Оптическая система измерения для определения положения и/или формы связанного объекта
Заявленная группа изобретений относится области для измерения формы и/или положения связанного объекта в пространстве. Заявленное изобретение состоит из оптической системы, содержащей оптические волокна, имеющие одну или более сердцевин оптического волокна с одной или более волоконными брэгговскими решетками, проходящими вдоль всей длины, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта. При этом рефлектометр измеряет деформацию во множестве точек выборки вдоль сердцевин оптического волокна, и процессор определяет положение и/или форму на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна. Волоконная брэгговская решетка проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, причем сердцевина волокна имеет пространственно модулированное отражение вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна таким образом, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн. Технический результат - повышение точности при измерении формы и/или положения связанного объекта. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 18 ил.
Уровень техники
Во многих малоинвазивных медицинских процедурах предпочтительно отслеживать медицинские устройства, такие как проволочные направители и катетеры. Оптическое измерение формы позволяет делать это с помощью измерения и анализа света, отраженного от всех положений многосердцевинного оптического волокна, встроенного в удлиненное медицинское устройство. Когда используется интерферометр, получается полное распределение деформации вдоль волокна, которое может преобразовываться в форму. Описание способа может быть найдено в заявке на патент США №2011/0109898, озаглавленной Optical position and/or shape sensing. Обратное рассеяние света в оптическом волокне может классифицироваться на два различных класса: 1) собственный процесс, то есть рэлеевское рассеяние, и 2) внешний процесс, то есть Брэгговские решетки. Следует отметить, что в этом случае игнорируется третий механизм рассеяния, то есть бриллюэновское рассеяние. Бриллюэновское рассеяние не может использоваться в методике интерференционного измерения и приводит к плохому пространственному разрешению. Один вариант реализации оптического измерения формы использует рэлеевское рассеяние. Оно имеет преимущество использования оптического волокна без дополнительных этапов при изготовлении после того, как волокно сформировано с помощью вытягивания.
Интенсивность сигнала рэлеевского рассеяния
Изготовители телекоммуникационных волокон повысили качество своих изделий за эти годы до такой степени, что потери передачи являются небольшими и происходят главным образом из-за рэлеевского рассеяния. Для измерения формы это имеет недостаток, состоящий в том, что интенсивность сигнала является довольно низкой. В приложении I его величина вычисляется вместе с результирующим отношением сигнал/шум. Небольшое отношение сигнал/шум побуждает предпринимать дополнительные меры предосторожности при интерференционной системе измерения.
Отражение от дальнего конца волокна подавляет все другие сигналы, является слишком большим и должно быть уменьшено по меньшей мере на 80 дБ. Для этого на дальний конец с помощью сплавления наращивают поглощающее стекло. Эта концевая заделка, однако, является хрупкой и легко ломается, так что интеграция волокна в медицинские устройства имеет низкий положительный результат. Кроме того, этот вид концевой заделки имеет побочный эффект в том, что форма последних 5-10 мм волокна не может отслеживаться.
Волокно измерения формы содержит по меньшей мере 4 сердцевины. Каждая из сердцевин соединена с отдельным интерферометром. Поэтому система содержит элемент, где отдельные односердцевинные волокна присоединяются к одному многосердцевинному волокну: разветвление. В разветвлении и в концевой заделке измерительного волокна возникает взаимное влияние: свет, который распространяется вниз по волокну в определенной сердцевине, рассеивается в этих точках назад в одну из других сердцевин к датчикам. Это взаимное влияние может подавляться с помощью конфигурирования этих четырех интерферометров с помощью выравнивания с взаимным смещением. См. патентную заявку США №2011/0310378, озаглавленную Interferometric measurement with crosstalk suppression. Взаимное смещение интерферометров влечет за собой то, что каждое ответвление интерферометра содержит в себе значительное количество волокна. Всего система будет содержать 500-600 м дополнительного волокна, что делает ее более чувствительной к изменениям температуры и к механической вибрации.
Каждый из интерферометров имеет встроенный оптический блок циркулятора. С помощью этого устройства с 3 портами свет из источника (порт 1) направляется к измерительному волокну (порт 2), и обратный рассеянный сигнал от измерительного волокна направляется к датчикам (порт 3). Свет, вводимый в порт 1, не должен просачиваться в порт 3, иначе он будет подавлять истинный рэлеевский сигнал и насыщать датчики. Коэффициент отклонения большинства циркуляторов слишком низкий для измерения с использованием рэлеевского рассеяния. Каждый циркулятор тестируется, и приблизительно 10% соответствуют надлежащим спецификациям.
