CN107430013B - 使用参考光纤干涉数据配准测量的光纤干涉数据 - Google Patents

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Abstract

本申请公开用于具有纤芯的光纤的系统和方法，该纤芯具有沿纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，多个光栅在纤芯中创建重复的图案。存储器存储预定的参考反射数据和测量反射数据，测量反射数据是针对一定长度的纤芯确定的并且是从与从纤芯接收的散射反射对应的干涉图案检测的。数据处理电路从测量反射数据中减少或移除与由于纤芯中的重复图案引起的反射对应的信息，以产生经滤波的测量数据。经滤波的测量数据的一个或多个部分与参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值。确定多个相关值中的最大值，并且识别与最大相关值对应的沿光纤的位置。

Description

使用参考光纤干涉数据配准测量的光纤干涉数据
相关申请
本专利申请要求于2015年4月2日提交的题目为“REGISTERING MEASURED OPTICALFIBER INTERFEROMETRIC DATA WITH REFERENCE OPTICAL FIBER INTERFEROMETRIC DATA(使用参考光纤干涉数据配准测量的光纤干涉数据)”的美国临时专利申请62/142,062的提交日的优先权和权益，该专利申请以其整体通过引用并入本文。
技术领域
该技术涉及光纤感测。
背景技术
光学应变感测是用于测量由例如光纤的张力、压缩或温度的变化引起的波导的物理变形的技术。这可以采用标准的单芯光纤或多芯光纤进行。多芯光纤包括嵌入单光纤内的多个独立波导或纤芯。沿纤芯长度的连续测量可以通过使用扫描波长干涉法解释纤芯的光学响应来得到。通过了解沿光纤长度的纤芯的相对位置的知识，针对每个光纤的这些独立应变信号可以被结合以获得施加到多芯光纤的应变分布的测量。光纤的应变分布是指在高(例如，小于50微米)的样本分辨率下沿光纤的长度施加的弯曲应变、扭转应变和/或轴向应变的测量。在称为光学位置和/或形状感测的技术中，例如在Froggatt等人的共同转让的美国专利8,773,650中有详细描述，该专利通过引用并入本文，该应变分布信息可以用于重建光纤的三维位置。
为了形状感测中的最佳实践，来自每个纤芯的当前获得的测量数据应该与针对该纤芯的先前获得的参考测量数据准确对齐或配准。形状感测光纤可以包含沿每个纤芯半连续写入的光纤布拉格光栅。这些光栅沿光纤的长度形成重复图案。这种重复在配准数据方面提出了挑战，因为光纤上的一个位置可能看起来与光纤上的另一位置非常相似(具有相同或相似的图案)。事实上，如果在当前测量数据和参考数据之间执行简单的空间互相关，则在布拉格光栅重叠之处的布拉格光栅宽度的倍数处通常与相关峰值具有很强的相关性。
图1是示出具有半连续布拉格光栅的光纤芯的示例性互相关幅度对测量距离对参考数据的曲线图。当整个光栅重叠时，相关性通常很强并且达到峰值，在该示例中峰值在大约每20mm处。
发明内容
需要的是能够精确地识别沿包括多个光栅的光纤的特定位置的技术，这些光栅可以与针对那些相同位置的对应的参考数据精确地匹配。
示例性实施例涉及用于配准具有纤芯的光纤的数据处理系统，该纤芯包括沿纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，该光栅在纤芯中创建重复图案，该数据处理系统包括存储器，存储器被配置成存储预定的参考反射数据和测量反射数据，所述测量反射数据是针对一定长度的纤芯确定的并且是从与从纤芯接收的散射反射对应的干涉图案检测到的。数据处理电路，其耦合到所述存储器，并且被配置成从测量反射数据中减少或移除与由于在纤芯中的重复图案引起的反射对应的信息，以产生经滤波的测量数据，将经滤波的测量数据的一个或多个部分与参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值，确定多个相关值中的哪个是最大相关值，以及识别与最大相关值对应的沿纤芯的位置。
例如，数据处理电路可以从参考反射数据中减少或移除与由于在多个光栅中的重复信号引起的反射对应的信息，以产生经滤波的参考数据，并且将经滤波的测量数据的一组选择段与经滤波的参考反射数据的一个选择段相关联，以产生多个相关值，或者将经滤波的测量数据的一个选择段与经滤波的参考反射数据的一组选择段相关联，以产生多个相关值。
经滤波的测量数据的示例可以包括针对相邻光栅之间的纤芯段检测的瑞利散射数据和针对与重叠光栅对应的纤芯段检测的反射数据。来自光栅的反射具有中心波长，并且在一个示例性实现方式中，数据处理电路从测量反射数据中减少或移除与中心波长对应的光谱峰值的信息，以产生经滤波的测量数据。
如果光纤包括多个螺旋纤芯，其中纤芯中的每个包括沿每个纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，那么数据处理电路将与螺旋纤芯的外纤芯对应的反射光栅光谱压缩回到中心波长。
在非限制性示例性实现方式中，数据处理电路可以将参考反射数据的尺寸减小到测量反射数据的尺寸。数据处理电路还可以通过在搜索范围内具有第一分辨率的指数增量，递增地改变经滤波的测量数据的选择段。对于数据处理电路的另一种选择是在相邻指数之间插值，以实现更精细的分辨率。这种可选的插值可以例如通过在谱域中零填充反射数据来完成。对于数据处理电路的另一个选择是基于插值通过具有比第一分辨率更精细的第二分辨率的指数增量，来递增地改变经滤波的测量数据的选择段。
