CN112703364A - 光学形状感测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学形状感测系统，其包括光纤传感器，所述光纤传感器包括光纤，所述光纤具有被嵌入其中的数量为至少四条的纤芯(1至6)，所述数量为至少四条的纤芯被布置为与所述光纤的纵向中心轴线(0)间隔开，所述纤芯均在其非应变状态下具有响应于被引入到所述纤芯(1至6)中的光的谐振波长。所述系统还包括光学询问单元(21)，所述光学询问单元被配置为利用在扫描波长范围内的光来询问所述纤芯(1至6)，所述扫描波长范围包括所述纤芯在所述纤芯(1至6)的非应变状态下的所述谐振波长。所述扫描波长范围被设置为使得所述扫描波长范围的中心波长相对于所述纤芯(1至6)中的至少一条的所述谐振波长发生偏心。
Description
技术领域
本发明总体上涉及光学形状感测的领域。特别地，本发明涉及包括光纤传感器的光学形状感测系统，所述光纤传感器包括光纤，所述光纤具有至少四条被嵌入其中的外纤芯。此外，本发明涉及光学形状感测方法。
背景技术
光学形状感测(OSS)是能够根据在纤维内的光的反射重建特殊光纤的三维形状的技术。该技术实现了例如对设备(像医学设备(例如，导管和导丝))的整个形状的实时3D可视化。能够将医学设备的形状叠加在X射线图像或术前CT扫描上。以这种方式，医师能够在流程期间对设备进行导航而无需X射线跟踪。
在光学形状感测中，利用被耦合到纤维的纤芯中的光来询问光纤传感器(也被称为光学形状感测纤维)，并且根据利用并入干涉仪的询问器单元获得的反向散射谱来获得分布式应变和温度信号。标准的光纤传感器具有三条外纤芯(在本描述中，被布置为与纤维的中心轴线间隔开的纤芯也被表示为外纤芯)，所述三条外纤芯螺旋地缠绕在第四芯周围，所述第四芯被布置在纤维的径向中心中。根据沿着纤维传感器的延迟位置来测量纤芯对应变和温度的响应，作为来自干涉仪的光学信号的相位差。相对于其中纤维传感器处于定义明确的形状(例如，完全笔直的形状)的参考测量而获得相位差。根据纤芯的相位差，能够针对每条纤芯推导应变和温度差。应变信号将会是在两个正交方向上的弯曲应变以及扭转应变和轴向应变的总和，所述轴向应变是在光纤传感器的纵向方向上的应变。根据这四个位置相关的量，能够重建纤维传感器的形状。对于高准确度形状感测，在形状重建模型中需要准确的纤维传感器性质。能够在校准过程中对每条个体光纤确定这些性质。
形状感测技术的进一步延伸是能够将温度的影响与轴向应变的影响区分开。为了进行这种区分，需要至少一条额外的具有不同温度灵敏度的芯，这例如在WO 2016/099976A1中进行了描述。
如上所述，根据针对纤维内部的若干条(通常四条)芯测量的位置相关的应变信号来计算光学感测纤维的形状。例如，如果纤芯未被布置在纤维的中心中，在由纤芯和纤维中心定义的平面中弯曲纤维将会在该纤芯上产生应变。在这种情况下，应变ε是该芯距纤维的中心轴线的距离a与该芯的弯曲的半径r的商。这里相对于纤维的笔直且非应变的状态测量弯曲应变。能够根据反射光的谱移量来推导应变的幅值。在纤芯包含纤维布拉格光栅(FBG)的情况下，由于布拉格光栅的周期性性质，传感器将会反射一个特定波长(被称为谐振波长)的光。在纤芯相对于参考测量伸长(正应变)的情况下，FBG的周期性将会增大，从而引起谐振波长的增大。另一方面，在压缩(负)应变的情况下，FBG的周期性将会减小，从而引起谐振波长的减小。弯曲的曲率半径越低，谐振波长中的移位δλ(要么在正方向上，要么在负方向上，具体取决于纤芯在弯曲中的位置)就越大：
其中，λ0是纤芯(更精确为FBG)在非应变状态下的谐振波长，并且ξ是考虑到应变引发的折射率变化的应变光学数(≈0.8)，所述应变引发的折射率变化影响布拉格周期与波长之间的关系。正弦函数描述当外芯围绕纤维中心螺旋地扭转时外芯的变化的位置。
是芯的累积扭矩角，所述累积扭矩角是旋转纤维中固有存在的扭转与外部施加的扭转的总和。
是与弯曲平面的取向和纤芯在参考位置处的角度有关的偏移角。出于清楚的原因，在等式(1)中，仅假设存在由于弯曲产生的应变。
当将光纤传感器插入在例如医学设备的管腔中时，光纤传感器将会经历变化的曲率半径。医学设备可以是预成形的，并且在设备的操纵期间，光纤传感器将会改变其形式。光纤传感器遇到的最小曲率半径取决于设备的设计、光纤本身以及它正在应用的环境。例如，人类的脉管系统能够例如是非常曲折的。为了能够进入这些种类的脉管，将会使用更加柔性的设备。这样的医学设备内部的光纤传感器应当能够承受小的曲率半径。然而，存在与光纤传感器的最小可测量弯曲半径有关的极限。
在形状感测中，通常针对每条纤芯通过在非应变情况下扫描在以FBG的谐振波长为中心的固定波长范围Δλ内的光源来记录谱。仍然在被测量谱内部具有谐振的最小弯曲半径是：