В малоинвазивных применениях в здравоохранении интерферометры будут встраиваться в специальный блок со стабилизированной вибрацией и температурой. Медицинское устройство (катетер, проволочный направитель) с его встроенным волокном измерения формы будет использоваться в стерильной части катетеризационной лаборатории. Между этими двумя будет иметься по меньшей мере один оптический соединительный кабель. Это значит, что будет иметься по меньшей мере два многосердцевинных оптических соединителя. Отражения в этих соединителях ухудшают рэлеевские сигналы и предрасположены к эффектам взаимного влияния. Существующие системы (например, 3-е поколение Luna) не будут иметь возможность функционировать должным образом с более чем одним многосердцевинным соединителем.
Между блоком интерферометра и волокном измерения формы будут находиться дополнительные подводящие кабели. Эти подводящие кабели также будут приводить к рэлеевскому рассеянию, которое будет иметь тот же самый порядок величины, как рэлеевский сигнал от измерительного волокна. Следовательно, эти подводящие кабели должны также опрашиваться и только после преобразования из спектра, как функции оптической частоты, в сигнал, как функцию задержки, то есть положения волокна, от информации от подводящих кабелей можно отказываться. Учитывая конечные частоту выборки и скорость качания частоты оптического источника, это дает верхний предел длине подводящих кабелей.
Извлечение фазы рэлеевского рассеяния
Кроме эффектов из-за небольшой интенсивности сигнала рэлеевское рассеяние имеет повышенную чувствительность к механической вибрации, как будет объяснено ниже.
Измерение формы содержит сканирование по диапазону длин волн Δλ (например, 20 нм) вокруг центральной длины волны λв (например, 1540 нм). Спектр, преобразованный с помощью преобразования Фурье, приводит к сложному сигналу, как функции от времени задержки, которое калибруется в положениях вдоль волокна. Преобразованный с помощью преобразования Фурье сигнал сравнивается с аналогичным измеренным сигналом, когда волокно было в начальном положении, например, прямой линией. При сравнении разность фаз (угол в комплексной плоскости) этих двух сигналов берется в соответствующем положении по отношению к волокну. Наклон этой разности фаз, как функция положения, соответствует различным компонентам деформации и может преобразовываться в форму волокна. Интеграл деформации в данном положении является показателем полного интегрированного изменения длины сердцевины волокна. Это изменение длины подразумевает, что соответствующая точка эталонного измерения переместилась по отношению к измерению формы. Следовательно, должен использоваться алгоритм отслеживания формы, который обеспечивает когерентность между измерением формы и эталонным измерением. Кроме того, от измерения к измерению начальная точка эталонного измерения будет сдвигаться относительно начальной точки текущего измерения формы вследствие изменений длины соединительного кабеля. Изменения длины соединительного кабеля вызываются вибрацией и изменениями температуры. В начале алгоритма отслеживания фазы взаимная корреляция должна выполняться для поиска соответствующих начальных положений. Будет существовать верхний предел разрешенной разности двух соответствующих положений по отношению к волокну, при которой все еще поддерживается когерентность сигналов фазы. Этот верхний предел будет теперь оцениваться, и он является показателем чувствительности системы к механической вибрации и изменениям температуры.
Рэлеевское рассеяние происходит из-за изменений плотности в стекле, присутствующих в момент отвердевания, и, как следствие, имеет случайную природу. В интерферометрической установке рэлеевский сигнал при определенной длине волны является результатом суммирования всех отражений вдоль волокна. При суммировании учитывается накопленная задержка фазы каждого из слагаемых. Это обуславливает остроконечный характер интерференционного спектра. Его преобразование с помощью преобразования Фурье также будет остроконечным с характерным масштабом δl длин, который является частью длины волны в стекле. Преобразованный с помощью преобразования Фурье спектр, однако, имеет длину Δz размера шага между последовательными исследуемыми точками вдоль волокна:
В данном случае n является групповым показателем преломления оптической моды в волокне. Характерная длина δl когерентности (оцененная как имеющая тот же самый порядок величины, как исследуемый период, то есть λ/2n=500 нм) рэлеевского рассеяния намного меньше, чем длина Δz размера шага (приблизительно 40 мкм или микрометров). Фиг. 1 отображает фазу измеренного и преобразованного с помощью преобразования Фурье рэлеевского сигнала. Фаза полностью случайна даже при масштабе длин размера шага. К счастью, она воспроизводится так, чтобы было возможно отслеживать фазу по отношению к опорному сигналу. Фиг. 1, однако, показывает, что незначительные сдвиги длины полностью разрушат когерентность разности фаз между измерением формы и эталонным измерением.
