KR20240035639A - 안전성을 위한 멀티코어 광섬유의 여분의 코어 - Google Patents

안전성을 위한 멀티코어 광섬유의 여분의 코어 Download PDF

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돈 기퍼드
제프리 티 라크루와
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Abstract

광섬유가 한 세트의 주 코어와 보조 코어를 포함하는 섬유로 구성된 다수의 광 코어를 포함하고 있다. 간섭 측정 시스템은 상기 보조 코어로부터의 응답을 예측하기 위해서 다수의 주 코어로부터의 측정값을 이용한다. 예측된 보조 코어 응답과 실제 보조 코어 응답이 미리 정해진 양보다 더 크게 다른지 여부를 결정하기 위해서 예측된 보조 코어 응답은 실제 보조 코어 응답과 비교되고, 예측된 보조 코어 응답과 실제 보조 코어 응답이 미리 정해진 양보다 더 크게 다른 경우에는 다수의 주 코어로부터의 측정값이 신뢰할 수 없는 것으로 여겨질 수 있다.

Description

안전성을 위한 멀티코어 광섬유의 여분의 코어{REDUNDANT CORE IN MULTICORE OPTICAL FIBER FOR SAFETY}
본 출원은 2016년 5월 11일자로 출원된, 발명의 명칭이 "안전성을 위한 멀티코어 광섬유의 여분의 코어(REDUNDANT CORE IN MULRICORE OPTICAL FIBER FOR SAFETY)"인 미국 가특허 출원 제62/334,649호에 대한 우선권 주장 출원이고, 상기 출원은 그 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되어 있다.
뽑은 멀티코어 섬유(spun multicore fiber)는 광섬유의 형상을 결정하기 위해서 사용되고 있다. 4개의 코어를 가지는 멀티코어 섬유가 상기 섬유의 변형을 2개의 굽힘 각도(피치(pitch)와 요(yaw)), 1개의 비틀림(twist) 각도, 그리고 섬유 신장(elongation)으로 구별하기 위해서 사용될 수 있다. 이들 4개의 측정값은 4개의 자유도를 구성한다. 이들 4개의 측정값(피치, 요, 비틀림 및 신장)은 또한 비교적 작은 힘에 의해 섬유에 발생할 수 있는 모든 변형을 나타낸다.
광섬유를 기초로 한 형상 감지에 있어서, 인용에 의해 본 명세서에 포함된 US 8,773,650에 개시된 것과 같이 멀티코어 형상 감지 광섬유(multicore optical shape sensing fiber) 내의 수 개의 코어의 각각에 대한 변형(strain)의 변화를 감지하기 위해서 다중 채널 분포 변형 감지 시스템(multi-channel ditributed strain sensing system)이 사용된다. 인용에 의해 본 명세서에 포함된 US 8,531,655에 개시된 것과 같이 곡률, 비틀림, 그리고 축방향 변형을 포함하여 한 세트의 물리적인 측정값을 만들어내기 위해서 다중 분포 변형 측정값이 한 체계의 식을 통하여 결합된다. 이러한 물리적인 측정값들은 광섬유의 분포된 형상과 위치를 결정하기 위해서 사용될 수 있다.
형상 감지 섬유에 대한 몇가지 응용은 형상 감지 출력의 정확도와 신뢰도에 있어서 고도의 신뢰성과 안전성을 요구한다. 하나의 예시적인 응용은 미세 제조 환경, 수술 환경, 또는 다른 환경에 사용되는 로봇 팔이다.
형상 감지 섬유 응용이 가진 다른 문제점은 형상 감지 모델 또는 모델 가정사항(assumptions)에 포함되어 있지 않은 뜻밖의 또는 예측할 수 없는 오차이다. 대표적인 오차는 형상 감지 모델에 포함되어 있지 않은 광학적 및/또는 전자적 감지 및 처리 회로의 작동에 있어서의 오차, 상기 섬유를 연결하는 것에 있어서의 오차, 형상 감지 시스템을 교정하기 위해 부정확한 교정 파일을 로딩하는 것과 같은 사람의 오차, 그리고 상기 섬유가 받는 힘에 의해 초래된 오차를 포함한다. 이미 설명한 한 가지 이러한 파라미터는 섬유 끼임(fiber pinch)이다. 형상 감지 모델이 온도로 인한 변화를 해명하지 못하는 경우 다른 파라미터는 온도이다. 추가적인 우려는 아직 알려져 있지 않거나 인식할 수 없는 다른 파라미터이다. 따라서 형상 감지 모델과는 독립적이고 형상 감지 모델로 해명되지 않는 오차를 감지할 수 있는 기술적인 해결방안이 더 필요하다.
본 출원의 기술은 추가적인 측정값을 예측하기 위해서 N 자유도와 N 측정값을 가진 모델을 이용하는 것이다. 다시 말해서, N+1 측정값을 얻기 위하여 N 자유도 모델이 이용되고, 섬유에서 가외의 또는 여분의 코어를 이용하여 이루어진 가외의 측정이 상기 모델에 대한 점검(check)으로 이용된다. 예를 들어, 6개의 광 코어(제6 코어는 보조 또는 여분의 코어)를 가진 형상 감지 광섬유의 5 자유도 모델에 의하면, 섬유의 각 부분이 피치, 요, 롤(roll), 장력, 그리고 공간상의 온도 변화 또는 시간에 따른 온도 변화를 경험할 수 있고, 상기 모델의 5개의 파라미터(피치, 요, 등)의 각각을 유일하게 결정하기 위해서 5개의 변형이 측정되고 사용된다. 결정된 5개의 파라미터는 상기 모델이 정확하고 신뢰할 수 있는 경우 제6 코어의 변형이 어떤 값이 될지를 예측하기 위해서 이용되고, 예측된 변형은 오차를 결정하기 위해서 제6 코어에서 측정된 변형과 비교된다. 유리하게도, 상기 기술은 상기 오차를 감지하기 위해서 상기 모델에서의 모든 구체적인 오차에 대한 지식을 증진시킬 것을 요하지 않고 원인 불명의 오차도 감지한다. 더 많은 보조 또는 여분의 신호를 추가하면(5 자유도 모델에 대해서 6 코어 대신에 7 코어를 이용하면) 형상 감지 측정값에 있어서의 신뢰성과 확신을 더욱 높인다.
예시적인 실시례에서, 다수의 주 코어와 하나의 보조 코어를 포함하는 광섬유를 측정하는 간섭 측정 시스템이 제공되어 있다. 간섭 측정 감지 회로는 상기 다수의 주 코어와 상기 보조 코어의 각각과 관련된 간섭 측정 패턴 데이터를 감지하도록 구성되어 있다. 이것은 광섬유가 감지 위치로 배치될 때 실행될 수 있다. 데이터 처리 회로는 상기 다수의 주 코어에 대해 감지된 간섭 측정 패턴 데이터에 기초하여 보상 파라미터를 결정하고, 사용된 상기 보조 코어에 대한 예측된 파라미터 값을 상기 보조 코어에 대한 측정에 기초한 파라미터 값과 비교하여 비교 결과를 얻고, 상기 비교 결과에 기초하여 결정된 보상 파라미터의 비신뢰도를 결정하고, 그리고 상기 비신뢰도에 대응하여 신호를 발생시키도록 구성되어 있다. 상기 보상 파라미터는 상기 다수의 주 코어의 교정 배치형태와 상기 다수의 주 코어의 실제 배치형태 사이의 차이를 보상한다.
상기 신호가 (a) 상기 간섭 측정 감지 회로 또는 상기 데이터 처리 회로의 작동에 있어서의 오차, (b) 광섬유 연결에 있어서의 오차, (c) 상기 교정 배치형태에 있어서의 오차, 또는 (d) 보상 파라미터가 상기 데이터 처리 회로에 의해 결정되지 않는 상기 광섬유가 받은 힘에 의해 초래된 오차 중의 하나 이상을 포함하는 오차를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 상기 비신뢰도는 광섬유의 끼임(pinching)에 의해 초래되거나, 온도의 공간적인 변화 또는 시간적인 변화에 의해 초래되거나, 광섬유로부터 측정된 신호를 변화시키는 몇몇 다른 현상에 의해 초래되거나, 이들의 결합에 의해 초래될 수 있다. 하나의 예시적인 적용예에서는, 상기 데이터 처리 회로가 상기 광섬유에 대해 계속하여 얻은 간섭 측정 패턴 데이터에 상기 보상 파라미터를 적용하도록 구성되어 있다.
하나의 예시적인 적용예에서는, 상기 예측된 예측 파라미터 값이 상기 보조 코어에 대한 예측된 위상이고 상기 측정에 기초한 파라미터 값이 상기 보조 코어에 대한 측정에 기초한 위상값이다. 상기 데이터 처리 회로가 아래의 작동: 다수의 위상 도함수를 얻기 위해 상기 다수의 주 코어의 각각에서 측정된 위상의 도함수를 계산하는 것; 예측된 보조 코어 위상 도함수를 얻기 위해 상기 다수의 위상 도함수에 변환 행렬을 곱하는 것; 그리고 상기 보조 코어에 대한 예측된 위상을 얻기 위해 상기 예측된 보조 코어 위상 도함수를 적분하는 것을 수행하는 것에 의해서 상기 보조 코어에 대한 예측된 위상을 결정하도록 구성되어 있다.
다른 예시적인 적용예에서는, 상기 데이터 처리 회로가 감지된 간섭 측정 패턴 데이터에 기초하여 상기 광섬유에 대한 축방향의 변형, 굽힘 변형, 그리고 비틀림 변형에 상응하는 상기 광섬유에 대한 변형값을 결정하고, 그리고 상기 광섬유에 대한 축방향의 변형, 굽힘 변형, 그리고 비틀림 변형에 상응하는 상기 광섬유에 대한 결정된 변형값에 기초하여 상기 광섬유의 형상을 결정하도록 구성되어 있다.