对于以大约λ0＝1545nm为中心的Δλ＝17nm的扫描范围，ξ＝0.8，并且a＝35μm来说，最小可测量弯曲半径将会是5.1mm。如果光纤传感器被弯曲到更低曲率，则对于处于弯曲平面中的纤芯来说将测量不到信号。
从等式(2)明显看出，能够通过减小纤芯距离a和/或通过增大波长范围Δλ来减小最小可测量弯曲半径。减小外纤芯距离a具有以下缺点：这会降低对弯曲应变的灵敏度并且也会降低对扭转应变的灵敏度，因为对扭转应变的灵敏度与a2成缩放关系。关于扭转所需的准确度很高，因此减小距纤维的中心轴线的外纤芯距离并不是有利的。由于其他原因，增大扫描范围Δλ是不利的。这会降低信噪比，因为谐振峰值填充谱的程度更小了。另外，减小两个相继节点(根据纤维上的位置的数据点)之间的延迟长度，针对相同的纤维物理长度给予的数据点增多。
WO 2018/075911 A1提出了一种提供具有三条以上的外纤芯的光纤传感器，其中，所述纤芯被布置在距纤维的中心轴线的多个不同径向距离处。对于要被测量的小的弯曲半径，必须切换到在更低距离处的纤芯，这会导致形状感测测量的准确度更低。光纤传感器的这种设计因此会遭受准确度损失。
US 2016/047976 A1公开了一种包括光学波导的光纤传感器，所述光学波导具有至少一条第一芯和环绕所述第一芯的覆层，其中，所述第一芯基本上在所述光学波导的整个长度上延伸，其中，所述传感器具有至少部分被所述覆层环绕的至少一条第二芯，其中，所述第二芯的纵向延伸小于所述光学波导的总长度，并且至少一个布拉格光栅被引入到所述第二芯中。
US 2007/297712 A1公开了一种用于检测主体/结构的曲率的光纤传感器。所述传感器包括具有外周边的覆层。中心芯接收并发射光。中心芯具有布拉格光栅，并且被定位在所述覆层的中性平面中。
David Berra等人的“Multipoint Two-Dimensional Curvature Optical FiberSensor Based on a Nontwisted Hohogeneous Four-Core Fiber”公开了一种基于非扭转均匀四芯纤维的多点二维曲率光纤传感器。
US 7324714 B1公开了一种包括多芯纤维的装置，所述多芯纤维包括三条芯，其中，所述三条芯包括两对芯，每对芯位于平面中。这两对芯的平面是非共平面的。多芯纤维包括玫瑰花形物，所述玫瑰花形物包括三个共平面干涉仪，其中，每个干涉仪位于这三条芯的相应芯中。
US 2018/195856 A1公开了一种光纤，所述光纤包括具有第一性质集合的主要光学芯和具有第二性质集合的次要光学芯。所述主要性质集合包括第一温度响应，并且所述次要性质集合包括第二温度响应，所述第二温度响应与所述第一温度响应的不同足以允许感测装置在被耦合到所述光纤时将所述光纤上的温度与应变区分开。
发明内容
本发明的目的是提供允许改善的形状感测测量的光学形状感测系统。
本发明的另一目的是提供允许改善的形状感测测量的光学形状感测方法。
根据本发明的第一方面，提供了一种光学形状感测系统，包括：
光纤传感器，其包括光纤，所述光纤具有被嵌入其中的数量为至少四条的纤芯，所述数量为至少四条的纤芯被布置为与所述光纤的纵向中心轴线(0)间隔开，所述纤芯均在其非应变状态下具有响应于被引入到所述纤芯中的光的谐振波长，
光学询问单元，其被配置为利用在扫描波长范围内的光来询问所述纤芯，所述扫描波长范围包括所述纤芯在所述纤芯的非应变状态下的所述谐振波长，
其中，所述光学询问单元被配置为将所述扫描波长范围设置为使得所述扫描波长范围的中心波长相对于所述纤芯中的至少一条的所述谐振波长发生偏心。
根据本发明的光学形状感测系统允许测量更小的弯曲半径，其方法是：首先提供与仅具有三条外芯的标准的纤维传感器相比在纤芯的数量方面的冗余，其次将扫描波长范围的中心波长设置为相对于纤芯中的至少一条(例如一些或全部)的谐振波长发生偏心。纤芯的谐振波长可以由沿着相应纤芯的长度的一个或多个波长相关的反射结构(优选是纤维布拉格光栅)来提供。通过使扫描波长范围的中心波长相对于纤芯中的一条或多条发生偏心，扫描波长范围变得相对于纤芯中的一条或多条的谐振波长不对称。相对于一条或多条外纤芯的谐振波长的不对称扫描波长范围允许在不增大扫描波长范围的情况下和/或在不减小外纤芯距纤维的中心轴线的距离的情况下测量纤维传感器的更小弯曲半径，这将会在本文中进一步进行解释。
所述光学询问单元可以被配置为将所述扫描波长范围设置为使得所述扫描波长范围的所述中心波长相对于所有纤芯的所述谐振波长都发生偏心。该实施例提供了扫描波长相对于所有纤芯的不对称性。
