Оптическая система измерения для определения положения и/или формы связанного объекта

Оптическая система измерения для определения положения и/или формы связанного объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

Во многих малоинвазивных медицинских процедурах предпочтительно отслеживать медицинские устройства, такие как проволочные направители и катетеры. Оптическое измерение формы позволяет делать это с помощью измерения и анализа света, отраженного от всех положений многосердцевинного оптического волокна, встроенного в удлиненное медицинское устройство. Когда используется интерферометр, получается полное распределение деформации вдоль волокна, которое может преобразовываться в форму. Описание способа может быть найдено в заявке на патент США №2011/0109898, озаглавленной Optical position and/or shape sensing. Обратное рассеяние света в оптическом волокне может классифицироваться на два различных класса: 1) собственный процесс, то есть рэлеевское рассеяние, и 2) внешний процесс, то есть Брэгговские решетки. Следует отметить, что в этом случае игнорируется третий механизм рассеяния, то есть бриллюэновское рассеяние. Бриллюэновское рассеяние не может использоваться в методике интерференционного измерения и приводит к плохому пространственному разрешению. Один вариант реализации оптического измерения формы использует рэлеевское рассеяние. Оно имеет преимущество использования оптического волокна без дополнительных этапов при изготовлении после того, как волокно сформировано с помощью вытягивания.

Интенсивность сигнала рэлеевского рассеяния

Изготовители телекоммуникационных волокон повысили качество своих изделий за эти годы до такой степени, что потери передачи являются небольшими и происходят главным образом из-за рэлеевского рассеяния. Для измерения формы это имеет недостаток, состоящий в том, что интенсивность сигнала является довольно низкой. В приложении I его величина вычисляется вместе с результирующим отношением сигнал/шум. Небольшое отношение сигнал/шум побуждает предпринимать дополнительные меры предосторожности при интерференционной системе измерения.

Отражение от дальнего конца волокна подавляет все другие сигналы, является слишком большим и должно быть уменьшено по меньшей мере на 80 дБ. Для этого на дальний конец с помощью сплавления наращивают поглощающее стекло. Эта концевая заделка, однако, является хрупкой и легко ломается, так что интеграция волокна в медицинские устройства имеет низкий положительный результат. Кроме того, этот вид концевой заделки имеет побочный эффект в том, что форма последних 5-10 мм волокна не может отслеживаться.

Волокно измерения формы содержит по меньшей мере 4 сердцевины. Каждая из сердцевин соединена с отдельным интерферометром. Поэтому система содержит элемент, где отдельные односердцевинные волокна присоединяются к одному многосердцевинному волокну: разветвление. В разветвлении и в концевой заделке измерительного волокна возникает взаимное влияние: свет, который распространяется вниз по волокну в определенной сердцевине, рассеивается в этих точках назад в одну из других сердцевин к датчикам. Это взаимное влияние может подавляться с помощью конфигурирования этих четырех интерферометров с помощью выравнивания с взаимным смещением. См. патентную заявку США №2011/0310378, озаглавленную Interferometric measurement with crosstalk suppression. Взаимное смещение интерферометров влечет за собой то, что каждое ответвление интерферометра содержит в себе значительное количество волокна. Всего система будет содержать 500-600 м дополнительного волокна, что делает ее более чувствительной к изменениям температуры и к механической вибрации.

Каждый из интерферометров имеет встроенный оптический блок циркулятора. С помощью этого устройства с 3 портами свет из источника (порт 1) направляется к измерительному волокну (порт 2), и обратный рассеянный сигнал от измерительного волокна направляется к датчикам (порт 3). Свет, вводимый в порт 1, не должен просачиваться в порт 3, иначе он будет подавлять истинный рэлеевский сигнал и насыщать датчики. Коэффициент отклонения большинства циркуляторов слишком низкий для измерения с использованием рэлеевского рассеяния. Каждый циркулятор тестируется, и приблизительно 10% соответствуют надлежащим спецификациям.