다른 예시적인 적용예에서는, 상기 데이터 처리 회로가 감지된 간섭 측정 패턴 데이터에 기초하여 상기 광섬유에 대한 축방향의 변형, 굽힘 변형, 비틀림 변형, 그리고 온도 변형에 상응하는 상기 광섬유에 대한 변형값을 결정하고, 그리고 상기 광섬유에 대한 축방향의 변형, 굽힘 변형, 비틀림 변형, 그리고 온도 변형에 상응하는 상기 광섬유에 대한 변형값 상기 광섬유에 대한 결정된 변형값에 기초하여 상기 광섬유의 형상을 결정하도록 구성되어 있다. 본 명세서에서 온도 변형은 교정 후 또는 참고 기준 표시값(reference baseline readings)이 기록된 후 발생하는 온도의 공간적인 변화 또는 시간적인 변화에 의해 초래되는 것과 같은, 온도에 의해서 초래된 변형을 나타내기 위해서 사용된다.
하나의 예시적인 구현예에서는, 상기 비신뢰도가 미리 정해진 임계값을 초과하면 상기 데이터 처리 회로가 상기 신호를 발생시키도록 구성되어 있다.
다른 예시적인 구현예에서는, 상기 신호가 상기 비신뢰도를 나타낸다.
다른 예시적인 실시례는 다수의 주 코어와 하나의 보조 코어를 포함하는 광섬유를 측정하는 간섭 측정 방법을 포함하고 있다. 상기 방법은,
광섬유가 감지 위치에 있을 때, 간섭 측정 감지 회로를 이용하여, 상기 다수의 주 코어와 상기 보조 코어의 각각과 관련된 간섭 측정 패턴 데이터를 감지하는 단계; 그리고
데이터 처리 회로를 이용하여, 상기 다수의 주 코어에 대해 감지된 간섭 측정 패턴 데이터에 기초하여 상기 다수의 주 코어의 교정 배치형태와 상기 다수의 주 코어의 실제 배치형태 사이의 차이를 보상하는 보상 파라미터를 결정하는 단계;
상기 보조 코어에 대한 예측된 파라미터 값을 상기 보조 코어에 대한 측정에 기초한 파라미터 값과 비교하여 비교 결과를 얻는 단계;
상기 비교 결과에 기초하여 상기 보상 파라미터의 비신뢰도를 결정하는 단계; 그리고
상기 비신뢰도에 대응하여 이를 나타내는 신호를 발생시키는 단계;
를 포함하고 있다.
다른 예시적인 실시례는 중심 코어와 상기 중심 코어로부터 각각 반경 거리에 있는 4개 이상의 주변 코어를 포함하는 5개 이상의 코어를 가진 광섬유를 포함하고 있다. 상기 5개 이상의 코어 중의 하나 이상의 코어가 다른 코어의 온도 응답과 상이한 온도 응답을 제공한다. 상기 4개 이상의 주변 코어 중의 하나 이상이 상기 중심 코어로부터 제1 반경 거리에 있고 상기 4개 이상의 주변 코어 중의 다른 주변 코어가 상기 중심 코어로부터 제2 반경 거리에 있고, 제1 반경 거리와 제2 반경 거리는 상이하다. 제1 반경 거리와 제2 반경 거리의 차이가 상기 5개 이상의 코어 모두와 관련된 평균 반경 거리의 적어도 10%이다.
하나의 예시적인 구현예에서는, 상기 5개 이상의 코어가 상기 광섬유의 길이를 따라서 나선형으로 꼬여 있다.
다른 예시적인 구현예에서는, 상이한 온도 응답을 제공하는 하나 이상의 코어가 다른 코어와 상이한 도핑 또는 물질을 가지고 있다.
도 1은 회전가능한 조인트를 가진 로봇 팔을 나타내고 있고, 상기 조인트에 섬유가 끼인 한 예를 나타내고 있다.
도 2는 5개의 코어를 가진 꼬인 멀티코어 섬유의 제1 예시적인 실시례를 나타내고 있다.
도 3은 5개의 코어를 가진 나선형으로 꼬인 광섬유에 대한 변형에 대한 응답과 코어 배치를 수량화하기 위해서 이용될 수 있는 수학적 파라미터를 나타내고 있다.
도 4는 5개의 코어 섬유를 이용하는 형상 감지 시스템의 모델 및 가정사항과는 독립적인 오차를 식별하는 광주파수 영역 반사측정(OFDR)에 기초한 형상 감지 시스템의 제1 예시적인 실시례의 개략도를 나타내고 있다.
도 5는 제1 예시적인 실시례의 형상 감지 광섬유를 교정하는 흐름도이다.
도 6은 제1 예시적인 실시례의 형상 감지 시스템에서 오차를 감지하는 흐름도이다.
도 7은 붕소-게르마늄으로 코도핑된(co-doped) 코어와 게르마늄만 도핑된(doped) 코어에 대한 굴절률 대 온도의 그래프를 나타내고 있다.
도 8은 6개의 코어를 가진 꼬인 멀티코어 섬유의 제2 예시적인 실시례를 나타내고 있다.
도 9는 6개의 코어 섬유를 이용하는 형상 감지 시스템의 모델 및 가정사항과는 독립적인 오차를 식별하고 온도를 보상하는 광주파수 영역 반사측정(OFDR)에 기초한 형상 감지 시스템의 제2 예시적인 실시례의 개략도를 나타내고 있다.
도 10은 제2 예시적인 실시례의 형상 감지 광섬유를 교정하는 흐름도이다.
도 11은 제2 예시적인 실시례의 형상 감지 시스템에서 오차를 감지하는 흐름도이다.
아래의 설명은 구체적인 상세한 내용, 예를 들면, 제한하기 위한 것이 아니라 설명을 위한 특정 실시례를 개시한다. 하지만, 당업자는 이러한 구체적인 상세한 내용 외에도 다른 실시례가 이용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 몇몇 예에서는, 불필요한 세부 사항으로 설명을 모호하게 하지 않기 위해서 잘 알려진 방법, 인터페이스, 회로, 그리고 장치의 상세한 설명이 생략되어 있다. 각각의 블록(block)이 다양한 노드(node)에 상응하여 도면에 나타내어져 있다. 상기 블록들의 기능은 각각의 하드웨어 회로를 이용하거나, 적절하게 프로그램된 디지털 마이크로프로세서 또는 범용 컴퓨터와 함께 소프트웨어 프로그램과 데이터를 이용하거나, 및/또는 응용 주문형 집적 회로(ASIC)를 이용하거나, 및/또는 하나 이상의 디지털 신호 프로세서(DSPs)를 이용하여 실행될 수 있다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다. 소프트웨어 프로그램 명령과 데이터는 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체에 저장될 수 있고, 상기 명령이 컴퓨터 또는 다른 적절한 프로세서 제어장치에 의해 실행되면, 상기 컴퓨터 또는 프로세서가 상기 명령과 관련된 기능을 수행한다.
따라서, 예를 들면, 본 명세서의 여러가지 그림이 예시적인 회로 또는 다른 기능 유닛의 개념 뷰(conceptual view)를 나타낼 수 있다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다. 마찬가지로, 임의의 흐름도, 상태 변환도(state transition diagram), 유사 부호(pseudocode) 등이 컴퓨터 판독가능 매체에 실질적으로 나타내질 수 있고, 컴퓨터 또는 프로세서가 명확하게 표시되어 있던지 그렇지 않던지 에, 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 실행될 수 있는 다양한 프로세스를 나타낸다는 것을 알 수 있을 것이다.
다양한 도시된 요소들의 기능은 회로 하드웨어와 같은 하드웨어 및/또는 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 코드화된 명령의 형태로 소프트웨어를 실행시킬 수 있는 하드웨어의 사용을 통하여 제공될 수 있다. 따라서, 상기와 같은 기능과 도시된 기능 블록은 하드웨어에 의해 실행되는 것 및/또는 컴퓨터에 의해 실행되는 것, 결과적으로, 기계에 의해 실행되는 것으로 이해하여야 한다.
하드웨어 구현의 면에서, 상기 기능 블록은 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 축소 명령 집합 프로세서(reduced instruction set processor), 비제한적인 예로서, 응용 주문형 집적 회로(ASIC) 및/또는 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(FPGA(s))를 포함하는 하드웨어(예를 들면, 디지털 또는 아날로그) 회로, 그리고 (적절한 경우) 상기 기능을 수행할 수 있는 상태 기계(state machine)를 제한없이 포함하거나 망라할 수 있다.
컴퓨터 구현의 면에서, 컴퓨터는 대체로 하나 이상의 프로세서 또는 하나 이상의 컨트롤러를 포함하는 것으로 이해되고, 컴퓨터, 프로세서, 그리고 컨트롤러라는 용어는 서로 교환하여 사용될 수 있다. 컴퓨터, 프로세서, 또는 컨트롤러가 제공할 경우, 그 기능은 단 하나의 전용 컴퓨터 또는 프로세서 또는 컨트롤러에 의해, 단 하나의 공용 컴퓨터 또는 프로세서 또는 컨트롤러에 의해, 또는 복수의 각각의 컴퓨터 또는 프로세서 또는 컨트롤러에 의해 제공될 수 있고, 상기 복수의 각각의 컴퓨터 또는 프로세서 또는 컨트롤러의 일부는 공용으로 사용되거나 전용으로 사용될 수 있다. 게다가, "프로세서" 또는 "컨트롤러"라는 용어는 또한 상기 기능을 수행할 수 있고 및/또는 소프트웨어를 실행시킬 수 있는 다른 하드웨어, 예를 들면, 상기한 예시적인 하드웨어를 지칭한다.
뽑거나(spun) 나선형으로 꼰 예시적인 멀티코어 섬유가 제한하기 위한 것이 아니라 예시의 목적으로 아래에 설명되어 있다. 아래에 설명되어 있는 원리는 다수의 주 코어와 하나 이상의 부차적인 코어(예를 들면, 여분의 또는 보조 코어)가 광섬유의 길이를 따라서 상이한 상대 위치를 가지고 있는 멀티코어 섬유에도 적용된다.