结合前面提到的或后续的实施例或者作为前面提到的或后续的实施例的备选方案，所述数量的纤芯可以包括具有第一纤芯的第一子集和具有至少一条第二纤芯的第二子集，所述第一纤芯在其非应变状态下具有响应于被引入到所述第一纤芯中的光的第一谐振波长，所述至少一条第二纤芯在其非应变状态下具有响应于被引入到所述至少一条第二纤芯中的光的第二谐振波长，其中，所述第一谐振波长不同于所述第二谐振波长。所述第一谐振波长可以相对于彼此是相等的，并且所述第二谐振波长可以对于彼此是相等的，这尤其简化了纤维传感器的制造。
结合先前的实施例，所述询问单元可以被配置为将所述扫描波长范围的所述中心波长设置为使得所述扫描波长范围的所述中心波长相对于所述第一谐振波长发生偏心并且以所述第二谐振波长为中心，或者反之亦然。
在该实施例中，为纤芯的子集中的一个提供扫描波长范围的不对称性，而该扫描波长范围相对于其他子集是对称的。
备选地，所述询问单元可以被配置为将所述扫描波长范围设置为使得所述中心波长在所述第一谐振波长与所述第二谐振波长之间。另外，所述中心波长可以被设置在所述第一谐振波长与所述第二谐振波长之间的中间处。在后一种实施例中，所述中心波长相对于所述第一谐振波长和所述第二谐振波长这两者具有相等的波长偏移。
所有纤芯的所述谐振波长都可以是相等的。该实施例进一步简化了纤维传感器的制造。在该实施例中，所述扫描波长范围的所述中心波长相对于所述纤芯发生偏心。
所述扫描波长范围可以被设置为使得所述中心波长相对于至少一条纤芯的所述谐振波长发生的偏心小于所述扫描波长范围的一半。所述偏移可以小于所述扫描波长范围的一半的三分之一，更进一步小于所述扫描波长范围的一半的四分之一。
所述纤维传感器的所述纤芯可以围绕所述中心轴线在方位角方向上相对于彼此等距地分布。
备选地，所述纤芯可以围绕所述中心轴线在方位角方向上相对于彼此非等距地分布。
被布置在距所述纵向中心轴线的径向距离处的纤芯的所述数量是5个、6个或更多个。
所述纤芯可以具有距所述中心轴线的相等的距离。
所述光学光纤还可以包括被布置在所述纤维的所述中心轴线上的中心纤芯。
所述光学形状感测系统还可以包括被配置为使用从所述纤芯接收到的反射谱重建所述纤维传感器的形状的评价单元。
所述外纤芯可以螺旋地缠绕在所述纤维传感器的所述中心轴线周围。
根据第二方面，提供了一种光学形状感测方法，包括：
提供光纤传感器，所述光纤传感器包括光纤，所述光纤具有被嵌入其中的数量为至少四条的纤芯，所述数量为至少四条的纤芯被布置为与所述光纤的纵向中心轴线间隔开，所述纤芯均在其非应变状态下具有响应于被引入到所述纤芯中的光的谐振波长，
利用在扫描波长范围内的光来询问所述纤芯，所述扫描波长范围包括所述纤芯在所述纤芯的非应变状态下的所述谐振波长，
所述询问包括将所述扫描波长范围设置为使得所述扫描波长范围的中心波长相对于所述纤芯中的至少一条的所述谐振波长发生偏心。
根据本发明的光学形状感测方法具有与在上面关于所述系统描述的优点和实施例相同的或相似的优点和实施例。
根据第三方面，提供了一种计算机程序，其包括程序代码单元，当所述计算机程序在计算机上被执行时，所述程序代码单元用于使计算机执行根据第二方面的方法的步骤。
应当理解，上面描述的所有实施例都能够与彼此进行组合，以便提供允许测量光纤传感器的尽可能小的弯曲半径的光学形状感测系统和光学形状感测方法。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的并且得到阐明。在以下附图中：
图1示出了图示光学形状感测系统的示例的框图；
图2示出了标准的光纤传感器的示例的透视图；
图3A示出了标准的光纤传感器的横截面；
图3B示出了针对图3A中的光纤传感器的模拟结果的图解，其中，根据具有弯曲的光纤传感器上的位置来标绘谐振波长与扫描波长范围的中心波长之差；
图4A示出了具有六条外芯的光纤传感器的实施例；
图4B示出了针对图4A中的光纤传感器的模拟结果的图解，其中，根据光纤传感器上的位置来标绘谐振波长与扫描波长范围的中心波长之差；
图5A示出了具有六条外芯的光纤传感器的实施例；
图5B示出了针对图5A中的光纤传感器的模拟结果的图解，其中，根据光纤传感器上的位置来标绘谐振波长与扫描波长范围的中心波长之差；
图6A示出了具有与图4A类似的六条外芯的光纤传感器的实施例；
图6B示出了针对图6A中的光纤传感器的模拟结果的图解，其中，根据光纤传感器上的位置来标绘谐振波长与扫描波长范围的中心波长之差；
图7A示出了具有与图4A类似的六条外芯的光纤传感器的实施例；
图7B示出了针对图7A中的光纤传感器的模拟结果的图解，其中，根据光纤传感器上的位置来标绘谐振波长与扫描波长范围的中心波长之差；
图8A示出了图7A中的光纤传感器；
图8B示出了针对图8A中的光纤传感器的模拟结果的图解，其中，根据光纤传感器上的位置来标绘谐振波长与扫描波长范围的中心波长之差；