Волоконные брэгговские решетки
Решение вышеупомянутых проблем состоит в использовании внешнего сигнала рассеяния с помощью записи брэгговских решеток в 4 сердцевинах измерительного волокна. Эффективность рассеяния может составлять приблизительно 1% по величине, что можно сравнивать с 10-8 рэлеевского рассеяния (см. приложение I). Сигналы интерферометра будут увеличиваться в значение квадратного корня из этого коэффициента, то есть 103 или 60 дБ. Концевая заделка волокна измерения формы нуждается только в небольшом подавлении конечного отражения, так что будет достаточно, например, полируемого среза под углом 8 градусов. Все вопросы относительно взаимного влияния между сердцевинами волокна, конечного коэффициента отклонения циркулятора, отражений из-за многосердцевинных соединителей снимаются. Кроме того, подводящие кабели будут иметь незначительный сигнал по отношению к волокну измерения формы. Увеличение длины подводящих кабелей можно легко компенсировать с помощью добавления равного количества длины волокна в эталонном ответвлении интерферометра без ухудшения достоверности измерений фазы.
Патент США №7781724 является примером устройства измерения формы/положения с использованием волоконных брэгговских решеток. Устройство содержит средство оптического волокна. Средство оптического волокна содержит или по меньшей мере два односердцевинных оптических волокна, или многосердцевинное оптическое волокно, имеющее по меньшей мере две сердцевины волокна. В любом случае сердцевины волокна расположены обособленно таким образом, чтобы взаимное влияние мод между сердцевинами волокна минимизировалось. Массив волоконных брэгговских решеток расположен в каждой сердцевине волокна, и рефлектометр частотной области располагается в рабочей взаимосвязи со средством оптического волокна. При использовании устройство присоединяется к объекту. Деформация оптического волокна измеряется, и измерения деформации коррелируются с локальными измерениями изгиба. Локальные измерения изгиба интегрируются для определения положения и/или формы объекта. Неотъемлемым недостатком является то, что для типичных конфигураций волоконных брэгговских решеток датчик рефлектометра должен иметь относительно большой динамический диапазон для охвата информации в крыльях полосы.
Авторы настоящего изобретения определили, что улучшенная система измерения формы и/или положения имеет преимущество, и на этой основе разработали настоящее изобретение.
Раскрытие изобретения
Было бы предпочтительно обеспечить улучшенную систему измерения формы и/или положения. Также было бы желательно обеспечить систему более стабильного и/или надежного измерения формы и/или положения. В общем случае изобретение предпочтительно стремится уменьшить, смягчить или устранить один или более вышеупомянутых недостатков отдельно или в любой комбинации. В частности, в качестве задачи настоящего изобретения можно рассматривать создание способа, который решает вышеупомянутые проблемы или другие проблемы уровня техники.
Для лучшего решения одной или более из этих проблем в первом аспекте изобретение относится к оптической системе измерения для определения положения и/или формы связанного объекта, причем система содержит:
- одно или более оптических волокон для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту, причем каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна,
- множество сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта,
- рефлектометр, оптически соединенный с упомянутыми одним или более оптическими волокнами, причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна,
- процессор, соединенный при функционировании с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна, причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны для определения упомянутых положения и/или формы, причем одна или более волоконных брэгговских решеток проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна так, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн.
Изобретение, в частности, но не исключительно, предпочтительно для получения оптической системы, где волоконная брэгговская решетка(и) может быть фактически непрерывной вдоль оптического волокна, не оставляя пробелов так, чтобы каждое положение приводило к отражению, которое можно обнаруживать, и к достижению того, что спектр отражения может охватывать протяженность длин волн, равную промежутку сканирования по длинам волн, или развертке оптического источника в рефлектометре.
В контексте настоящего изобретения связанный объект может быть, например, медицинским катетером, который может изготавливаться целиком с оптической системой измерения согласно настоящему изобретению или, в качестве альтернативы, может механически фиксироваться к оптической системе измерения.