상기 섬유의 외측 코어가 나선형으로 감겨있기 때문에, 상기 외측 코어는 또한 상기 섬유에 가해진 비틀림의 결과로 변형을 겪는다. 상기 외측 코어는 나선형으로 감는 방향(direction)에 대한 비틀림의 배향(orientation)에 따라서 신장되거나 압축된다. 다시 말해서, 상기 외측 코어가 시계방항으로 나선형으로 감긴 상태에서 상기 섬유의 축을 내려다보면, 시계방향으로 가해진 비틀림으로 인해 상기 외측 코어가 압축된다. 반대로, 반시계방향으로 가한 비틀림은 상기 외측 코어를 신장시킨다(장력을 받게 한다). 하지만, 상기 중심 코어는 중립축을 따라서 배치되어 있기 때문에 비틀림의 결과로 변형을 겪지는 않는다. 따라서, 4-코어 섬유는 4-코어 섬유에 가해질 수 있는 3가지 다른 종류의 변형: 즉, 축방향으로 가해진 변형, 굽힘이 초래한 변형, 그리고 비틀림(twist) 또는 비틀기(torsion)의 결과로서의 변형의 각각을 각각 따로 결정할 수 있게 하기에 충분한 자유도를 가지고 있다. 4개의 코어로부터 나온 측정된 신호는 상기 섬유의 물리적인 상태를 나타내는 4개의 선형 독립 파라미터(linearly independent parameter)를 추출하는데 사용된다. 상기 4개의 파라미터는 공통 유형 변형(common mode strain), 피치 굽힘(pitch bending), 요 굽힘(yaw bending), 그리고 비틀림을 포함하고, 이들은 섬유에 부과될 수 있는 비교적 작은 힘 변화를 나타낸다.
상기 섬유의 끼임(pinching)은 상기 섬유의 다른 독자적인 변형(modification)이다. 끼임을 통하여 상당한 크기의 변화를 초래하기 위해서는 상기한 작은 힘에 비하여 상대적으로 큰 힘을 필요로 한다.
도 1은 멀티 코어를 가진, 형상 감지 섬유(1)를 가진 로봇 팔(2)을 나타내고 있다. 상기 로봇 팔(2)은 조인트(3)를 포함하고 있고, 상기 조인트(3)는 로봇 팔의 인접한 부재들을 조인트(3) 둘레로 서로에 대해서 회전할 수 있게 한다. 상기 로봇 팔의 부재들이 이동할 때, 도 1에서 확대된 그림 4에 도시되어 있는 것과 같이, 상기 섬유(1)가 조인트(3)에 끼일 수 있는 상황이 있을 수 있다. 섬유의 끼임은 형상 감지 결정에 오차를 유발시킨다. 다시 말해서, 섬유의 끼임은 공통 유형 변형, 피치 굽힘, 요 굽힘, 그리고 비틀림을 포함하는 4 자유도 모델에서 해명되지 않는 추가적인 힘이다.
도 2는 5개의 코어 a 내지 코어 e를 가진 꼬인 멀티코어 섬유인 감지 섬유(1)를 나타내고 있다. 코어 a는 중립축상에나 중립축 근처에 있고, 코어 b 내지 코어 e는 의도적으로 특정의 반경 거리만큼 중립축으로부터 벗어나 있다. 도 3과 관련하여 설명되어 있는 것과 같이, 모든 중립축으로부터 벗어난 코어에 대한 반경방향의 거리가 모두 동일하지는 않다.
도 3은 5개의 코어를 가진 나선형으로 꼬인 광섬유에 대한 변형에 대한 응답과 코어 배치를 수량화하기 위해서 사용될 수 있는 수학적 파라미터를 나타내고 있다. 주변 코어 b 내지 주변 코어 d는 멀티 코어 섬유의 중심으로 동일한 반경에 있고, 주변 코어 e는 주변 코어 b 내지 주변 코어 d의 반경과는 다른 반경에 있다. 이 예에서는, 보조 코어 e의 반경이 주변 코어 b 내지 주변 코어 d의 반경보다 짧지만, 코어 e의 반경이 코어 b 내지 코어 d의 반경보다 길 수 있다. 코어 b 내지 코어 d에 대한 반경 거리와 코어 e에 대한 반경 거리 사이의 차이는 미세한 차이보다는 더 크다. 예를 들면, 상기 차이를 코어 b 내지 코어 e의 모두에 대한 평균 반경 거리로 나눈 값은 0.10 이상이다. 달리 말하면, 상기 차이는 코어 b 내지 코어 e의 모두에 대한 평균 반경 거리의 10%이다. 보조 코어 e는 바람직하게는 코어 a 내지 코어 d와의 결합(coupling)을 줄이도록 상기 섬유에 배치되어 있다. 몇몇 실시례에서는, 상기 평균 반경 거리가 중간의 반경 거리(mean radius distance)이다.
예시적인 대체 실시례에서는, 보조적인 여분의 코어 e가 다른 주변 코어와 동일한 반경에 배치되어 있다. 상기 보조적인 여분의 코어가 여전히 데이터의 신뢰성을 점검하기 위해서 사용될 수 있지만, 이 배치형태는 중심 코어에 대한 오차를 감지하는 데에는 덜 효과적이다.
도 3은 또한 5개의 코어를 가진 나선형으로 꼬인 광섬유에 대한 변형에 대한 응답과 코어 배치를 수량화하기 위해서 사용될 수 있는 수학적 파라미터를 나타내고 있다. 수직축이 외측 코어 b를 통과하도록 수직축이 상기 멀티 코어 섬유의 중심을 통과하여 배치되어 있다 . 수직축에 의해 이등분되는 외측 코어 b를 "기준 코어"라고 한다. 몇 개의 파라미터가 이 코어 b에 대하여 표현될 것이며 본 명세서의 나머지 부분에서 지수(index) n=l로 식별된 코어는 하나의 예로서 기준 코어로서의 역할을 한다. 두 개의 파라미터: 즉, 섬유 중심으로부터 반경방향의 거리 r과, 기준 코어와 교차하는 특정된 수직축으로부터 측정된 임의의 각도(arbitrary angle) φ가 코어의 위치를 나타낸다. 상기 섬유가 굽혀짐에 따라, 주어진 코어에서 굽힘이 초래한 변형의 크기는 코어가 굽힘면(bend plane)으로부터 떨어져 있는 수직 거리 d에 정비례한다. 이것은 외측 코어 c, 지수 n=2에 대해서 도 3의 오른쪽에 도시되어 있다. 굽힘면이 각도 θ로 나타내어지면, 상기 섬유 내의 코어의 나선형 감김의 유형이 결정될 수 있다. 상기 섬유의 길이 방향의 거리에 따라, 상기 섬유의 스핀 주파수(spin frequency)에 의해 θ가 정해진다.
코어 변형 응답들이 재결합될 때 이들 파라미터가 상기 섬유의 변형 프로파일(strain profile)의 성분들에 어떻게 영향을 미치는지를 이해하는 것이 바람직하다. 도 3에 표시된 파라미터에 기초하여 수학적 모델이 정립된다. 이들 파라미터는 측정될 수 있기 때문에, 이들 파라미터는 멀티 코어 광섬유의 변형 프로파일의 보다 정확한 재결합(recombination)을 제공하는데 이용될 수 있다. 이들 파라미터는 특정의 멀티 코어 광섬유에 대해서 한 번만 측정될 필요가 있고 동일한 멀티 코어 광섬유의 일부 또는 모든 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 후속 측정값에 이용될 수 있다는 것을 주목할 필요가 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 멀티 코어 섬유에 가해진 변형은 세 가지 종류 또는 범주: 즉, 굽힘이 초래한 변형(B), 토크(torque)의 결과로서의 변형(R), 그리고 축방향으로 가해진 변형(A)로 나누어진다. 상기 섬유 내의 코어의 변형 응답은 멀티 코어 섬유에서의 코어의 위치에 기초하여 전체적으로 가해진 이들 변형의 한 성분을 지니고 있다. 상기 섬유를 따라 일정 거리에서의 코어의 변형 응답 ε는 아래의 식 (1):
...(1)
에 의해서 나타내어질 수 있다.
상기 식에서, n은 상기 섬유 내의 코어를 나타내고, z은 상기 섬유 길이에 따른 지수(index)를 나타내고, B는 상기 섬유의 굽힘으로 인해 상기 코어가 경험한 변형이고, R은 상기 섬유에 가해진 비틀림 또는 비틀기에 의해 상기 코어에 초래된 변형이고, 그리고 A는 상기 코어가 경험한 축방향의 변형을 나타낸다. 도 3에 확정된 모델 파라미터를 이용하여 코어의 위치에 관하여 식 (1)의 표현을 고쳐쓰는 것에 의해서 코어 배치에 있어서의 변화에 대한 보정이 이루어질 수 있다. 상기 섬유의 굽힘의 결과로 코어에 의해 감지된 굽힘 변형 B는 굽힘부의 곡률과 굽힘면(도 3에 도시되어 있음)까지의 코어의 접선방향의 거리 d에 비례하는 것으로
아래의 식 (2):
...(2)
로 표시될 수 있고,
상기 식에서 는 상수이고, K는 상기 섬유의 곡률이고, d는 굽힘면으로부터의 코어의 접선방향의 거리(tangential distance)를 나타낸다. 도 3의 모델로부터, 상기 접선방향의 거리 d는 코어의 위치에 관하여:
...(3)
으로 표현될 수 있고,
상기 식에서 r은 상기 섬유의 축으로부터의 반경방향의 거리이고, φ는 수직축으로부터 측정된 각도를 나타내고, 그리고 θ는 굽힘면과 수평축 사이의 각도의 측정값이다. 식 (2)와 식 (3)을 결합하면 아래의 식이 된다.
...(4)
이 식은 곡률항을 분배하여 2개의 별개의 성분으로 표현함으로써 아래의 식:
...(5)
으로 단순화될 수 있고,
상기 식에서 는 수평축에 대한 곡률(피치)이고 는 수직축에 대한 곡률(요)이다.
