CN104169678A - 用于确定相关联对象的位置和/或形状的光学感测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定相关联对象(O)的位置和/或形状的光学感测系统(1)，所述系统包括具有一个或多个光纤芯(9)的光纤(10)，所述一个或多个光纤芯(9)具有一个或多个光纤布拉格光栅(FBG，8)，所述一个或多个光纤布拉格光栅(FBG，8)沿完整长度延伸，在所述完整长度上，所述对象(O)的所述位置和/或形状要被确定。反射计(REFL，12)测量在沿所述光纤芯的多个采样点处的应变，并且处理器(PROC，14)基于从所述多个光纤芯所测量的应变来确定所述位置和/或形状。所述(一个或多个)光纤布拉格光栅(FBG，8)沿所述光纤芯(9)的所述完整长度延伸，所述光纤芯具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射(r)，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测。因此，所述(一个或多个)光纤布拉格光栅可以沿所述光纤有效地连续而无间隙，使得每个位置均产生能检测的反射，并且实现了所述反射谱可以包含等于所述反射计中的光源的所述波长扫描或“扫掠”的波长跨度。

Description

用于确定相关联对象的位置和/或形状的光学感测系统

背景技术

在许多微创医疗保健程序中，跟踪诸如导丝和导管的医学设备是有利的。光学形状感测通过测量并分析从内置在细长医学设备中的多芯光纤的全部位置反射的光，实现了该功能。在使用干涉仪时，获得沿纤维的完整应变分布，其能够被转化成形状。对方法的描述能够在题为“Optical positionand/or shape sensing”的专利申请US 2011/0109898中找到。光在光纤中的反向散射能够被归类为两个不同的类：1)内在现象，也就是瑞利散射，以及2)外在现象，也就是布拉格光栅。注意，人们则无视了第三种散射机制，也就是布里渊散射。布里渊散射在干涉仪测量技术中不能被采用，并且导致差的空间分辨率。光学形状感测的一种实施方式采用瑞利散射。这具有使用光纤而在拉纤之后无需制作中的额外步骤的优点。

瑞利散射的信号强度

远程通信纤维的制造商多年来已使他们的产品的质量增加到这样的程度，使得传输损耗小且主要由于瑞利散射。针对形状感测，这有以下缺点，即信号强度相当低。在附录I中，其量级与随后的信噪比一起计算。小的信噪比促使人们在干涉仪测量系统中采取额外的预防措施：

纤维的远端的反射淹没了所有其他信号，其太大并且必须被减小至少80dB。为了这么做，将吸收玻璃融合拼接到远端。然而，该终端脆弱且容易破碎，使得纤维在医学设备中的集成产量低。此外，这种终端具有以下副作用，即纤维的最后5-10mm不能被形状跟踪。

形状感测纤维包含至少4芯。这些芯中的每个均被连接到单独的干涉仪。因此，该系统包含这样的元件，其中，个体单芯纤维被附接到一个多芯纤维：扇出。在扇出处以及在感测纤维的终端处出现串扰：在特定芯中沿纤维传播的光在这些点处被散射回到朝向检测器的其他芯中的一个中。能够通过交错对齐地配置四个干涉仪，减轻该串扰。参见题为“Interferometric measurement with crosstalk suppression”的专利申请US2011/0310378。干涉仪的交错需要在每个干涉仪臂中并入大量纤维。总体上，该系统将包含500-600m的额外纤维，使得其对温度变化和机械振动更为敏感。

每个干涉仪均具有内置的光学循环器单元。利用该3-端口设备，将来自源(端口1)的光朝着感测纤维(端口2)导向，并且将从感测纤维反向散射的信号朝着检测器(端口3)导向。进入端口1的光不应泄漏到端口3中，否则其将淹没真实瑞利信号并使检测器饱和。大多数循环器的抑制比对于使用瑞利散射的感测而言太低。测试每个循环器，并且约10％满足适当规格。

在微创医疗保健应用中，干涉仪将被内置于特殊的振动和温度稳定箱中。具有其内置式形状感测纤维的医学设备(导管、导丝)将被用于导管实验室的无菌部分。两者之间将是至少一个光学转接线。这意味着，将存在至少两个光学多芯连接器。在这些连接器处的反射使瑞利信号劣化，并且容易产生串扰效应。当前的系统(例如Luna 3代)将不能以多于一个多芯连接器正常运行。

在干涉仪盒与形状感测纤维之间，将存在额外的引线。那些引线也将产生瑞利散射，其将与来自感测纤维的瑞利信号为相同量级。结果是，那些引线必须也被询问，并且仅在从光谱(其为光学频率的函数)到信号(其为延迟，即光纤位置的函数)的转化之后，才能够丢弃来自引线的信息。给定光源的有限采样频率和频率扫掠速率，这得出引线的长度的上限。

瑞利散射的相位复原

除了因小的信号强度造成的影响以外，瑞利散射具有对机械振动增强的灵敏度，如将在下文解释的。

形状测量包括在中心波长(例如1540nm)周围的波长范围Δλ(例如20nm)上的扫描。谱被傅立叶变换，得到为延迟时间的函数的复信号，其被校准成沿纤维长度的位置。将经傅立叶变换的信号与纤维在参考位置(例如直线)时测量的类似信号进行比较。在比较中，在纤维上的对应位置处，获得两个信号的相位(在复平面中的角度)的差异。作为位置的函数的该相位差的斜率对应于各个应变分量，并且能够被转化成纤维的形状。给定位置处的应变的积分为光纤芯的总积分长度改变的度量。该长度改变意指参考测量的对应点已经相对于形状测量移位。结果，必须采用形状跟踪算法，其确保形状测量与参考之间的相关性。而且，由于转接线的长度改变，在不同测量中，参考测量的起始点将相对于当前形状测量的起始点移位。转接线中的长度改变是由振动和温度波动造成的。在相位跟踪算法开始时，必须执行互相关，以便寻找对应的起始位置。将存在纤维上的两个对应位置的允许差异的上限，同时仍维持相位信号的相关性。该上限现在将被评估，并且为针对该系统对机械振动和温度波动的灵敏度的度量。

瑞利散射源自于在固化时刻存在的玻璃中的密度波动，并且因此具有随机性。在干涉仪设置中，在特定波长处的瑞利信号为沿纤维的长度的全部反射的总和。在该总和中，考虑到每个贡献的累积相位延迟。这产生干涉仪谱的尖刺性。其傅立叶变换也将为尖刺的，具有特征长度尺度δl，其为玻璃中的波长的分数。然而，经傅立叶变换的谱具有沿纤维探查的连续点之间的步长长度Δz：

$\mathrm{\Δz}=\frac{{\mathrm{\λ}}_b^2}{2\mathrm{n\Δ\λ}}---\left(1\right)$

这里n为纤维中的光模的群折射率。瑞利散射的特征相干长度δl(估计为与探查期相同的量级，即λ/2n＝500nm)比步长长度Δz(大致为40μm或微米)小得多。图1错误！未找到引用源。显示测量的并经傅立叶变换的瑞利信号的相位。相位即使在步长的长度尺度也完全随机。幸运的是其再现，使得相对于参考信号的相位跟踪是可能的。然而，图1确实揭示了长度中的细微移位将完全破坏形状测量与参考之间的相位差的相关性。