图9A和图9B根据扫描波长范围的中心波长相对于两个外芯集合的谐振波长发生的偏心示出了针对增益因子f＝rmin/r0和针对r0/rx的模拟结果的图解；并且
图10针对各种光纤传感器设计根据利用四条芯依然可测量的最小半径示出了针对利用六条外芯可测量的最小曲率半径的模拟结果的图解。
具体实施方式
图1示意性地示出了用于感测光纤传感器12的被配置为基于多通道光学频域反射仪(OFDR)且分布式应变感测系统的光纤传感器系统10的部分。光纤传感器12包括光纤，所述光纤具有被嵌入其中的多条纤芯14、16、18、20，在本示例中为四条芯：一条中心芯16和三条外芯14、18、20。图1中示出的光纤传感器是标准的纤维传感器。这里应当注意，本发明提出了具有三条以上的外芯的光纤传感器设计。图2示出了纤芯14、16、18、20的一段长度，其中，外芯14、18、20围绕中心芯16进行盘旋。中心芯16被布置在光纤传感器12的中心轴线上。外纤芯14、18、20围绕光纤传感器12的纵向中心轴线在方位角方向上相对于彼此成角度地间隔开。纵向中心轴线与中心芯16一致。根据本示例中的四条芯的数量，相邻外芯之间的角度间距可以为120°。
再次参考图1，光学形状感测系统10包括询问器单元21。询问器单元21可以包括可调谐光源22，可调谐光源22能够扫过一定范围的光学频率(也被称为扫描波长范围)。由光源22发射的光被耦合到具有根据光纤传感器12的纤芯14、16、18、20的数量的光学通道24a、24b、24c、24d的光学干涉仪网络24中。在光纤传感器12具有四条以上的芯的情况下，光学干涉仪网络24可以具有对应数量的光学通道。
当可调谐光源22扫过一定范围的光学频率时，同时且独立地光学询问光纤传感器12的每个通道24a、24b、24c、24d并因此询问每条纤芯14、16、18、20，并且经由相应的光电探测器25向处理单元或数据采集单元26按线路发送基于从纤芯14、16、18、20中的每条返回的反射谱的干涉仪信号。使用多通道OFDR系统得到的来自芯14、16、18、20的分布式应变测量结果然后可以被输出到评价单元27以进行进一步处理(特别是进行光纤传感器12的三维形状重建和重建的三维光纤传感器12的视觉显示)。
在光纤传感器12的实施例中，纤芯14、16、18、20可以具有由折射率的周期性变化形成的纤维布拉格光栅(FBG)。为了简单起见，在本文中考虑具有单个谐振波长的FBG。FBG反射取决于FBG的光栅周期的某个波长(谐振波长)的光，并且透射所有其他波长。由于光纤传感器12的弯曲，光栅周期会受到应变的影响，并且对针对沿着纤维的任何位置的反射波长的测量允许确定局部应变。下面描述的根据本发明的实施例的光纤传感器12’也可以包括这样的FBG。
光纤传感器12的光学询问给出原则上实时重建整个纤维传感器的三维形状所需的信息。在给出适当的参考帧的情况下，能够实时知晓整个纤维传感器12的精确取向和位置。
当光纤传感器(像光纤传感器12)例如用于医学设备(像导管或导丝)中时，该设备会在该设备的操纵期间改变其形式。例如，如果该设备是用于引入到能够是非常曲折的人类的脉管系统中的导管，则该设备并且因此光纤传感器12会沿着其长度经历弯曲，所述弯曲可以具有能够是非常小的曲率半径。然而，在光学形状感测技术中，存在与光纤传感器的最小可测量弯曲半径有关的极限。
参考上面的等式(2)，对于在非应变状态下以纤芯的大约谐振波长λ0＝1545nm为中心的Δλ＝17nm的扫描范围，ξ＝0.8，并且a＝35μm(关于这些参数的定义，参见上文)来说，标准的光纤传感器12的最小可测量弯曲半径将会是5.1mm。如果标准的光纤传感器12被弯曲到更低的曲率(即，被弯曲到具有在5.1mm以下的弯曲半径的曲率)，则对于处于弯曲平面中的纤芯来说将测量不到信号。
图3A示出了标准的光纤传感器12的横截面，其中，三条外芯被标记为1、2、3，并且中心芯被标记为0。图3B示出了针对光纤传感器12的模拟结果(参见等式(1))，其中，弯曲具有5.1mm的半径。在图3B中，针对围绕中心轴线(中心芯0)在方位角方向上分开120°的三条外芯1、2、3，根据光纤传感器上的沿着其长度的位置来标绘λres(即，纤芯1、2、3中的每条在弯曲状态下的谐振波长)与λc(即，扫描波长范围的中心波长)之差。在图3B中未描绘中心芯0的谱，因为对于中心芯0来说不会存在由于弯曲应变而产生的谐振波长的移位。外纤芯1、2、3的扭转速率是50圈/米，并且1个指数(index)对应于48.2μm。灰色阴影区给出了覆盖由于弯曲而产生的外芯的谐振波长的移位所需的扫描波长范围。在图3B中，曲线41示出了针对芯1的模拟结果，曲线42示出了针对芯2的模拟结果，并且曲线43示出了针对芯3的模拟结果。在图3B中通过在λres-λc＝±8.4nm处的点线51、52示出了总是覆盖5.1mm弯曲半径所需的最小扫描范围(其是针对光纤传感器相对于弯曲的所有取向所需的最小扫描范围)。