섬유에 가해진 중간 수준의 비틀림(예를 들면, 100도/미터(degrees/meter))에 대해서, 1차항(first order term)은 토크에 의해서 유발된 변형을 모델링하기 위해서 사용될 수 있다. 그러면 비틀림 변형 Rn(z)는 코어 위치에 관하여 아래의 식:
...(6)
으로 표현되고,
상기 식에서 β는 상수이고, 그리고 Φ는 단위 길이당 섬유의 비틀림량(롤(roll))이다. 1차적으로, 아래의 식:
...(7)
상기 식에서 는 상수이고,
E는 축방향의 변형을 나타냄
에 이르기 위해서 코어가 경험한 축방향의 변형(A)이 섬유 내의 모든 코어에 대해서 공통이고 코어의 위치에 의존하지 않는 것으로 가정할 수도 있다. 식 (1)을 코어 위치에 관하여 고쳐 쓰면 아래의 식:
...(8)
이 된다.
이 예시적인 섬유 실시례에서 4개의 코어로부터 측정된 변형 신호를 고려하면, 아래와 같은 행렬 관계식:
...(9)
을 생각할 수 있다.
식 (9)의 상기 표현은, 섬유 구조 변화에 따라, 상기 형상 감지 섬유 내의 각각의 독립적인 코어의 각각의 변형 신호를 재결합(recombination)하는 것과, 이 신호를 전체 멀티 코어 섬유 구조에 가해지는 변형으로 분류하는 것을 가능하게 한다. 코어의 변형 응답을 변형 프로파일의 성분에 관련시키는 식(expression)을 만들어내기 위해서 식 (9)로부터 많은 1차 결합(linear combination)이 도출될 수 있다.
4개의 파라미터인 -수평축에 대한 곡률(피치), -수직축에 대한 곡률(요), Φ-비틀림량(롤), 그리고 E-축방향의 변형만이 상기 섬유에 존재하는 현저한 변형이고, 네 개의 코어(4 코어)에서의 위상 변형(phase deformation)이 정확하게 측정되면, 상기 섬유의 추가적이거나 보조적인 또는 여분의 (제5) 코어의 위상이 상기 4개의 코어 측정값으로부터 계산될 수 있고 상기 섬유의 보조적인 또는 여분의 (제5) 코어에 대한 위상 측정값(phase measurement)과 비교될 수 있다. 보조적인 (제5) 코어에서 측정된 위상이 이 보조적인 (제5) 코어에 대해 다른 4개의 코어에 의해서 예측된 위상과 다르면, 두 가지 가능성이 있다: 즉, 모종의 오차가 있다는 것을 의미하는, 5개의 코어 중의 적어도 하나의 위상 변형 측정이 정확하지 않거나, 광학적 형상 감지 모델 또는 이것의 근본적인 전제가 불완전하다는 것을 의미하는, 상기한 4개의 파라미터 이외의 섬유의 물리적인 변형이 존재하는 것이다. 어느 경우에나, 현재의 측정에 결함이 있는 것으로 추정될 수 있고, 계산된 형상이 신뢰할 수 없고 잠재적인 위험성이 있는 것으로 간주될 수 있다.
이하에서는 변수 Δ로 나타내어진 상기 섬유의 보조적인 또는 여분의 (제5) 코어를 포함하는 아래의 식:
...(10)
을 고려한다.
행렬 M은 상기 물리적인 파라미터를 계산하기 위한 것이고 제5 코어에서 측정된 변형이 변수 Δ에 대해서 모델링된 변형으로부터 어느 정도 벗어나 있는지 계산하기 위한 것이다.
식 (9)는 4개보다 더 많은 코어를 포함하는 것으로 확장될 수 있다.
식 (11)은 5개의 코어의 예를 나타내고 있다.
...(11)
표기(notation)를 정리하기 위해서 변수들이 다음과 같이 바꾸어 표시된다:
...(11A)
상기 식(식 (11)과 식 (11A))의 행렬은 정방행렬이 아니기 때문에 가역행렬이 아니다. 식 (11A)는 두 개의 식: 즉
식 (9)의 재구성(reproduction) 형태인
...(12A)
과
...(12B)
으로 분해된다.
그 결과는 가역행렬이고 행렬 H로 표시되는 식 (11A)에서의 정방행렬이다:
...(13)
식(13)의 결과를 식 (12B)에 치환하는 것에 의해서 아래의 치환:
...(14)
이 이루어지고,
이것은 우리의 물리적 모델과 다른 4개의 코어에서 측정된 변형에 기초하여 제5 코어에서의 예측 변형을 계산하는 명확한 방법을 제공한다. 상기 식은
...(15)
를 정의하고
...(16)
로 표기하는 것에 의해서 대수식으로 바뀔 수 있다.
상기 오차는 상기 모델에 기초한 예측 변형인 와 제5 코어의 변형의 실제 측정값인 사이의 차이:
...(17)
이다.
식 (13)의 행렬 H의 성분(entry)이 hnm인 아래의 식:
...(18)
을 정의하면, 상기 물리적인 파라미터와 제5 코어에서의 변형이 상기 모델에 의해서 예측한 것과 얼마나 다른지를 나타내는 값인 Δ를 계산하기 위한 행렬:
...(19)
이 만들어지고,
여기에서, 원래 구하고자 했던 행렬인 M은 아래의 식:
...(20)
으로 주어지고, 상기 식에서 hnm은 식 (13)의 행렬 H의 성분이다. 형렬 H는 한 세트의 변형을 동일한 갯수의 물리적인 파라미터와 관련시키고, 행렬 M은 계산된 오차 파라미터를 포함하고 있다.
실질적인 예시적 실시례에서, 변형(E)과 오차(Δ)를 독자적으로 알아내기 위해서, 다른 3개의 파라미터(비틀림(Φ), 굽힘-x(Kx), 그리고 굽힘-y(Ky))가 결정되고, 이들 효과의 전부에 대해서 섬유가 교정(교정)된다.
상기 교정은 5개의 코어 전부에 대해서 코어의 지오메트리(반경과 각도)(도 3 참고)를 결정하는 것에 의해서 시작된다. 다른 장력하에서 상기 코어의 변형을 측정함으로써, 식 (11)의 파라미터 에 대한 값이 결정된다. 이러한 데이터 세트로부터, 5개의 코어에 대한 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 측정값으로부터 섬유 피치(pitch)(Kx), 요(yaw)(Ky), 비틀림(twist)(Φ), 변형(strain)(E), 그리고 오차(error)(Δ)를 계산하기 위해서 식 (11)의 행렬이 결정된다.
...(21)
상기 행렬이 4개의 작은 힘 자극(low-force stimuli)(여기에서 온도는 고려되지 않는다)을 식 (11)에서 정의된 5개의 코어의 변형 과 관련시킨다는 것을 명심하면, 상기 섬유는 하나의 평면에서 연속적으로 굽혀져서 놓여 있다. 상기 섬유가 일단 이런 배치형태에 놓이면, 다중 채널 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 시스템이 멀티 코어 광섬유 내의 각각의 코어의 분산된 변형 응답을 측정한다. 결과적으로 발생하는 변형 응답 신호는 통상적으로 외측 코어가 굽힘부를 지나서 진행할 때 외측 코어의 나선형 감김의 스핀 주파수와 일치하는 주파수로 압축과 신장을 번갈아서 나타낸다. 이 진동의 크기는 또한 상기 섬유의 길이를 따라서 서서히 바뀌어야 하는데, 그 이유는 이 진동의 크기가 상기한 루프의 굽힘 반경(bend radius)에 비례할 것이기 때문이다. 이러한 변형 응답은 이상적인 섬유 구조로부터의 변화를 수량화하는 파라미터의 추출을 위해 하나 이상의 데이터 프로세서로 제공된다.
코어 위치를 결정하기 위해서, 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 시스템에 의해서 제공된 실수값 변형 응답으로부터 진폭과 위상을 가진 복소수값 신호가 결정된다. 푸리에 변환은 나선형 감김의 스핀 주파수에서 측정된 산란 신호(scatter signal)를 필터링되게 해준다. 이 필터링된 신호의 역푸리에 변환은 복소수값 스핀 신호를 발생시킨다. 이 복소수값 스핀 신호의 진폭은 상기 섬유의 중립적인 중심축으로부터의 코어의 반경방향의 이격 거리에 비례한다. 상기 복소수값 스핀 신호의 위상 응답은 상기 섬유의 지오메트리(geometry) 내의 코어의 각위치(angular position)에 기초한다. 코어의 복소수값 스핀 신호를 기준 코어의 상기 스핀 신호와 비교하는 것에 의해 기준 코어에 대한 상기 코어의 위치를 결정한다. 따라서, 모든 각위치는 코어의 스핀 신호와 기준 코어의 스핀 신호 사이의 복소수 지수(complex quotient)의 인수(argument)를 추출하는 것에 의해서 기준 코어를 이등분하는 수직축에 대하여 알려질 수 있다. 상기 진폭을 추출하는 것은 기준 코어에 대한 상기 코어의 반경방향의 이격 거리의 비율 측정값을 제공한다.
이것으로부터, 아래의 행렬이 채워지고(populated), 여기에서 나선형 면내 배치형태(spiral in-plane configuration)(X와 Y)에서의 상기 섬유의 굽힘 진폭(bend amplitude)이 여전히 알려져 있지 않기 때문에 굽힘 응답(bend response)의 크기는 여전히 미지의 값이다.
...(22)
상기 섬유의 형상을 변화시키지 않고 상기 섬유에 비틀림이 가해진다. 이것으로부터 비틀림에 대한 각각의 코어의 응답(R)만이 결정될 수 있다.
...(23)
상기 섬유를 알려진 굽힘상태로 만드는 것에 의해 굽힘 계수(bend coefficient)(B)에 대한 알려진 진폭을 제공한다.
...(24)
상기 섬유를 직선 장력(straight line tension)(G)을 받게 하면 상기 장력(G)에 대한 각각의 코어의 응답을 결정할 수 있다.
