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背景技術(shù)：

旋轉(zhuǎn)多芯光纖已用于確定光纖的形狀。具有四個纖芯的多芯光纖可以用于將光纖的變形分為兩個彎曲角(俯仰和偏轉(zhuǎn))、一個扭轉(zhuǎn)角和光纖伸長。這四個測量構(gòu)成四個自由度。這四個測量(俯仰、偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)和伸長)也表示在相對較小的力的情況下光纖可能發(fā)生的所有變形。

在基于光纖的形狀感測中，多通道分布式應(yīng)變感測系統(tǒng)用于檢測用于多芯光學(xué)形狀感測光纖內(nèi)的若干纖芯中的每個的應(yīng)變的變化，如通過參考的方式并入本文的us8,773,650中所描述的。多個分布式應(yīng)變測量通過方程組組合以產(chǎn)生包括曲率、扭轉(zhuǎn)和軸向應(yīng)變的一組物理測量，如通過參考的方式并入本文的us8,531,655中所描述的。這些物理測量可以用于確定光纖的分布的形狀和位置。溫度也可以改變纖芯的表現(xiàn)長度并且代表該系統(tǒng)中的第五“自由”度。在以上專利中描述的形狀感測系統(tǒng)沒有區(qū)分沿光纖長度的溫度變化和沿光纖長度的軸向應(yīng)變變化。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

關(guān)于背景技術(shù)中描述的四芯光纖，向多芯光纖增加第五纖芯提供了單獨的第五測量。然而，該第五測量與其它四個測量不線性獨立。所以，僅向多芯光纖增加第五纖芯本身對于將多芯光纖中的溫度與應(yīng)變分離來說是沒有用的。另一方面，如果額外的第五纖芯具有與多芯光纖中的其它四個纖芯不同的折射率的溫度依賴性，則第五纖芯對溫度變化作出不同的反應(yīng)并且因此提供額外的、線性獨立的信息源。

為了增加形狀感測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，發(fā)明人提供了形狀感測系統(tǒng)，其減輕或補償由形狀感測光纖對溫度和應(yīng)變的響應(yīng)的差異引起的誤差。以下描述的技術(shù)從針對多芯光學(xué)形狀感測光纖獲得的一組分布式應(yīng)變測量中計算出3-d形狀和/或位置，其中多芯光學(xué)形狀感測光纖通過使用相比于現(xiàn)有的纖芯對溫度變化作出不同反應(yīng)的多芯光纖中的一個或更多個額外纖芯來補償這些非線性誤差。

在示例實施例中，相比于光纖中的現(xiàn)有的四個纖芯，一個或更多個額外纖芯具有不同的熱響應(yīng)。在示例實現(xiàn)方式中，相比于現(xiàn)有的四個纖芯，一個或更多個額外纖芯具有不同的摻雜組分，這相比于現(xiàn)有的四個纖芯產(chǎn)生用于一個或更多個額外纖芯的折射率的不同的溫度依賴性。

本技術(shù)的一方面包括具有多個第一纖芯和一個或更多個第二纖芯的光纖，多個第一纖芯具有第一熱響應(yīng)，一個或更多個第二纖芯具有第二不同的熱響應(yīng)。多個第一纖芯和一個或更多個第二纖芯沿光纖長度具有不同的相對位置。在示例實現(xiàn)方式中，多個第一纖芯和一個或更多個第二纖芯沿光纖長度螺旋扭轉(zhuǎn)。

多個第一纖芯可以具有第一摻雜并且一個或更多個第二纖芯具有第二不同的摻雜。例如，第一摻雜包括僅具有鍺的摻雜，并且第二摻雜包括鍺和硼。硼摻雜劑使得一個或更多個第二纖芯的熱響應(yīng)不同于多個第一纖芯的熱響應(yīng)。

多個第一纖芯可以包括與第一熱響應(yīng)相關(guān)聯(lián)的第一材料，并且一個或更多個第二纖芯可以包括與第二不同的熱響應(yīng)相關(guān)聯(lián)的第二不同的材料。

在示例實現(xiàn)方式中，多個第一纖芯包括四個纖芯，并且一個或更多個第二纖芯包括一個纖芯。所述一個纖芯可以優(yōu)選在光纖內(nèi)間隔開，以減少與四個纖芯的耦合。

在另一示例實現(xiàn)方式中，多個第一纖芯包括四個纖芯，并且一個或更多個第二纖芯包括三個纖芯。三個纖芯可以優(yōu)選在光纖內(nèi)相對于彼此并且相對于四個纖芯對稱地間隔開。三個纖芯還可以在光纖內(nèi)間隔開，以減少彼此的耦合并減少與四個纖芯的耦合。