图4A示出了根据本发明的光纤传感器12’的实施例，光纤传感器12’包括大于3的数量的外纤芯。换句话说，光纤传感器12’通过添加另外的外纤芯来提供冗余，所述另外的外纤芯在纤维12’的形状感测测量方面提供冗余，以允许测量比标准的传感器12的三条外纤芯更小的纤维12’的弯曲半径。在图4A中，外纤芯被标记为附图标记1至6。纤维传感器12’还包括中心芯0，其中，0也表示纤维传感器12’的中心轴线。因此存在纤芯的第一子集的三条外纤芯(例如，纤芯1、3、5)和纤芯的第二子集的三条外纤芯(例如，纤芯2、4、6)(应当注意，对第一子集和第二子集的纤维分配不是至关重要的)。
如图4A所示，第一子集的纤芯1、3、5和第二子集的纤芯2、4、6可以具有距中心轴线(中心芯0)的相同的径向距离。另外，纤芯1至6可以围绕中心轴线在方位角方向上被等距地布置。纤芯1至6中的两条相邻纤芯之间的角度因此是60°。纤芯1、3、5可以在纤维12’的非应变状态下具有第一单个谐振波长，并且纤芯2、4、6可以在纤维传感器12’的非应变状态下具有第二单个谐振波长。在该示例中，第一谐振波长和第二谐振波长是相等的。
纤芯的第二子集的纤芯可以螺旋地缠绕在传感器12’的中心轴线周围。
为了能够区分利用光纤传感器12’进行的形状重建所需的四个位置相关的量(这些量是在两个正交方向上的弯曲应变、扭转应变和轴向应变)，中心芯0和外芯1至6中的至少三条的信号应当是已知的。
图4B示出了针对图4A中的光纤传感器12’的模拟结果，其中，再次如关于图3B所描述的那样根据光纤传感器12’的位置来标绘谐振波长λres与扫描波长范围的中心波长λc之差。灰色阴影区给出了包括外芯1至6中的至少三条的谐振所需的扫描波长范围。在图4B中，曲线41至46示出了针对外纤芯1至6的模拟结果(在图4B中再次省略了针对中心芯0的结果)。从图4B中的图解能够看出，黑色点线51和52不再处于纤芯信号的最大值，这意味着利用相同的扫描波长范围(±8.4nm)能够测量更小的弯曲半径。在本实例中，能够测量4.5mm的最小弯曲半径rmin。比较图3B和图4B的模拟结果，揭露出通过提供例如六条外纤芯而不是三条外纤芯而得到的纤芯冗余，能够在不增大扫描波长范围且不减小外芯距中心轴线的距离的情况下减小最小可测量弯曲半径。
为了与标准的具有三条外芯的光纤传感器(像图3A中的光纤传感器12)相比具有针对外纤芯冗余的有益效果的量度，可以计算通过在不增大扫描波长范围的情况下归因于芯的数量n的冗余而获得的增益因子f：
其中，n是纤芯的总数(包括中心芯和n–1条外纤芯)。对于n＝4(标准的光纤传感器)，f为1。对于n＝7(六条外芯和一条中心芯)，f为大约0.87。这意味着，对于六条外芯的对称布置(两条相邻外芯之间为60°角)来说，在相同扫描波长范围的情况下，最小可测量弯曲半径能够减小0.87的因子(即，从5.1mm减小至4.5mm)。
能够通过以下措施中的一种或多种来进一步减小增益因子f并且因此进一步减小最小可测量弯曲半径，这将会结合另外的实施例进行描述。
一般来说，能够通过以下操作来进行增益因子f的优化：改变相对于彼此的纤芯角度，和/或通过改变芯光学性质，和/或通过在扫描波长范围与纤芯的在其非应变状态下的谐振波长之间引入不对称性。将会在下文中描述这些措施。
图5A示出了具有六条外芯1至6的光纤传感器12’的实施例，其中，与图4A中的实施例的不同之处在于，图5A中的纤芯1至6围绕沿着纤维12’的中心轴线延伸的中心芯0在方位角方向上不是等距分布的。在图5A中的实施例中，一些相邻纤芯(例如，纤芯2和3)之间的角度小于其他相邻纤芯(例如，纤芯1和2)之间的角度。例如，纤芯2和3，4和5以及6和1之间的较小角度可以为30°，而纤芯1和2，3和4以及5和6之间的较大角度为90°。应当注意，如图5A所示的六条外纤芯的数量是示例性的，并且也能够采用任何其他数量的外纤芯，只要存在冗余即可。在图5A中的实施例中，外芯1、3、5的第一子集被置于0°、120°和240°处，并且在三条芯2、4、6之间具有相同的相对角度的三条芯2、4、6的第二子集相对于第一子集的纤芯1、3、5被置于θ＝30°的角度下。对于具有任意θ的7芯光纤传感器(六条外纤芯和一条中心芯)，增益因子f由以下公式给出：
对于
在7芯纤维传感器12’中针对θ＝30°(f＝0.71)获得了最低增益因子f。图5B示出了针对图5A中的六条外芯1至6的模拟结果的图解，该图解与图4B的图解类似。灰色阴影区再次给出了包括至少三条外芯的谐振所需的扫描波长范围，并且点线51、52描绘了针对5.1mm弯曲半径覆盖所有纤芯的谐振所需的最小扫描波长范围。