...(25)
이 행렬을 이용하여, 상기한 것과 같이 행렬 M을 알아낼 수 있다.
도 4는 5개의 코어 섬유를 이용하는 형상 감지 시스템의 모델 및 가정사항과는 관계없이 오차를 식별하는 광주파수 영역 반사측정(OFDR)에 기초한 형상 감지 시스템의 제1 예시적인 실시례의 개략도를 나타내고 있다.
광주파수 영역 반사측정(OFDR)에 기초한 분산된 변형 감지 시스템은 광원(11), 간섭측정 인터로게이터(interferometric interrogator)(15), 레이저 모니터 네트워크(12), 멀티코어 형상 감지 섬유인 감지 광섬유(17), 수집 전자장치(18), 그리고 데이터 프로세서(20)를 포함하고 있다. 하나의 채널은 하나의 섬유 코어에 대응한다. 광주파수 영역 반사측정법(OFDR)으로 측정하는 동안, 조정가능한 광원(11)이 일정 범위의 광주파수를 통과하게 된다. 이 광은 광결합기의 사용에 의해 분할되어 별개의 간섭계로 보내진다. 레이저 모니터 네트워크(12)는 측정 주사(measurement scan) 전체에 걸쳐서 절대 파장 기준(absolute wavelength reference)을 제공하는 시안화수소(HCN) 기체 전지를 포함하고 있다. 레이저 모니터 네트워크(12) 내의 간섭계는 광원이 일정 주파수 범위를 통과할 때 조정률(tuning rate)의 변동을 측정하기 위해서 사용된다.
간섭측정 인터로게이터(15)는 멀티코어 형상 감지 섬유인 기다란 감지 섬유(17)의 각각의 코어에 연결되어 있다. 광은 상기 감지 섬유(17)의 5개의 코어 도파관 A, B, C, D 및 E에 상응하는 대체로 부재번호 15로 표시된 5개의 간섭측정 인터로게이터의 측정 아암을 통하여 상기 감지 섬유(17)로 들어간다. 상기 감지 섬유(17)의 각각의 코어로부터의 산란광은 상응하는 간섭측정 인터로게이터(15)의 기준 아암을 따라서 이동한 광과 간섭한다. 비록 코어라는 용어를 사용하고 있지만, 그 기술은 뽑은 섬유(spun fiber)에 사용될 수 있는 다른 종류의 도파관에 적용된다. 간섭측정 인터로게이터를 멀티 코어 섬유의 도파관과 각각 짝을 지은 것을 수집 채널이라고 한다. 조정가능한 광원(11)이 통과할 때, 각각의 채널이 동시에 측정되고, 각각의 채널로부터 나오는 결과적으로 발생하는 간섭 패턴은 추가적인 간섭측정 인터로게이터(15)용으로 맞추어진 데이터 수집 전자장치(18)로 보내진다. 각각의 채널은 독자적으로 그리고 동일하게 처리된다.
일련의 광 검출기(예를 들면, 포토다이오드)가 상기 감지 섬유로부터의 각각의 코어로부터 간섭 패턴, 기체 전지, 그리고 레이저 모니터 네트워크로부터의 광신호를 전기적인 신호로 전환시킨다. 상기 감지 섬유(16)의 감지된 간섭 패턴이 광 주파수에서의 증분 상수(increments constant)를 가지도록 상기 감지 섬유(16)의 감지된 간섭 패턴을 리샘플링(resampling)하기 위해서 데이터 수집 전자장치(18)의 하나 이상의 데이터 프로세서가 레이저 모니터 네트워크(12)로부터의 정보를 이용한다. 이 단계는 푸리에 변환 연산의 수학적 필요조건이다. 일단 리샘플링되면, 템포럴 도메인(temporal domain)에서 광산란 신호를 만들어내기 위해서 시스템 컨트롤러 데이터 프로세서(20)에 의해 푸리에 변환이 실행된다. 템포럴 도메인에서는, 광산란 이벤트(light scattering event)의 진폭이 상기 섬유의 길이를 따라서 지연(delay)에 대해 도시되어 있다. 광이 시간의 주어진 증분 내에 이동하는 거리를 이용하면, 상기 지연이 상기 감지 섬유를 따라서 뻗은 길이로 전환될 수 있다. 다시 말해서, 광산란 신호는 각각의 산란 이벤트를 상기 섬유를 따라서 뻗은 거리의 함수로 표시한다. 샘플링 주기(sampling period)는 공간 해상도(spatial resolution)라고 하고 조정가능한 광원(10)이 상기 측정 동안 통과한 주파수 범위에 반비례한다.
상기 섬유가 변형될 때, 섬유의 물리적인 길이가 달라짐에 따라 국소적인 광 산란이 변화한다. 이러한 왜곡(distortion)은 고도로 반복가능하다. 따라서, 상기 섬유에 대해 감지된 광 산란의 광주파수 영역 반사측정(OFDR)의 측정값은 변형되지 않은 상태의 상기 섬유의 기준 패턴으로 기능하도록 메모리에 저장될 수 있다. 상기 감지 섬유의 길이를 따라서 국소적인 산란의 지연에 있어서의 변화의 양을 얻기 위해서 상기 섬유가 변형중일 때 계속하여 측정된 산란 신호는 시스템 컨트롤러 데이터 프로세서(20)에 의해 상기 기준 패턴과 비교될 수 있다. 이러한 지연에 있어서의 변화는 기준 산란 패턴에 대해 비교할 때 연속적이고 서서히 변하는 광 위상 신호로 나타난다. 이 광 위상 신호의 도함수(derivative)는 감지 코어의 물리적인 길이의 변화에 정비례한다. 물리적인 길이의 변화는 변형에 대해 조정될 수 있고 이것에 의해 상기 감지 섬유를 따라서 변형의 연속적인 측정값을 얻는다.
시스템 컨트롤러 데이터 프로세서(20)에 결합된 데이터 프로세서(22)는 실제 광 코어 배치형태와 최적의 광 코어 배치형태 사이의 차이를 해명하기 위해서 광주파수 영역 반사측정(OFDR)의 측정값을 보정하거나 보상하는데 사용되는 섬유(17)의 코어 a, 코어 b, 코어 c, 코어 d 및 코어 e의 실제 물리적인 배치형태에 관한 파라미터(24)를 추출한다. 위에서 상세하게 설명한 수학적 모델은 먼저 최적의 멀티 코어 섬유 배치형태로부터의 차이를 나타내는 파라미터를 묘사하도록 확정되고, 여기에서 "최적" 이라는 표현은 알려진 배치형태와 알려지지 않은 배치형태를 포함한다. 파라미터들은 멀티 코어 섬유 내의 광 코어의 물리적인 특성의 차이를 보상하도록 정의된다.
도 5는 5개의 코어를 가진 형상 감지 광섬유를 교정하는 흐름도이다. 처음에는, 상기 멀티코어 섬유가 직선의 변형되지 않은 배치형태로 놓여 있고, 상기한 것과 같이 광주파수 영역 반사측정(OFDR)이 실행되고(단계 S1), 결과적으로 발생되는 기준 상태 파라미터가 저장된다(단계 S2). 상기 멀티코어 섬유는 평면, 나선 형상(예를 들면, 나사) 등과 같은 알려진 배치형태로 배치되어 있다. 비제한적인 예로서, 상기 섬유의 코어들 사이의 상대적인 지오메트리(geometry)를 계산하기 위해서(단계 S4) 상기 멀티코어 섬유는 평면에 배치되어 있다(단계 S3). 이 배치형태에서 비틀림이 가해지고(단계 S5), 비틀림 응답이 결정된다(단계 S6). 그 다음에 상기 섬유는 알려진 굽힘 위치로 배치되고(단계 S7), 코어 지오메트리의 진폭값(amplitude value)을 제공하도록 굽힘 이득(bend gain)이 계산된다(단계 S8). 상기 섬유는 장력하에 놓이고(단계 S9), 각각의 코어에 대해 장력 응답이 계산된다(단계 S10). 그 다음에 굽힘, 변형, 그리고 비틀림에 대한 5개의 코어의 응답을 기술하는, 상기의 식 (25)에서 행렬을 채우는데 필요한 값을 얻을 수 있고(단계 S11), 상기 행렬은 식 (15) 내지 식 (20)에서 상기한 단계들을 이용하여 계산될 수 있다. 그 다음에 오차항인 Δ가 상기 형상 감지 섬유를 이용하는 형상 감지 사용예에서 끼임(pinch), 전자장치의 오차 등과 같은 하나 이상의 오차를 검출하기 위해서 사용될 수 있다.
도 6은 제1 예시적인 실시례에 따른 4개의 주 코어와 1개의 보조 코어를 가지는 교정된 형상 감지 섬유(calibrated shape sensing fiber)를 이용하는 형상 감지 시스템에서 오차를 검출하기 위해 시스템 컨트롤러에 의해 수행되는 흐름도이다. 처음에는, 상기 교정된 형상 감지 섬유가 형상 감지에 필요한 대로 배치되어 있고, 5개의 코어(4개의 주 코어와 1개의 2차 코어(보조 코어 또는 여분의 코어라고도 함))의 각각에 대해서 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 산란 측정값이 얻어진다(단계 S20). 데이터 프로세서(22)는 이 섬유에 대한 각각의 대응하는 코어에 대해 교정된 기준 산란 패턴과 비교하여 상기 산란 측정값으로부터 결정된 각각의 코어에 대한 광 위상 신호를 추적한다(단계 S21). 상기 광 위상 신호의 각각은 상기 감지 섬유의 각각의 코어의 길이를 따라서 국소적인 산란의 지연에 있어서의 변화량이다. 이 광 위상 신호의 도함수(derivative)가 4개의 주 코어의 각각에 대해서 계산되고(단계 S22), 이것은 각각의 코어의 물리적인 길이의 변화에 정비례한다. 가해진 굽힘, 변형, 그리고 비틀림을 결정하기 위해서 4개의 위상 도함수(phase derivative)의 각각에 식 (20)의 변환 행렬 M이 곱해지고, 그 다음에 보조 코어의 예측된 위상 도함수와 보조 코어의 측정된 위상 도함수의 양을 얻기 위해서 제5 코어를 기술하는 파라미터가 이용된다(단계 S23).