光纤布拉格光栅

对上文提及的问题的解决方案是，通过将布拉格光栅写入感测纤维的4芯中，而使用外在散射信号。散射效率在量级上能够在1％附近，这与瑞利散射的10^-8(参见附录I)形成比较。干涉仪的信号将增加该比率的平方根，例如10³或60dB。形状感测纤维的终端仅需要对末端反射的小量抑制，从而，例如8度角的抛光切割就已足够。有关光纤芯之间的串扰、循环器的有限抑制比、因多芯连接器造成的反射的所有问题均得到缓解。此外，引线将具有相对于形状感测纤维而言可忽略的信号。NG通过在干涉仪的参考臂中增加相等量的纤维长度，容易地补偿增加的引线长度，而没有对相位测量的完整性的劣化。

US专利7781724为使用光纤布拉格光栅的形状/位置感测设备的范例。该设备包括光纤器件。该光纤器件包括至少两个单芯光纤，或具有至少两个光纤芯的多芯光纤。在任一种情况中，均间隔开光纤芯，使得光纤芯之间的模式耦合最小化。将光纤布拉格光栅(FBG)的阵列设置在每个光纤芯内，并将频域反射计置于与光纤器件的可操作关系中。使用中，将该设备附接到对象。测量光纤上的应变并使应变测量结果与局部弯曲测量结果相关。整合局部弯曲测量结果，以确定对象的位置和/或形状。固有的缺点在于，针对典型的FBG配置，反射计的检测器必须具有相对大的动态范围，以包含在谱带的“翼”中的信息。

本发明的发明人已认识到，改进的形状和/或位置感测系统是有益的，并且已因此设计出了本发明。

发明内容

获得改进的形状和/或位置感测系统将是有利的。实现更稳定和/或可靠的形状和/或位置感测系统也将是合乎期望的。大体上，本发明优选地寻求单独或以任意组合，缓解、减轻或消除上文提及的缺点中的一个或多个。尤其地，提供一种解决现有技术的上文提及的问题或其他问题的方法，可以被视为本发明的目的。

为了更好地解决这些问题中的一个或多个，在第一方面中，本发明涉及一种用于确定相关联对象的位置和/或形状的光学感测系统，所述系统包括：

-一个或多个光纤，其用于空间固定在所述相关联对象上、空间固定在所述相关联对象中或空间固定于所述相关联对象，每个光纤具有一个或多个光纤芯，

-多个光纤芯，其具有沿所述光纤芯的完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)，在所述完整长度上，所述对象的所述位置和/或形状要被确定，

-反射计，其被光学连接到所述一个或多个光纤，所述反射计被光学布置用于测量在沿所述多个光纤芯的多个采样点处的应变，

-处理器，其被可操作地连接到所述反射计，以基于从所述多个光纤芯所测量的应变来确定所述对象的所述位置和/或形状，

其中，所述反射计，当在频域中工作时，被布置用于执行在中心波长周围从第一波长到第二波长的波长扫描，以确定所述位置和/或形状，所述一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)沿所述光纤芯的所述完整长度延伸，所述一个或多个光纤芯中的每个具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射(r)，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测。

本发明尤其地，但非排他地，有利于获得这样的光学系统，其中，所述(一个或多个)光纤布拉格光栅可以沿所述光纤有效地连续而无间隙，使得每个位置均产生能检测的反射，并且实现所述反射谱可以包含等于所述反射计中的光源的所述波长扫描或“扫掠”的波长跨度。

在本发明的语境内，所述相关联对象例如可以为医学导管，其可以与根据本发明的光学感测系统集成地制作，或者备选地，其可以被机械固定到所述光学感测系统。

FBG的主要性质是反射特定波长的光的能力。在一些应用中，光栅的令人满意的性能假设其反射率r不小。该条件将对FBG长度、指数调制幅度设置下限，并且也将对其可能的啁啾设置上限。光纤布拉格光栅(FBG)在本发明的语境中可以被定义为一种分布式布拉格反射器，其以这样的方式被实施在光纤的光纤芯或分段中，使得FBG将反射特定波长，并透射其他波长。这可以被直观地理解为传入光波与光栅之间的干涉现象，传入光在向前方向经历相消光学干涉，并且在向后方向经历相长干涉，因此具有共振波长的传入光波与FBG相互作用，并且其被反射。注意，一个光纤可以具有一个光纤芯或若干光纤芯。所述芯不需要在所述光纤的中心位置，但作为特殊情况，其能够具有在所述光纤的中心位置(即沿中轴)的一个芯。

在本发明的语境内可以以若干方式应用FBG。非详尽的列举包括啁啾FBG(线性和非线性)、阳极化FBG、倾斜FBG、超结构光栅FBG等。

在本发明的语境内，可以理解术语“完整长度”的含义要被解读为所述光纤芯的活动或可移置部分，在所述完整长度上，期望得到形状和/或位置(以及因此互联的相关联对象的形状和/或位置)。因此，如果在所述语境内合适的话，所述光纤芯能够具有一个或多个没有任何FBG的部分。

在本发明的语境内，也可以理解，反射(r)被“沿所述光纤芯的所述完整长度空间调制”的含义要被解读为当被观察为大约波长除以折射率的两倍(λ/2n)时，沿所述完整长度被调制。因此，在(显著)更小的尺度上，所述反射可以因例如锥形函数(taper function)的缺失而未被调制，本领域技术人员将理解这一点。

在一个实施例中，所述至少一个光纤芯(10)可以具有沿所述完整长度延伸的单个光纤布拉格光栅(FBG，8)，在所述完整长度上，所述对象的所述位置和/或形状要被确定，可能地，超过一个光纤芯可以具有沿所述长度延伸的FBG。这是在本申请的语境内所谓的非齐次解(in-homogeneoussolution)，并且因相对容易制作，是除其他解决方案以外尤其有利的解决方案。在另外的实施例中，所述单个光纤布拉格光栅可以在沿所述完整长度的多个区域中啁啾，使得所述光纤芯中的每个采样点均具有有效的、各自的共振波长，每个采样点在所述波长扫描中能被检测。注意，所述啁啾，即所述光栅的周期性的改变，可以为线性或非线性的。在一个实施例中，所述多个区域可以彼此部分交叠，所交叠的区域可以大致为相同大小，或者其可以在不同交叠区域间变化。所述交叠可以有利地增加应变测量结果的稳定性，因为各光栅之间的可能的间隙得以避免或被最小化。

在一个有利的解决方案中，所述单个光纤布拉格光栅(9)可以在沿所述完整长度的所述多个区域中线性啁啾。可能地，仅所述区域的部分线性啁啾。

优选地，所述区域内的啁啾波长被选择为使得相位的对应相干长度长于连续采样点之间的步长(Δz)，因为这将显著降低对振动和/或温度波动的灵敏度，例如超过一个数量级，如在下文更详细解释的。

