[发明专利]光位置和/或形状感测

说明书

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”的中国发明专利申请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。

技术领域

本技术领域涉及光测量，更具体地涉及光位置和/或形状感测。

背景技术

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。

发明内容

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。