因此，在角度θ＝30°的情况下，能够实现将最小可测量弯曲半径减少到3.6mm，对于相同的固定扫描波长范围±8.4nm，这比在θ＝60°时的图4A中的实施例的更对称情况更低。
优化光纤传感器的最小可测量弯曲半径的又一措施是适当选择第一子集和第二子集中的纤芯的光学性质。这样的光学性质在纤芯之间可以变化，这样的光学性质可以是纤芯在其非应变状态下的谐振波长λ0。图6A示出了光纤传感器12’的实施例，其与图4A中的实施例在几何上完全相同，包括纤芯的第一子集(例如，纤芯1、3、5)和纤芯的第二子集(例如，纤芯2、4、6)。与图4A中的实施例的不同之处在于，外芯的第一子集在其非应变状态下的谐振波长λ0A不同于纤芯的第二子集的纤芯在其非应变状态下的谐振波长λ0B。第一子集的纤芯的谐振波长可以从扫描波长范围的中心波长λc发生偏心，而第二子集的纤芯的谐振波长保持在扫描波长范围中心λc处。举例来说，对于纤芯的第一子集，λ0A-λc可以为4.3nm，而对于外纤芯的第二子集，λ0B＝λc。还可以设想到对于三条外纤芯的第一子集以及对于三条外纤芯的第二子集，λ0A，0B-λc从零发生偏离。图6B示出了针对图6A中的光纤传感器12’的模拟结果，其中，如关于图3B所解释的那样，针对外纤芯1-6根据传感器上的位置来标绘在应变状态下的谐振波长λres与扫描波长范围的中心波长λc之差。
还可以设想到组合图6A中的实施例与图5A中的实施例，即，以如图5A所示的非等距方式改变外纤芯1至6的角度位置。
与外光纤芯的冗余进行组合以减小最小可测量弯曲半径的又一选项是引入非应变纤芯的FBG的例如谐振波长与用于询问纤芯的扫描波长范围的中心波长之间的不对称性。这意味着λ0≠λc，甚至在λ0对于所有纤芯都相同的情况下也是如此。为此目的，图1中的光学形状感测系统10的询问单元21被配置为将中心波长λc设置为使得中心波长不同于纤芯1至6中的一条或多条的谐振波长。图7A和图8A示出了在每种情况下的具有六条外纤芯1至6和一条中心芯0的光纤传感器12’的横截面。图7A和图8A中的光学感测纤维12’的几何设计相对于彼此是相同的。在图7A的实施例中，扫描波长范围被设置为使得非应变纤芯1至6的谐振波长λ0完全在扫描范围的边缘处(即，在该示例中，λ0–λc＝8.4nm)。在这种情况下，对于16.7nm的扫描范围，最小可测量弯曲半径变为低至2.6mm。然而，这种配置意味着谐振仅在完全笔直的纤维的极限情况下在扫描波长范围内。如果定义其中所有纤芯1至6依然在具有rx的被测量谱中的最小曲率半径，那么在这种情况下rx＝∞。这会是不期望的情况，因为纤芯的冗余无法再用于任何其他目的，甚至在更低曲率的情况下也是如此。减小偏心λ0–λc也会减小rx。图8A和图8B给出了其中在利用四条纤芯(包括中心芯)依然可测量的最小半径rmin与rx之间进行权衡的示例。例如，如果对于所有外纤芯1至6，λ0–λc＝2.3nm，那么rmin＝3.5mm并且rx＝7.0mm。
在下表1中，总结了图3A中的标准情况和图4A、图5A、图6A、图7A和图8A中的实施例的模拟结果。在表1中，列出了增益因子f、rmin(利用包括中心芯的四条纤芯依然可测量的最小曲率半径)和rx(其中所有纤芯依然在被测量谱中的最小曲率半径)。
表1
表1还包括表1中的第5行中的实施例，其中，如上面提到的，对于第一子集的外纤芯以及对于第二子集的外纤芯，λ0–λc从零发生偏离，其中，对于第一子集的外纤芯，λ0–λc＝2.8nm，并且对于第二子集的外纤芯，λ0–λc＝-2.8nm。
上面描述的优化光纤传感器12’的设计和优化提供对光纤传感器12’的纤芯的询问的扫描范围的询问器单元21(图1)的措施都能够针对要被执行的应用进行组合。
例如，纤芯在非应变状态下的谐振波长λ0可以由于某种其他设计约束而在不同纤芯之间有所偏离。例如，假如希望将温度与轴向应变区分开，则必须使用具有与其他芯不同的温度灵敏度的至少一条纤芯。对于该纤芯来说，这能够引起偏离的λ0。对于具有与图6A中的形状感测纤维的设计类似的设计的7纤芯形状感测纤维，将会在下文中描述一些选项。为此目的，定义Δ＝λ0，A-λ0，B，其中，A和B表示被分开60°的三条外芯的两个子集。现在能够针对一定的Δ和λ0，A-λc来计算rmin和rx。在图9A和图9B以及图10中给出了结果。
在图10中，针对从Δ＝0.0nm直到Δ＝±12.0nm的范围内的多个Δ，根据rmin来标绘1/rx。图9A示出了针对增益因子f＝rmin/r0的模拟结果，并且图9B示出了针对量r0/rx的模拟结果，它们均是根据λ0，A-λC和λ0，B-λC得到的。r0是针对如图3A中示出的具有三条外芯的标准纤维设计的最小可测量弯曲半径。