对于数据处理电路的另一非限制性示例性实现方式特征是确定多个相关值的抛物线拟合，并且使用抛物线拟合来确定与最大的相关值对应的沿纤芯的位置。数据处理电路还可以可选地在相邻指数之间插值从而通过在谱域中零填充反射数据来实现更精细的分辨率，确定多个相关值的抛物线拟合，并使用经插值的指数和抛物线拟合来确定与最大相关值对应的沿纤芯的位置。
其它非限制性示例性实现方式特征包括对多组测量反射数据进行平均，以确定测量反射数据和/或使测量反射数据和参考反射数据标准化。
在非限制性示例性实现方式中，如果没有相关值超过阈值，则数据处理电路确定被连接用于测量的光纤与参考反射数据不匹配。替代地，数据处理电路被配置成基于多个相关值从多个其他不同的光纤识别该光纤。另一个替代方案是数据处理电路被配置成基于多个相关值来识别光纤是否被连接到干涉测量系统。
在非限制性示例性实现方式中，数据处理电路被包括在干涉测量系统中。数据处理电路进一步被配置成基于针对光纤检测到的反射信号水平与噪声基底的比较，来检测光纤到干涉测量系统的不期望的连接。
示例性实施例涉及用于配准具有纤芯的光纤的方法，该纤芯包括沿纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，光栅在纤芯中创建重复图案。该方法包括产生并检测与从纤芯接收的散射反射对应的干涉图案；从干涉图案确定测量反射数据；从测量反射数据中减少或移除与由于在纤芯中的重复图案引起的反射对应的信息，以产生经滤波的测量数据；将经滤波的测量数据的一个或多个部分与预定的参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值；确定多个相关值中哪个是最大的相关值；以及识别与最大的相关值对应的沿纤芯的位置。
示例性实施例涉及如本文所述的其他装置和方法。
附图说明
图1是示出针对具有半连续的布拉格光栅(Bragg grating)的光纤芯的示例性互相关幅度对测量距离对参考数据的曲线图。
图2示出通过多芯连接器连接到光学询问系统的多芯光纤传感器的示例。
图3示出使用基于OFDR的多芯光纤感测系统的非限制性示例性实施例。
图4是示出使用图3中的示例性系统的OFDR测量的示例性程序的流程图。
图5示出反射对延迟数据的OFDR迹线的示例。
图6示出包含由间隙分开的半连续光纤布拉格光栅的光纤芯。
图7示出包含在边缘处稍微重叠的半连续光纤布拉格光栅的光纤芯。
图8示出来自未弯曲光纤的单个纤芯的截面的反射光谱的示例。
图9示出应用于来自光纤芯的反射光谱的窗口的示例。
图10示出针对具有半连续光栅的光纤芯的互相关幅度对距离的示例性曲线图，其中光栅反射在谱域中被滤波或加窗去除(window out)。
图11A和图11B是在谱域中的幅度对空间指数的示例性曲线图，其图示分段搜索程序。
图12概述了用于确定测量段的空间位置或与测量段相关联的延迟的示例性程序，其产生用于选择作为测量数据中期望段的位置的最大相关峰值。
图13使用LabView代码示出了如何零填充数据的示例。
图14是示出互相关幅度对频率增量(竖直轴线)和延迟增量(水平轴线)的示例图。
图15示出示例性相关幅度对延迟切片(delay slice)的曲线图。
图16在LabView代码中示出如何使用围绕峰值的数据的抛物线拟合来找到最大相关性的分数位置。
图17是示出用于找到分数峰值幅度的样本峰值和抛物线拟合的示例性曲线图。
图18示出具有螺旋纤芯的示例性多芯光纤。
图19是在光纤弯曲的段上的四个螺旋纤芯的相位导数对时间的示例性曲线图。
图20示出计算由于在光纤中的弯曲导致的相位效应的示例性LabView代码。
图21示出使用相位估计校正来校正测量数据的示例性LabView代码。
图22A是示出当未使用相位估计校正测量数据时与参考数据光谱(黑线)相比较的针对四个偏振状态(较浅阴影线)的示例性测量光谱的曲线图。
图22B是示出在图22A中相同的测量数据但是在已经应用相位估计校正之后的曲线图。
图23是示出与图12中类似的配准程序的流程图，外加零填充并找到分数峰值。
图24A到图24C示出反射幅度对距离或延迟的示例性曲线图。
具体实施方式
以下描述阐述了具体细节，诸如为了解释而不是限制目的的特定实施例。但是本领域技术人员将理解，除了这些具体细节之外，可以采用其他实施例。在一些情况下，省略了众所周知的方法、接口、电路和设备的详细描述，以便不用不必要的细节来模糊描述。在各个节点对应的图中示出了各个块。本领域技术人员将理解，这些块的功能可以使用单独的硬件电路、使用与适当编程的数字微处理器或通用计算机结合的软件程序和数据、和/或使用专用集成电路(ASIC)和/或使用一个或多个数字信号处理器(DSP)来实现。软件程序指令和数据可以存储在非暂时的计算机可读存储介质上，并且当指令由计算机或其他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，本领域技术人员将理解，这里的图可以表示结构和功能单元的概念视图。应当理解，流程图表示可以在计算机可读介质中基本表示的并且因此由计算机或处理器执行的过程，无论此计算机或处理器是否被明确示出。
各种所示元件的功能可以通过使用硬件来提供，诸如电路硬件和/或能够以存储在计算机可读介质上的编码指令的形式执行软件的硬件。因此，此类功能和所示功能块将被理解为是硬件实现的和/或计算机实现的，并且因此是机器实现的。