В малоинвазивных применениях в здравоохранении интерферометры будут встраиваться в специальный блок со стабилизированной вибрацией и температурой. Медицинское устройство (катетер, проволочный направитель) с его встроенным волокном измерения формы будет использоваться в стерильной части катетеризационной лаборатории. Между этими двумя будет иметься по меньшей мере один оптический соединительный кабель. Это значит, что будет иметься по меньшей мере два многосердцевинных оптических соединителя. Отражения в этих соединителях ухудшают рэлеевские сигналы и предрасположены к эффектам взаимного влияния. Существующие системы (например, 3-е поколение Luna) не будут иметь возможность функционировать должным образом с более чем одним многосердцевинным соединителем.

Между блоком интерферометра и волокном измерения формы будут находиться дополнительные подводящие кабели. Эти подводящие кабели также будут приводить к рэлеевскому рассеянию, которое будет иметь тот же самый порядок величины, как рэлеевский сигнал от измерительного волокна. Следовательно, эти подводящие кабели должны также опрашиваться и только после преобразования из спектра, как функции оптической частоты, в сигнал, как функцию задержки, то есть положения волокна, от информации от подводящих кабелей можно отказываться. Учитывая конечные частоту выборки и скорость качания частоты оптического источника, это дает верхний предел длине подводящих кабелей.

Извлечение фазы рэлеевского рассеяния

Кроме эффектов из-за небольшой интенсивности сигнала рэлеевское рассеяние имеет повышенную чувствительность к механической вибрации, как будет объяснено ниже.

Измерение формы содержит сканирование по диапазону длин волн Δλ (например, 20 нм) вокруг центральной длины волны λ_в (например, 1540 нм). Спектр, преобразованный с помощью преобразования Фурье, приводит к сложному сигналу, как функции от времени задержки, которое калибруется в положениях вдоль волокна. Преобразованный с помощью преобразования Фурье сигнал сравнивается с аналогичным измеренным сигналом, когда волокно было в начальном положении, например, прямой линией. При сравнении разность фаз (угол в комплексной плоскости) этих двух сигналов берется в соответствующем положении по отношению к волокну. Наклон этой разности фаз, как функция положения, соответствует различным компонентам деформации и может преобразовываться в форму волокна. Интеграл деформации в данном положении является показателем полного интегрированного изменения длины сердцевины волокна. Это изменение длины подразумевает, что соответствующая точка эталонного измерения переместилась по отношению к измерению формы. Следовательно, должен использоваться алгоритм отслеживания формы, который обеспечивает когерентность между измерением формы и эталонным измерением. Кроме того, от измерения к измерению начальная точка эталонного измерения будет сдвигаться относительно начальной точки текущего измерения формы вследствие изменений длины соединительного кабеля. Изменения длины соединительного кабеля вызываются вибрацией и изменениями температуры. В начале алгоритма отслеживания фазы взаимная корреляция должна выполняться для поиска соответствующих начальных положений. Будет существовать верхний предел разрешенной разности двух соответствующих положений по отношению к волокну, при которой все еще поддерживается когерентность сигналов фазы. Этот верхний предел будет теперь оцениваться, и он является показателем чувствительности системы к механической вибрации и изменениям температуры.

Рэлеевское рассеяние происходит из-за изменений плотности в стекле, присутствующих в момент отвердевания, и, как следствие, имеет случайную природу. В интерферометрической установке рэлеевский сигнал при определенной длине волны является результатом суммирования всех отражений вдоль волокна. При суммировании учитывается накопленная задержка фазы каждого из слагаемых. Это обуславливает остроконечный характер интерференционного спектра. Его преобразование с помощью преобразования Фурье также будет остроконечным с характерным масштабом δl длин, который является частью длины волны в стекле. Преобразованный с помощью преобразования Фурье спектр, однако, имеет длину Δz размера шага между последовательными исследуемыми точками вдоль волокна:

В данном случае n является групповым показателем преломления оптической моды в волокне. Характерная длина δl когерентности (оцененная как имеющая тот же самый порядок величины, как исследуемый период, то есть λ/2n=500 нм) рэлеевского рассеяния намного меньше, чем длина Δz размера шага (приблизительно 40 мкм или микрометров). Фиг. 1 отображает фазу измеренного и преобразованного с помощью преобразования Фурье рэлеевского сигнала. Фаза полностью случайна даже при масштабе длин размера шага. К счастью, она воспроизводится так, чтобы было возможно отслеживать фазу по отношению к опорному сигналу. Фиг. 1, однако, показывает, что незначительные сдвиги длины полностью разрушат когерентность разности фаз между измерением формы и эталонным измерением.

