，其中图6(a)是多芯感测光纤的环的照片再现，图6(b)是基于单次测量的重构，并且图6(c)是基于一组十个独立测量的重构。
具体实施方式
[0018]图1是根据本专利技术原理的示例性绞合多芯光纤10的等距视图，该光纤可以用于在三维空间中执行微弯(以及一般而言各种其它微变形)的感测。图2是图1的光纤10的端视图，特别例示了在多芯光纤10内的一组偏移纤芯的放置。在这个实施例中，多芯光纤10利用一组六个纤芯121‑
126，它们全部从光纤10的中心C径向偏移相同的量(R
o
)。如图所示，纤芯彼此等距间隔，一组六个纤芯导致相邻纤芯之间的角位移θ为60
°
。
[0019]如图1中最佳所示，感测纤芯12沿着多芯光纤10的长度呈螺旋形图案(因此，在描述感测光纤10的设计时引用“绞合”)。这种光纤可以在将光学预制件(preform)拉制成光纤的过程期间形成，其中预制件连续旋转，导致偏移纤芯12以恒定的“绞合频率”围绕光纤的中心轴盘旋。所定义的可以表征为每米的转数的绞合频率因此形成了所定义的空间绞合周期，在图1中表示为Λ
s
。
[0020]各个偏移纤芯12
i
被形成为包括连续的FBG 14
i
，其可以在将预制件拉制成最终光纤的过程期间被写入纤芯。各个FBG 14
i
被创建为表现出相同的布拉格波长λ
Bragg
，使得在没有否则会产生布拉格波长值的移位的任何局部弯曲或变形的情况下，它们都反射相同波长
的光。
[0021]图3例示了利用图1和图2的多芯感测光纤10的示例性分布式形状感测系统100。系统100包括光学反向散射反射仪(OBR)20，其以下面充分描述的方式利用光学频域反射计(OFDR)测量来确认沿着多芯感测光纤10的微变形的存在，提供关于其位置和形状的详细信息。在沿着多芯感测光纤10的范围的任何横向位置处从多个偏移纤芯12收集测量结果的能力提供了对光纤中的微弯进行高度准确的感测所必需的分辨率。
[0022]OBR 20本身包括可调谐激光源22，该可调谐激光源22被配置为以FBG 14的布拉格波长(λ
Bragg
)为中心的扫掠波长(频率)源。在一个示例性实施例中，可调谐激光源22可以被配置为提供扫掠通过在λ
Bragg
的任一侧
±
10nm的波长范围(即，20nm的波长范围)的窄线宽输出。例如，如果λ
Bragg
＝1541nm，那么本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种分布式系统，用于在三维(3D)空间中感测和测量微弯和微变形，包括：多芯感测光纤，包括多个偏移纤芯，它们从多芯感测光纤的中心径向间隔开R
o
的量；以及多个连续的光纤布拉格光栅FBG，以一对一的关系刻在所述多个偏移纤芯中，各个FBG被形成为反射公共布拉格波长λ
Bragg
处的光；以及光学反向散射反射仪，包括可调谐激光源，用于生成跨越λ
Bragg
周围的波长范围的扫掠波长输出波束；光学分束器/组合器，用于将扫掠波长输出波束拆分成被指引到多芯感测光纤中的扫掠波长探测波束和被指引到反射器中的扫掠波长参考波束，光学分束器/组合器还用于组合来自多芯感测光纤的扫掠波长返回波束和反射的扫掠波长参考波束以创建干涉FBG感测波束；光学检测器，响应于干涉FBG感测波束，用于创建干涉FBG感测波束的电子版本；以及傅立叶变换分析器，耦合到光学检测器并被用于对干涉FBG感测波束的电子版本执行傅立叶变换，以生成沿着多芯感测光纤的长度的布拉格波长的局部变化的测量结果，并从中重构三维空间的形状。2.如权利要求1所述的分布式系统，其中所述多个纤芯沿着多芯感测光纤的轴向长度以螺旋形图案部署，该螺旋形图案是周期性的，具有限定周期Λ
s
。3.如权利要求1所述的分布式系统，还包括光学开关布置，沿着扫掠波长探测波束的路径部署，用于控制扫掠波长探测波束和多芯感测光纤内的所述多个偏移纤芯之间的耦合。4.如权利要求3所述的分布式系统，其中光学开关布置包括1
×
N光学开关，并且所述多个偏移纤芯包括复数N个偏移纤芯，所述1
×
N光学开关被配置为提供以一对一的关系耦合复数N个开关端口和所述复数N个偏移纤芯。5.如权利要求4所述的分布式系统，其中所述1
×
N光学开关被控制为将扫掠波长探测波束顺序地耦合到所述复数N个开关端口中的各个开关端口，从而依次将扫掠波长探测波束顺序地耦合到各个偏移纤芯，在一段时间内执行多芯感测光纤的扫描序列。6.如权利要求5所述的分布式系统，其中执行各个偏移纤芯的多次扫描以降低由傅立叶变换分析器生成的测量结果中的信噪比。7.如权利要求4所述的分布式系统，还包括部署在所述1
×
N光学开关的输出端和所述多芯感测光纤的输入端面之间的锥形光纤束，该锥形光纤束将离开所述1
×
N光学开关的多个输出光纤的物理尺寸减小到基本上等于多芯感测光纤的直径的直径。8.如权利要求1所述的分布式系统，还...

【专利技术属性】
技术研发人员：R，
申请(专利权)人：OFS菲特尔有限责任公司，
类型：发明
国别省市：