CN107003473B - 用于应变和温度分离的多芯光纤中的不同的纤芯 - Google Patents

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Abstract

一种光纤包括在光纤中配置的多个光波导。干涉测量系统减轻或者补偿由形状感测光纤对温度和应变的响应的差异引起的误差。3‑D形状和/或位置从针对多芯光学形状感测光纤获得的一组分布式应变测量中计算出，其中多芯光学形状感测光纤通过使用相比于现有的纤芯对温度变化作出不同反应的多芯光纤中的一个或更多个额外的纤芯来补偿这些非线性误差。

Description

用于应变和温度分离的多芯光纤中的不同的纤芯
本发明是基于由IARPA授予的合同号2014-14071000012在政府支持下作出的。政府拥有本发明的某些权利。
背景技术
旋转多芯光纤已用于确定光纤的形状。具有四个纤芯的多芯光纤可以用于将光纤的变形分为两个弯曲角(俯仰和偏转)、一个扭转角和光纤伸长。这四个测量构成四个自由度。这四个测量(俯仰、偏转、扭转和伸长)也表示在相对较小的力的情况下光纤可能发生的所有变形。
在基于光纤的形状感测中，多通道分布式应变感测系统用于检测用于多芯光学形状感测光纤内的若干纤芯中的每个的应变的变化，如通过参考的方式并入本文的US 8,773,650中所描述的。多个分布式应变测量通过方程组组合以产生包括曲率、扭转和轴向应变的一组物理测量，如通过参考的方式并入本文的US 8,531,655中所描述的。这些物理测量可以用于确定光纤的分布的形状和位置。温度也可以改变纤芯的表现长度并且代表该系统中的第五“自由”度。在以上专利中描述的形状感测系统没有区分沿光纤长度的温度变化和沿光纤长度的轴向应变变化。
发明内容
关于背景技术中描述的四芯光纤，向多芯光纤增加第五纤芯提供了单独的第五测量。然而，该第五测量与其它四个测量不线性独立。所以，仅向多芯光纤增加第五纤芯本身对于将多芯光纤中的温度与应变分离来说是没有用的。另一方面，如果额外的第五纤芯具有与多芯光纤中的其它四个纤芯不同的折射率的温度依赖性，则第五纤芯对温度变化作出不同的反应并且因此提供额外的、线性独立的信息源。
为了增加形状感测系统的准确性，发明人提供了形状感测系统，其减轻或补偿由形状感测光纤对温度和应变的响应的差异引起的误差。以下描述的技术从针对多芯光学形状感测光纤获得的一组分布式应变测量中计算出3-D形状和/或位置，其中多芯光学形状感测光纤通过使用相比于现有的纤芯对温度变化作出不同反应的多芯光纤中的一个或更多个额外纤芯来补偿这些非线性误差。
在示例实施例中，相比于光纤中的现有的四个纤芯，一个或更多个额外纤芯具有不同的热响应。在示例实现方式中，相比于现有的四个纤芯，一个或更多个额外纤芯具有不同的掺杂组分，这相比于现有的四个纤芯产生用于一个或更多个额外纤芯的折射率的不同的温度依赖性。
本技术的一方面包括具有多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯的光纤，多个第一纤芯具有第一热响应，一个或更多个第二纤芯具有第二不同的热响应。多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯沿光纤长度具有不同的相对位置。在示例实现方式中，多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯沿光纤长度螺旋扭转。
多个第一纤芯可以具有第一掺杂并且一个或更多个第二纤芯具有第二不同的掺杂。例如，第一掺杂包括仅具有锗的掺杂，并且第二掺杂包括锗和硼。硼掺杂剂使得一个或更多个第二纤芯的热响应不同于多个第一纤芯的热响应。
多个第一纤芯可以包括与第一热响应相关联的第一材料，并且一个或更多个第二纤芯可以包括与第二不同的热响应相关联的第二不同的材料。
在示例实现方式中，多个第一纤芯包括四个纤芯，并且一个或更多个第二纤芯包括一个纤芯。所述一个纤芯可以优选在光纤内间隔开，以减少与四个纤芯的耦合。
在另一示例实现方式中，多个第一纤芯包括四个纤芯，并且一个或更多个第二纤芯包括三个纤芯。三个纤芯可以优选在光纤内相对于彼此并且相对于四个纤芯对称地间隔开。三个纤芯还可以在光纤内间隔开，以减少彼此的耦合并减少与四个纤芯的耦合。