Волоконные брэгговские решетки

Решение вышеупомянутых проблем состоит в использовании внешнего сигнала рассеяния с помощью записи брэгговских решеток в 4 сердцевинах измерительного волокна. Эффективность рассеяния может составлять приблизительно 1% по величине, что можно сравнивать с 10^-8 рэлеевского рассеяния (см. приложение I). Сигналы интерферометра будут увеличиваться в значение квадратного корня из этого коэффициента, то есть 10³ или 60 дБ. Концевая заделка волокна измерения формы нуждается только в небольшом подавлении конечного отражения, так что будет достаточно, например, полируемого среза под углом 8 градусов. Все вопросы относительно взаимного влияния между сердцевинами волокна, конечного коэффициента отклонения циркулятора, отражений из-за многосердцевинных соединителей снимаются. Кроме того, подводящие кабели будут иметь незначительный сигнал по отношению к волокну измерения формы. Увеличение длины подводящих кабелей можно легко компенсировать с помощью добавления равного количества длины волокна в эталонном ответвлении интерферометра без ухудшения достоверности измерений фазы.

Патент США №7781724 является примером устройства измерения формы/положения с использованием волоконных брэгговских решеток. Устройство содержит средство оптического волокна. Средство оптического волокна содержит или по меньшей мере два односердцевинных оптических волокна, или многосердцевинное оптическое волокно, имеющее по меньшей мере две сердцевины волокна. В любом случае сердцевины волокна расположены обособленно таким образом, чтобы взаимное влияние мод между сердцевинами волокна минимизировалось. Массив волоконных брэгговских решеток расположен в каждой сердцевине волокна, и рефлектометр частотной области располагается в рабочей взаимосвязи со средством оптического волокна. При использовании устройство присоединяется к объекту. Деформация оптического волокна измеряется, и измерения деформации коррелируются с локальными измерениями изгиба. Локальные измерения изгиба интегрируются для определения положения и/или формы объекта. Неотъемлемым недостатком является то, что для типичных конфигураций волоконных брэгговских решеток датчик рефлектометра должен иметь относительно большой динамический диапазон для охвата информации в крыльях полосы.

Авторы настоящего изобретения определили, что улучшенная система измерения формы и/или положения имеет преимущество, и на этой основе разработали настоящее изобретение.

Раскрытие изобретения

Было бы предпочтительно обеспечить улучшенную систему измерения формы и/или положения. Также было бы желательно обеспечить систему более стабильного и/или надежного измерения формы и/или положения. В общем случае изобретение предпочтительно стремится уменьшить, смягчить или устранить один или более вышеупомянутых недостатков отдельно или в любой комбинации. В частности, в качестве задачи настоящего изобретения можно рассматривать создание способа, который решает вышеупомянутые проблемы или другие проблемы уровня техники.

Для лучшего решения одной или более из этих проблем в первом аспекте изобретение относится к оптической системе измерения для определения положения и/или формы связанного объекта, причем система содержит:

- одно или более оптических волокон для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту, причем каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна,

- множество сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта,

- рефлектометр, оптически соединенный с упомянутыми одним или более оптическими волокнами, причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна,

- процессор, соединенный при функционировании с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна, причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны для определения упомянутых положения и/или формы, причем одна или более волоконных брэгговских решеток проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна так, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн.

Изобретение, в частности, но не исключительно, предпочтительно для получения оптической системы, где волоконная брэгговская решетка(и) может быть фактически непрерывной вдоль оптического волокна, не оставляя пробелов так, чтобы каждое положение приводило к отражению, которое можно обнаруживать, и к достижению того, что спектр отражения может охватывать протяженность длин волн, равную промежутку сканирования по длинам волн, или развертке оптического источника в рефлектометре.