另一方面涉及用于校準(zhǔn)具有多個第一纖芯和一個或更多個第二纖芯的旋轉(zhuǎn)光纖的方法，多個第一纖芯具有第一摻雜和第一熱響應(yīng)，一個或更多個第二纖芯具有第二不同的摻雜和第二不同的熱響應(yīng)。光纖至少部分地放置在加熱或冷卻環(huán)境中，所述加熱或冷卻環(huán)境具有比加熱環(huán)境周圍的環(huán)境更高或更低的溫度。光纖在不同溫度下應(yīng)變到變化的已知水平，并且針對所述已知的應(yīng)變水平中的每個，針對所述不同溫度中的每個，記錄所述光纖的長度變化。用于光纖的校準(zhǔn)參數(shù)通過比較光纖的所記錄的長度變化與僅具有多個第一纖芯的另一光纖的之前記錄的長度變化來確定，多個第一光纖具有第一摻雜。

在示例實現(xiàn)方式中，電動平移臺用于執(zhí)行應(yīng)變步驟。

本技術(shù)的進(jìn)一步方面涉及用于測量光纖的干涉測量系統(tǒng)，光纖包括在光纖中配置的具有第一熱響應(yīng)的多個第一纖芯以及在光纖中配置的具有第二不同的熱響應(yīng)的一個或更多個第二纖芯。干涉檢測電路被配置成當(dāng)光纖被放置在感測位置中時檢測與多個第一纖芯中的每個以及一個或更多個第二纖芯中的每個相關(guān)聯(lián)的測量干涉圖案數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理電路被配置成基于檢測的測量干涉圖案數(shù)據(jù)確定補償參數(shù)，補償參數(shù)補償光纖中的多個纖芯和一個或更多個第二纖芯的校準(zhǔn)配置與光纖中的多個纖芯和一個或更多個第二纖芯的實際配置之間的變化。補償參數(shù)包括溫度補償參數(shù)。存儲器被配置成儲存補償參數(shù)以用于補償隨后獲得的用于光纖的測量干涉圖案數(shù)據(jù)。

在示例實現(xiàn)方式中，數(shù)據(jù)處理電路被配置成將補償參數(shù)應(yīng)用到檢測的測量干涉圖案數(shù)據(jù)，以便區(qū)分光纖上的軸向應(yīng)變、彎曲應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)應(yīng)變和溫度應(yīng)變，并且準(zhǔn)確地確定對應(yīng)于光纖上的軸向應(yīng)變、彎曲應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)應(yīng)變和溫度應(yīng)變的用于光纖的應(yīng)變值。數(shù)據(jù)處理電路還可以被配置成將補償參數(shù)應(yīng)用到檢測的測量干涉圖案數(shù)據(jù)，并且基于纖芯中的檢測的應(yīng)變的線性組合獨立于可能存在于多芯光纖中的張力、扭轉(zhuǎn)或彎曲來計算多芯光纖的溫度。

在甚至更具體的示例實現(xiàn)方式中，數(shù)據(jù)處理電路被配置成基于對應(yīng)于光纖上的軸向應(yīng)變、彎曲應(yīng)變、扭轉(zhuǎn)應(yīng)變和溫度應(yīng)變的用于光纖的確定應(yīng)變值確定旋轉(zhuǎn)光纖的形狀。

附圖說明

圖1示出具有五個纖芯的扭轉(zhuǎn)的多芯光纖示例實施例。

圖2示出用于共摻雜硼-鍺的纖芯和僅摻雜鍺的纖芯的折射率與溫度的圖表。

圖3圖示說明可以用于量化纖芯放置以及對螺旋扭轉(zhuǎn)的五芯光纖的應(yīng)變的響應(yīng)的數(shù)學(xué)參數(shù)。

圖4示出基于五芯光纖示例的補償非線性誤差(諸如由溫度引起的誤差)的基于光頻域反射技術(shù)(opticalfrequencydomainreflectometry)(ofdm)的形狀感測系統(tǒng)的示例實施例的示意圖。

圖5是用于校準(zhǔn)五芯光學(xué)形狀感測光纖的流程圖。

圖6是示出用于加熱光學(xué)形狀感測光纖的示例光纖加熱布置的示意圖。

圖7是用于使用圖4的補償溫度的形狀感測系統(tǒng)進(jìn)行形狀感測的流程圖。

圖8示出具有七個纖芯的多芯光纖示例實施例的橫截面。

具體實施方式

為了說明而非限制的目的，以下描述陳述了具體細(xì)節(jié)，諸如特定的實施例。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，可以采用除這些具體細(xì)節(jié)之外的其它實施例。在一些實例中，省略了眾所周知的方法、接口、電路和裝置的詳細(xì)描述，以便不會因不必要的細(xì)節(jié)使描述變得模糊。圖中示出的各個塊對應(yīng)于各節(jié)點。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，這些塊的功能可以通過使用各個硬件電路、使用與適當(dāng)編程的數(shù)字微處理器或通用計算機相結(jié)合的軟件程序和數(shù)據(jù)，和/或使用專用集成電路(asic)，和/或使用一個或更多個數(shù)字信號處理器(dsp)來實現(xiàn)。軟件程序指令和數(shù)據(jù)可以儲存在非暫時性的計算機可讀存儲介質(zhì)上，并且當(dāng)指令通過計算機或其它合適的處理器控制來執(zhí)行時，計算機或處理器執(zhí)行與這些指令相關(guān)聯(lián)的功能。