另一方面涉及用于校准具有多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯的旋转光纤的方法，多个第一纤芯具有第一掺杂和第一热响应，一个或更多个第二纤芯具有第二不同的掺杂和第二不同的热响应。光纤至少部分地放置在加热或冷却环境中，所述加热或冷却环境具有比加热环境周围的环境更高或更低的温度。光纤在不同温度下应变到变化的已知水平，并且对于不同温度中的每个，记录用于已知的应变水平中的每个的光纤的长度变化。用于光纤的校准参数通过比较光纤的所记录的长度变化与仅具有多个第一纤芯的另一光纤的之前记录的长度变化来确定，多个第一光纤具有第一掺杂。
在示例实现方式中，电动平移台用于执行应变步骤。
本技术的进一步方面涉及用于测量光纤的干涉测量系统，光纤包括在光纤中配置的具有第一热响应的多个第一纤芯以及在光纤中配置的具有第二不同的热响应的一个或更多个第二纤芯。干涉检测电路被配置成当光纤被放置在感测位置中时检测与多个第一纤芯中的每个以及一个或更多个第二纤芯中的每个相关联的测量干涉图案数据。数据处理电路被配置成基于检测的测量干涉图案数据确定补偿参数，补偿参数补偿光纤中的多个纤芯和一个或更多个第二纤芯的校准配置与光纤中的多个纤芯和一个或更多个第二纤芯的实际配置之间的变化。补偿参数包括温度补偿参数。存储器被配置成储存补偿参数以用于补偿随后获得的用于光纤的测量干涉图案数据。
在示例实现方式中，数据处理电路被配置成将补偿参数施加到检测的测量干涉图案数据，以便区分光纤上的轴向应变、弯曲应变、扭转应变和温度应变，并且准确地确定对应于光纤上的轴向应变、弯曲应变、扭转应变和温度应变的用于光纤的应变值。数据处理电路还可以被配置成将补偿参数施加到检测的测量干涉图案数据，并且基于纤芯中的检测的应变的线性组合独立于可能存在于多芯光纤中的张力、扭转或弯曲来计算多芯光纤的温度。
在甚至更具体的示例实现方式中，数据处理电路被配置成基于对应于光纤上的轴向应变、弯曲应变、扭转应变和温度应变的用于光纤的确定应变值确定旋转光纤的形状。
附图说明
图1示出具有五个纤芯的扭转的多芯光纤示例实施例。
图2示出用于共掺杂硼-锗的纤芯和仅掺杂锗的纤芯的折射率与温度的图表。
图3图示说明可以用于量化纤芯放置以及对螺旋扭转的五芯光纤的应变的响应的数学参数。
图4示出基于五芯光纤示例的补偿非线性误差(诸如由温度引起的误差)的基于光频域反射技术(optical frequency domain reflectometry)(OFDM)的形状感测系统的示例实施例的示意图。
图5是用于校准五芯光学形状感测光纤的流程图。
图6是示出用于加热光学形状感测光纤的示例光纤加热布置的示意图。
图7是用于使用图4的补偿温度的形状感测系统进行形状感测的流程图。
图8示出具有七个纤芯的多芯光纤示例实施例的横截面。
具体实施方式
为了说明而非限制的目的，以下描述陈述了具体细节，诸如特定的实施例。但是本领域技术人员应当了解，可以采用除这些具体细节之外的其它实施例。在一些实例中，省略了众所周知的方法、接口、电路和装置的详细描述，以便不会因不必要的细节使描述变得模糊。图中示出的各个块对应于各节点。本领域技术人员应当了解，这些块的功能可以通过使用各个硬件电路、使用与适当编程的数字微处理器或通用计算机相结合的软件程序和数据，和/或使用专用集成电路(ASIC)，和/或使用一个或更多个数字信号处理器(DSP)来实现。软件程序指令和数据可以储存在非暂时性的计算机可读存储介质上，并且当指令通过计算机或其它合适的处理器控制来执行时，计算机或处理器执行与这些指令相关联的功能。
因此，例如，本领域技术人员应当了解，本文的视图可以表示说明性电路或其它功能元件的概念图。类似地，应当了解，任何流程图、状态转换图、伪代码等表示各种过程，其可以基本上被表示在计算机可读介质中并且因此由计算机或处理器执行，无论是否明确地示出此类计算机或处理器。
各种示出的元件的功能可以通过使用硬件而被提供，诸如电路硬件和/或能够执行储存在计算机可读介质上的编码指令形式的软件的硬件。因此，此类功能和示出的功能块应被理解为硬件实现的和/或计算机实现的，并且因此是机器实现的。