В контексте настоящего изобретения связанный объект может быть, например, медицинским катетером, который может изготавливаться целиком с оптической системой измерения согласно настоящему изобретению или, в качестве альтернативы, может механически фиксироваться к оптической системе измерения.

Основным свойством волоконных брэгговских решеток является возможность отражать свет определенной длины волны. В некоторых применениях удовлетворительные свойства решетки предполагают, что ее коэффициент отражения r не является маленьким. Это условие устанавливает нижнюю границу для длины волоконной брэгговской решетки, индекса амплитуды модуляции, а также верхнюю границу ее возможной частотной модуляции. Волоконная брэгговская решетка в контексте настоящего изобретения может определяться как своего рода распределенный брэгговский отражатель, воплощенный в оптической сердцевине или фрагменте оптического волокна таким способом, что волоконная брэгговская решетка будет отражать определенные длины волн, и пропускать другие. Это может интуитивно пониматься как явление интерференции между входящей оптической волной и решеткой, входящая оптическая волна испытывает деструктивную оптическую интерференцию в прямом направлении, и конструктивную интерференцию в обратном направлении, следовательно, входящая оптическая волна с длиной волны резонанса взаимодействует с волоконной брэгговской решеткой и отражается. Следует обратить внимание, что одно оптическое волокно может иметь одну сердцевину волокна или несколько сердцевин оптического волокна. Не требуется, чтобы сердцевины были в центральном положении оптического волокна, но оно, в качестве особого случая, может иметь одну сердцевину в центральном положении (то есть вдоль центральной оси) оптического волокна.

Волоконные брэгговские решетки могут применяться несколькими способами в контексте настоящего изобретения. Неисчерпывающий список включает в себя чирпированные волоконные брэгговские решетки (линейные и нелинейные), анодированные волоконные брэгговские решетки, наклонные волоконные брэгговские решетки, волоконные брэгговские решетки со сверхструктурами решетки и т.д.

В контексте настоящего изобретения может подразумеваться, что значение термина вся длина должно интерпретироваться как активная или нестационарная часть сердцевин оптического волокна, где требуются форма и/или положение (и поэтому - присоединенного связанного объекта). Следовательно, сердцевины оптического волокна могут иметь одну или более частей без каких-либо волоконных брэгговских решеток, если целесообразно в данном контексте.

В контексте настоящего изобретения может также подразумеваться, что значение отражения (r), которое пространственно модулируется вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна, должно интерпретироваться как модулируемое вдоль всей длины, рассматриваемой приблизительно как длина волны, деленная на удвоенный индекс преломления (λ/2n). Таким образом, в (существенно) меньших масштабах, отражение может не модулироваться из-за отсутствия, например, конусообразной функции, как поймет специалист.

В одном варианте осуществления по меньшей мере одна сердцевина оптического волокна (10) может иметь одну волоконную брэгговскую решетку (8), проходящую вдоль упомянутой всей длины, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта, возможно, более одной сердцевины оптического волокна могут иметь волоконную брэгговскую решетку, проходящую вдоль длины. Это - так называемое неоднородное решение в контексте настоящей заявки, и оно является определенным предпочтительным решением среди других вариантов из-за относительной легкости изготовления. В дополнительном варианте осуществления одна волоконная брэгговская решетка может быть чирпированной во множестве областей вдоль упомянутой всей длины так, чтобы каждая точка выборки в оптической сердцевине имела действующую отдельную длину волны резонанса, каждая точка выборки могла обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн. Следует обратить внимание, что частотная модуляция, то есть изменение периодичности решетки, может быть линейной или нелинейной. В одном варианте осуществления упомянутое множество областей может частично совпадают друг с другом, область перекрытия может иметь приблизительно одинаковый размер, или она может изменяться от одной области перекрытия до следующей области. Перекрытие может преимущественно увеличивать стабильность измерений деформации, потому что предотвращаются или минимизируются возможные пробелы между решетками.