在本发明的另一个实施例中，至少一个光纤芯可以具有沿所述完整长度延伸的多个光纤布拉格光栅(FBG)，每个光纤布拉格光栅具有不同于其他光纤布拉格光栅的共振波长，每个光栅对应于采样波长，或者光学频率。该实施例在本申请的语境内被认为是所谓的齐次解(homogeneoussolution)。

在一个具体实施例中，所述系统可以被布置用于在N个维度中感测位置和/或形状，所述多个光纤芯(9)等于N+l，从而使用额外的光纤芯来允许温度补偿和/或细长应变。

在另一实施例中，所述多个光纤芯可以被置于一个光纤内，所述光纤芯绕中心光纤螺旋扭曲，用于形状和/或位置确定。

在本发明的教导和语境内可以预见到各种应用，并且相关联对象的非详尽列举可以包括医学导管、医学检查探头、医学传感器、建筑检查传感器、水下传感器、地质传感器。

在第二方面中，本发明涉及一种用于确定相关联对象(O)的位置和/或形状的方法，所述方法包括：

-提供一个或多个光纤，其用于空间固定在所述相关联对象(O)上、空间固定在所述相关联对象(O)中或空间固定于所述相关联对象(O)，每个光纤具有一个或多个光纤芯，

-提供多个光纤芯，其具有沿所述光纤芯的完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)，在所述完整长度上，所述对象(O)的所述位置和/或形状要被确定，

-提供反射计(REFL)，其被光学连接到所述一个或多个光纤，所述反射计被光学布置用于测量在沿所述多个光纤芯的多个采样点处的应变，以及

-提供处理器(PROC)，其被可操作地连接到所述反射计，以基于从所述多个光纤芯所测量的应变来确定所述对象的所述位置和/或形状，

其中，所述反射计，当在频域中工作时，被布置用于执行在中心波长(λ₀)周围从第一波长到第二波长的波长扫描，以确定所述位置和/或形状，所述一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)沿所述光纤芯的所述完整长度延伸，所述一个或多个光纤芯中的每个具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射(r)，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测。

在第三方面中，本发明涉及一种光学单元，其要被应用于相关联的光学感测系统中以确定相关联对象(O)的位置和/或形状，所述光学单元包括：

-一个或多个光纤，其用于空间固定在所述相关联对象(O)上、空间固定在所述相关联对象(O)中或空间固定于所述相关联对象(O)，每个光纤具有一个或多个光纤芯，以及

-多个光纤芯，其具有沿所述光纤芯的完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)，在所述完整长度上，所述对象(O)的所述位置和/或形状要被确定，

其中，所述光学单元能连接到相关联的反射计(REFL)，所述反射计被光学布置用于测量在沿所述多个光纤芯的多个采样点处的应变，相关联的处理器(PROC)还能连接到所述反射计，以基于从所述多个光纤芯所测量的应变来确定所述对象的所述位置和/或形状，

其中，所述反射计，当在频域中工作时，被布置用于执行在中心波长(λ₀)周围从第一波长到第二波长的波长扫描，以确定所述位置和/或形状，所述一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)沿所述光纤芯的所述完整长度延伸，所述一个或多个光纤芯中的每个具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射(r)，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测。因此，所述光学单元可以包括一个或多个光纤。

在第四方面中，本发明可以还涉及一种用于确定相关联对象的位置和/或形状的光学感测系统，所述系统包括：

一个或多个光纤，其用于空间固定在所述相关联对象(O)上、空间固定在所述相关联对象(O)中或空间固定于所述相关联对象(O)，每个光纤具有一个或多个光纤芯，如在本发明的第一方面中的，但仅有一个光纤芯，所述光纤芯具有沿所述光纤芯的完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)，在所述完整长度上，所述对象的所述位置和/或形状要被确定。

大体上，可以以在本发明的范围内可能的任意方式组合或耦合本发明的各个方面。本发明的这些以及其他方面、特征和/或优点将从后文描述的实施例变得显而易见，并将参考后文描述的实施例得以阐明。

附图说明

将参考附图，仅以举例的方式，描述本发明的实施例，在附图中，

图1示出针对瑞利信号的，来自干涉仪的经傅立叶变换的谱的作为沿纤维的位置的函数的相位，以纤维指数给出位置，

图2示出具有线性啁啾的单个光纤布拉格光栅的作为位置的函数的相位，

图3示出锥形函数的标准化幅度相对于纤维上的标准化位置，所述锥形函数包括具有0.001交叠的40个光栅，

图4示出锥形函数的相位相对于纤维上的标准化位置，锥形包括具有0.001交叠的40个光栅，标准化的啁啾常数等于标准化的调谐范围，

图5示出菲涅耳反射系数的幅度(为任意单位)相对于失谐，在靠上部分为反射系数的绝对值，深灰色为实部(RE)，并且浅灰色为虚部(IM)，如利用箭头指示的，

图6示出来自40个线性啁啾光栅的标准化反射谱(也参见图5)的放大部分，

图7示出因在纤维的0.005部分上具有为0.1微应变量的应变而引起的图5的反射谱的幅度的改变，

图8示出具有布拉格光栅的多芯纤维的经傅立叶变换的谱的相位，

图9示出当参考移位1指数时，来自光纤布拉格光栅的相位信号的变化，

图10示出根据本法的光学位置和/或形状感测系统的示意性图示，

图11示出根据本发明的具有光纤芯的光纤的示意性透视图示，

图12-14示出根据本发明的具有光纤芯的(一个或多个)光纤的各种实施例的示意性横截面图示，

图15-17示出根据本发明的具有FBG的光纤芯的各种实施例的示意性横截面图示，以及

图18示出根据本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图10示出根据本发明的光学位置和/或形状感测系统1的示意性图示。光学感测系统1适于确定相关联对象O的位置和/或形状。所述系统包括一个或多个光纤10，一个或多个光纤10用于空间固定在所述相关联对象O上、空间固定在所述相关联对象O中或空间固定于所述相关联对象O，每个光纤具有一个或多个光纤芯，参见图11及后图。

此外，多个光纤芯(这里未示出)具有沿所述光纤芯的完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)，在所述完整长度上，所述对象O的位置和/或形状要被确定。

反射计REFL 12例如经由适于该目的的辅助光纤11被光学连接到所述一个或多个光纤10，反射计12被光学布置用于测量在沿所述多个光纤芯的多个采样点处的应变。可能地，可以应用超过一个辅助光纤11，针对本发明这方面的更多细节参见例如US专利7781724。

处理器PROC 14被可操作地连接到反射计12，以基于从所述多个光纤芯(这里未示出)所测量的应变来确定所述对象O的位置和/或形状。

反射计12，当在频域中工作时，被布置用于执行在中心波长(λ₀)周围从第一波长(λ₁)到第二波长(λ₂)的波长扫描，以确定所述位置和/或形状，所述一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)沿所述光纤芯的完整长度延伸，所述一个或多个光纤芯中的每个具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射(r)，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测，所述波长扫描例如从λ₁到λ₂，下文中也称作Δλ。