就软件实现而言，功能块可以包括或涵盖但不限于数字信号处理器(DSP)硬件、精简指令集处理器、包括但不限于专用集成电路(ASIC)和/或(一个或多个)现场可编程门阵列((一个或多个)FPGA)的硬件(例如，数字或模拟)电路，以及能够执行此类功能的状态机(如合适的话)。
就计算机实现而言，计算机通常被理解为包括一个或更多个处理器或一个或更多个控制器，并且术语计算机、处理器和控制器可以互换使用。当由计算机、处理器或控制器提供时，这些功能可以由单个专用计算机或处理器或控制器提供、由单个共享计算机或处理器或控制器提供，或者由多个单独的计算机或处理器或控制器提供，其中的一些可以为共享的或分布式的。此外，术语“处理器”或“控制器”还指能够执行此类功能和/或执行软件的其它硬件，诸如，以上叙述的示例硬件。
为了说明而非限制的目的，以下描述了示例旋转或螺旋扭转的多芯光纤。描述的原理也适用于多芯光纤，其中多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯沿光纤的长度具有不同的相对位置。
因为旋转光纤的外芯被螺旋缠绕，所以作为施加到光纤的扭转的结果，外芯也经历应变。响应于扭转相对于螺旋缠绕的方向的取向，伸长或压缩外芯。换句话说，沿着具有顺时针方向螺旋缠绕的外芯的光纤的轴线向下看，在顺时针方向上施加的扭转使得外芯被压缩。相反地，逆时针方向施加的扭转使得外芯伸长(经历张力)。但是，作为扭转的结果，中心纤芯没有经历应变，这是因为其沿着中性轴线放置。因此，四芯光纤具有足够的自由度以允许单独确定可以施加到四芯光纤的三种不同类型的应变中的每个：轴向施加的应变、弯曲引起的应变以及作为扭转或扭曲的结果的应变。
图1示出具有五个纤芯的扭转的多芯光纤。如果五芯光纤被拉紧，则所有五个纤芯将相似地伸长。如果五芯光纤被加热，则由于玻璃的膨胀和玻璃的折射率的变化，所有五个纤芯将相似地伸长，这随着温度上升而有效地减慢光，从而使光纤显得更长。所以，仅增加更多的纤芯将无法实现上述与温度无关的形状感测目标。
以下描述了形状感测系统，其减轻或补偿由形状感测光纤对温度和应变的响应的差异而引起的误差。为此，在示例实施例中，第五纤芯被并入，其具有与扭转的多芯光纤中的其它四个纤芯不同的温度依赖性。应当了解，虽然以下的许多描述是在该五芯示例的背景下，但是描述的原理适用于具有不同数量的纤芯的扭转的多芯光纤。第五纤芯或任何额外的纤芯优选位于光纤中以便减少或最小化纤芯之间的耦合。
在一个示例实施例中，增加的第五纤芯通过具有与其它纤芯不同的折射率而具有不同的热依赖性。实现这种不同的折射率的示例方法包括由不同材料组成和/或不同地掺杂的第五纤芯。其它方法有可能实现不同的温度依赖性，诸如，相比其它四个纤芯将第五纤芯定位在不同的半径处(更接近或更远离光纤的中心)、为第五纤芯提供不同的几何结构(比其它纤芯更大或更小)等。
四个纤芯可以掺杂有锗，并且第五纤芯可以共掺杂有硼和锗。硼掺杂引起偏振保持光纤中的热应力，并且因此相比于典型的掺杂锗的光纤，引起含硼的纤芯的热响应具有不同的热依赖性。虽然相比于多芯光纤中典型掺杂的光纤，其它掺杂剂可以用于产生不同的热依赖性，但是硼也在示例实施例中用作与锗的共掺杂剂，这是因为相比于典型的掺杂锗的光纤，共掺杂还形成更感光的导芯(guiding core)。此外，对于光纤来说，硼是相对常见的掺杂剂，其提供更多的实用性优点。
图2示出共掺杂硼-锗的纤芯和掺杂锗的纤芯的折射率与温度的图表。相比于典型的掺杂锗的纤芯的折射率，随着温度增加，共掺杂硼-锗的纤芯的折射率以不同(更高)的速率增加。第五纤芯对温度变化作出不同反应，并且因此提供用于补偿温度的额外的线性独立的信息源。
由于多芯光纤的结构的变化，在确定光纤位置和/或形状以及更普遍的应变时会出现误差和/或不确定性。第一类变化是纤芯放置。这种变化使得给定纤芯的径向分离和角度位置两者不同于设计的或期望的理想值或者仅为未知的。生成描述纤芯相对于多芯光纤的横截面的位置的数学模型，使得可以量化这些变化。
因为玻璃是相对硬的材料，所以可以假设，当光纤发生应变时，多芯光纤的横截面的几何结构被保持。这保证当光纤发生应变时，纤芯在给定的横截面内的相对位置保持不变。这意味着光纤可以发生应变并且仍可以用于从理想的配置中准确地确定纤芯放置的变化。说明纤芯放置的变化的纤芯位置模型在被描绘在图3中。