В одном предпочтительном решении одна волоконная брэгговская решетка (8) может быть линейно чирпированной во множестве областей вдоль упомянутой всей длины. При необходимости только часть областей является линейно чирпированной.

Предпочтительно длина чирпирования в пределах упомянутых областей выбрана таким образом, чтобы соответствующая длина когерентности фазы была более длины (Δz) шага между последовательными точками выборки, потому что это значительно уменьшает чувствительность к вибрации и/или изменениям температуры, например, больше чем на один порядок величины, как объяснено более подробно ниже.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна оптическая сердцевина может иметь множество волоконных брэгговских решеток (8), проходящих вдоль всей длины, каждая волоконная брэгговская решетка имеет длину волны резонанса, отличную от длин волн других волоконных брэгговских решеток, причем каждая решетка соответствует длине волны выборки или оптической частоте. Этот вариант осуществления известен как так называемое однородное решение в контексте настоящей заявки.

В одном определенном варианте осуществления система может быть выполнена с возможностью измерения положения и/или формы в N измерениях, количество сердцевин (9) оптического волокна равно N+1 для учета температурной компенсации и/или растягивающей деформации, используя дополнительную сердцевину оптического волокна.

В другом варианте осуществления множество сердцевин оптического волокна может располагаться в пределах одного оптического волокна, сердцевины оптического волокна спирально изгибаются вокруг центральной сердцевины оптического волокна для определения положения и/или формы.

Различные применения могут рассматриваться в пределах описания и контекста настоящего изобретения, и неисчерпывающий перечень связанных объектов может включать в себя медицинский катетер, медицинский контрольный зонд, медицинский датчик, строительный контрольный датчик, подводный датчик, геологический датчик.

Во втором аспекте настоящее изобретение относится к способу определения положения и/или формы связанного объекта (О), причем способ содержит этапы, на которых:

- обеспечивают одно или более оптических волокон для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту (О), каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна,

- обеспечивают множества сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта (О),

- обеспечивают рефлектометр (REFL), оптически соединенный с упомянутыми одним или более оптическими волокнами, причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна, и

- обеспечивают процессор (PROC), соединенный при функционировании с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна,

причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны (λ₀) для определения упомянутых положения и/или формы, одна или более волоконных брэгговских решеток проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна так, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн.

В третьем аспекте настоящее изобретение относится к оптическому блоку, который будет применяться в связанной оптической системе измерения для определения положения и/или формы связанного объекта (О), данный оптический блок содержит:

- одно или более оптических волокон для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту (О), каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна, и

- множество сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта (О),

где оптический блок может быть соединен со связанным рефлектометром (REFL), причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна, связанный процессор (PROC) дополнительно может быть соединен с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна,

причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны (λ₀) для определения упомянутых положения и/или формы, одна или более волоконных брэгговских решеток проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, причем каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна таким образом, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн. Таким образом, оптический блок может содержать одно или более оптических волокон.

В четвертом аспекте настоящее изобретение может дополнительно относиться к оптической системе измерения для определения положения и/или формы связанного объекта, данная система содержит:

одно или более оптических волокон для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту, каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна, как в первом аспекте настоящего изобретения, но только с одной сердцевиной оптического волокна, имеющей одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта.

В общем случае различные аспекты изобретения могут объединяться и соединяться любым возможным способом в пределах формулы изобретения. Эти и другие аспекты, особенности и/или преимущества изобретения будут объясняться со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже, и будут очевидны из них.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления изобретения будут описаны только в качестве примера со ссылкой на чертежи, на которых

фиг. 1 показывает фазу преобразованного с помощью преобразования Фурье спектра от интерферометра в качестве функции положения вдоль волокна для рэлеевского сигнала. Положение задается в числовых индексах волокна,

фиг. 2 показывает фазу одной волоконной брэгговской решетки с линейной частотной модуляцией в качестве функции положения,

фиг. 3 показывает нормализованную амплитуду конусообразной функции в зависимости от нормализованного положения по отношению к волокну. Конусообразная функция состоит из 40 решеток с перекрытием 0,001,