在图10中组合了图9A和图9B的两幅标绘图。图10针对通过Δ表示的各种传感器设计根据利用纤维传感器12’的四条纤芯(包括中心芯)依然可测量的最小半径rmin示出了利用7纤芯可测量的最高曲率(1/rx)。rmin在2.6nm至5.9mm的范围内变动，并且rx在5.1nm至边缘上的无穷大的范围内变动。从图9A、图9B和图10能够得出，存在最大程度地利用rmin与rx之间的权衡的“局部”最优设计。例如，Δ＝0nm的情况表示最优结果，因为对于rmin来说，所有具有Δ≠0的曲线都会产生更大或最好相等的值。对于Δ＝0nm的情况，能够根据扫描波长范围的偏移来导出针对最小可测量弯曲半径的表达式。为此目的，利用Of＝|2(λ0，A-λc)/Δλ|＝|2(λ0，B-λc)/Δλ|引入相对扫描波长范围偏移Of，其中，Δλ表示完整扫描范围，在本示例中，其为16.7nm。增益因子f＝rmin/r0由以下公式给出：
根据等式(5)和图10，能够清楚看到在
处存在最优结果，使得f＝0.68并且r0/rx＝0.73。对于16.7nm的扫描范围并且r0＝5.1mm来说，这构成了具有rmin＝3.5mm并且rx＝7.0mm的设计(其确切地说是如图8A中给出的示例)。对于略微更小的rmin，rx直接变得大很多。针对λ0，A-λc＝2.3nm实现了该局部最优结果。能够针对其他形状感测纤维设计做出类似的考虑。
上面描述的方面在冗余的情况下都是有效的，即，纤维传感器中的纤芯的数量大于准确感测光纤传感器12’的形状所需的量的数量。然而，能够有利的是，在当即使严格来说不存在总体冗余的情况下也使用相同的方面。丢失关于不太重要的量的信息以在时间或空间上创建对于形状感测所需的必要量的“冗余”可能是可接受的。例如，对于一些测量或者在一些特定位置处，例如在具有更小曲率半径的短弯曲的情况下，可能使用纤芯中的仅一些纤芯的信号依然能够探查更小的弯曲半径。这可能会少许损害准确度，或者这可以利用信号的(时间或空间)内插或外推来进行补偿。这将会在下面更详细地进行解释。
再次参考图6A，示出了总共具有7条芯的光纤传感器12’，其中，三条温度灵敏度纤芯在非应变状态下具有不同的谐振波长λ0，因此能够测量轴向应变、温度、在两个正交方向上的弯曲应变以及扭转应变，因为要被测量的量的数量(五个)小于纤芯的数量(七条)。其中能够测量前面提到的量的最小曲率半径为10.6mm(rx)。在该半径以下并且在rmin＝3.2mm以上，仅三条外纤芯依然在谱中。利用这三条外纤芯和中心纤芯，依然能够测量在两个正交方向上的弯曲应变以及扭转应变以及轴向应变和温度的影响的总和。因为无法再将轴向应变和温度分开，因此会损害其他信号的准确度，但是对于小的距离来说，剩余的准确度依然会是足够的。在许多应用中，在光纤传感器12’中存在急剧紧密的概率很低，并且如果发生这种情况，急剧弯曲的长度很短并且甚至是在例如医学设备中的形状的端部处发生的，从而会更大程度地减少对总体形状准确度的影响。如之前所述，可以对在其中7条纤芯依然可用的位置处的温度和轴向应变的分开结果进行内插或外推，以补偿准确度的损失。或者，在其他情况下，可以根据在时间上接近在r>rx的情况下的测量的测量结果对在rmin<r<rx的情况下的测量的温度与轴向应变的分开结果进行内插或外推。
在光学形状感测方法中能够使用适合于使用上面描述的光纤传感器12’的实施例中的一个或多个来减小最小可测量弯曲半径的以上方面。在该方法中，提供光纤传感器(12’)。利用光来询问纤芯的第一子集的纤芯(1、3、5)和纤芯的第二子集的纤芯(2、4、6)。测量从纤芯的第一子集的纤芯(1、3、5)和纤芯的第二子集的至少一条纤芯(2、4、6)返回的光的反射谱，并且基于反射谱来重建光纤传感器(12’)的形状。该方法能够利用图1中的系统10来执行，其中，如上面所提到的，系统10具有大于四个的对应数量的光学通道24a-24d。医学设备(像导管或导丝)可以包括上面描述的纤维传感器12’。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个元件或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。
权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (14)
1.一种光学形状感测系统，包括：
光纤传感器，其包括光纤，所述光纤具有被嵌入其中的数量为至少四条的纤芯(1至6)，所述数量为至少四条的纤芯被布置为与所述光纤的纵向中心轴线(0)间隔开，所述纤芯均在其非应变状态下具有响应于被引入到所述纤芯(1至6)中的光的谐振波长，