因此，例如，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，本文的視圖可以表示說明性電路或其它功能元件的概念圖。類似地，應(yīng)當(dāng)了解，任何流程圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、偽代碼等表示各種過程，其可以基本上被表示在計算機可讀介質(zhì)中并且因此由計算機或處理器執(zhí)行，無論是否明確地示出此類計算機或處理器。

各種示出的元件的功能可以通過使用硬件而被提供，諸如電路硬件和/或能夠執(zhí)行儲存在計算機可讀介質(zhì)上的編碼指令形式的軟件的硬件。因此，此類功能和示出的功能塊應(yīng)被理解為硬件實現(xiàn)的和/或計算機實現(xiàn)的，并且因此是機器實現(xiàn)的。

就軟件實現(xiàn)而言，功能塊可以包括或涵蓋但不限于數(shù)字信號處理器(dsp)硬件、精簡指令集處理器、包括但不限于專用集成電路(asic)和/或(一個或多個)現(xiàn)場可編程門陣列((一個或多個)fpga)的硬件(例如，數(shù)字或模擬)電路，以及能夠執(zhí)行此類功能的狀態(tài)機(如合適的話)。

就計算機實現(xiàn)而言，計算機通常被理解為包括一個或更多個處理器或一個或更多個控制器，并且術(shù)語計算機、處理器和控制器可以互換使用。當(dāng)由計算機、處理器或控制器提供時，這些功能可以由單個專用計算機或處理器或控制器提供、由單個共享計算機或處理器或控制器提供，或者由多個單獨的計算機或處理器或控制器提供，其中的一些可以為共享的或分布式的。此外，術(shù)語“處理器”或“控制器”還指能夠執(zhí)行此類功能和/或執(zhí)行軟件的其它硬件，諸如，以上敘述的示例硬件。

為了說明而非限制的目的，以下描述了示例旋轉(zhuǎn)或螺旋扭轉(zhuǎn)的多芯光纖。描述的原理也適用于多芯光纖，其中多個第一纖芯和一個或更多個第二纖芯沿光纖的長度具有不同的相對位置。

因為旋轉(zhuǎn)光纖的外芯被螺旋纏繞，所以作為施加到光纖的扭轉(zhuǎn)的結(jié)果，外芯也經(jīng)歷應(yīng)變。響應(yīng)于扭轉(zhuǎn)相對于螺旋纏繞的方向的取向，伸長或壓縮外芯。換句話說，沿著具有順時針方向螺旋纏繞的外芯的光纖的軸線向下看，在順時針方向上施加的扭轉(zhuǎn)使得外芯被壓縮。相反地，逆時針方向施加的扭轉(zhuǎn)使得外芯伸長(經(jīng)歷張力)。但是，作為扭轉(zhuǎn)的結(jié)果，中心纖芯沒有經(jīng)歷應(yīng)變，這是因為其沿著中性軸線放置。因此，四芯光纖具有足夠的自由度以允許單獨確定可以施加到四芯光纖的三種不同類型的應(yīng)變中的每個：軸向施加的應(yīng)變、彎曲引起的應(yīng)變以及作為扭轉(zhuǎn)或扭曲的結(jié)果的應(yīng)變。

圖1示出具有五個纖芯的扭轉(zhuǎn)的多芯光纖。如果五芯光纖被拉緊，則所有五個纖芯將相似地伸長。如果五芯光纖被加熱，則由于玻璃的膨脹和玻璃的折射率的變化，所有五個纖芯將相似地伸長，這隨著溫度上升而有效地減慢光，從而使光纖顯得更長。所以，僅增加更多的纖芯將無法實現(xiàn)上述與溫度無關(guān)的形狀感測目標(biāo)。

以下描述了形狀感測系統(tǒng)，其減輕或補償由形狀感測光纖對溫度和應(yīng)變的響應(yīng)的差異而引起的誤差。為此，在示例實施例中，第五纖芯被并入，其具有與扭轉(zhuǎn)的多芯光纖中的其它四個纖芯不同的溫度依賴性。應(yīng)當(dāng)了解，雖然以下的許多描述是在該五芯示例的背景下，但是描述的原理適用于具有不同數(shù)量的纖芯的扭轉(zhuǎn)的多芯光纖。第五纖芯或任何額外的纖芯優(yōu)選位于光纖中以便減少或最小化纖芯之間的耦合。