在图3中，五个独立的光学纤芯被示出从它们理想的纤芯位置移位。图3还示出可以用于量化纤芯放置以及对五芯螺旋扭转光纤的应变的响应的数学参数。竖直轴线被放置通过多芯光纤的中心，使得其穿过外芯中的一个。由竖直轴线平分的外芯被称为“参考纤芯”。需要注意的是，若干参数将相对于该纤芯表示，并且对于本文的余下部分，作为示例，用指数n＝1标识的纤芯用作参考纤芯。两个参数描述了纤芯的位置：距离光纤中心的径向距离r，和从与参考纤芯相交的所确立的竖直轴线测得的任意角φ。当光纤弯曲时，给定纤芯中的弯曲引起的应变量与纤芯与弯曲平面分离的垂直距离d成正比。这在针对外芯指数n＝2的右图中被图示。如果弯曲平面通过角θ来描述，则可以确定光纤内的纤芯的螺旋缠绕的性质。根据沿光纤长度的距离，θ通过螺旋光纤的旋转频率来限定。
当纤芯应变响应被重新组合时，理解这些参数如何影响光纤的应变分布(strainprofile)的三个分量是有帮助的。数学模型基于图3所示的参数来确立。因此，如果可以测得这些参数，则它们可以用于提供多芯光纤的应变分布的更加准确的重新组合。需要注意的是，这些参数对于特定的多芯光纤仅需要测量一次并且可以用于同一多芯光纤的一些或所有的OFDR的后续测量。
如所解释，施加到多芯光纤的应变分为三种类型或类别：弯曲引起的应变、由于扭矩的应变以及轴向施加的应变。光纤内的纤芯的应变响应基于纤芯在多芯光纤中的位置具有这些总体施加的应变的分量。在沿光纤的一定距离处的纤芯的应变响应ε可以通过以下方程式(1)表示：
εn＝Bn(z)+Rn(z)+An(z) (1)
其中，n指示光纤内的纤芯，z表示沿光纤长度的指数，B是由于光纤的弯曲引起的由纤芯经历的应变，R是由施加到光纤的扭转或扭曲在纤芯中引起的应变，并且A表示由纤芯经历的轴向应变。补偿纤芯放置的变化可以通过依据纤芯的位置使用图3中确立的模型参数重写方程式(1)中的表达式来实现。首先，在以下方程式(2)中，由于光纤弯曲而被纤芯感知的弯曲应变B可以被示出与弯曲的曲率和纤芯到弯曲平面(图3中示出)的切线距离成比例：
Bn(z)＝αK(z)dn(z) (2)
其中，α是常数，K是光纤的曲率，并且d表示纤芯距离弯曲平面的切线距离。
从图3中的模型中，切线距离可以依据纤芯的位置被表示为：
dn(z)＝rn[sin(φn)cos(θ(z))-cos(φn)sin(θ(z))] (3)
其中，r是距离光纤的轴线的径向距离，φ表示从竖直轴线测量的角，并且θ是弯曲平面和水平轴线之间的角的度量。结合方程式(2)和(3)得到：
Bn(z)＝αK(z)rn[sin(φn)cos(θ(z))-cos(φn)sin(θ(z))] (4)
该表达式可以通过分配曲率项并且将其表示为两个独立的分量而被简化：
Bn(z)＝αrn[Kx(z)sin(φn)-Ky(z)cos(φn)] (5)
其中，Kx是关于水平轴线(俯仰)的曲率，并且Ky是关于竖直轴线(偏转)的曲率。
对于施加到光纤的中等水平扭转(～100度/米)，一阶项可以用于对由扭矩引起的应变建模。扭转应变Rn(z)然后依据纤芯位置被表示如下：
Figure GDA0001320053970000071
其中，β是常数，并且Φ是每单位长度光纤扭转(滚动)的量。对于一阶，也可以假设，由纤芯经历的轴向应变A对于光纤内的所有纤芯是常见的并且不取决于纤芯的位置，从而得出表达式：
An(z)＝γE(z) (7)
其中，γ是常数，并且E表示轴向应变。依据纤芯位置重写方程式(1)得到下列表达式：
Figure GDA0001320053970000081
考虑到来自该示例光纤实施例中的四个纤芯的测量的应变信号，矩阵关系可以如下构建：
Figure GDA0001320053970000082
方程式(9)中的该表达式允许根据光纤结构变化重新组合形状光纤内的每个独立纤芯的单独的应变信号，并且允许将这些信号分类为施加到整个多芯光纤结构的应变。任何数量的线性组合可以从方程式(9)中得到，以产生使纤芯的应变响应与应变分布的分量相关的表达式。
如果第五纤芯以具有与所有其它纤芯相同的组分被增加到光纤，则产生以下矩阵：
Figure GDA0001320053970000083
因为最后两列是相同的，所以方程式(10)中的矩阵不是可逆的。这是说明因为所有的纤芯对温度和应变两者作出相同响应的数学方法。然而，改变第五纤芯的组分产生以下矩阵：