보조 코어의 예측량과 보조 코어의 실제량 사이의 차이가 미리 정해진 양(한 가지 비제한적인 예의 양은 0.5 라디안(radian)일 수 있다)보다 더 크게 다르면, 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 형상 감지 측정값이 신뢰할 수 없는 것으로 표시되거나 및/또는 하나 이상의 다음의 조치: 즉, 표시하기 위한 고장 신호를 발생시키기, 형상 감지 섬유와 결합된 시스템 또는 기계의 작동을 정지시키기, 경고 신호를 발생시키기 및/또는 몇 가지 다른 예방 또는 보호 조치를 취하기가 취해지거나 개시된다(단계 S26).
제2 예시적인 실시례
온도는 상기 코어의 겉보기 길이를 변화시킬 수도 있고 상기 시스템에서 제5 자유도에 해당한다. 많은 형상 감지 시스템이 상기 섬유의 길이를 따라서 발생하는 온도 변화와 상기 섬유의 길이를 따라서 발생하는 축방향의 변형의 변화를 구별하지 않는다.
형상 감지 광섬유의 온도에 대한 응답과 변형에 있어서의 차이에 의해 부과된 오차를 완화시키거나 보상하는 형상 감지 시스템을 이하에서 기술한다. 다시 말해서, 제2 예시적인 실시례의 형상 감지 모델은 형상 감지 계산결과에 있어서의 온도의 영향을 명확하게 처리하고 보상한다. 이에 반해서, 제1 예시적인 실시례는 그렇지 않았는데, 이것은 제1 실시례에서의 형상 감지 결정에 대한 임의의 온도 영향이 상기한 오차 계산의 일부분으로 검출된다는 것을 의미한다.
하지만, 이 제2 예시적인 실시례에서, 제5 코어는 꼬인 멀티코어 광섬유의 다른 4개의 주 코어와는 상이한 온도 의존성을 가지는 5개의 주 코어 중의 하나로서 포함되어 있다. 추가적으로, 제6 보조 코어가 추가된다. 아래의 설명 중의 많은 부분이 이들 5개의 코어의 예와 6개의 코어의 예와 관련되어 있지만, 제1 실시례와 제2 실시례에 설명되어 있는 원리는 상이한 갯수의 코어를 가진 꼬인 멀티코어 섬유에 적용된다는 것을 알아야 한다. 온도 감지 코어 또는 보조 코어는 바람직하게는 코어들 사이의 결합(coupling)을 감소시키거나 최소화하도록 상기 섬유에 배치되어 있다.
하나의 예시적인 실시례에서, 제5 주 코어는 다른 4개의 주 코어의 굴절률과는 상이한 굴절률을 가지는 것에 의해서 상이한 열 의존성을 가진다. 상이한 굴절률을 달성하는 예시적인 방법은 제5 주 코어가 상이한 재료로 이루어지는 것 및/또는 상이하게 도핑(doping)되는 것을 포함한다. 상이한 온도 의존성을 달성하기 위해서, 예를 들면, 제5 주 코어를 다른 4개의 주 코어와는 상이한 반경에 배치시키는 것(상기 섬유의 중심에 더 가깝게 또는 상기 섬유의 중심으로부터 더 멀리 배치시키는 것), 제5 주 코어에 상이한 지오메트리를 제공하는 것(다른 코어보다 더 크게 또는 더 작게 만드는 것) 등과 같은 다른 방법도 가능하다.
상기 주 코어들 중의 4개는 게르마늄으로 도핑될 수 있고, 제5 주 코어는 붕소와 게르마늄으로 코도핑(co-doping)될 수 있다. 붕소 도핑은 편광유지 광섬유(polarization maintaining optical fiber)에 열응력을 유발시키고, 결과적으로, 붕소 함유 코어의 열 응답이 전형적인 게르마늄-도핑 섬유에 비하여 상이한 열 의존성을 가진다. 멀티코어 섬유에서 전형적으로 도핑된 섬유에 비하여 상이한 열 의존성을 초래하기 위해서 다른 도펀트(dopant)가 사용될 수 있지만, 코도핑도 전형적인 게르마늄-도핑 섬유에 비하여 보다 감광성이 좋은 안내 코어(more photo-sensitive guiding core)를 형성하기 때문에 예시적인 실시례에서 게르마늄과 함께 코도펀트(co-dopant)로서 붕소도 사용된다. 게다가, 붕소는 더욱 실용적인 장점을 제공하는 비교적 일반적인 광섬유용 도펀트이다.
도 7은 붕소-게르마늄 코도핑된 코어와 게르마늄 도핑된 코어에 대한 굴절률 대 온도의 그래프를 나타내고 있다. 온도가 증가함에 따라, 붕소-게르마늄 코도핑된 코어에 대한 굴절률이 전형적인 게르마늄-도핑된 코어에 대한 굴절률과는 상이한(더 높은) 비율로 증가한다. 제5 주 코어는 온도 변화에 상이하게 반응하고, 그 결과, 온도를 보상하기 위해서 사용되는 정보의 추가적인 선형 독립 소스(linearly-independent source)를 제공한다.
멀티 코어 광섬유의 구조의 차이로 인해 상기 섬유 위치 및/또는 형상 -그리고 보다 일반적으로는 변형-의 결정에 있어서 오차 및/또는 불확실성이 발생한다. 제1 종류의 차이는 코어 배치이다. 이 차이는 특정 코어의 반경방향의 거리와 각위치를 계획적인 또는 원하는 이상적인 값과 다르게 하거나 단순히 알려지지 않게 한다. 차이들이 수량화될 수 있도록 멀티 코어 섬유의 단면에 대하여 코어의 위치를 나타내는 수학적 모델이 만들어진다.
유리는 비교적 단단한 물질이기 때문에, 상기 멀티 코어 섬유가 변형될 때 상기 멀티 코어 섬유의 단면의 지오메트리가 보존된다고 가정할 수 있다. 이것은 상기 섬유가 변형될 때 주어진 단면 내에서의 코어의 상대적인 위치가 일정하게 유지되는 것을 보장한다. 이것은 상기 섬유가 변형될 수 있고 코어 배치에 있어서 이상적인 배치형태로부터의 차이를 정확하게 결정하기 위해서 여전히 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 6개의 코어(a-f)를 가진 섬유에 대한 코어 배치에 있어서의 차이를 설명하는 코어 위치 모델이 도 8에 도시되어 있다. 보조적인 또는 여분의 코어는 도 8에서 f로 표시되어 있고, 주변 코어 b 내지 주변 코어 e에 대한 반경 거리와 주변 코어 f에 대한 반경 거리 사이의 차이가 미세한 차이보다는 더 크다. 예를 들어, 상기 차이를 주변 코어 b 내지 주변 코어 f의 모두에 대한 평균 반경 거리로 나누면 0.10 이상이다. 달리 말하면, 상기 차이는 주변 코어 b 내지 주변 코어 f의 모두에 대한 평균 반경 거리의 10%이다. 도 3에서와 같이, 보조적인 또는 여분의 코어 f는 대체형태로서 주변 코어 b 내지 주변 코어 e보다 훨씬 더 긴 반경을 가질 수 있고, 이 경우 다시 반경방향의 거리 차이가 코어 b 내지 코어 f의 모두에 대한 평균 반경 거리의 10%이다. 몇몇 실시례에서는, 상기 평균 반경 거리가 중간의 반경 거리이다.
예시적인 대체 실시례에서는, 보조적인 여분의 코어 f가 다른 주변 코어와 동일한 반경에 배치되어 있다. 상기 보조적인 여분의 코어가 여전히 데이터의 신뢰성을 점검하기 위해서 사용될 수 있지만, 이 배치형태는 중심 코어에 대한 오차를 감지하는 데에는 덜 효과적이다.
제1 실시례에서 위에서 이미 제공된 식에 따라, 온도가 독립 변수로 될 수 있으면, 제6 코어를 추가하는 것에 의해 시작식(starting equation)을 이 식:
...(26)
으로부터
이 식:
...(27)
으로 바꾼다.
위 식에서 마지막 행(row)을 뽑아내면 상기 섬유의 물리적인 상태(굽힘, 비틀림, 변형 및 온도)에 의해 예측된, 제6 코어의 변형에 대한 식, 을 얻는다:
...(28)
이 물리적인 파라미터 모두가 다른 5개의 코어로부터 결정될 수 있다:
...(29)
치환을 이용하여 아래의 식:
...(30)
을 얻고, 이것은 제6 코어의 변형의 예측값에 대한 폐쇄형 솔루션(closed form solution)이다. 이것은 행 연산(row operation):
...(31)
로 변형되어서 제6 코어에 대한 예측된 변형의 대수식:
...(32)
을 얻는다.
예측된 변형으로부터 측정된 변형 을 빼면 오차항 Δ:
...(33)
을 얻는다.
상기 물리적인 파라미터의 역행렬이 계산되고 아래의 행렬:
...(34)
로 표현된다.
상기 물리적인 파라미터의 전부뿐만 아니라 측정된 변형이 상기 모델과 얼마나 잘 부합하는지를 나타내는 양인 새로운 파라미터 Δ의 계산을 위해서 아래의 간결한 식:
...(35)
이 마련되어 있다.
제2 실시례의 실질적인 예에 있어서, 변형(E)과 온도(T)를 독립적으로 알아내기 위해서, 다른 3개의 파라미터(비틀림(Φ), 굽힘-x(Kx), 그리고 굽힘-y(Ky))가 결정되고, 이러한 효과의 모두에 대해서 상기 섬유가 교정된다.