在一個示例實施例中，增加的第五纖芯通過具有與其它纖芯不同的折射率而具有不同的熱依賴性。實現(xiàn)這種不同的折射率的示例方法包括由不同材料組成和/或不同地?fù)诫s的第五纖芯。其它方法有可能實現(xiàn)不同的溫度依賴性，諸如，相比其它四個纖芯將第五纖芯定位在不同的半徑處(更接近或更遠(yuǎn)離光纖的中心)、為第五纖芯提供不同的幾何結(jié)構(gòu)(比其它纖芯更大或更小)等。

四個纖芯可以摻雜有鍺，并且第五纖芯可以共摻雜有硼和鍺。硼摻雜引起偏振保持光纖中的熱應(yīng)力，并且因此相比于典型的摻雜鍺的光纖，引起含硼的纖芯的熱響應(yīng)具有不同的熱依賴性。雖然相比于多芯光纖中典型摻雜的光纖，其它摻雜劑可以用于產(chǎn)生不同的熱依賴性，但是硼也在示例實施例中用作與鍺的共摻雜劑，這是因為相比于典型的摻雜鍺的光纖，共摻雜還形成更感光的導(dǎo)芯(guidingcore)。此外，對于光纖來說，硼是相對常見的摻雜劑，其提供更多的實用性優(yōu)點。

圖2示出共摻雜硼-鍺的纖芯和摻雜鍺的纖芯的折射率與溫度的圖表。相比于典型的摻雜鍺的纖芯的折射率，隨著溫度增加，共摻雜硼-鍺的纖芯的折射率以不同(更高)的速率增加。第五纖芯對溫度變化作出不同反應(yīng)，并且因此提供用于補償溫度的額外的線性獨立的信息源。

由于多芯光纖的結(jié)構(gòu)的變化，在確定光纖位置和/或形狀以及更普遍的應(yīng)變時會出現(xiàn)誤差和/或不確定性。第一類變化是纖芯放置。這種變化使得給定纖芯的徑向分離和角度位置兩者不同于設(shè)計的或期望的理想值或者僅為未知的。生成描述纖芯相對于多芯光纖的橫截面的位置的數(shù)學(xué)模型，使得可以量化這些變化。

因為玻璃是相對硬的材料，所以可以假設(shè)，當(dāng)光纖發(fā)生應(yīng)變時，多芯光纖的橫截面的幾何結(jié)構(gòu)被保持。這保證當(dāng)光纖發(fā)生應(yīng)變時，纖芯在給定的橫截面內(nèi)的相對位置保持不變。這意味著光纖可以發(fā)生應(yīng)變并且仍可以用于從理想的配置中準(zhǔn)確地確定纖芯放置的變化。說明纖芯放置的變化的纖芯位置模型在被描繪在圖3中。

在圖3中，五個獨立的光學(xué)纖芯被示出從它們理想的纖芯位置移位。圖3還示出可以用于量化纖芯放置以及對五芯螺旋扭轉(zhuǎn)光纖的應(yīng)變的響應(yīng)的數(shù)學(xué)參數(shù)。豎直軸線被放置通過多芯光纖的中心，使得其穿過外芯中的一個。由豎直軸線平分的外芯被稱為“參考纖芯”。需要注意的是，若干參數(shù)將相對于該纖芯表示，并且對于本文的余下部分，作為示例，用指數(shù)n＝1標(biāo)識的纖芯用作參考纖芯。兩個參數(shù)描述了纖芯的位置：距離光纖中心的徑向距離r，和從與參考纖芯相交的所確立的豎直軸線測得的任意角φ。當(dāng)光纖彎曲時，給定纖芯中的彎曲引起的應(yīng)變量與纖芯與彎曲平面分離的垂直距離d成正比。這在針對外芯指數(shù)n＝2的右圖中被圖示。如果彎曲平面通過角θ來描述，則可以確定光纖內(nèi)的纖芯的螺旋纏繞的性質(zhì)。根據(jù)沿光纖長度的距離，θ通過螺旋光纖的旋轉(zhuǎn)頻率來限定。

當(dāng)纖芯應(yīng)變響應(yīng)被重新組合時，理解這些參數(shù)如何影響光纖的應(yīng)變分布(strainprofile)的三個分量是有幫助的。數(shù)學(xué)模型基于圖3所示的參數(shù)來確立。因此，如果可以測得這些參數(shù)，則它們可以用于提供多芯光纖的應(yīng)變分布的更加準(zhǔn)確的重新組合。需要注意的是，這些參數(shù)對于特定的多芯光纖僅需要測量一次并且可以用于同一多芯光纖的一些或所有的ofdr的后續(xù)測量。