图11示出根据本发明的具有四个光纤芯9a、9b、9c和9d的光纤10的示意性透视图示。如由垂直图案填充物指示的，芯9具有沿完整长度的一个或多个FBG(未示出左侧末端部分，如由虚线指示的)。

如在附录III中解释的，针对沿光纤芯9的完整长度的反射r，一般有齐次和非齐次解。

针对非齐次解，其中，至少一个光纤芯9具有沿所述完整长度延伸的单个光纤布拉格光栅(FBG)，在所述完整长度上，所述对象O的位置和/或形状要被确定。

针对齐次解，至少一个光纤芯9具有沿所述完整长度延伸的多个光纤布拉格光栅(FBG)，每个光纤布拉格光栅具有不同于其他光纤布拉格光栅的共振波长。

设想也可以实施非齐次解与非齐次解的组合。当然，应相应地调整所述反射计。

在图11以及后图中，光纤芯9被示为与光纤10的中心轴平行，但在一些实施例中，所述光纤芯可以被布置为其他方式。在一个优选的实施例中，光纤芯9的数目为四，并且它们被布置为具有平行于光纤10的中心光纤芯9d，并且其他三个芯9围绕所述中心芯螺旋扭曲(未示出)。

图11描绘纤维10中的四个芯9a、9b、9c和9d。如在图11中所示，芯9平行于所述纤维的中心行进。以这样的布置，能够实际上仅测量在x和y方向的横向弯曲，但不能测量/补偿所述纤维的应变也不能测量/补偿所述纤维的扭曲/扭转。然而，如果三个芯9a、9b和9c也绕中心芯9d扭曲，则也能够测量这些性质。然而为了清楚，这未在图11中或其他附图中得以示出。在横向横截面图A中，示出芯9的相对位置。

图12-14示出根据本发明的具有光纤芯的(一个或多个)光纤的各种实施例的示意性图示。

在图12中，示出具有两个光纤芯9a和9b的光纤10。针对特定类型的感测，这可以是足够的，例如一维位移，额外的芯被用于温度补偿。

在图13中，示出具有两个光纤芯9a’和9b’的另一光纤10。如示意性指示的，仅光纤芯9a’具有沿所述长度(垂直图案填充物)的一个或多个FBS，而另一光纤芯9b’应用另一种反射，例如瑞利散射。因此，在本发明的单独方面中，仅一个光纤芯9a’具有(一个或多个)FBG，这可以经由对应变易感的光学反射与另一种感测技术组合。在具体实施例中，光纤芯9a’也可以独立于或无需其他光纤芯而工作。

在图14中，示出具体实施例，其中，光纤芯9a”和9b”被置于独立的光纤10’和10”中。这当然可以被进一步概括为光纤10的任意组合，每个光纤具有一个或多个光纤芯9，例如2个光纤，每个具有两个光纤芯(未示出)。

图15-17示出根据本发明的具有FBG的光纤芯的各种实施例的示意性图示。

在图15中，示意性示出上文提及的齐次解，其中，示出交叠的光纤布拉格光栅8a FBG 1、8b FBG 2、8c FBG 3…FBG i的阵列，针对更详细的解释，也参见下文的附录III。针对现实的光纤，光栅的数目将通常在10.000左右，使得该解多少有些复杂，但对当前的技术而言并非不可能的，并且因此也在本发明的范围和教导内。在图15中描绘的齐次的情况因此示出完全交叠的光栅，其中，它们中的每个具有全部纤维长度，并且每个具有其自身的周期性。这可以说是模仿与瑞利散射中类似的情形，但是人为做出的。能够由一组垂直线，以图形方式表示这点，所述一组垂直线具有不规则的随机间距，其具有特定的平均间距。然而出于清楚的原因，这未在图15中得以示出。

在图16中，示出毗邻的光纤布拉格光栅区域7a FBG R1、7b FBG R2、7c FBG R3…FBG Ri的非齐次解。每个光栅区域具有其自身的共振波长，所述共振波长覆盖失谐区域的完整跨度。在该具体实施例中，所述光栅区域具有线型改变的光栅周期性(Λ)，即其沿光纤10的长度(从左到右)从高到低，高到低等啁啾。这在光纤10紧下方的图中针对反射率r得以示意性地指示。注意，为了清楚，夸大了该图的比例，现实中，其为小的扰动，如下文在附录III中解释的。

图16显示未交叠的啁啾光栅。可以出于完整性考虑增加额外的实施例，所述额外的实施例可以为彼此毗邻的具有不同共振波长的一系列非啁啾光栅。以此方式，也能够覆盖波长跨度。这需要大量的掩模，因此它可以利用干涉仪制作方法，或其他合适的制作得以执行。

因此，单个光纤布拉格光栅9在沿所述完整长度的多个区域R1、R2、R3、…Ri中啁啾，使得所述光纤芯中的每个采样点都具有有效的各自的共振波长，每个采样点在所述波长扫描中均能被检测。通过分离，应理解它们在所述扫描中能与相邻的峰区分开。满足该要求的任意种类的啁啾都可以被应用于改变所述周期性。

所述采样点可以被分布为具有为10、20、30、40、50、60、70、80、90或100微米(μm)的大致间距。

也指示了如何定义所述区域R2和R3内的啁啾长度CL 6，并且啁啾长度CL被有利地选择为使得相位的对应相干长度长于连续采样点之间的步长Δz。这将显著减少噪声和温度影响，如在下文附录II中更详细表明的。啁啾长度6通常针对不同光栅区域R1至Ri是相等的，但也预见到其能够不同。

图17示出类似于图16的实施例，但其中，沿光纤芯9的长度的多个区域Rl至Ri彼此部分交叠，如以在任一侧分别与FBG R1和FBG R3交叠的FBG R2示意性指示的。在光纤10下方的图中，指示了交叠区域3a和3b，以示出反射率以及因此共振波长将针对在3a和3b中的两个交错的光栅不同。这一般能够利用奇啁啾函数得以实现，但在该实施例中，示出了线性啁啾。注意，交叠范围通常相对小(光纤长度的1/1000)，但为了清楚在这里其被示为较大。

图18示出根据本发明的方法的流程图；一种用于确定相关联对象O的位置和/或形状的方法，所述方法包括：

S1提供一个或多个光纤10，其用于空间固定在所述相关联对象O上、空间固定在所述相关联对象O中或空间固定于所述相关联对象O，每个光纤具有一个或多个光纤芯9，

S2提供多个光纤芯，其具有沿所述光纤芯9的完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅FBG 8，在所述完整长度上，所述对象O的位置和/或形状要被确定，