фиг. 4 показывает фазу конусообразной функции по отношению к нормализованному положению по отношению к волокну. Конусообразная функция состоит из 40 решеток с перекрытием 0,001. Нормализованная константа частотной модуляции равняется нормализованному диапазону настройки,

фиг. 5 показывает амплитуду (в произвольных единицах измерения) коэффициента отражения Френели в зависимости от рассогласования. В верхней части - абсолютное значение, темно-серым изображена действительная часть (РЕ), а светло-серым мнимая часть (IM) коэффициента отражения, как обозначено стрелками,

фиг. 6 показывает увеличенную часть нормализованного спектра отражения (см. также фиг. 5) от 40 линейных чирпированных дифракционных решеток,

фиг. 7 показывает изменение амплитуды спектра отражения, показанного на фиг. 5, из-за деформации с величиной 0,1 микродеформаций на 0,005 части волокна,

фиг. 8 показывает фазу преобразованных с помощью преобразования Фурье спектров многосердцевинного волокна с брэгговскими решетками,

фиг. 9 показывает изменение сигнала фазы от волоконных брэгговских решеток, когда эталон сдвигается на 1 индекс,

фиг. 10 показывает схематичную иллюстрацию оптической системы измерения положения и/или формы согласно настоящему изобретению,

фиг. 11 показывает схематичную иллюстрацию в перспективе оптического волокна с сердцевинами оптического волокна согласно настоящему изобретению,

фиг. 12-14 показывают схематичные иллюстрации поперечного разреза различных вариантов осуществления с оптическим волокном(ами) с сердцевинами оптического волокна согласно настоящему изобретению,

фиг. 15-17 показывают схематичные иллюстрации поперечного разреза различных вариантов осуществления с сердцевинами оптического волокна с волоконной брэгговской решеткой согласно настоящему изобретению, и

фиг. 18 показывает последовательность операций способа согласно настоящему изобретению.

Осуществление изобретения

Фиг. 10 показывает схематическую иллюстрацию оптической системы 1 измерения положения и/или формы согласно настоящему изобретению. Оптическая система 1 измерения выполнена с возможностью определения положения и/или формы связанного объекта О. Система содержит одно или более оптических волокон 10 для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту О, каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна, см. фиг. 11 и далее.

Кроме того, множество сердцевин оптического волокна, не показанных в данной работе, имеют одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта О.

Рефлектометр REFL 12 оптически соединен, например, через вспомогательное оптическое волокно 11, настроенное для этой цели, к упомянутому одному или более оптических волокон 10, рефлектометр 12 оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна. При необходимости может применяться больше одного вспомогательного оптического волокна 11, см., например, патент США №7781724 для дополнительных подробностей относительно этого аспекта изобретения.

Процессор PROC 14 соединен при функционировании с рефлектометром 12 для определения положения и/или формы объекта О, на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна (не показаны в данной работе).

Рефлектометр 12, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны (λ₁) до второй длины волны (λ₂) вокруг центральной длины волны (Л0) для определения упомянутых положения и/или формы, одна или более волоконных брэгговских решеток проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна так, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн, например, от λ₁ до λ₂, также называют Δλ в последующем.

Фиг. 11 показывает схематичную иллюстрацию в перспективе оптического волокна 10 с четырьмя сердцевинами 9а, 9b, 9с и 9d оптического волокна согласно настоящему изобретению. Как обозначено с помощью шаблона вертикального заполнения, сердцевина 9 имеет одну или более волоконных брэгговских решеток вдоль всей длины (левая конечная часть не показана, как обозначено прерывистыми линиями).

Как объяснено в приложении III, в общем случае существуют однородные и неоднородные решения для отражения r вдоль всей длины сердцевины 9 оптического волокна.

Для неоднородного решения, в котором по меньшей мере одна сердцевина 9 оптического волокна, которая имеет одну волоконную брэгговскую решетку, проходящих вдоль упомянутой всей длины, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта О.

Для однородного решения по меньшей мере одна оптическая сердцевина 9 имеет множество волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины, причем каждая волоконная брэгговская решетка имеет длину волны резонанса, отличную от других волоконных брэгговских решеток.