如所解釋，施加到多芯光纖的應(yīng)變分為三種類型或類別：彎曲引起的應(yīng)變、由于扭矩的應(yīng)變以及軸向施加的應(yīng)變。光纖內(nèi)的纖芯的應(yīng)變響應(yīng)基于纖芯在多芯光纖中的位置具有這些總體施加的應(yīng)變的分量。在沿光纖的一定距離處的纖芯的應(yīng)變響應(yīng)ε可以通過以下方程式(1)表示：

εn＝bn(z)+rn(z)+an(z)(1)

其中，n指示光纖內(nèi)的纖芯，z表示沿光纖長度的指數(shù)，b是由于光纖的彎曲引起的由纖芯經(jīng)歷的應(yīng)變，r是由施加到光纖的扭轉(zhuǎn)或扭曲在纖芯中引起的應(yīng)變，并且a表示由纖芯經(jīng)歷的軸向應(yīng)變。補償纖芯放置的變化可以通過依據(jù)纖芯的位置使用圖3中確立的模型參數(shù)重寫方程式(1)中的表達(dá)式來實現(xiàn)。首先，在以下方程式(2)中，由于光纖彎曲而被纖芯感知的彎曲應(yīng)變b可以被示出與彎曲的曲率和纖芯到彎曲平面(圖3中示出)的切線距離成比例：

bn(z)＝αk(z)dn(z)(2)

其中，α是常數(shù)，k是光纖的曲率，并且d表示纖芯距離彎曲平面的切線距離。

從圖3中的模型中，切線距離可以依據(jù)纖芯的位置被表示為：

dn(z)＝rn[sin(φn)cos(θ(z))-cos(φn)sin(θ(z))](3)

其中，r是距離光纖的軸線的徑向距離，φ表示從豎直軸線測量的角，并且θ是彎曲平面和水平軸線之間的角的度量。結(jié)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)

該表達(dá)式可以通過分配曲率項并且將其表示為兩個獨立的分量而被簡化：

bn(z)＝αrn[kx(z)sin(φn)-ky(z)cos(φn)](5)

其中，kx是關(guān)于水平軸線(俯仰)的曲率，并且ky是關(guān)于豎直軸線(偏轉(zhuǎn))的曲率。

對于施加到光纖的中等水平扭轉(zhuǎn)(～100度/米)，一階項可以用于對由扭矩引起的應(yīng)變建模。扭轉(zhuǎn)應(yīng)變rn(z)然后依據(jù)纖芯位置被表示如下：

其中，β是常數(shù)，并且φ是每單位長度光纖扭轉(zhuǎn)(滾動)的量。對于一階，也可以假設(shè)，由纖芯經(jīng)歷的軸向應(yīng)變a對于光纖內(nèi)的所有纖芯是常見的并且不取決于纖芯的位置，從而得出表達(dá)式：

an(z)＝γe(z)(7)

其中，γ是常數(shù)，并且e表示軸向應(yīng)變。依據(jù)纖芯位置重寫方程式(1)得到下列表達(dá)式：

考慮到來自該示例光纖實施例中的四個纖芯的測量的應(yīng)變信號，矩陣關(guān)系可以如下構(gòu)建：

方程式(9)中的該表達(dá)式允許根據(jù)光纖結(jié)構(gòu)變化重新組合形狀光纖內(nèi)的每個獨立纖芯的單獨的應(yīng)變信號，并且允許將這些信號分類為施加到整個多芯光纖結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。任何數(shù)量的線性組合可以從方程式(9)中得到，以產(chǎn)生使纖芯的應(yīng)變響應(yīng)與應(yīng)變分布的分量相關(guān)的表達(dá)式。

如果第五纖芯以具有與所有其它纖芯相同的組分被增加到光纖，則產(chǎn)生以下矩陣：

因為最后兩列是相同的，所以方程式(10)中的矩陣不是可逆的。這是說明因為所有的纖芯對溫度和應(yīng)變兩者作出相同響應(yīng)的數(shù)學(xué)方法。然而，改變第五纖芯的組分產(chǎn)生以下矩陣：

方程式(11)中的矩陣h是可逆的，并且如果在所有五個纖芯中測得表現(xiàn)應(yīng)變ε0-ε4，則現(xiàn)在可以確定溫度。

在實用性示例實施例中，為了獨立地找到應(yīng)變(e)和溫度(t)，確定其它三個參數(shù)(扭轉(zhuǎn)(φ)、彎曲-x(kx)、和彎曲-y(ky))，并且為所有這些效應(yīng)(effect)校準(zhǔn)光纖。