S3提供反射计REFL 12，其被光学连接到所述一个或多个光纤10，所述反射计被光学布置用于测量在沿所述多个光纤芯的多个采样点处的应变，以及

S4提供处理器PROC 14，其被可操作地连接到所述反射计，以基于从所述多个光纤芯所测量的应变来确定所述对象的位置和/或形状，

其中，所述反射计，当在频域中工作时，被布置用于执行围绕中心波长λ₀从第一波长到第二波长的波长扫描，以确定所述位置和/或形状，所述一个或多个光纤布拉格光栅FBG 8沿所述光纤芯9的所述完整长度延伸，所述一个或多个光纤芯中的每个具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射r，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测。

通常使用UV光和相位掩模将布拉格光栅写入光纤芯中。所述相位掩模的有限长度产生所述光栅的相同有限长度。该长度将为几个cm大并且将没有所述感测纤维的完整长度那么大。因此，应以这样的方式写入多个光栅，使得它们串接或交叠，从而作为纤维位置的函数的信号并不揭示任何间隙。针对本领域技术人员用于制作FBG的进一步细节，参见M.Sumetsky等人的“Holographic methods for phase mask and fiber grating fabrication andcharacterization”。

为了获得良好的空间分辨率(例如40微米)，必须扫描对应的谱带宽(例如20nm)。在1m长的感测纤维上连续的布拉格光栅将产生远小于20nm的非常尖锐的谱峰。连续光栅之间的相位跃变将加宽所述谱，但未应变的纤维的谱宽将仍远低于1nm。为了获得在所述谱带的翼中的信息(其中，信号水平小)，检测器需要具有大的动态范围。为了缓解该问题，最好啁啾所述(一个或多个)光栅，使得几乎完整的测量谱带都被填充。由于所述感测纤维的曲率，应变将继而发生，并且因此所述反射谱将移位。所述移位最大将是几个nm。在询问期间，所述扫描范围应不仅包含未应变的谱反射带，而且还包含因应变产生的额外的可能移位。

由于所述光栅的啁啾，参考测量的相位将不是恒定的，但呈现对应于所述啁啾的函数相关性。针对线性啁啾，相位函数将为二次的。在图1错误！未找到引用源。中给出这样的范例。尽管所述相位的总跨度很大，但所述函数是连续的并且针对瑞利散射不完全随机。变化的长度尺度对应于所述啁啾的谱带。在小于20nm上的啁啾将对应于所述相位的大于40微米的相干长度，即大于连续测量点之间的步长的相干长度。因此，使对振动和温度波动的灵敏度降低了远大于一个量级。在附录II“Experimental data ofphase signals form fiber Brag gratings”中，给出了有关位置移位(也就是振动)的来自FBG的相位信号的鲁棒性的实验证明。

除其他以外，本发明提出了一种具有多芯的纤维，每个芯具有单个啁啾布拉格光栅。所述啁啾的优点在于，针对空间分辨率所需要的谱带或多或少被均匀填充。这样的纤维能够被用于光学形状感测。

除其他以外，本发明提出一种具有单个芯的纤维，所述芯具有多个啁啾布拉格光栅，其中，在所述光栅之间没有间隙。所述啁啾的优点在于，针对空间分辨率所需要的谱带或多或少地被均匀填充，并且没有间隙的优点在于，能够扫描沿所述芯的所有位置。这样的单芯纤维能够被用于这样的应用，在该应用中以干涉仪方式监测分布式温度和/或应变曲线。在改进中，本发明提出一种芯，其具有两个连续布拉格光栅的交叠。所述交叠使得这样的芯允许对因应变而已被移动到一个光栅区域外部的位置进行扫描。

根据本发明的设备的实施例包括：

-形状感测多芯纤维，其具有中心芯和围绕所述中心芯螺旋缠绕的至少3个外芯；

-询问单元，其将光传送到所述形状感测纤维，并且以干涉仪方式检测来自所述布拉格光栅的反射信号；

-处理单元及附带算法，其将所测量的反射谱转化成形状，其特征在于：

-所述纤维的全部芯均包含至少一个布拉格光栅；

-在所述芯的每个内，以连续方式写入所述(一个或多个)光栅，使得在作为位置的函数的信号中没有产生间隙；

-在所述芯的每个内，所述(一个或多个)布拉格光栅的谱具有紧密对应于所需要的空间分辨率的谱带宽；

-在采用多个类似的啁啾光栅的情况中，连续光栅优选地在空间域中交叠，同时所述交叠中的共振频带对应于所述谱带的两个相对翼。

如在名为“Theoretical framework of fiber Bragg gratings”的附录III中解释的，存在无限量的方式，其中，单个或一系列光纤布拉格光栅能够被设计为满足我们察知的两个要求：即1)所述(一个或多个)光栅应沿所述纤维连续而无间隙，使得每个位置均产生能检测的反射，2)总反射谱应包含等于光源的扫掠扫描尺寸的波长跨度。所述扫描尺寸是由针对适当的形状感测所需要的分辨率确定的，如在等式(1)中给出的。典型的值为围绕1540nm的中心波长的20nm波长跨度，其将对应于实际空间中为40微米的步长。

并非远未完成，我们现在将给出满足上文给出的两个要求的范例。该设计构成了40个具有相等啁啾和相等中心波长的光栅。针对1m长度的纤维，光栅大小因此为25mm，这是在光栅写入过程期间针对相位掩模的大小的典型值。所述光栅具有所述感测纤维长度的0.001倍的小交叠，即当所述纤维为1m长时，该交叠为1mm。所述光栅中的每个具有线性啁啾，这意味着相位与位置的二次相关性以及随机选择的周期性的绝对相位。

在使用附图II的等式(II.1)的形式体系对锥形函数(其具有如图3给出的标准化幅度和如图4给出的相位)进行傅立叶变换之后，获得复菲涅耳反射系数。结果显示在图5中。从-32000到+32000的标准化调谐范围对应于略大于16nm的波长跨度。

图5的谱为密堆积峰的快速变化函数，其完全填充感兴趣的谱带。图6中给出所述谱的放大部分。通过利用随机偏移(其在实践中将是真实的)针对所述光栅中的每个选择所述锥形函数的绝对相位，似乎在所述谱中不存在结构，从而模仿瑞利散射模式。

考虑在其中反射谱的总宽度与总测量范围对应的设计。应变将以移位超出测量范围的有限概率移位至少所光谱的部分。在该情况中，特定光栅中具有应变的部分将不被完全监测，从而产生沿所述纤维的应变信息中的间隙。为了缓解该问题，能够增加连续线性啁啾光栅的交叠。所述纤维上的每个位置具有对应的共振波长。光栅的开始和技术将具有最极端分离的共振波长。在光栅开始处与前一个的交叠和在结束处与下一个的交叠令交叠区域具有两个不同的共振波长。在它们中的一个移位超出所述测量范围的情况中，另一个将更多地朝着所述测量范围的中心移位。因此，所述光栅的交叠确保沿所述纤维的所述应变信息的连续性。