在硬件实现方面，功能数据处理块可以包括或包含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(一个或多个)专用集成电路(ASIC)和/或(一个或多个)现场可编程门阵列(FPGA))的硬件(例如，数字或模拟)电路、以及(在适当情况下)能够执行此类功能的状态机。
在计算机实现方面，计算机通常被理解为包括一个或多个处理器或一个或多个控制器，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，功能可以由单个专用计算机或处理器或控制器、由单个共享计算机或处理器或控制器、或者由多个单独的计算机或处理器或控制器提供，其中一些可以被共享或是分布式的。此外，术语“处理器”或“控制器”还指能够执行此类功能和/或执行软件的其他硬件，诸如上述的示例性硬件。
图2示出示例性多芯光纤14，其包括沿光纤14中的纤芯的光栅，多芯光纤14通过多芯连接器12连接到光学询问系统10(也称为“询问器10”)。多芯分隔电缆(multicorestandoff cable)16在该示例中分离光纤14和询问器10。应当注意，下面描述的技术也适用于配准单芯光纤(其包括沿纤芯的光栅)，但是具有沿纤芯的光栅的多芯光纤(其用于形状感测)在下面的示例性实施例中描述。在一个示例性应用中，多芯光纤可以用于感测机器人医疗器械的形状。
光学干涉询问系统的一个示例是光频域反射测量术(OFDR)系统。图3示出使用基于光频域反射测量术(OFDR)的多芯光纤感测系统的非限制性示例性实施例，其包括耦合到多芯光纤14的OFDR询问系统10。多芯光纤14在该示例中包括四个纤芯A到D，并且经由连接器12连接到OFDR询问系统10。纤芯中的每个包括沿纤芯雕刻的光栅。可以通过使用扫描波长干涉法解释纤芯的光学响应，得到沿光纤中的每个光学纤芯长度的应变的连续测量。使用OFDR可以实现具有高分辨率和高灵敏度的光学时域测量。多通道OFDR系统(一个通道用于询问每个光纤纤芯)包括可调谐光源18、干涉询问器22、激光监控网络20、数据采集单元24的数据采集电子电路以及系统控制器数据处理器26。
图4是示出使用图3中的示例性系统的OFDR测量的示例性程序的流程图。这些步骤描述了用于一个纤芯的操作，这意味着对于多芯光纤，这些步骤被应用于纤芯中的每个。
在OFDR测量期间，可调谐光源18扫过一定范围的光频率(步骤S1)。该光通过使用光耦合器分开并且被传送到多个干涉仪。一组干涉仪是经由连接器12连接到感测光纤14的长度的干涉询问器22。光通过干涉询问器22的测量臂进入多芯感测光纤14(步骤S2)。来自感测光纤14的散射光(包括来自刻在纤芯上的光栅的反射光)然后受到沿干涉询问器22的参考臂行进的光的干扰(步骤S3)。激光监控网络20包含氰化氢(HCN)气体单元，在整个测量扫描期间其提供绝对的波长参考(步骤S4)。在激光监控网络20内的另一干涉仪被用于在光源18扫描通过频率范围时测量调谐率的波动(步骤S5)。在数据采集单元24的输入端处的一系列光学检测器(例如，光电二极管)将来自激光监控网络、气体单元和感测光纤中的干扰图案的光信号转换成对应的电信号(步骤S6)。数据采集单元24中的数据处理器使用来自激光监控网络20的干涉仪的信息来对感测光纤14的检测到的干涉图案进行重新采样，使得图案具有光频率的增量常数(步骤S7)。该步骤是傅里叶变换操作的数学要求。一旦重新采样，则由系统控制器26执行傅里叶变换，以在多芯光纤14的初始取向的时域中产生光散射信号(步骤S8)。在时域中，(例如，由沿光纤的纤芯的光纤布拉格光栅引起的)光散射事件的幅度相对于沿光纤长度的延迟被描绘。使用光在给定的时间增量中行进的距离，该延迟可以被转换为沿感测光纤的长度测量。换句话说，光散射信号表示沿光纤的距离的函数(例如，由沿光纤芯的光纤布拉格光栅引起)的每个散射事件。采样周期被称为空间分辨率，并且与测量期间可调谐光源18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在物理长度上的变化而偏移。来自局部光散射的反射是高度可重复的。因此，用于光纤的检测到的光散射的OFDR测量可以保留在用作无应变状态的光纤的参考图案的存储器中。然后光纤处于应变状态时随后测量的散射信号可以通过系统控制器26与该参考图案进行比较，以获得沿感测光纤的长度的局部散射的延迟的偏移的测量。当与参考散射图案相比时，延迟的这种偏移表现为连续的、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缩放为应变，以产生沿感测光纤的连续的应变测量。
当比较(例如，当光纤处于应变状态时)随后测量的散射信号与参考图案时，需要将来自每个纤芯的当前获得的测量数据准确对准到针对该纤芯的先前获得的参考测量数据。如在介绍中所解释的，沿每个纤芯半连续写入的光纤布拉格光栅沿光纤的长度形成重复图案，这使得难以将针对一个位置的测量数据配准到针对相同位置的相应参考数据。如上所述的在图1中所示，在当前测量数据和参考数据之间执行的简单空间互相关通常在布拉格光栅宽度的倍数处产生相关峰值。