Figure GDA0001320053970000084
方程式(11)中的矩阵H是可逆的，并且如果在所有五个纤芯中测得表现应变ε0-ε4，则现在可以确定温度。
在实用性示例实施例中，为了独立地找到应变(E)和温度(T)，确定其它三个参数(扭转(Φ)、弯曲-x(Kx)、和弯曲-y(Ky))，并且为所有这些效应(effect)校准光纤。
通过为所有五个纤芯确定纤芯几何结构(半径和角)(参见图3)，并且然后将光纤悬挂在管式炉(tube furnance)或其它合适的温度控制环境内，校准开始。通过在不同温度和不同应变下测量纤芯中的应变，确定用于方程式(11)的参数γg、γb、tg和tb的值。利用光纤在张力下获得的额外一组数据和加热的光纤的又一组数据来校准五芯光学感测光纤。从这些数据组中，方程式(11)中的矩阵被确定用于从五个纤芯的OFDR测量来计算光纤俯仰(Kx)、偏转(Ky)、扭转(Φ)、应变(E)和温度(T)。
Figure GDA0001320053970000091
记住方程式(11)中限定的使五个低力刺激(温度和张力)与五个纤芯中的应变ε0-ε4相关的矩阵H，光纤以连续弯曲被放置在平面上。一旦以这种配置放置光纤，多通道OFDR系统就测量多芯光纤内的每个纤芯的分布的应变响应。得到的应变响应信号通常以与外芯在进行弯曲时的螺旋缠绕的旋转频率相匹配的频率在压缩和伸长之间交替。这种振荡的幅度还应沿光纤长度缓慢变化，因为该幅度将与上述环的弯曲半径成比例。这些应变响应然后被提供到一个或更多个数据处理器以用于从理想的光纤结构提取量化变化的参数。
为了确定纤芯位置，从由OFDR系统提供的实值应变(real-valued strain)响应确定具有振幅和相位两者的复值信号(complex-valued signal)。傅里叶变换允许滤波器以螺旋缠绕的旋转频率被施加到测量的散射信号。该滤波信号的傅里叶逆变换产生复值旋转信号(complex-valued spin signal)。该复数旋转信号(complex spin signal)的振幅与纤芯距离光纤的中性轴线的径向分离距离成比例。复数旋转信号的相位响应是基于光纤的几何结构内的纤芯的角度位置并且在图7所示的模型中被标记为φ。比较纤芯的复数旋转信号和参考纤芯的旋转信号确定纤芯相对于参考纤芯的位置。因此，可以通过提取纤芯的旋转信号和参考纤芯旋转信号之间的复数商(complex quotient)的幅角(argument)，来找到相对于平分参考纤芯的竖直轴线的所有的角度位置。提取幅度提供了纤芯相对于参考纤芯的径向分离的比率测量。
由此，填充以下矩阵，其中弯曲响应的幅度仍然是未知的，这是因为光纤在螺旋形平面内配置(X和Y)中的弯曲振幅仍是未知的。
Figure GDA0001320053970000101
扭转被施加到光纤，而不改变其形状。由此，可以确定每个纤芯对扭转的单独的响应(R)。
Figure GDA0001320053970000102
将光纤置于已知的弯曲中为弯曲系数(B)提供了已知的振幅。
Figure GDA0001320053970000103
将光纤置于直线张力(G)中允许确定每个纤芯对张力(G)的响应。
Figure GDA0001320053970000104
使光纤的温度升高允许确定每个纤芯的温度响应(T)。
Figure GDA0001320053970000105
这完成了使单独的纤芯响应与俯仰、偏转、扭转、张力和温度的总线性效应相关联的矩阵。如果温度和张力响应是线性独立的，则该矩阵将具有限定明确的逆。
Figure GDA0001320053970000111
使用该逆矩阵允许从五个纤芯中提取所有五个独立的刺激。
图4示出基于五芯光纤示例的补偿非线性误差(诸如由温度引起的误差)的基于光频域反射技术(OFDM)的形状感测系统的示例实施例的示意图。
基于OFDR的分布式应变感测系统包括光源、干涉询问器、激光监控网络、光纤传感器、采集电子器件和数据处理器。单个通道对应于单个纤芯。在OFDR测量期间，可调谐的光源扫描通过一定范围的光频。该光通过使用光耦合器分开并且被传送到分离的干涉仪。激光监控网络12包括在整个测量扫描中提供绝对的波长参考的氰化氢(HCN)气体单元。当光源扫描通过一定的频率范围时，激光监控网络12内的干涉仪用于测量调谐速率中的波动。