也可以计算对应变的灵敏度。在图7中，因0.1微米应变(10^-7的长度改变)引起的反射谱幅度的改变超过所述纤维的0.005部分的长度。在完全齐次锥形函数(像瑞利散射)的情况中，因局部应变引起的改变将在完整谱带上是可见的。针对一组啁啾光栅，所述锥形函数较不齐次，并且因此，谱改变将仅在总失谐范围的部分上。然而，图7揭示了超过调谐范围的至少15％的改变，同时仅所述纤维的0.5％应变。

有关单芯纤维的本发明能够被用于在其中以干涉仪方式监测分布式温度和/或应变曲线的应用。

有关多芯的本发明能够被应用于所有微创程序，其中，对医学设备(例如导丝、导管等)的跟踪和/或定位是重要的。

参考

US 2011/0109898，Mark E.Froggatt、Justin W.Klein、Dawn K.Gifford和Stephen Tod Kreger，“Optical position and/or shape sensing”。

US 2011/0310378，Mark E.Froggatt、Justin W.Klein，“Interferometricmeasurement with crosstalk suppression”。

US 7781724，Brooks A.Childers、Dawn K.Gifford、Roger G.Duncan、Matthew T.Raum、Michael E.Vercillino和Mark E.Froggatt，“Fiber optic shapesensing device and method relating thereto”。

H.Kogelnik，“Filter response of non uniform almost-periodic structures”，Bell System Techn.J.55(1)，1976，109。

M.Sumetsky等人，“Holographic methods for phase mask and fiber gratingfabrication and characterization”，Laser Micromachining for OptoelectronicDevice Fabrication，Andreas Ostendorf，Editor，Proceedings of SPIE，第4941卷(2003)。

在此通过引用将以上所有参考整体并入本文。

附录I.瑞利信号强度与信噪比

下面是使用干涉仪器件对单模纤维中的瑞利散射的信号的估计。为了检查该估计，计算信噪比，并将其与实验值进行比较，所述实验值源自LunaForm Acquisition系统。噪声水平具有两个贡献。一个源自于检测器电子器件，尤其是互阻抗放大器中的反馈电阻器的温度约翰逊噪声。另一个源于激光源的相对强度噪声。

瑞利散射

电信光纤中的损耗总计为0.15dB/km，并且主要是瑞利散射。这意味着，在约30km之后，一半的光将被散射掉，并且下一个放大器站被并入。我们将使用以下散射参数：

α_s＝0.015×ln10×0.001＝3.4·10^-5m^-1

被散射的光分布在完全立体角上，并且仅一小分数在所述纤维的模式中被捕获。该分数f_s是由内角θ_NA确定的，所述内角对应于外部数值孔径：

$f_s={\left(\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{NA}}}{2}\right)}^2\≈{\left(\frac{\mathrm{NA}}{2n}\right)}^2={\left(\frac{0.12}{2\·1.5}\right)}^2=1.6\·{10}^{-3}$

针对所述纤维中的输入功率I₀和为L的纤维长度，所述瑞利散射的总功率I_r将为：

I_r＝I₀α_sf_sL＝10^-3×3.4·10^-5×1.6·10^-3×1.5＝82pW

幸运的是，我们以干涉仪的方式测量，并且将被瑞利散射的光与参考功率混合，所述参考功率在量级上与所述纤维上的输入功率类似，因此，检测器上的RF功率为：

$I_{\mathrm{RF}}=\sqrt{I_0{I}_r}=I_0\sqrt{{\mathrm{\α}}_s{f}_{s}L}=0.3\mathrm{\μW}$

良好的InGaAs PIN二极管将具有约1A/W的灵敏度，使得检测器电流i_RF总计为约0.3μΑ。

放大器噪声

在互阻抗放大器中，检测器电流将被推动通过反馈电阻器R，从而产生信号电压。所述反馈电阻器在大小上受频率带宽限制，这在以下方式中是需要的：杂散电容C将使具有阻抗1/(ωC)的所述反馈电阻器短路，使得R不能大于该值。难以将杂散电容减小到1pF以下的值。电阻器的热噪声由以下给出：

$\mathrm{\δV}=\sqrt{4\mathrm{kTR\Δf}}=\sqrt{\frac{4\mathrm{kT}}{2\mathrm{\πC}}}$

在上述等式的最后部分，我们取如由所述杂散电容C给出的电阻R的最大值。互阻抗放大器的固有噪声电平独立于带宽。然而，所述信号取决于所述带宽，因为电阻器R与所述带宽成反比。因此，信噪比与所述带宽成反比(并且不是与所述带宽的平方根成反比，如上式可能表明的)。所述信噪比为：

$\mathrm{SNR}=\frac{i_{\mathrm{RF}}}{\mathrm{\δV}}=\frac{i_{\mathrm{RF}}}{\mathrm{\Δf}}\frac{1}{\sqrt{8\mathrm{\πkTC}}}\≈\frac{0.3\·{10}^{-6}}{30\·{10}^6\sqrt{8\mathrm{\π}\×1.38\·{10}^{-23}\×300\×{10}^{-12}}}=30$

我们已将所述放大器限制到30MHz。该值是通过考虑具有时钟干涉仪的500nm/s的扫频激光源而获得的，所述时钟干涉仪具有20m延迟，从而产生为约6MHz的时钟频率。为了恰当校正时钟信号的变化，将采样速率设定为5倍高。在30MHz并且杂散电容不大于1pF，所述反馈电阻器能够具有为5kΩ的值。幅度为30的信噪比在功率上对应于也是30dB的比率。激光RIN

在干涉仪中，检测器除了经历RF信号外还将经历来自参考臂的对应于功率的DC信号。该DC信号将具有也在所述RF信号的频率的幅度噪声。该贡献将产生有限的信噪比。良好的半导体激光器将呈现为-120dB/Hz的RIN噪声水平。注意，也是在这里，噪声与带宽成比例。这源于以下事实，即激光器功率产生检测器电流，使得电功率与光学功率的平方成比例。所述噪声在测量的频率处，即在MHz范围中，必须是已知的。带宽(在所述带宽上在该频率周围其被积分)为对应于被步长分开的两个相邻点的频率差。这与总扫描长度的倒数相同，也就是1/40ms＝25Hz。所述激光器的噪声水平因此为-106dB。RF水平与DC水平的比率等于：

因激光器噪声带来的信噪比水平估计仅为35dB。这相当小并且我们应检查所有激光器(包括Luna系统)RIN水平是多少。类似于检测器噪声，这将极大地帮助增大信号。

附录II.来自光纤布拉格光栅的相位信号的实验数据

纤维包括多个芯，即一个中心芯，以及在距所述中心芯50微米距离处并且在所述中心芯周围以大致18mm的节距螺旋缠绕的3个外芯。每个芯包含具有大致为25-30mm长度和1543nm左右的共振波长的布拉格光栅。当所述纤维弯曲时，所述外芯将经历应变。由于它们的螺旋缠绕，所述应变将以18mm的周期性，周期性地从拉伸改变到压缩或反之。利用干涉仪在1540nm左右的20nm的谱范围上，测量四个芯的反射谱。傅立叶变换获得为延迟(即沿所述纤维的位置)的函数的复信号。在图8中，示出减去恒定斜率之后该负杂信号的相位，所述恒定斜率源自于以下事实，即共振不在谱扫描的中心。