将光纤的一组测量OFDR数据配准到参考OFDR数据的一种方法是使用来自连接器12的反射。如在图5中的示例性OFDR迹线所示，连接器出现图中反射对延迟数据中的0和1ns之间的相对强的尖锐的峰值。该峰值可以被识别并且与参考数据中的相同的峰值对齐，以对准两个数据集。这种方法的第一个问题是，如果连接非常好，则这个峰值可能很弱或不可检测。第二个问题是，用户可能希望开始感测的位置可能是超过连接器的显著距离。如果光纤在连接器位置和感测区域的开始之间处于张力或压缩状态，则连接器位置的对准可能不再适当地对准感测处理开始的位置。使用连接器方法的第三个问题是，它不允许特定光纤传感器的唯一识别或光纤传感器是否被连接的指示。
为了唯一识别具有写入其中的半连续光栅的光纤芯中的位置(即，具有间隔开的单独光栅的光纤，使得它们重叠或者在它们之间具有干扰光栅图案的周期性的间隙)，相对于其在参考测量中的位置，本发明人认识到，不管光纤是否刻有光栅，每根光纤都自然包含由纤芯玻璃材料中的微观粒子引起的独特的瑞利反向散射反射信号图案，瑞利反向散射反射信号图案可以用于唯一识别沿该光纤的特定的区域和位置。这些瑞利反向散射反射信号虽然具有比光栅反射信号更弱的反射幅度，但是它们是随机的而不是周期性的。在可以包括此类随机信号的重复的布拉格光栅之间也经常存在“间隙”。
图6示出包括半连续光纤布拉格光栅的光纤芯，半连续光纤布拉格光栅通过小间隙分离，在OFDR测量中从光纤芯产生随机的散射反射信号，即，瑞利反向散射。每个光纤布拉格光栅具有相同的图案，因此多个光栅导致沿纤芯的重复图案。
图7示出包括在边缘处稍微重叠的半连续光纤布拉格光栅的光纤芯，其在重叠区域中产生随机散射信号，其中随机散射信号在OFDR测量中产生。重叠的光栅通常不是相位对准的。重叠光栅的周期性图案之间的相位对准的不匹配导致在光栅彼此干涉的重叠区域中的随机相位和幅度信号，这破坏了重复图案。
由于这些随机散射反射相对较弱，因此有利的是消除或减少较强的周期性光栅反射的影响。光栅主要以与重复图案对应的一个中心波长写在每个纤芯上。如果光纤不弯曲，则来自一段单纤芯光纤的反射光谱在光栅的中心波长处具有强中心峰值。图8示出具有位于指数为1000和1100之间的中心波长的这种光谱的示例。
与沿纤芯的光栅的重复图案对应的该中心光谱峰值被从ODFR测量数据中滤波或加窗去除(window out of)。剩余的宽带信号是来自光纤芯中的随机元素的反射光谱，例如瑞利散射、重叠光栅等。图9示出应用于反射光谱的窗口的示例。窗口显示为倒置的阶跃函数，原始光谱包括窗口内的峰值，并且加窗光谱显示在窗口的任一侧。窗口可以使用数字或模拟滤波来实现，例如通过使用带阻滤波器、带除滤波器、陷波滤波器等。
一旦来自光纤的OFDR测量和参考OFDR反射数据的光谱被滤波(加窗)，则在两个滤波数据集之间执行频谱幅度互相关，以识别测量数据中的正确位置。图10示出具有半连续光栅的光纤芯的示例性互相关幅度对距离的曲线图，其中光栅反射在谱域中被加窗去除。结果是唯一的强相关峰值，清楚地识别测量数据与显示为约28mm的参考数据匹配的位置。
以下示例性程序可以用于识别该相关峰值。图11A和图11B是在时域中的幅度对空间指数的示例性曲线图，其示出段搜索过程。在沿光纤的特定位置处的期望光纤段被选择(在图11B中示出为“要匹配的期望段”)，并且在参考数据中被空间加窗。如果参考数据大于测量数据，例如其可以是测量数据的尺寸的两倍，则参考数据优选地被减少到与谱域中的测量数据相同的尺寸。相同尺寸的段从测量数据中被选择，并且被加窗(在图11A中示出为“搜索段”)。该段选择从参考数据中的位置减去一半的期望搜索范围(参见图11A所示的示例性搜索范围)开始。对来自该测量段和参考段的数据执行光谱幅度相关，并且记录幅度对光谱指数。通过在搜索范围内通过空间指数(例如，将搜索段向右移动到图11A所示的期望的搜索范围内)推进搜索段，来选择另一测量段，并且记录另一互相关光谱。重复该推进空间指数-互相关程序，直到在测量数据中覆盖期望的搜索范围。然后确定在记录的相关光谱中的最大相关峰值。产生最大相关峰值的测量段的空间位置或者与该测量段相关联的延迟被选择作为测量数据中期望段的位置。
图12所示的流程图概述了用于此过程的示例性程序。在空间域中，在光纤位置L处选择复数参考数据的期望段(步骤S10)。对期望的复数参考数据段进行傅里叶变换，将其变换成谱域(步骤S12)。中心光栅峰值被加窗去除(并且参考数据的尺寸减小到测量数据尺寸)(步骤S14)。测量光谱幅度和参考光谱幅度是互相关的，并且结果存储在存储器中(步骤S16)。在步骤S24中作出决定，以确定期望的搜索范围是否已经被覆盖。如果其已经被覆盖，则确定指数x，在此处相关峰值是最大的(步骤S28)。这是在测量数据中的段的位置。如果期望的范围未被覆盖，则在递增指数x之后重复该过程(步骤26)。步骤S18-S22类似于对于在位置L-x处的测量数据段执行的步骤S10-S14，其中x最初是期望的搜索范围的一半。
虽然上述搜索示例使用参考数据的一段与测量数据段的搜索范围中的多个段相关联，但是可以通过将测量数据的一段与参考数据段的搜索范围内的多个段相关联来获得类似的结果。
在示例性实施例中，测量段的位置用分数指数精度来识别。在以下非限制性示例性实现方式中，通过使用数据被变换到谱域的傅里叶变换技术、以期望的插值因子进行零填充并且逆变换回到时域，来将时域数据插值到空间上较高的分辨率。选择测量段的步长可以是分数步长。例如，如果数据以因子2插值，则每个步长可以是指数的一半。以因子4插值使得步长可以是指数的四分之一等等。