干涉询问器15(也被为“干涉仪15”)被连接到多芯形状感测光纤17的长度上的相应的单独的纤芯。光通过对应于光纤17中的五个纤芯波导A、B、C、D和E的大体标记为15的五个干涉询问器的测量臂进入感测光纤17。来自感测光纤17的每个纤芯的散射光然后受到沿着对应的干涉询问器15的参考臂行进的光的干扰。虽然使用了术语纤芯，但是本技术适用于可以在旋转光纤中使用的其它类型的波导。干涉询问器与多芯光纤中的波导的每个配对被称为采集通道。当可调谐的光源10被扫描时，同时测量每个通道，并且来自每个通道的得到的干涉图案被传送到适于额外的干涉询问器15的数据采集电子器件18(也称为“数据采集元件18”)。每个通道被独立地且相同地处理。
一系列光检测器(例如，光电二极管)将来自激光监测网络的光信号、来自气体单元的光信号和来自感测光纤的每个纤芯的干涉图案的光信号转换为电信号。数据采集元件18中的一个或更多个数据处理器使用来自激光监视网络12的信息来对感测光纤17的检测干涉图案进行重新采样，使得图案具有光频率增量常数。该步骤是傅里叶变换操作的数学要求。一旦重新采样，傅立叶变换由系统控制器20执行，以在时域中产生光散射信号。在时域中，描绘了光散射事件的振幅与沿光纤长度的延迟。通过使用光在给定时间增量中行进的距离，该延迟可以被转换为沿感测光纤长度的度量。换句话说，光散射信号将每个散射事件表示为沿光纤的距离的函数。采样周期被称为空间分辨率，并且与测量期间可调谐的光源10扫描通过的频率范围成反比。当光纤发生应变时，局部光散射随着光纤的物理长度改变而偏移。这些扭曲变形是高度可重复的。因此，用于光纤的检测光散射的OFDR测量可以被保留在存储器中，该存储器用作光纤在未应变状态中的参考图案。然后可以通过系统控制器20比较光纤在应变下时的随后测量的散射信号和该参考图案，以获得沿着感测光纤长度的局部散射的延迟偏移的度量。当与参考散射图案相比时，这种延迟偏移表现为连续的、缓慢变化的光学相位信号。该光学相位信号的导数与感测纤芯的物理长度的变化成正比。物理长度的变化可以被标度/缩放成(scale to)应变，从而沿着感测光纤产生应变的连续测量。
耦合到系统控制器20的数据处理器22提取与光纤17中的纤芯A、B、C、D和E的实际物理配置相关的参数24，其用于校准或以其它方式补偿OFDR测量，以说明实际的光学纤芯配置和最佳的光学纤芯配置之间的变化。首先确立以上详细描述的数学模型，其描绘了描述来自最佳的多芯光纤配置的变化的参数，其中术语“最佳的”包括已知的和未知的配置。然后补偿多芯光纤内的光学纤芯的物理性质的变化的参数被限定。
图5是用于校准五芯光学形状感测光纤的流程图。首先，多芯光纤被放置在直线的未应变配置中，如上所述执行OFDR测量(步骤S1)，并且储存得到的参考状态参数(步骤S2)。然后，多芯光纤在平坦平面中以螺旋形状配置(步骤S3)，以计算光纤中的纤芯之间的相对的几何结构(步骤S4)。在该配置中施加扭转(步骤S5)，并且确定扭转响应(步骤S6)。然后，光纤被配置到已知的弯曲位置中(步骤S7)，并且弯曲增益被计算(步骤S8)，其中该弯曲增益提供纤芯几何结构的振幅值。光纤被放置在张力下(步骤S9)，并且每个纤芯的张力响应被计算(步骤S10)。然后，光纤在温度控制环境(参见图6中的示例)中暴露于增加的温度(步骤S11)，并且针对每个纤芯计算温度响应(步骤S12)。然后，填充上述矩阵H所需的值是可用的(步骤S13)，并且该矩阵H被求逆并且被用于通过使用该形状感测光纤来补偿形状感测应用中的温度。
图6是示出用于加热光学形状感测光纤的示例光纤加热布置的示意图。为了校准，光纤部分地位于加热管内。平移台(translation stage)用于使光纤应变到变化的但已知的水平，并且加热管可以用于改变光纤的温度，而不接触光纤。在一个示例实现方式中，假设温度和应变依赖性在整个光纤上是均匀的，并且因此针对温度和应变，仅光纤的一部分被校准。当然，相对较大的区域可以被校准以提供更好的敏感性。