通過為所有五個纖芯確定纖芯幾何結(jié)構(gòu)(半徑和角)(參見圖3)，并且然后將光纖懸掛在管式爐(tubefurnance)或其它合適的溫度控制環(huán)境內(nèi)，校準(zhǔn)開始。通過在不同溫度和不同應(yīng)變下測量纖芯中的應(yīng)變，確定用于方程式(11)的參數(shù)γg、γb、tg和tb的值。利用光纖在張力下獲得的額外一組數(shù)據(jù)和加熱的光纖的又一組數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)五芯光學(xué)感測光纖。從這些數(shù)據(jù)組中，方程式(11)中的矩陣被確定用于從五個纖芯的ofdr測量來計算光纖俯仰(kx)、偏轉(zhuǎn)(ky)、扭轉(zhuǎn)(φ)、應(yīng)變(e)和溫度(t)。

記住方程式(11)中限定的使五個低力刺激(溫度和張力)與五個纖芯中的應(yīng)變ε0-ε4相關(guān)的矩陣h，光纖以連續(xù)彎曲被放置在平面上。一旦以這種配置放置光纖，多通道ofdr系統(tǒng)就測量多芯光纖內(nèi)的每個纖芯的分布的應(yīng)變響應(yīng)。得到的應(yīng)變響應(yīng)信號通常以與外芯在進(jìn)行彎曲時的螺旋纏繞的旋轉(zhuǎn)頻率相匹配的頻率在壓縮和伸長之間交替。這種振蕩的幅度還應(yīng)沿光纖長度緩慢變化，因為該幅度將與上述環(huán)的彎曲半徑成比例。這些應(yīng)變響應(yīng)然后被提供到一個或更多個數(shù)據(jù)處理器以用于從理想的光纖結(jié)構(gòu)提取量化變化的參數(shù)。

為了確定纖芯位置，從由ofdr系統(tǒng)提供的實值應(yīng)變(real-valuedstrain)響應(yīng)確定具有振幅和相位兩者的復(fù)值信號(complex-valuedsignal)。傅里葉變換允許濾波器以螺旋纏繞的旋轉(zhuǎn)頻率被施加到測量的散射信號。該濾波信號的傅里葉逆變換產(chǎn)生復(fù)值旋轉(zhuǎn)信號(complex-valuedspinsignal)。該復(fù)數(shù)旋轉(zhuǎn)信號(complexspinsignal)的振幅與纖芯距離光纖的中性軸線的徑向分離距離成比例。復(fù)數(shù)旋轉(zhuǎn)信號的相位響應(yīng)是基于光纖的幾何結(jié)構(gòu)內(nèi)的纖芯的角度位置并且在圖7所示的模型中被標(biāo)記為φ。比較纖芯的復(fù)數(shù)旋轉(zhuǎn)信號和參考纖芯的旋轉(zhuǎn)信號確定纖芯相對于參考纖芯的位置。因此，可以通過提取纖芯的旋轉(zhuǎn)信號和參考纖芯旋轉(zhuǎn)信號之間的復(fù)數(shù)商(complexquotient)的幅角(argument)，來找到相對于平分參考纖芯的豎直軸線的所有的角度位置。提取幅度提供了纖芯相對于參考纖芯的徑向分離的比率測量。

由此，填充以下矩陣，其中彎曲響應(yīng)的幅度仍然是未知的，這是因為光纖在螺旋形平面內(nèi)配置(x和y)中的彎曲振幅仍是未知的。

扭轉(zhuǎn)被施加到光纖，而不改變其形狀。由此，可以確定每個纖芯對扭轉(zhuǎn)的單獨的響應(yīng)(r)。

將光纖置于已知的彎曲中為彎曲系數(shù)(b)提供了已知的振幅。

將光纖置于直線張力(g)中允許確定每個纖芯對張力(g)的響應(yīng)。

使光纖的溫度升高允許確定每個纖芯的溫度響應(yīng)(t)。

這完成了使單獨的纖芯響應(yīng)與俯仰、偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)、張力和溫度的總線性效應(yīng)相關(guān)聯(lián)的矩陣。如果溫度和張力響應(yīng)是線性獨立的，則該矩陣將具有限定明確的逆。

使用該逆矩陣允許從五個纖芯中提取所有五個獨立的刺激。

圖4示出基于五芯光纖示例的補償非線性誤差(諸如由溫度引起的誤差)的基于光頻域反射技術(shù)(ofdm)的形狀感測系統(tǒng)的示例實施例的示意圖。

基于ofdr的分布式應(yīng)變感測系統(tǒng)包括光源、干涉詢問器、激光監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、光纖傳感器、采集電子器件和數(shù)據(jù)處理器。單個通道對應(yīng)于單個纖芯。在ofdr測量期間，可調(diào)諧的光源掃描通過一定范圍的光頻。該光通過使用光耦合器分開并且被傳送到分離的干涉儀。激光監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)12包括在整個測量掃描中提供絕對的波長參考的氰化氫(hcn)氣體單元。當(dāng)光源掃描通過一定的頻率范圍時，激光監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)12內(nèi)的干涉儀用于測量調(diào)諧速率中的波動。