图13示出使用LabView代码如何零填充数据的非限制性示例。LabView代表实验室虚拟仪器工程工作台，并且是用于可视化编程语言的众所周知的系统设计平台和开发环境。LabView代码的执行由图形方框图的结构(其是LabView源代码)来确定，在图形方框图的结构上程序员通过绘制电线连接不同的功能节点。这些电线传播变量，并且任何节点都可以在其所有输入数据变得可用时立即执行。在图13左侧上的输入是空间域中的复数数据，并且在图13右侧上的输出是在空间域中的零填充的插值的数据。输入数据首先经由傅里叶变换被变换到谱域。将零阵列对称地添加到数据中，使得新阵列的尺寸是原始尺寸乘以期望的插值因子，即2、4等等。然后使用傅里叶逆变换将零填充的阵列逆变换回到时域。此时域数据现在被期望的插值因子插值，并且空间分辨率已经通过该插值因子而被增加。该零填充在选择测量段之前被执行，以允许分数指数步进。
二维阵列可以由相关数据对光谱指数对延迟位置形成。图14是示出互相关幅度对频率(光谱)增量(竖直轴线)和延迟增量(水平轴线)的示例性灰度曲线图。该二维图像曲线图是上述互相关搜索操作的结果。水平切片(灰度)以最大互相关幅度出现(切片中的最亮区域)的频率(频率增量刚好高于1000)获得，可以用于找到最大值出现处的分数延迟指数值(即，23)。在图15中示出了示例性相关峰值对延迟切片，其证实了在延迟增量23处的最大幅度。
在示例性实施例中，围绕峰值的数据的抛物线拟合然后可以用于找到最大值的分数位置。在图16所示的非限制性示例性实现方式LabView代码可以用于执行该操作。在该示例代码中，采集数据的子集32，例如以数据34中的最大点为中心的期望的搜索范围或宽度。然后，该数据与抛物线拟合35进行“拟合”。如果抛物线由下式给出：
y＝a+bx+cx2
则当导数为零时抛物线的最大点是：
0＝b+2cx
x＝-b/2c
增加到数据子集37的起点的该值36给出数据集38的分数最大点。
图17中的示例性曲线图示出用于在指数2处找到约2000的分数峰值幅度的样本峰值和抛物线拟合。
傅里叶插值(零填充)和使用抛物线拟合的组合是确定分数延迟(其对应于沿光纤的位置)的计算有效的方式(但仍然是示例性方式)，在分数延迟处测量段与参考段匹配。执行傅里叶插值到足够的水平，使得相关幅度对延迟数据中的峰值形成可以与抛物线拟合的平滑函数。与执行附加的插值相比，抛物线拟合是实现附加的分数精度的更有效的方式。
附加的实施例解决了光纤弯曲的情况，这对于经常用于形状感测的具有螺旋纤芯的多芯光纤来说可能是特别有意义的。具有螺旋纤芯的示例性多芯光纤在图18中示出。附加的步骤在用于具有螺旋纤芯的多芯光纤的数据处理中使用。当光纤弯曲时，在外纤芯中的光栅在光纤的螺旋周期经历交替的张力和压缩。这种张力和压缩导致来自光栅的反射光谱发生偏移。
图19中示出光纤弯曲的段上的四个螺旋纤芯的相位导数对时间的示例性曲线图。该相位导数与作为沿光纤向下距离的函数的反射波长成比例。如从图19的曲线可以看出，在光纤中的弯曲导致波长在三个外纤芯中振荡，不再像具有接近于零的相位导数的中心纤芯的情况那样相对地固定在中心波长处。这种效应的结果是弯曲段的外纤芯的光栅光谱在中心峰值周围扩散而不是紧密集中。为了更有效地加窗去除来自光栅的反射光谱，同时留下足够量的宽带信号，光谱被压缩回到中心峰值。在示例性实现方式中，这通过计算估计由于弯曲而导致的对相位的影响的相位估计来执行。
在图20中使用LabView代码示出计算这种估计的非限制性示例性实现方式。参考数据被减小到测量数据的尺寸，但是保持未被加窗，从而将光栅信号留在数据中。复共轭参考数据40与用于所有偏振信号42的测量数据41相乘。在用于形状感测的示例性OFDR系统中，记录了在两个偏振多元检测器(polarization diverse detector)处测量的两个正交输入偏振状态的数据，被标记为S和P，产生总共四个偏振信号。该方法适用于该数据的任何子集，即，不需要四个偏振状态。通过将时域复数数据集内的每个数据点与先前数据点43的复共轭相乘，来有效地计算相位导数。将来自四个偏振状态中的每个的结果信号相加44，并且将结果滤波45并且然后积分46，以形成测量信号和参考信号之间的相位差的估计。
通过将测量数据乘以具有等于估计的相位差的相位的矢量，利用该相位差校正测量数据，该估计的相位差围绕中心峰值压缩的光谱数据。该测量数据校正操作可以在一个非限制性实现方式中用图21所示的非限制性示例性LabView代码执行。参考数据0优选地在尺寸52中被光谱地减小以与测量数据集51的尺寸相匹配。在一个示例中，参考是测量尺寸的两倍，并且以相同波长为中心。更一般地，参考数据可以是包含测量数据的光谱范围的任何数据集。可以从潜在更大的参考数据集中使用与测量数据的光谱尺寸和波长范围相匹配的参考数据的适当的子集。然后使用参考数据53的复共轭来计算测量数据集和参考数据集54之间的相位差的估计。该相位差估计用于通过将测量数据乘以单位幅度的矢量和对应于相位差估计55的相位来校正测量数据集。该操作的效果是从测量数据中移除计算出的相位差，以压缩在测量数据中从光栅反射的光谱。
图22A中的曲线图示出当测量数据未利用相位估计被校正时，与参考数据光谱(黑线)相比较的针对四个偏振状态(较浅阴影线)的示例性测量光谱。图22B中的曲线示出在已经应用相位估计校正之后的相同的测量数据。相位校正将光栅的测量数据反射光谱压缩到类似于参考(未弯曲光纤)光谱的峰值。然后该校正的测量数据被加窗，并且互相关搜索被执行以识别正确的延迟(在光纤上的位置)以将测量数据与参考数据配准。