图7是用于通过使用图4的形状感测系统和具有五个纤芯的补偿温度的校准的形状感测光纤进行形状感测的流程图。首先，校准的形状感测光纤根据需要被放置用于形状感测，并且五个纤芯中的每个的OFDR散射测量被获得(步骤S20)。相比于该光纤的每个对应纤芯的校准参考散射图案，数据处理器22追踪从这些散射测量中确定的每个纤芯的光学相位信号。光学相位信号中的每个是沿着感测光纤中其相应纤芯长度的局部散射的延迟偏移的度量。计算该光学相位信号的导数(步骤S21)，其与相应的纤芯的物理长度的变化成正比。五个相位导数中的每个乘以逆矩阵G＝H-1(步骤S22)，以计算与应变和温度无关的形状(步骤S23)。
换句话说，特定纤芯中的应变与该纤芯中追踪的相位的导数成比例。计算H的逆的过程产生了用于每个纤芯的系数，从而使得计算弯曲、扭转、温度等可以完全独立于所有其它参数来计算。例如，x方向(偏转)上的弯曲通过使来自每个纤芯的相位导数乘以来自逆矩阵的项(entry)并对它们求和来计算。
Figure GDA0001320053970000131
Figure GDA0001320053970000132
Figure GDA0001320053970000133
k可以被吸收到矩阵中以简化计算。
图8示出具有七个纤芯的多芯光纤示例实施例的横截面。为了使光纤保持对称，共掺杂有硼的三个纤芯被增加到光纤。这些额外的纤芯如图8所示进行布置。
虽然已经详细地示出并描述各种实施例，但是权利要求并不限于任何特定的实施例或示例。本技术完全涵盖可以对本领域技术人员变得显而易见的其它实施例。除非明确指出，提到的单数的元件不旨在意味着“一个且仅一个”，而是“一个或更多个”。以上说明都不应当解读为暗示了任何特定的元件、步骤、范围或功能是必要的从而使得其必须被包括在权利要求的范围中。专利主题的范围仅由权利要求限定。合法保护的界限由权利要求中叙述的文字及其等效物来限定。本领域普通技术人员已知的与上述优选实施例的元件等效的所有结构性和功能性的等效物通过参考明确地并入本文中，并且旨在被本权利要求书涵盖。此外，对于装置或方法而言，其不必要解决描述的技术所试图解决的每一项问题，因为它由本权利要求所涵盖。没有一项权利要求旨在援引美国法典第35条§112第6款，除非使用了词语“用于…的装置”或“用于…的步骤”。此外，本说明书中没有一个实施例、特征、部件或步骤旨在献给公众，无论权利要求书中是否叙述该实施例、特征、部件或步骤。

Claims (21)

1.一种用于温度补偿的形状感测的光纤，所述光纤包括：
多个第一纤芯，其具有第一热响应，所述多个第一纤芯包括用于根据通过所述多个第一纤芯的应变测量确定所述光纤的形状的至少四个形状感测纤芯；和
一个或更多个第二纤芯，其具有第二热响应，所述第二热响应不同于所述第一热响应以促进温度补偿，
其中所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯沿所述光纤的长度具有不同的相对位置，其中所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯沿所述光纤的长度螺旋式扭转，并且其中所述光纤沿所述光纤的所述长度的横截面为圆形。
2.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多个第一纤芯具有第一掺杂，并且所述一个或更多个第二纤芯具有第二掺杂，所述第二掺杂不同于所述第一掺杂。
3.根据权利要求2所述的光纤，其中所述第一掺杂包括仅具有锗的掺杂，并且所述第二掺杂包括具有锗和硼的掺杂，其中所述硼使得所述一个或更多个第二纤芯的所述第二热响应不同于所述多个第一纤芯的所述第一热响应。
4.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多个第一纤芯包括与所述第一热响应相关联的第一材料，并且所述一个或更多个第二纤芯包括与所述第二热响应相关联的第二材料，所述第二材料不同于所述第一材料。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的光纤，其中所述一个或更多个第二纤芯包括一个纤芯，所述一个纤芯在所述光纤内间隔开以减少与所述多个第一纤芯的光学耦合。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的光纤，其中所述一个或更多个第二纤芯包括三个第二纤芯。
7.根据权利要求6所述的光纤，其中所述三个第二纤芯在所述光纤内相对于彼此并且相对于所述多个第一纤芯对称地间隔开。