Предполагается, что может также воплощаться комбинация неоднородного решения и неоднородного решения. Конечно, рефлектометр должен настраиваться соответствующим образом.

На фиг. 11 и последующих фигурах оптические сердцевины 9 показаны, как расположенные параллельно с центральной осью оптического волокна 10, но в некоторых вариантах осуществления оптические сердцевины могут располагаться иначе. В одном предпочтительном варианте осуществления количество оптических сердцевин 9 равно четырем, и они располагаются так, что центральная оптическая сердцевина 9d параллельна оптическому волокну 10, а другие три сердцевины 9 спирально изгибаются вокруг упомянутой центральной сердцевины (не показаны).

Фиг. 11 изображает четыре сердцевины 9а, 9b, 9с и 9d в волокне 10. Как показано на фиг. 11, сердцевины 9 идут параллельно с центром волокна. С помощью такой структуры можно фактически измерять только поперечный изгиб в направлении х и у, но нельзя измерять/компенсировать ни деформацию, ни скручивание/закручивание волокна. Однако, если эти три сердцевины 9а, 9b и 9с также изгибаются вокруг центральной сердцевины 9d, то также возможно измерять эти свойства. Это, однако, не показано для ясности ни на фиг. 11, ни на других фигурах. На чертеже А поперечного сечения показано относительное положение сердцевин 9.

Фиг. 12-14 показывают схематичные иллюстрации различных вариантов осуществления с оптическим волокном(ами) с сердцевинами оптического волокна согласно настоящему изобретению.

На фиг. 12 показано оптическое волокно 10 с двумя оптическими сердцевинами 9а и 9b. Для некоторых типов измерения этого может быть достаточно, например, для одномерных перемещений, дополнительная сердцевина используется для компенсации температуры.

На фиг. 13 показано другое оптическое волокно 10 с двумя оптическими сердцевинами 9а' и 9b'. Как схематично обозначено, только оптическая сердцевина 9а' имеет одну или более волоконных брэгговских решеток вдоль длины (шаблон вертикального заполнения), тогда как другая оптическая сердцевина 9b' применяет другой вид отражения, например, рэлеевское рассеяние. Таким образом, в отдельном аспекте настоящего изобретения только одна оптическая сердцевина 9а' имеет волоконную брэгговскую решетку, которая может объединяться с другими видами методик измерения через оптическое отражение, чувствительное к деформации. В определенном варианте осуществления оптическая сердцевина 9а' может также работать независимо или без другой оптической сердцевины.

На фиг. 14 показан определенный вариант осуществления, где оптические сердцевины 9а'' и 9b'' располагаются в отдельных оптических волокнах 10' и 10''. Это может, конечно, дополнительно обобщаться для любой комбинации оптических волокон 10, каждое волокно имеет одну или более оптических сердцевин 9, например, 2 оптических волокна, каждое с двумя оптическими сердцевинами (не показаны).

Фиг. 15-17 показывают схематичные иллюстрации различных вариантов осуществления с сердцевинами оптического волокна с волоконной брэгговской решеткой согласно настоящему изобретению.

На фиг. 15 схематично показано вышеупомянутое однородное решение, где показан массив перекрывающихся волоконных брэгговских решеток 8а, 8b, 8с..; см. также приведенное ниже приложение III для более подробного объяснения. Для реального оптического волокна количество решеток обычно будет приблизительно равно 10000, представляя это решение несколько сложным, но не невозможным при существующей технологии и, следовательно, находящимся в пределах объема и раскрытия настоящего изобретения. Однородный случай, изображенный на фиг. 15, таким образом, показывает полностью перекрывающиеся решетки, где каждая из них имеет длину всего волокна и каждая - свою собственную периодичность. Можно сказать, что это моделирует аналогичную ситуацию, как при рэлеевском рассеянии, но созданную искусственно. Можно графически представлять это с помощью набора вертикальных линий, которые имеют нерегулярный случайный интервал с определенным средним интервалом. Это, однако, не сделано на фиг. 15 для ясности.