图23是示出与图12中类似的配准过程的流程图，其中添加零填充并找到分数峰值。图23包括分别在空间域中提供复数参考数据和复数测量数据的开始步骤S30和S40。在步骤S10中从复数参考数据中选择期望的段位置L，并且如上所述处理复数参考数据和测量数据以计算相位估计(步骤S38)。将相位估计应用于测量数据(步骤S42)，然后测量数据在谱域中被零填充，以提供插值(步骤S44)。从位置L-x处的空间域测量数据中选择相同尺寸的期望段，其中x是表示分数位置的指数(步骤S46)。步骤S20和S22如图12所示执行。来自步骤S10的参考数据的选择的段位置L在步骤S12中被FFT变换到谱域，如果需要，减小参考的尺寸(步骤S32)。将零填充参考数据添加到谱域中以便插值(步骤S34)，并且如图12所示执行步骤S14、S16、S24和S26。当覆盖期望的搜索范围时，相关峰值为最大的分数指数x被确定，这识别了该测量数据段相对于对应的参考数据的适当配准位置。
因此，该技术在参考测量中相对于其对应位置唯一地识别或定位光纤段。由于存在于光纤中的随机信号对于该光纤是唯一的，因此该配准技术可以用于识别在任何给定时间处哪个传感器连接到OFDR或者在任何给定时间处是否有任何传感器被连接到OFDR。在一个示例性应用中，选择参考数据文件。如果测量数据文件与该参考数据文件匹配，则正确的光纤传感器被连接。如果没有获得令人满意的相关性，则或者是错误的光纤传感器被连接或者是没有连接任何光纤传感器。多芯连接器12之后的信号水平(图24A和图24B中的曲线图的左侧的大峰值)用于区分这两种情况。较差的连接质量也可能导致缺乏相关性。该状况也可以通过评估在光纤传感器中相对于噪声基底检测的反射信号水平来确定。在图24C中，标记为“较差的连接/SNR”的反射信号幅度水平并不比曲线图右侧所示的噪声基底水平高。
另一示例性应用存储所有可用传感器的参考文件。数据处理器将测量数据与存储装置中的每个参考文件进行比较，直到找到令人满意的相关匹配。令人满意地匹配测量数据的参考文件识别哪个传感器被连接。
在其他示例性实施例中，可以使用数据平均来实现更高质量、更可重复的结果。记录在相同状态下的感测光纤的多个OFDR扫描中的每个的数据作为时间的函数，并且对这些复数数据集进行平均，这提高了信噪比(SNR)，从而提高了相关质量。平均参考数据和测量数据两者导致更高质量的数据和更好的相关结果。在正常操作中，典型的是存储平均的参考数据。然而，使用平均的测量数据并不实用。相反，相关数据可以在几次扫描中进行平均。在这种情况下，计算每个测量扫描和平均的参考数据之间的相关性，并将得到的数据进行平均。然后可以使用该平均的相关数据来找到更好的分数峰值。如图6所示，可以将整个相关幅度对频率对延迟阵列进行平均，或简单地平均在最大频率处的相关幅度对延迟的切片，即图7。
其他示例性实施例使输入数据标准化，使得相关幅度不随测量数据或参考数据幅度或用于相关性的段尺寸而广泛变化。通过将相关幅度除以参考数据和测量数据的平均幅度，并且通过乘以插值因子和段尺寸的平方来实现标准化。这允许设置相关幅度阈值，在该相关幅度阈值之上相关性被认为是令人满意的，指示正确的传感器被连接、被唯一识别和空间配准。低于该阈值，相关性被认为是不令人满意的，指示信号质量较差或错误的传感器被连接。
当测量数据和参考数据被充分地光谱对准时，可以简化配准过程。如果由于应用的温度或应变或在扫描范围内的波长偏移，测量数据与参考数据没有显著的光谱偏移，则是这种情况。如果对测量数据应用良好的相位估计校正以使测量数据和参考数据成为令人满意的光谱对准，情况也是如此。如上所述，如果测量数据和参考数据被充分地光谱对准，而不是以各种延迟增量执行光谱幅度互相关，则可以执行更简单的时间幅度互相关。作为提供二维相关幅度对频率对延迟曲线图的替代，该简化的过程直接提供了相关性对延迟的曲线图。相同的插值和抛物线拟合步骤应用于产生相关性最大的分数延迟。如果数据集不是光谱对准，导致不令人满意的相关性，则更优选的是描述的更全面的搜索。
虽然已经详细地示出和描述了各种实施例，但是权利要求不限于任何特定的实施例或示例。上述描述都不应被看作意味着任何特定的元件、步骤、范围或功能是必要的，使得它必须包括在权利要求范围内。专利主题的范围仅由权利要求定义。法律保护的范围由允许的权利要求及其等同物中列举的词定义。本领域普通技术人员已知的上述优选实施例的元件的所有结构和功能等同物通过引用明确地并入本文，并且旨在由本权利要求所涵盖。此外，设备或方法不需要解决试图由所描述的技术解决的每个问题，因为其由本权利要求所涵盖。除非使用词语“用于……的装置”或“用于……的步骤”，否则没有要求旨在援引35USC§122中的第6段。此外，不管实施例、特征、组件或步骤是否在权利要求中陈述，在本说明书中没有实施例、特征、组件或步骤旨在专用于公众。

Claims (36)

1.一种数据处理系统，其用于配准具有纤芯的光纤，所述纤芯包括沿所述纤芯紧密间隔并写入的多个光栅，从而使得存在沿所述纤芯的重复图案，所述数据处理系统包括：
存储器，其被配置成存储预定的参考反射数据和测量反射数据，所述测量反射数据是从与从所述纤芯接收的散射反射对应的干涉图案检测到的；以及
数据处理电路，其耦合到所述存储器，所述数据处理电路被配置成：
从所述参考反射数据中滤波或加窗去除光栅的第一中心光谱峰值，以产生经滤波的参考反射数据；
从所述测量反射数据中滤波或加窗去除光栅的第二中心光谱峰值，以产生经滤波的测量反射数据；
将所述经滤波的测量反射数据的一个或多个部分与所述经滤波的参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值；