Основным свойством волоконных брэгговских решеток является возможность отражать свет определенной длины волны. В некоторых применениях удовлетворительные свойства решетки предполагают, что ее коэффициент отражения r не является маленьким. Это условие устанавливает нижнюю границу для длины волоконной брэгговской решетки, индекса амплитуды модуляции, а также верхнюю границу ее возможной частотной модуляции. Волоконная брэгговская решетка в контексте настоящего изобретения может определяться как своего рода распределенный брэгговский отражатель, воплощенный в оптической сердцевине или фрагменте оптического волокна таким способом, что волоконная брэгговская решетка будет отражать определенные длины волн, и пропускать другие. Это может интуитивно пониматься как явление интерференции между входящей оптической волной и решеткой, входящая оптическая волна испытывает деструктивную оптическую интерференцию в прямом направлении, и конструктивную интерференцию в обратном направлении, следовательно, входящая оптическая волна с длиной волны резонанса взаимодействует с волоконной брэгговской решеткой и отражается. Следует обратить внимание, что одно оптическое волокно может иметь одну сердцевину волокна или несколько сердцевин оптического волокна. Не требуется, чтобы сердцевины были в центральном положении оптического волокна, но оно, в качестве особого случая, может иметь одну сердцевину в центральном положении (то есть вдоль центральной оси) оптического волокна.
Волоконные брэгговские решетки могут применяться несколькими способами в контексте настоящего изобретения. Неисчерпывающий список включает в себя чирпированные волоконные брэгговские решетки (линейные и нелинейные), анодированные волоконные брэгговские решетки, наклонные волоконные брэгговские решетки, волоконные брэгговские решетки со сверхструктурами решетки и т.д.
В контексте настоящего изобретения может подразумеваться, что значение термина вся длина должно интерпретироваться как активная или нестационарная часть сердцевин оптического волокна, где требуются форма и/или положение (и поэтому - присоединенного связанного объекта). Следовательно, сердцевины оптического волокна могут иметь одну или более частей без каких-либо волоконных брэгговских решеток, если целесообразно в данном контексте.
В контексте настоящего изобретения может также подразумеваться, что значение отражения (r), которое пространственно модулируется вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна, должно интерпретироваться как модулируемое вдоль всей длины, рассматриваемой приблизительно как длина волны, деленная на удвоенный индекс преломления (λ/2n). Таким образом, в (существенно) меньших масштабах, отражение может не модулироваться из-за отсутствия, например, конусообразной функции, как поймет специалист.
В одном варианте осуществления по меньшей мере одна сердцевина оптического волокна (10) может иметь одну волоконную брэгговскую решетку (8), проходящую вдоль упомянутой всей длины, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта, возможно, более одной сердцевины оптического волокна могут иметь волоконную брэгговскую решетку, проходящую вдоль длины. Это - так называемое неоднородное решение в контексте настоящей заявки, и оно является определенным предпочтительным решением среди других вариантов из-за относительной легкости изготовления. В дополнительном варианте осуществления одна волоконная брэгговская решетка может быть чирпированной во множестве областей вдоль упомянутой всей длины так, чтобы каждая точка выборки в оптической сердцевине имела действующую отдельную длину волны резонанса, каждая точка выборки могла обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн. Следует обратить внимание, что частотная модуляция, то есть изменение периодичности решетки, может быть линейной или нелинейной. В одном варианте осуществления упомянутое множество областей может частично совпадают друг с другом, область перекрытия может иметь приблизительно одинаковый размер, или она может изменяться от одной области перекрытия до следующей области. Перекрытие может преимущественно увеличивать стабильность измерений деформации, потому что предотвращаются или минимизируются возможные пробелы между решетками.
В одном предпочтительном решении одна волоконная брэгговская решетка (8) может быть линейно чирпированной во множестве областей вдоль упомянутой всей длины. При необходимости только часть областей является линейно чирпированной.
Предпочтительно длина чирпирования в пределах упомянутых областей выбрана таким образом, чтобы соответствующая длина когерентности фазы была более длины (Δz) шага между последовательными точками выборки, потому что это значительно уменьшает чувствительность к вибрации и/или изменениям температуры, например, больше чем на один порядок величины, как объяснено более подробно ниже.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения по меньшей мере одна оптическая сердцевина может иметь множество волоконных брэгговских решеток (8), проходящих вдоль всей длины, каждая волоконная брэгговская решетка имеет длину волны резонанса, отличную от длин волн других волоконных брэгговских решеток, причем каждая решетка соответствует длине волны выборки или оптической частоте. Этот вариант осуществления известен как так называемое однородное решение в контексте настоящей заявки.
В одном определенном варианте осуществления система может быть выполнена с возможностью измерения положения и/или формы в N измерениях, количество сердцевин (9) оптического волокна равно N+1 для учета температурной компенсации и/или растягивающей деформации, используя дополнительную сердцевину оптического волокна.