干涉詢問器15被連接到多芯形狀感測光纖17的長度上的相應(yīng)的單獨的纖芯。光通過對應(yīng)于光纖17中的五個纖芯波導(dǎo)a、b、c、d和e的大體標(biāo)記為15的五個干涉詢問器的測量臂進(jìn)入感測光纖17。來自感測光纖17的每個纖芯的散射光然后受到沿著對應(yīng)的干涉詢問器15的參考臂行進(jìn)的光的干擾。雖然使用了術(shù)語纖芯，但是本技術(shù)適用于可以在旋轉(zhuǎn)光纖中使用的其它類型的波導(dǎo)。干涉詢問器與多芯光纖中的波導(dǎo)的每個配對被稱為采集通道。當(dāng)可調(diào)諧的光源10被掃描時，同時測量每個通道，并且來自每個通道的得到的干涉圖案被傳送到適于額外的干涉儀15的數(shù)據(jù)采集電子器件18。每個通道被獨立地且相同地處理。

一系列光檢測器(例如，光電二極管)將來自激光監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的光信號、來自氣體單元的光信號和來自感測光纖的每個纖芯的干涉圖案的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。數(shù)據(jù)采集元件18中的一個或更多個數(shù)據(jù)處理器使用來自激光監(jiān)視12干涉儀的信息來對感測光纖17的檢測干涉圖案進(jìn)行重新采樣，使得圖案具有光頻率增量常數(shù)。該步驟是傅里葉變換操作的數(shù)學(xué)要求。一旦重新采樣，傅立葉變換由系統(tǒng)控制器20執(zhí)行，以在時域中產(chǎn)生光散射信號。在時域中，描繪了光散射事件的振幅與沿光纖長度的延遲。通過使用光在給定時間增量中行進(jìn)的距離，該延遲可以被轉(zhuǎn)換為沿感測光纖長度的度量。換句話說，光散射信號將每個散射事件表示為沿光纖的距離的函數(shù)。采樣周期被稱為空間分辨率，并且與測量期間可調(diào)諧的光源10掃描通過的頻率范圍成反比。當(dāng)光纖發(fā)生應(yīng)變時，局部光散射隨著光纖的物理長度改變而偏移。這些扭曲變形是高度可重復(fù)的。因此，用于光纖的檢測光散射的ofdr測量可以被保留在存儲器中，該存儲器用作光纖在未應(yīng)變狀態(tài)中的參考圖案。然后可以通過系統(tǒng)控制器20比較光纖在應(yīng)變下時的隨后測量的散射信號和該參考圖案，以獲得沿著感測光纖長度的局部散射的延遲偏移的度量。當(dāng)與參考散射圖案相比時，這種延遲偏移表現(xiàn)為連續(xù)的、緩慢變化的光學(xué)相位信號。該光學(xué)相位信號的導(dǎo)數(shù)與感測纖芯的物理長度的變化成正比。物理長度的變化可以被標(biāo)度/縮放成(scaleto)應(yīng)變，從而沿著感測光纖產(chǎn)生應(yīng)變的連續(xù)測量。

耦合到系統(tǒng)控制器20的數(shù)據(jù)處理器22提取與光纖17中的纖芯a、b、c、d和e的實際物理配置相關(guān)的參數(shù)24，其用于校準(zhǔn)或以其它方式補償ofdr測量，以說明實際的光學(xué)纖芯配置和最佳的光學(xué)纖芯配置之間的變化。首先確立以上詳細(xì)描述的數(shù)學(xué)模型，其描繪了描述來自最佳的多芯光纖配置的變化的參數(shù)，其中術(shù)語“最佳的”包括已知的和未知的配置。然后補償多芯光纖內(nèi)的光學(xué)纖芯的物理性質(zhì)的變化的參數(shù)被限定。