确定所述多个相关值中的最大相关值；以及
识别与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的位置。
2.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中
所述数据处理电路被配置成通过以下方式将所述经滤波的测量反射数据的所述一个或多个部分与所述参考反射数据的所述一个或多个部分相关联，以产生所述多个相关值：
将所述经滤波的测量反射数据的一组选择段与所述经滤波的参考反射数据的一个选择段相关联，以产生所述多个相关值；或者
将所述经滤波的测量反射数据的一个选择段与所述经滤波的参考反射数据的一组选择段相关联，以产生所述多个相关值。
3.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述经滤波的测量反射数据包括针对所述多个光栅的相邻光栅之间的纤芯段检测的瑞利散射数据。
4.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述经滤波的测量反射数据包括针对与所述多个光栅的重叠光栅对应的纤芯段检测的反射数据。
5.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述光纤包括多个螺旋纤芯，所述多个螺旋纤芯中的每个纤芯包括沿所述纤芯紧密间隔并写入的多个光栅，并且其中所述数据处理电路被进一步配置成将与所述多个螺旋纤芯的外纤芯对应的反射光栅光谱压缩回到与所述第一中心光谱峰值和第二中心光谱峰值相关联的中心波长。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被进一步配置成在滤波或加窗去除之前将所述参考反射数据的尺寸减小到所述测量反射数据的尺寸。
7.根据权利要求1到4中任一项所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被进一步配置成通过指数增量，递增地改变所述经滤波的测量反射数据的所述一个或多个部分，所述指数增量具有在搜索范围内的第一分辨率。
8.根据权利要求7所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成在相邻指数之间进行插值，以实现更精细的分辨率。
9.根据权利要求8所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成通过在谱域中零填充所述测量反射数据来进行插值。
10.根据权利要求8所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成基于在相邻指数之间进行插值，通过第二指数增量递增地改变所述经滤波的测量反射数据的所述一个或多个部分，所述第二指数增量具有比所述第一分辨率更精细的第二分辨率。
11.根据权利要求1到4中任一项所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成通过以下步骤将所述经滤波的测量反射数据的所述一个或多个部分与所述经滤波的参考反射数据的所述一个或多个部分相关联：
确定多个相关值的抛物线拟合；并且
使用所述抛物线拟合确定与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的所述位置。
12.根据权利要求7所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成：通过在谱域中零填充所述测量反射数据来在相邻指数之间进行插值从而实现更精细的分辨率，确定多个相关值的抛物线拟合，并且使用经插值的指数和所述抛物线拟合来确定与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的所述位置。
13.根据权利要求1到4中任一项所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成对多组数据进行平均，以确定所述测量反射数据。
14.根据权利要求1到4中任一项所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成使所述测量反射数据和所述参考反射数据标准化。
15.根据权利要求1到4中任一项所述的数据处理系统，其中如果没有所述相关值超过阈值，则所述数据处理电路被配置成确定所述光纤不匹配所述参考反射数据。
16.根据权利要求1到4中任一项所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成基于所述多个相关值从多个不同的光纤识别所述光纤。
17.根据权利要求1到4中任一项所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成基于所述多个相关值来识别所述光纤是否被连接到干涉测量系统。
18.根据权利要求1到4中任一项所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被包括在干涉测量系统中，并且进一步被配置成基于针对所述光纤检测的反射信号水平与噪声基底的比较，检测所述光纤到所述干涉测量系统的不期望的连接。
19.一种用于配准具有纤芯的光纤的方法，所述纤芯包括沿所述纤芯紧密间隔并写入的多个光栅，从而使得在所述纤芯中存在重复图案，所述方法包括：