光学询问单元(21)，其被配置为利用在扫描波长范围内的光来询问所述纤芯(1至6)，所述扫描波长范围包括所述纤芯在所述纤芯(1至6)的非应变状态下的所述谐振波长，
其中，所述光学询问单元(21)被配置为将所述扫描波长范围设置为使得所述扫描波长范围的中心波长相对于所述纤芯(1至6)中的至少一条的所述谐振波长发生偏心，
其中，所述数量的纤芯(1至6)包括具有第一纤芯(1、3、5)的第一子集和具有至少一条第二纤芯(2、4、6)的第二子集，所述第一纤芯在其非应变状态下具有响应于被引入到所述第一纤芯(1、3、5)中的光的第一谐振波长，所述至少一条第二纤芯在其非应变状态下具有响应于被引入到所述至少一条第二纤芯(2、4、6)中的光的第二谐振波长，其中，所述第一谐振波长不同于所述第二谐振波长，并且其中，所述询问单元被配置为将所述扫描波长范围设置为使得所述中心波长在所述第一谐振波长与所述第二谐振波长之间。
2.根据权利要求1所述的光学形状感测系统，其中，所述光学询问单元(21)被配置为将所述扫描波长范围设置为使得所述扫描波长范围的所述中心波长相对于所有纤芯(1至6)的所述谐振波长都发生偏心。
3.根据权利要求1所述的光学形状感测系统，其中，所述数量的纤芯(1至6)包括具有第一纤芯(1、3、5)的第一子集和具有至少一条第二纤芯(2、4、6)的第二子集，所述第一纤芯在其非应变状态下具有响应于被引入到所述第一纤芯(1、3、5)中的光的第一谐振波长，所述至少一条第二纤芯在其非应变状态下具有响应于被引入到所述至少一条第二纤芯(2、4、6)中的光的第二谐振波长，其中，所述第一谐振波长不同于所述第二谐振波长。
4.根据权利要求3所述的光学形状感测系统，其中，所述询问单元被配置为将所述扫描波长范围的所述中心波长设置为使得所述扫描波长范围的所述中心波长相对于所述第一谐振波长发生偏心并且以所述第二谐振波长为中心，或者反之亦然。
5.根据权利要求1所述的光学形状感测系统，其中，所述第一谐振波长相对于彼此是相等的，并且所述询问单元被配置为将所述扫描波长范围设置为使得所述中心波长在所述第一谐振波长与所述第二谐振波长之间的中间处。
6.根据权利要求2所述的光学形状感测系统，其中，所有纤芯的所述谐振波长都是相等的。
7.根据权利要求1所述的光学形状感测系统，其中，所述询问单元被配置为将所述扫描波长范围设置为使得所述中心波长相对于至少一条纤芯(1至6)的所述谐振波长发生的偏心小于所述扫描波长范围的一半。
8.根据权利要求1所述的光学形状感测系统，其中，所述纤芯(1至6)围绕所述中心轴线(0)在方位角方向上相对于彼此等距地分布。
9.根据权利要求1所述的光学形状感测系统，其中，所述纤芯(1至6)围绕所述中心轴线(0)在方位角方向上相对于彼此非等距地分布。
10.根据权利要求1所述的光学形状感测系统，其中，与所述纵向中心轴线(0)间隔开的纤芯(1至6)的所述数量是5条、6条或更多条。
11.根据权利要求1所述的光学形状感测系统，其中，所述光纤还包括被布置在所述纤维的所述中心轴线上的中心纤芯(0)。
12.根据权利要求1所述的光学形状感测系统，还包括被配置为使用反射谱重建所述纤维传感器(12’)的形状的评价单元(27)。
13.一种光学形状感测方法，包括使用光纤传感器进行以下段落中的操作，所述光纤传感器包括光纤，所述光纤具有被嵌入其中的数量为至少四条的纤芯(1至6)，所述数量为至少四条的纤芯被布置为与所述光纤的纵向中心轴线(0)间隔开，所述纤芯均在其非应变状态下具有响应于被引入到所述纤芯(1至6)中的光的谐振波长：
利用在扫描波长范围内的光来询问所述纤芯(1至6)，所述扫描波长范围包括所述纤芯在所述纤芯(1至6)的非应变状态下的所述谐振波长，
所述询问包括将所述扫描波长范围设置为使得所述扫描波长范围的中心波长相对于所述纤芯(1至6)中的至少一条的所述谐振波长发生偏心，
其中，所述数量的纤芯(1至6)包括具有第一纤芯(1、3、5)的第一子集和具有至少一条第二纤芯(2、4、6)的第二子集，所述第一纤芯在其非应变状态下具有响应于被引入到所述第一纤芯(1、3、5)中的光的第一谐振波长，所述至少一条第二纤芯在其非应变状态下具有响应于被引入到所述至少一条第二纤芯(2、4、6)中的光的第二谐振波长，其中，所述第一谐振波长不同于所述第二谐振波长，并且其中，询问单元被配置为将所述扫描波长范围设置为使得所述中心波长在所述第一谐振波长与所述第二谐振波长之间。
14.一种计算机程序，包括程序代码单元，当所述计算机程序在计算机上被执行时，所述程序代码单元用于使计算机执行根据权利要求13所述的方法的步骤。
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