清楚可见因应变引起的振荡，所述应变来自与螺旋缠绕组合的弯曲。必须将其与如图1错误！未找到引用源。中给出的瑞利散射的相位信号进行比较。没有减去参考测量(其中所述纤维为直线)的相位，则不能解读瑞利信号，同时布拉格光栅揭示没有参考的应变。这自身已是清楚的证据，证明来自布拉格光栅的信号相对于沿所述纤维的位置中的小变化的鲁棒性，以及因此抵抗振动的鲁棒性。参考具有直线纤维的测量结果的相位信号将增强针对光纤布拉格光栅以及瑞利信号两者的应变信息。当所述参考移位小量(纤维指数的分数)时，所述瑞利信号的相位将失去其相关性，并且不能检索能感测的应变信息。另一方面，来自光纤布拉格光栅的信号对抗参考数据的移位相当鲁棒。考虑外芯的相位信号(其为沿所述纤维的位置的函数，如在图8中给出的)，并减去参考测量结果的相位信号。重复相同的动作但使参考相位信号移位一纤维指数(约40微米)。这两个相位差信号完全相同，除了给定的恒定偏移。这在图9中被描绘出，其中，相对于沿所述纤维的位置，标绘相位差的该变化。所述参考相位信号仅以恒定的值改变(没有增加到因弯曲引起的应变)。此外，因移位增加的噪声小于±0.1弧度，从而显示布拉格信号的鲁棒性。

附录III.光纤布拉格光栅的理论框架

Kogelnik已经示出针对布拉格光栅，存在一方面的反射率(为波长的函数)与另一方面的光栅的锥形函数之间的简单关系。

$r\left({\mathrm{\δ}}^{*}\right)=-i\underset{-0.5}{\overset{0.5}{\∫}}{\mathrm{\Ω}}^{*}{e}^{-2i{\mathrm{\δ}}^{*}{z}^{*}+\mathrm{i\φ}}{\mathrm{dz}}^{*}---(\mathrm{II}.1)$

这里，Ω为锥形函数的幅度，即所述纤维中向前和向后传播的波之间的耦合强度，并且得自所述芯的介电常数中的周期性，φ为所述锥形函数的相位。当幅度Ω和相位φ恒定时，这意味着所述光栅的周期性Λ固定，并且积分得到以δ＝0为中心的同步函数。大体上，Ω和φ两者均为位置z*的函数，或者换言之，所述光栅是非均匀的。所述光栅将具有殆周期结构，即所述锥形函数仅呈现对位置的小的依赖性，使得波长依赖性能够被视为在中心共振附近的扰动：

λ_b＝2nΛ   (II.2)

在等式(II.1)中，使用失谐参数δ，其描述从所述中心共振的波长移位：

$\mathrm{\δ}*=(\frac{2\mathrm{\πn}}{\mathrm{\λ}}-\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Λ}})L---(\mathrm{II}.3)$

此外，在等式(II.1)中，通过利用纤维的长度L将非无量纲量标准化，已经将非无量纲量减小到无量纲量(δ*＝δ.L，Ω*＝Ω.L以及z*＝z/L)。所述锥形函数在所述纤维外部为零，使得能够从-∞到+∞取积分。在该情况中，等式(II.1)具有傅里叶积分的形式，其中，指数中的额外因子2源自以下事实，即光在反射实验中前后传播，从而行进所述距离的两倍。

这里的目的是设计锥形函数，使得所述反射谱填充具有失谐范围Δδ*的特定带。可以按我们的方便选择该带的宽度。在设计中，我们必须在齐次分布与非齐次分布之间进行原则性的选择。在齐次的情况中，我们必须创建许多光栅，每个均在所述纤维的完整长度上延续，但都具有不同的共振波长和不同的随机相位。在所述纤维的每个位置处，所有光栅均存在，因此这是齐次分布并且模仿瑞利散射的相似性。为了在失谐范围Δδ*上具有非零反射，我们必须取N＝Δδ*/π个光栅，其中，所述光栅的共振移位δk*等于2πj，其中，-N/2<j<N/2。针对反射的方程为：

注意，相位为随机数。针对具有为1m的纤维长度和中心在1540nm左右为20nm的波长带的真实情形，必须在所述纤维的完整长度上写入的光栅的数目N不切实际地大，并且总计大于10⁴。因此，我们将不考虑该选项。

在非齐次的情况中，我们有一个光栅，其以这样的方式啁啾，使得所述纤维上的每个位置都具有其自己的共振波长，该共振波长覆盖所述失谐范围的完整跨度。在所述共振移位与位置成线性的情况中，所述锥形函数的相位需要具有对位置的二次依赖性：

φ(z^*)＝δk·z^*2   (II.5)

由下式给出为失谐的函数的附带反射：

$r\left({\mathrm{\&delta;}}^{*}\right)=-i{\mathrm{\&Omega;}}^{*}\sqrt{\frac{\mathrm{\&pi;}}{2\mathrm{\&delta;}{k}^{*}}}{e}^{-i{\mathrm{\&delta;}}^{*2}/\mathrm{\&delta;}{k}^{*}}\left[\begin{array}{c}C\left(\sqrt{\frac{2\mathrm{\&delta;}{k}^{*}}{\mathrm{\&pi;}}}(\frac{1}{2}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}^{*}}{\mathrm{\&delta;}{k}^{*}})\right)+\mathrm{iS}\left(\sqrt{\frac{2\mathrm{\&delta;}{k}^{*}}{\mathrm{\&pi;}}}(\frac{1}{2}+\frac{{\mathrm{\&delta;}}^{*}}{\mathrm{\&delta;}{k}^{*}})\right)\\ C\left(\sqrt{\frac{2\mathrm{\&delta;}{k}^{*}}{\mathrm{\&pi;}}}(\frac{1}{2}-\frac{{\mathrm{\&delta;}}^{*}}{\mathrm{\&delta;}{k}^{*}})\right)+\mathrm{iS}\left(\sqrt{\frac{2\mathrm{\&delta;}{k}^{*}}{\mathrm{\&pi;}}}(\frac{1}{2}-\frac{{\mathrm{\&delta;}}^{*}}{\mathrm{\&delta;}{k}^{*}})\right)\end{array}\right]---(\mathrm{II}.6)$

在等式(II.6)中，符号C和S代表菲涅耳积分。与齐次的情况相反，线性啁啾的布拉格光栅产生复菲涅耳反射系数。等式(II.6)也能够被用于串接的啁啾光栅的情况，即这样的光纤，其具有N个相等啁啾的光栅，但长度相继更小。这些光栅中的每个将呈现类似的菲涅耳反射系数，该系数具有对应于纤维上的位置的额外的相位因数。