8.根据权利要求6所述的光纤，其中所述三个第二纤芯在所述光纤内间隔开，以减少彼此的光学耦合并且减少与所述多个第一纤芯的光学耦合。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的光纤，其中所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯一起总共至少五个纤芯，所述至少五个纤芯沿所述光纤的长度以不同的相对位置布置，以测量俯仰方向和偏转方向上的轴向应变和弯曲应变并且测量温度。
10.一种形状感测系统，包括：
光纤，所述光纤包括具有第一热响应的多个第一纤芯以及具有第二热响应的一个或更多个第二纤芯，所述第一热响应不同于所述第二热响应，其中所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯沿所述光纤的长度被螺旋缠绕；以及
干涉测量系统，其包括：
干涉检测电路，其被配置成当所述光纤被放置在感测位置中时检测与所述多个第一纤芯中的每个以及所述一个或更多个第二纤芯中的每个相关联的测量干涉图案数据；
数据处理电路，其被配置成：
基于检测的测量干涉图案数据确定补偿参数，所述补偿参数用于补偿所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯的校准配置与所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯的实际配置之间的变化，所述补偿参数包括温度补偿参数用于补偿所述校准配置和所述实际配置之间的温度差；以及
至少基于所述检测的测量干涉图案数据和所述温度补偿参数来确定所述光纤的形状；以及
存储器，其被配置成储存所述补偿参数。
11.根据权利要求10所述的形状感测系统，其中所述数据处理电路被配置成确定对应于对所述光纤的温度影响、所述光纤上的轴向、弯曲和扭转应变的用于所述光纤的应变值，其中：
所述温度补偿参数被应用于所述检测的测量干涉图案数据，以便区分对所述光纤的温度影响与所述光纤上的轴向、弯曲和扭转应变。
12.根据权利要求11所述的形状感测系统，其中所述数据处理电路被配置成基于确定的应变值，确定所述光纤的所述形状。
13.根据权利要求11所述的形状感测系统，其中所述数据处理电路进一步被配置成通过以下方式独立于存在于所述光纤中的任何张力、扭转或弯曲应变来计算所述光纤的温度：
使用所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯中的检测的应变的线性组合。
14.根据权利要求10到13中任一项所述的形状感测系统，其中所述光纤是旋转光纤。
15.根据权利要求10至13中任一项所述的形状感测系统，其中所述多个第一纤芯包括与所述第一热响应相关联的第一材料，并且所述一个或更多个第二纤芯包括与所述第二热响应相关联的第二不同的材料。
16.根据权利要求10至13中任一项所述的形状感测系统，其中所述多个第一纤芯包括具有所述第一热响应的四个第一纤芯，并且其中所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯沿所述光纤的长度具有不同的相对位置。
17.根据权利要求16所述的形状感测系统，其中所述一个或更多个第二纤芯包括一个纤芯，所述一个纤芯在所述光纤内间隔开以减少与所述四个第一纤芯的光学耦合。
18.根据权利要求17所述的形状感测系统，其中所述四个第一纤芯具有第一掺杂，并且所述一个或更多个第二纤芯具有第二掺杂，并且其中所述第一掺杂包括具有锗但没有硼的掺杂，并且所述第二掺杂包括具有锗和硼两者的掺杂，并且其中所述硼使得所述第二热响应不同于所述第一热响应。
19.根据权利要求18所述的形状感测系统，其中所述一个或更多个第二纤芯包括三个第二纤芯。
20.根据权利要求19所述的形状感测系统，其中所述三个第二纤芯在所述光纤中相对于彼此且相对于所述四个第一纤芯对称地间隔开。
21.根据权利要求19所述的形状感测系统，其中所述三个第二纤芯在所述光纤内间隔开，以减少彼此的光学耦合并且减少与所述四个第一纤芯的光学耦合。
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