检测与从所述纤芯接收的散射反射对应的干涉图案；
从所述干涉图案确定测量反射数据；
从所述测量反射数据中滤波或加窗去除光栅的第二中心光谱峰值，以产生经滤波的测量反射数据；
从预定的参考反射数据中滤波或加窗去除光栅的第一中心光谱峰值，以产生经滤波的参考反射数据；
将所述经滤波的测量反射数据的一个或多个部分与经滤波的参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值；
确定所述多个相关值中的最大相关值；以及
识别与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的位置。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括：
将所述经滤波的测量反射数据的一组选择段与所述经滤波的参考反射数据的一个选择段相关联以产生所述多个相关值，或者将所述经滤波的测量反射数据的一个选择段与所述经滤波的参考反射数据的一组选择段相关联，以产生所述多个相关值。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述经滤波的测量反射数据包括针对所述多个光栅的相邻光栅之间的纤芯段检测的瑞利散射数据。
22.根据权利要求19所述的方法，其中所述经滤波的测量反射数据包括针对与所述多个光栅的重叠光栅对应的纤芯段检测的反射数据。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述光纤包括多个螺旋纤芯，所述多个螺旋纤芯中的每个纤芯包括沿所述纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，并且其中所述方法进一步包括将与所述多个螺旋纤芯的外纤芯对应的反射光栅光谱压缩回到与所述第一中心光谱峰值和第二中心光谱峰值相关联的中心波长。
24.根据权利要求19到22中任一项所述的方法，其进一步包括在滤波或加窗去除之前将所述参考反射数据的尺寸减小到所述测量反射数据的尺寸。
25.根据权利要求19到22中任一项所述的方法，其进一步包括通过指数增量来递增地改变所述经滤波的测量反射数据的所述一个或多个部分，所述指数增量具有在搜索范围内的第一分辨率。
26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括在相邻指数之间进行插值，以实现更精细的分辨率。
27.根据权利要求26所述的方法，其进一步包括通过在谱域中零填充所述测量反射数据而进行插值。
28.根据权利要求26所述的方法，其进一步包括基于相邻指数之间进行插值，通过第二指数增量，递增地改变所述经滤波的测量反射数据的所述一个或多个部分，所述第二指数增量具有比所述第一分辨率更精细的第二分辨率。
29.根据权利要求19到22中任一项所述的方法，其进一步包括确定多个相关值的抛物线拟合，并且其中使用所述抛物线拟合来确定与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的所述位置。
30.根据权利要求29所述的方法，其进一步包括通过在谱域中零填充所述测量反射数据来在相邻指数之间进行插值从而实现更精细的分辨率，确定多个相关值的抛物线拟合，以及使用经插值的指数和所述抛物线拟合来确定与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的所述位置。
31.根据权利要求19到22中任一项所述的方法，其进一步包括对多组数据进行平均以确定所述测量反射数据。
32.根据权利要求19到22中任一项所述的方法，其进一步包括使所述测量反射数据和所述参考反射数据标准化。
33.根据权利要求19到22中任一项所述的方法，其中如果所述相关值都不超过阈值，则所述方法进一步包括确定所述光纤不匹配所述参考反射数据。
34.根据权利要求19到22中任一项所述的方法，其进一步包括基于所述多个相关值从多个不同的光纤中识别所述光纤。
35.根据权利要求19到22中任一项所述的方法，其进一步包括基于所述多个相关值来识别所述光纤是否被连接到干涉测量系统。
36.根据权利要求19到22中任一项所述的方法，其进一步包括基于针对所述光纤检测到的反射信号水平与噪声基底的比较，来检测所述光纤到干涉测量系统的不期望的连接。
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Application publication date: 20171201

Assignee: Intuitive medical Co.

Assignor: INTUITIVE SURGICAL OPERATIONS, Inc.

Contract record no.: X2022990000161

Denomination of invention: The measured optical fiber interference data is registered using the reference optical fiber interference data

Granted publication date: 20200818

License type: Common License

Record date: 20220317

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