[发明专利]使用具有多种光传播模式的单芯的感测光纤确定形状参数的方法和装置

说明书

示例实施例包括具有单芯的感测光纤的光学解调系统，该单芯具有多种光传播模式。干涉度量装置在预定波长范围内探测单芯多模感测光纤，并检测与该范围内的每个预定波长的单芯的多种光传播模式相关联的测量干涉度量数据。数据处理电路处理与单芯的多种光传播模式相关联的测量干涉度量数据，以确定感测光纤的一个或更多个形状感测参数，从该一个或更多个形状感测参数中可以确定三维光纤的形状。

相关申请的交叉引用

本申请声明2016年12月29日提交的题为“METHODS AND APPARATUS FORDETERMINING SHAPE PARAMETER(S)USING A SENSING FIBER HAVING A SINGLE CORE WITHMULTIPLE LIGHT PROPAGATING MODES(使用具有多种光传播模式的单芯的感测光纤来确定(一个或更多个)形状参数的方法和装置)”的美国临时专利申请62/440,035的优先权和权益，其全部通过参考并入本文。

技术领域

本申请中描述的技术涉及用于光纤形状和其他感测应用的光学询问系统测量。

背景技术

光学应变感测是一种用于测量波导的物理变形的技术，该物理变形例如由光纤的张力、压缩或温度的变化引起。已经证明了使用多个单模芯来测量光纤的形状以确定包括俯仰、偏转、扭曲和应变的参数。形状是光纤在三维中的位置或取向。通过使用扫描波长干涉仪通常以光频域反射计(OFDR)测量的形式解释芯的光学响应，可以导出沿芯长度的连续应变测量。通过知道沿着光纤长度的芯的相对位置，可以组合这些独立的应变信号以获得应用于多芯光纤的应变分布的测量。光纤的应变分布指代在高(例如，小于50微米)的样品分辨率下沿着光纤长度施加的弯曲应变、扭曲应变和/或轴向应变的测量。非限制性示例应用是在外科手术或其他环境中使用的机器人臂。先前的专利已经描述了具有多个单模芯的基于OFDR的形状感测(例如，参见通过参考并入的美国专利7,781,724和8,773,650)。

具有多个单模芯的光纤制造困难且成本高。当多芯光纤必须在制造期间旋转或螺旋扭曲时，成本进一步增加，这是现有多芯形状感测光纤的情况。如果可以使用单芯非旋转光纤来感测形状，则可以显著降低光纤传感器的成本。例如，大规模生产的标准电信光纤，具有单芯并且是非旋转的，每米售价几美分。但是，为了使单芯多模光纤感知形状，必须解决和克服一些技术挑战(如下所述)。

发明内容

示例实施例包括光学询问(interrogation)系统和方法，其包括具有单芯的感测光纤，其中单芯具有多种光传播模式。该系统包括干涉度量装置，其在预定波长的范围内探测单芯，并且检测与该范围中的每个预定波长的单芯的多种光传播模式相关联的测量干涉度量数据。数据处理电路处理与单芯的多种光传播模式相关联的测量干涉度量数据，以确定感测光纤的形状感测参数。在示例应用中，数据处理电路基于形状感测参数确定感测光纤的形状。

形状感测参数的示例包括弯曲参数和/或扭曲参数。在一个示例实施例中，数据处理电路处理与单芯的多种光传播模式相关联的测量干涉度量数据，以确定包括形状感测参数的多个形状感测参数，并且其中多个形状感测参数包括应变、弯曲和扭曲参数。

单芯可以具有将多种光传播模式的数量限制在预定数量以下的形状，同时提供对扭曲参数的预定灵敏度。一个示例是单芯的横截面为环形。更具体的环形芯示例是具有允许少于40种模式的光以沿着单芯传播的半径的环形芯。另一个示例是单芯为实心芯。实心芯的半径允许少于六种模式的光以沿着单芯传播。

在示例实施例中，干涉度量装置可以包括具有对应的多个单芯单模光纤的阵列的多个参考分支和多个测量分支的多个干涉仪。可调谐激光器在预定波长范围内生成光。阵列的每根光纤具有不同的光学延迟。准直器准直来自单芯的光并将光去准直到单芯，并且微透镜阵列接收来自准直器的准直光并将其聚焦到对应的多个单芯单模光纤的阵列上。不同的光学延迟产生多个耦合系数，这些耦合系数出现在对应的多个单芯单模光纤的阵列的不同阵列上。