상기 교정은 5개의 코어 전부에 대해서 코어 지오메트리(반경과 각도)(도 8 참고)를 결정한 다음, 상기 섬유를 관 노(tube furnace) 또는 다른 적절한 온도 제어 환경 내에 매다는 것에 의해서 시작된다. 상이한 온도와 상이한 변형에서 상기 코어의 변형을 측정하는 것에 의해서, 식 (27)에 대한 파라미터 Gn과 Tn이 결정된다. 6개의 코어를 가진 감지 광섬유는 장력하의 상기 섬유에 의한 추가적인 데이터 세트, 가열된 상기 섬유에 의한 하나 이상의 데이터 세트에 의해 교정된다. 이러한 데이터 세트로부터, 5개의 코어에 대한 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 측정값으로부터 섬유 피치(pitch)(Kx), 요(yaw)(Ky), 비틀림(Φ), 변형(strain)(E), 그리고 온도(T)를 계산하기 위해서 식 (29)의 행렬이 결정된다.
...(36)
상기 교정 절차와 식은 제1 실시례에서 사용된 것과 유사하고 온도에 대한 추가적인 교정을 가진 형태이다. 상기 섬유의 온도를 높이는 것에 의해 각각의 코어의 온도 응답(T)의 결정을 할 수 있다.
...(37)
이것은 피치, 요, 비틀림, 장력, 그리고 온도의 총선형 효과(aggregate linear effect)에 대한 각각의 코어 응답에 관한 행렬을 완성시킨다. 이 행렬은 오차항과 상기한 것과 같은 물리적인 파라미터의 모두를 계산하기 위해서 사용된다.
도 9는 온도를 보상하고 6개의 코어 섬유를 이용하는 형상 감지 시스템의 모델과 가정사항으로부터 독립적인 오차를 식별하는 광주파수 영역 반사측정(OFDR)에 기초한 형상 감지 시스템의 제2 예시적인 실시례의 개략도를 나타내고 있다. 도 9는 도 4와 유사하고 상기 섬유(17)의 6개의 코어(a-f)에 부응하는 처리와 광학적 특징을 추가하고 있다.
간섭측정 인터로게이터(15)가 기다란 감지 섬유(17)의 각각의 코어에 각각 연결되어 있다. 광은 상기 감지 섬유(17)의 6개의 코어 도파관(a, b, c, d, e, f)에 상응하는 대체로 부재번호 15로 표시된 5개의 간섭측정 인터로게이터의 측정 아암을 통하여 상기 감지 섬유(17)로 들어간다. 상기 감지 섬유(17)의 각각의 코어로부터 나오는 산란광은 상응하는 간섭측정 인터로게이터(15)의 기준 아암을 따라서 이동한 광과 간섭한다. 조정가능한 광원(10)이 통과할 때, 각각의 채널이 동시에 측정되고, 각각의 채널로부터 나오는 결과적으로 발생하는 간섭 패턴은 추가적인 간섭측정 인터로게이터(15)용으로 맞추어진 데이터 수집 전자장치(18)로 보내진다. 각각의 채널은 상기한 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 절차를 이용하고 또한 온도 감지 및 오차 검출 코어를 처리하여 독자적으로 그리고 동일하게 처리된다.
도 10은 6개의 코어를 가진 형상 감지 광섬유를 교정하는 흐름도이다. 단계 S1 내지 단계 S11은 도 5에 대한 단계들과 동일하다. 추가적으로, 상기 섬유가 온도 제어 환경에서 증가된 온도에 노출되고(단계 S12), 온도 응답이 각각의 코어에 대해서 계산된다(단계 S13). 그 다음에 상기의 식 (37)의 행렬을 채우는데 필요한 값을 얻을 수 있고(단계 S11), 상기 행렬 M이 계산될 수 있고(식 (3l) 내지 식 (35)) 상기 형상 감지 섬유를 이용하는 형상 감지 사용예에서 온도를 보상하고 임의의 오차를 검출하기 위해 사용될 수 있다.
도 11은 제2 예시적인 실시례의 형상 감지 시스템에서 오차를 검출하는 흐름도이다. 처음에는, 교정된 형상 감지 섬유가 형상 감지에 필요한 대로 배치되어 있고, 6개의 코어의 각각에 대해서 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 산란 측정값이 얻어진다(단계 S30). 데이터 프로세서(22)는 이 섬유에 대한 각각의 대응하는 코어에 대해 교정된 기준 산란 패턴과 비교하여 상기 산란 측정값으로부터 결정된 각각의 코어에 대한 광 위상 신호를 추적한다(단계 S31). 상기 광 위상 신호의 각각은 상기 감지 섬유의 각각의 코어의 길이를 따라서 국소적인 산란의 지연에 있어서의 변화량이다. 이 광 위상 신호의 도함수(derivative)가 5개의 주 코어의 각각에 대해서 계산되고(단계 S32), 이것은 각각의 코어의 물리적인 길이의 변화에 정비례한다. 가해진 굽힘, 비틀림, 변형, 그리고 오차항(error term)을 계산하기 위해서 6개의 위상 도함수(phase derivative)의 각각에 상기 행렬 M이 곱해진다. 이 오차항이 특정 크기를 초과하면, 광주파수 영역 반사측정(OFDR) 형상 감지 측정값이 신뢰할 수 없는 것으로 표시되거나 및/또는 하나 이상의 다음의 조치: 즉, 표시하기 위한 고장 신호를 발생시키기, 형상 감지 섬유와 결합된 시스템 또는 기계의 작동을 정지시키기, 경고 신호를 발생시키기 및/또는 몇 가지 다른 예방 또는 보호 조치를 취하기가 취해지거나 개시된다(단계 S36).
새로운 감지된 파라미터가 제2 예시적인 실시례에서 온도 감지가 추가되었던 것과 동일한 방식으로 추가되면, 여분의 코어는 용장성(redundancy)을 위한 것이다. 한 개보다 많은 여분의 코어의 추가는 상기한 접근방법을 이용하여 쉽게 수용되고 형상 감지 측정값의 신뢰성과 완전성의 추가적인 확실성을 제공한다.
본 명세서에서 특정 사항이 "몇몇 실시례", "다양한 실시례", "특정 실시례", "특정의 예시적인 실시례", "몇몇 예시적인 실시례", "하나의 예시적인 실시례"에 있다고 기술되어 있는 경우에는 언제나, 또는 임의의 다른 유사한 표현이 사용되어 있는 경우에는 언제나, 상기 특정 항목이 반드시 모든 실시례에 존재하지는 않더라도, 상기 특정 항목이 적어도 하나의 실시례에 존재하는 것으로 이해하여야 한다. 상기 내용과 일관되게, 본 명세서에서 어떤 조치가 실행될 수 있다거나, 어떤 특징, 요소 또는 구성요소가 특정 상황에 포함될 수 있다거나 적용될 수 있다거나, 특정 사항이 특정 속성을 가질 수 있다고 기술되어 있는 경우에는 언제나, 또는 "할 수 있다" 또는 "가능하다"는 표현을 포함하는 임의의 유사한 구절(phrase)이 사용되어 있는 경우에는 언제나, 상기 특정 조치, 특징, 요소, 구성요소, 속성 등이 반드시 모든 실시례에 존재하지는 않더라도, 적어도 하나의 실시례에 존재하는 것으로 이해하여야 한다. 본 명세서에 사용된 용어와 구절, 그리고 이들의 변형형태는, 명확하게 달리 언급되어 있지 않으면, 제한적이기보다는 확장가능한 것으로 해석하여야 한다. 상기한 내용의 예로서: "및/또는"은 열거된 관련 항목의 하나 이상의 임의의 모든 조합을 포함한다(예를 들면, a 및/또는 b는 a, b, 또는 a 와 b를 의미한다); 단수 형태 "하나의", "한" 그리고 "상기 하나의"는 "적어도 하나", "하나 이상" 등을 의미하는 것으로 해석하여야 한다; "예시적인"이라는 표현은, 하나도 빠뜨리는 것 없이 완전한 것이거나 제한적인 것이 아니고, 논의중인 주제의 예를 제공하기 위해서 사용된다; "...으로 이루어져 있다"는 표현과 "...을 포함한다"는 표현(그리고 이러한 표현의 다른 활용형태와 변형형태)은 열거된 관련 항목의 존재를 명시하지만 하나 이상의 다른 항목의 존재나 추가를 배제하는 것은 아니다; 그리고 어떤 사항이 "선택적인"것으로 기술되어 있는 경우, 이 설명은 다른 사항들은 선택적인 것이 아니라는 것을 나타내는 것으로 이해하여서는 안된다.
본 명세서에 사용되어 있는 것과 같이, "비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체"라는 용어는 레지스터, 캐시 메모리, ROM, 반도체 메모리 장치(예를 들면, D-RAM, S-RAM, 또는 다른 RAM), 플래시 메모리와 같은 자기 매체, 하드 디스크, 광 자기 매체, CD-ROM, DVD, 또는 블루레이 디스트(Blu-Ray Disc)와 같은 광매체, 또는 비일시적 전자 데이터 저장용 다른 종류의 장치를 포함한다. "비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체"라는 용어는 일시적인 전파하는 전자기 신호를 포함하지 않는다.
비록 다양한 실시례들이 도시되어 있고 상세하게 기술되어 있지만, 청구범위는 임의의 특정 실시례 또는 예로 제한되지 않는다. 본 발명의 기술은 당업자에게 자명하게 될 수 있는 다른 실시례를 완전히 포함한다. 상기한 설명 중의 어느 것도 임의의 특정 요소, 단계, 범위, 또는 기능이 청구범위에 포함되어야 하도록 필수적인 것이라는 것을 암시하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 특징적인 대상의 범위는 청구범위에 의해서만 한정된다. 법적 보호 범위는 청구범위에 기재된 내용과 그것의 균등물에 의해서 한정된다. 당업자에게 알려져 있는 상기한 바람직한 실시례의 요소들에 대한 모든 구조적 및 기능적인 균등물은 인용에 의해 본 명세서에 명확하게 포함되어 있고 본 발명의 청구범위에 포함되는 것으로 생각된다. 게다가, 본 발명의 청구범위에 포함될, 상기한 기술에 의해 해결되도록 된 모든 문제를 장치나 방법이 처리할 필요는 없다. "...를 위한 수단" 또는 "...를 위한 단계"라는 표현이 사용되어 있지 않으면 미국 특허법의 명세서에 관한 조항인 35 USC § 112의 6항을 적용할 청구항은 없다. 게다가, 본 설명의 어떠한 실시례, 특징, 구성요소, 또는 단계도 상기 실시례, 특징, 구성요소, 또는 단계가 청구범위에 기재되어 있는지 여부와 관계없이 공공에 바쳐질 것으로 의도되지 않았다.