因此，简言之，本发明涉及一种用于确定相关联对象(O)的位置和/或形状的光学感测系统(1)，所述系统包括：光纤(10)，其具有一个或多个光纤芯(9)，所述一个或多个光纤芯具有沿完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅(FBG，8)，在所述完整长度上，所述对象(O)的位置和/或形状要被确定。反射计(REFL，12)测量在沿所述光纤芯的多个采样点处的应变，并且处理器(PROC，14)基于从所述多个光纤芯所测量的应变来确定所述位置和/或形状。所述(一个或多个)光纤布拉格光栅(FBG，8)沿所述光纤芯(9)的所述完整长度延伸，所述光纤芯具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射(r)，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测。因此，所述(一个或多个)光纤布拉格光栅可以沿所述光纤有效地连续而无间隙，使得每个位置均产生能检测的反射，并且实现所述反射谱可以包含等于所述反射计中的光源的所述波长扫描或“扫掠”的波长跨度。

尽管已在附图和前文的描述中详细说明并描述了本发明，但要将这种说明和描述视为说明性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、说明书以及权利要求书，本领域技术人员在实践要求保护的本发明时，能够理解并实现对所公开实施例的各种变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且量词“一”或“一个”不排除多个。单个诸如处理器或其他单元可以完成权利要求书中记载的若干项目的功能。互不相同的从属权利要求中记载了特定措施不指示不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以被储存/分布在合适的介质上，所述介质例如是与其他硬件一起提供或作为其他硬件的部分提供的光学储存介质或固态介质，但计算机程序也可以以其他形式分布，例如经由因特网或是其他有线或无线的远程通信系统。权利要求书中的任何附图标记均不得被解释为对范围的限制。

Claims (12)

1.一种用于确定相关联对象(O)的位置和/或形状的光学感测系统(1)，所述系统包括：

-一个或多个光纤(10)，其用于空间固定在所述相关联对象(O)上、空间固定在所述相关联对象(O)中或空间固定于所述相关联对象(O)，每个光纤具有一个或多个光纤芯(9)，

-多个光纤芯，其具有沿所述光纤芯(9)的完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅(FBG，8)，在所述完整长度上，所述对象(O)的所述位置和/或形状要被确定，

-反射计(REFL，12)，其被光学连接到所述一个或多个光纤(10)，所述反射计被光学布置用于测量在沿所述多个光纤芯的多个采样点处的应变，以及

-处理器(PROC，14)，其被可操作地连接到所述反射计，以基于从所述多个光纤芯所测量的应变来确定所述对象的所述位置和/或形状，

其中，所述反射计，当在频域中工作时，被布置用于执行在中心波长(λ₀)周围从第一波长到第二波长的波长扫描，以确定所述位置和/或形状，所述一个或多个光纤布拉格光栅(FBG，8)沿所述光纤芯(9)的所述完整长度延伸，所述一个或多个光纤芯中的每个具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射(r)，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测。

2.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中，至少一个光纤芯(10)具有沿所述完整长度延伸的单个光纤布拉格光栅(FBG，8)，在所述完整长度上，所述对象的所述位置和/或形状要被确定。

3.根据权利要求2所述的光学感测系统，其中，所述单个光纤布拉格光栅在沿所述完整长度的多个区域(7)中啁啾，使得所述光纤芯中的每个采样点均具有有效的分离的共振波长，每个采样点在所述波长扫描中能被检测。

4.根据权利要求3所述的光学感测系统，其中，所述多个区域彼此部分交叠(3)。

5.根据权利要求3所述的光学感测系统，其中，所述单个光纤布拉格光栅(9)在沿所述完整长度的所述多个区域(7)中线性啁啾。

6.根据权利要求3、4或5所述的光学感测系统，其中，所述区域内的啁啾波长(6)被选择为使得相位的对应相干长度长于连续采样点之间的步长(Δz)。

7.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中，至少一个光纤芯(9)具有沿所述完整长度延伸的多个光纤布拉格光栅(FBG，7)，每个光纤布拉格光栅具有不同于其他光纤布拉格光栅的共振波长，每个光栅对应于采样波长。

8.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中，所述系统被布置用于在N个维度中感测位置和/或形状，所述多个光纤芯(9)等于N+l，从而使用额外的光纤芯来允许温度补偿和/或细长应变。

9.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中，所述多个光纤芯(9)被置于一个光纤(10)内，所述光纤芯在中心光纤芯周围螺旋扭曲。

10.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中，所述相关联对象为医学导管、医学检查探头、医学传感器、建筑检查传感器、水下传感器、地质传感器。

11.一种确定相关联对象(O)的位置和/或形状的方法，所述方法包括：

-提供一个或多个光纤(10)，其用于空间固定在所述相关联对象(O)上、空间固定在所述相关联对象(O)中或空间固定于所述相关联对象(O)，每个光纤具有一个或多个光纤芯(9)，

-提供多个光纤芯，其具有沿所述光纤芯(9)的完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅(FBG，8)，在所述完整长度上，所述对象(O)的所述位置和/或形状要被确定，

-提供反射计(REFL，12)，其被光学连接到所述一个或多个光纤(10)，所述反射计被光学布置用于测量在沿所述多个光纤芯的多个采样点处的应变，以及

-提供处理器(PROC，14)，其被可操作地连接到所述反射计，以基于从所述多个光纤芯所测量的应变来确定所述对象的所述位置和/或形状，

其中，所述反射计，当在频域中工作时，被布置用于执行在中心波长(λ₀)周围从第一波长到第二波长的波长扫描，以确定所述位置和/或形状，所述一个或多个光纤布拉格光栅(FBG，8)沿所述光纤芯(9)的所述完整长度延伸，所述一个或多个光纤芯中的每个具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射(r)，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测。

12.一种要被应用于相关联的光学感测系统(1)中以确定相关联对象(O)的位置和/或形状的光学单元，所述光学单元包括：

-一个或多个光纤(10)，其用于空间固定在所述相关联对象(O)上、空间固定在所述相关联对象(O)中或空间固定于所述相关联对象(O)，每个光纤具有一个或多个光纤芯(9)，以及

-多个光纤芯，其具有沿所述光纤芯(9)的完整长度延伸的一个或多个光纤布拉格光栅(FBG，8)，在所述完整长度上，所述对象(O)的所述位置和/或形状要被确定，

其中，所述光学单元能连接到相关联的反射计(REFL，12)，所述反射计被光学布置用于测量在沿所述多个光纤芯的多个采样点处的应变，相关联的处理器(PROC，14)还能连接到所述反射计，以基于从所述多个光纤芯所测量的应变来确定所述对象的所述位置和/或形状，

其中，所述反射计，当在频域中工作时，被布置用于执行在中心波长(λ₀)周围从第一波长到第二波长的波长扫描，以确定所述位置和/或形状，所述一个或多个光纤布拉格光栅(FBG，8)沿所述光纤芯(9)的所述完整长度延伸，所述一个或多个光纤芯中的每个具有沿所述光纤芯的所述完整长度的空间调制的反射(r)，使得对应的反射谱在所述波长扫描中能被检测。