圖5是用于校準(zhǔn)五芯光學(xué)形狀感測光纖的流程圖。首先，多芯光纖被放置在直線的未應(yīng)變配置中，如上所述執(zhí)行ofdr測量(步驟s1)，并且儲存得到的參考狀態(tài)參數(shù)(步驟s2)。然后，多芯光纖在平坦平面中以螺旋形狀配置(步驟s3)，以計算光纖中的纖芯之間的相對的幾何結(jié)構(gòu)(步驟s4)。在該配置中施加扭轉(zhuǎn)(步驟s5)，并且確定扭轉(zhuǎn)響應(yīng)(步驟s6)。然后，光纖被配置到已知的彎曲位置中(步驟s7)，并且彎曲增益被計算(步驟s8)，其中該彎曲增益提供纖芯幾何結(jié)構(gòu)的振幅值。光纖被放置在張力下(步驟s9)，并且每個纖芯的張力響應(yīng)被計算(步驟s10)。然后，光纖在溫度控制環(huán)境(參見圖6中的示例)中暴露于增加的溫度(步驟s11)，并且針對每個纖芯計算溫度響應(yīng)(步驟s12)。然后，填充上述矩陣h所需的值是可用的(步驟s13)，并且該矩陣h被求逆并且被用于通過使用該形狀感測光纖來補償形狀感測應(yīng)用中的溫度。

圖6是示出用于加熱光學(xué)形狀感測光纖的示例光纖加熱布置的示意圖。為了校準(zhǔn)，光纖部分地位于加熱管內(nèi)。平移臺(translationstage)用于使光纖應(yīng)變到變化的但已知的水平，并且加熱管可以用于改變光纖的溫度，而不接觸光纖。在一個示例實現(xiàn)方式中，假設(shè)溫度和應(yīng)變依賴性在整個光纖上是均勻的，并且因此針對溫度和應(yīng)變，僅光纖的一部分被校準(zhǔn)。當(dāng)然，相對較大的區(qū)域可以被校準(zhǔn)以提供更好的敏感性。

圖7是用于通過使用圖4的形狀感測系統(tǒng)和具有五個纖芯的補償溫度的校準(zhǔn)的形狀感測光纖進(jìn)行形狀感測的流程圖。首先，校準(zhǔn)的形狀感測光纖根據(jù)需要被放置用于形狀感測，并且五個纖芯中的每個的ofdr散射測量被獲得(步驟s20)。相比于該光纖的每個對應(yīng)纖芯的校準(zhǔn)參考散射圖案，數(shù)據(jù)處理器22追蹤從這些散射測量中確定的每個纖芯的光學(xué)相位信號。光學(xué)相位信號中的每個是沿著感測光纖中其相應(yīng)纖芯長度的局部散射的延遲偏移的度量。計算該光學(xué)相位信號的導(dǎo)數(shù)(步驟s21)，其與相應(yīng)的纖芯的物理長度的變化成正比。五個相位導(dǎo)數(shù)中的每個乘以逆矩陣g＝h^-1(步驟s22)，以計算與應(yīng)變和溫度無關(guān)的形狀(步驟s23)。

換句話說，特定纖芯中的應(yīng)變與該纖芯中追蹤的相位的導(dǎo)數(shù)成比例。計算h的逆的過程產(chǎn)生了用于每個纖芯的系數(shù)，從而使得計算彎曲、扭轉(zhuǎn)、溫度等可以完全獨立于所有其它參數(shù)來計算。例如，x方向(偏轉(zhuǎn))上的彎曲通過使來自每個纖芯的相位導(dǎo)數(shù)乘以來自逆矩陣的項(entry)并對它們求和來計算。

k可以被吸收到矩陣中以簡化計算。

圖8示出具有七個纖芯的多芯光纖示例實施例的橫截面。為了使光纖保持對稱，共摻雜有硼的三個纖芯被增加到光纖。這些額外的纖芯如圖8所示進(jìn)行布置。

雖然已經(jīng)詳細(xì)地示出并描述各種實施例，但是權(quán)利要求并不限于任何特定的實施例或示例。本技術(shù)完全涵蓋可以對本領(lǐng)域技術(shù)人員變得顯而易見的其它實施例。除非明確指出，提到的單數(shù)的元件不旨在意味著“一個且僅一個”，而是“一個或更多個”。以上說明都不應(yīng)當(dāng)解讀為暗示了任何特定的元件、步驟、范圍或功能是必要的從而使得其必須被包括在權(quán)利要求的范圍中。專利主題的范圍僅由權(quán)利要求限定。合法保護(hù)的界限由權(quán)利要求中敘述的文字及其等效物來限定。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的與上述優(yōu)選實施例的元件等效的所有結(jié)構(gòu)性和功能性的等效物通過參考明確地并入本文中，并且旨在被本權(quán)利要求書涵蓋。此外，對于裝置或方法而言，其不必要解決描述的技術(shù)所試圖解決的每一項問題，因為它由本權(quán)利要求所涵蓋。沒有一項權(quán)利要求旨在援引美國法典第35條§112第6款，除非使用了詞語“用于…的裝置”或“用于…的步驟”。此外，本說明書中沒有一個實施例、特征、部件或步驟旨在獻(xiàn)給公眾，無論權(quán)利要求書中是否敘述該實施例、特征、部件或步驟。