Claims (20)

  1. 다수의 주 코어와 하나의 보조 코어를 포함하는 광학 형상 센서를 측정하기 위한 간섭 측정 시스템이며,
    보조 코어와 다수의 주 코어 각각과 관련된 간섭 측정 패턴 데이터를 감지하도록 구성된 간섭 감지 회로와,
    데이터 처리 회로를 포함하고,
    데이터 처리 회로는,
    다수의 주 코어에 대해 감지된 간섭 측정 패턴 데이터에 기초하여 광학 형상 센서의 형상을 결정하고,
    다수의 주 코어와 보조 코어에 대해 감지된 간섭 측정 패턴 데이터에 기초하여, 보조 코어의 예측된 위상 또는 변형값과 보조 코어의 측정에 기초한 위상 또는 변형값의 차이를 결정하며,
    차이를 기초로, 결정된 광학 형상 센서의 형상에 관련된 오차를 감지하도록 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 광학 형상 센서를 더 포함하며, 광학 형상 센서는 다수의 주 코어와 보조 코어를 포함하는 멀티코어 광섬유를 포함하는, 간섭 측정 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 데이터 처리 회로는, 차이가 미리 결정된 정도를 초과한다고 결정함으로써 오차를 감지하도록 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 데이터 처리 회로는, 오차에 대응하여 예방 조치를 발생시키도록 더 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 데이터 처리 회로는 오차를 기초로,
    광학 형상 센서의 결정된 형상을 비신뢰로 표시되는 단계;
    표시를 위하여 고장 신호를 발생시키는 단계;
    경고 신호를 발생시키는 단계;
    간섭 측정 시스템의 작동을 정지시키는 단계; 또는
    광학 형상 센서와 관련된 기계의 작동을 정지시키는 단계;로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 단계를 수행하도록 더 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 처리 회로는 오차를 기초로 간섭 측정 시스템에서의 전자적 또는 광학적 오차를 결정하도록 더 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 처리 회로는 교정 측정을 기초로 다수의 주 코어 및 보조 코어의 실제 물리적 구성에 관련된 파라미터를 추출하도록 더 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 처리 회로는 다수의 주 코어와 동일한 수의 다수의 파라미터를 결정함으로써 광학 형상 센서의 형상을 결정하도록 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 다수의 파라미터는 광학 형상 센서의 피치(pitch) 굽힘, 요(yaw) 굽힘, 비틀림(twist), 공통 유형 변형(common mode strain) 및 온도로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 파라미터를 포함하는, 간섭 측정 시스템.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 처리 회로는,
    다수의 주 코어에 대한 간섭 측정 패턴 데이터를 기초로 다수의 주 코어에서의 변형을 결정하는 단계;
    광학 형상 센서의 물리적 모델 및 다수의 주 코어에서의 결정된 변형을 기초로 보조 코어에서의 예측된 변형을 계산하는 단계;
    보조 코어에 대한 간섭 측정 패턴 데이터를 기초로 보조 코어에서의 측정에 기초한 변형을 결정하는 단계; 및
    보조 코어에서의 측정에 기초한 변형 및 예측된 변형을 이용하여 차이를 계산하는 단계;에 의해 차이를 결정하도록 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 데이터 처리 회로는,
    다수의 주 코어 및 보조 코어를 위해 결정된 기준 간섭 패턴 데이터와 비교된 다수의 주 코어 및 보조 코어에 대한 간섭 측정 패턴 데이터를 기초로 광 위상 신호를 추적하는 단계;
    다수의 주 코어에 대한 광 위상 신호의 도함수(derivative)를 계산하는 단계;
    계산된 다수의 주 코어에 대한 광 위상 신호의 도함수를 기초로 보조 코어에 대한 예측된 광 위상 도함수를 결정하는 단계;
    보조 코어에 대한 예측된 광 위상을 얻기 위하여 보조 코어에 대한 예측된 광 위상 도함수를 적분하는 단계; 및
    보조 코어에 대한 예측된 광 위상을 보조 코어에 대한 추적된 광 위상 신호와 비교하는 단계;에 의해 보조 코어의 예측된 위상 또는 변형값과 보조 코어의 측정에 기초한 위상 또는 변형값 사이의 차이를 결정하도록 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 형상 센서를 더 포함하고,
    다수의 주 코어는 중심 코어와, 중심 코어로부터 제1 반경 거리에 있는 주변 코어를 포함하며,
    보조 코어는 중심 코어로부터 제2 반경 거리에 있으며,
    제2 반경 거리는 제1 반경 거리로부터 적어도 10% 만큼 상이한, 간섭 측정 시스템.
  13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 간섭 감지 회로는 다수의 간섭측정 인터로게이터를 포함하며,
    다수의 간섭측정 인터로게이터의 각각에 대해, 간섭측정 인터로게이터는 관련된 수집 채널을 형성하기 위하여 다수의 주 코어 및 보조 코어로 이루어진 군으로부터 선택된 관련 코어와 짝이 지어지며;
    간섭 감지 회로는,
    조정가능한 광원으로부터 간섭측정 인터로게이터를 거쳐 다수의 주 코어 및 보조 코어로 들어오는 광을 커플링하는 단계;
    다수의 간섭측정 인터로게이터의 각각의 간섭측정 인터로게이터에서, 관련된 수집 채널의 간섭 패턴을 형성하기 위하여 관련된 코어에서 반사된 광을 기준 광과 간섭시키는 단계; 및
    다수의 주 코어 및 보조 코어에 관련된 관련 수집 채널의 간섭 패턴을 간섭 측정 패턴 데이터에 대응하는 전자적 신호로 전환시키는 단계;에 의해 간섭 측정 패턴 데이터를 감지하도록 구성된, 간섭 측정 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 광원은 일정 범위의 광주파수를 통과하며,
    데이터 처리 회로는,
    간섭 측정 패턴 데이터를 광 주파수에서 증분 상수(increments constant) 만큼 리샘플링하고,
    리샘플링된 간섭 측정 패턴 데이터를, 광학 형상 센서의 길이를 따라 대응하는 템포럴 도메인으로 변환하도록 구성되는, 간섭 측정 시스템.
  15. 다수의 주 코어 및 하나의 보조 코어를 포함하는 광섬유 센서를 측정하기 위한 방법이며,
    보조 코어와 다수의 주 코어 각각과 관련된 간섭 측정 패턴 데이터를 감지하는 단계;
    광섬유 센서의 형상을 결정하기 위하여 다수의 주 코어에 대해 감지된 간섭 측정 패턴 데이터를 처리하는 단계;
    다수의 주 코어와 보조 코어에 대해 감지된 간섭 측정 패턴 데이터에 기초하여, 보조 코어의 예측된 위상 또는 변형값과 보조 코어의 측정에 기초한 위상 또는 변형값의 차이를 결정하는 단계; 및
    차이를 기초로, 결정된 광섬유 센서의 형상에 관련된 오차를 감지하는 단계를 포함하는, 광섬유 센서를 측정하기 위한 방법.
  16. 제15항에 있어서, 오차에 대응하여 예방 조치를 발생시키는 단계를 더 포함하는, 광섬유 센서를 측정하기 위한 방법.
  17. 제15항에 있어서, 광섬유 센서의 형상을 결정하는 단계는 다수의 주 코어의 수와 동일한 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는, 광섬유 센서를 측정하기 위한 방법.
  18. 제15항에 있어서, 보조 코어의 예측된 위상 또는 변형값과 보조 코어의 측정에 기초한 위상 또는 변형값의 차이를 결정하는 단계는,
    다수의 주 코어에 대한 간섭 측정 패턴 데이터를 기초로 다수의 주 코어에서의 변형을 결정하는 단계;
    광섬유 센서의 물리적 모델 및 다수의 주 코어에서의 결정된 변형을 기초로 보조 코어에서의 예측된 변형을 계산하는 단계;
    보조 코어에 대한 간섭 측정 패턴 데이터를 기초로 보조 코어에서의 측정에 기초한 변형을 결정하는 단계; 및
    보조 코어에서의 측정에 기초한 변형 및 예측된 변형을 이용하여 차이를 계산하는 단계를 포함하는, 광섬유 센서를 측정하기 위한 방법.
  19. 제15항에 있어서, 보조 코어의 예측된 위상 또는 변형값과 보조 코어의 측정에 기초한 위상 또는 변형값의 차이를 결정하는 단계는,
    다수의 주 코어 및 보조 코어에 대한 간섭 측정 패턴 데이터를 기초로 다수의 주 코어 및 보조 코어를 위해 결정된 기준 간섭 패턴 데이터와 비교하여 광 위상 신호를 추적하는 단계;
    다수의 주 코어에 대한 광 위상 신호의 도함수(derivative)를 계산하는 단계;
    계산된 다수의 주 코어에 대한 광 위상 신호의 도함수를 기초로 보조 코어에 대한 예측된 광 위상 도함수를 결정하는 단계;
    보조 코어에 대한 예측된 광 위상을 얻기 위하여 보조 코어에 대한 예측된 광 위상 도함수를 적분하는 단계; 및
    보조 코어에 대한 예측된 광 위상을 보조 코어에 대한 추적된 광 위상 신호와 비교하는 단계를 포함하는, 광섬유 센서를 측정하기 위한 방법.
  20. 다수의 컴퓨터 판독 가능한 지시를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체이며, 다수의 컴퓨터 판독 가능한 지시는 간섭 측정 시스템에 관련된 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 때 하나 이상의 프로세서가 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항의 방법을 수행하도록 구성된, 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체.
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