В другом варианте осуществления множество сердцевин оптического волокна может располагаться в пределах одного оптического волокна, сердцевины оптического волокна спирально изгибаются вокруг центральной сердцевины оптического волокна для определения положения и/или формы.
Различные применения могут рассматриваться в пределах описания и контекста настоящего изобретения, и неисчерпывающий перечень связанных объектов может включать в себя медицинский катетер, медицинский контрольный зонд, медицинский датчик, строительный контрольный датчик, подводный датчик, геологический датчик.
Во втором аспекте настоящее изобретение относится к способу определения положения и/или формы связанного объекта (О), причем способ содержит этапы, на которых:
- обеспечивают одно или более оптических волокон для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту (О), каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна,
- обеспечивают множества сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта (О),
- обеспечивают рефлектометр (REFL), оптически соединенный с упомянутыми одним или более оптическими волокнами, причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна, и
- обеспечивают процессор (PROC), соединенный при функционировании с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна,
причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны (λ0) для определения упомянутых положения и/или формы, одна или более волоконных брэгговских решеток проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна так, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн.
В третьем аспекте настоящее изобретение относится к оптическому блоку, который будет применяться в связанной оптической системе измерения для определения положения и/или формы связанного объекта (О), данный оптический блок содержит:
- одно или более оптических волокон для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту (О), каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна, и
- множество сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта (О),
где оптический блок может быть соединен со связанным рефлектометром (REFL), причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна, связанный процессор (PROC) дополнительно может быть соединен с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна,
причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны (λ0) для определения упомянутых положения и/или формы, одна или более волоконных брэгговских решеток проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, причем каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна таким образом, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн. Таким образом, оптический блок может содержать одно или более оптических волокон.
В четвертом аспекте настоящее изобретение может дополнительно относиться к оптической системе измерения для определения положения и/или формы связанного объекта, данная система содержит:
одно или более оптических волокон для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту, каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна, как в первом аспекте настоящего изобретения, но только с одной сердцевиной оптического волокна, имеющей одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта.
В общем случае различные аспекты изобретения могут объединяться и соединяться любым возможным способом в пределах формулы изобретения. Эти и другие аспекты, особенности и/или преимущества изобретения будут объясняться со ссылкой на варианты осуществления, описанные ниже, и будут очевидны из них.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления изобретения будут описаны только в качестве примера со ссылкой на чертежи, на которых
фиг. 1 показывает фазу преобразованного с помощью преобразования Фурье спектра от интерферометра в качестве функции положения вдоль волокна для рэлеевского сигнала. Положение задается в числовых индексах волокна,
фиг. 2 показывает фазу одной волоконной брэгговской решетки с линейной частотной модуляцией в качестве функции положения,
фиг. 3 показывает нормализованную амплитуду конусообразной функции в зависимости от нормализованного положения по отношению к волокну. Конусообразная функция состоит из 40 решеток с перекрытием 0,001,
фиг. 4 показывает фазу конусообразной функции по отношению к нормализованному положению по отношению к волокну. Конусообразная функция состоит из 40 решеток с перекрытием 0,001. Нормализованная константа частотной модуляции равняется нормализованному диапазону настройки,
фиг. 5 показывает амплитуду (в произвольных единицах измерения) коэффициента отражения Френели в зависимости от рассогласования. В верхней части - абсолютное значение, темно-серым изображена действительная часть (РЕ), а светло-серым мнимая часть (IM) коэффициента отражения, как обозначено стрелками,
фиг. 6 показывает увеличенную часть нормализованного спектра отражения (см. также фиг. 5) от 40 линейных чирпированных дифракционных решеток,
фиг. 7 показывает изменение амплитуды спектра отражения, показанного на фиг. 5, из-за деформации с величиной 0,1 микродеформаций на 0,005 части волокна,
фиг. 8 показывает фазу преобразованных с помощью преобразования Фурье спектров многосердцевинного волокна с брэгговскими решетками,
фиг. 9 показывает изменение сигнала фазы от волоконных брэгговских решеток, когда эталон сдвигается на 1 индекс,
фиг. 10 показывает схематичную иллюстрацию оптической системы измерения положения и/или формы согласно настоящему изобретению,
фиг. 11 показывает схематичную иллюстрацию в перспективе оптического волокна с сердцевинами оптического волокна согласно настоящему изобретению,
фиг. 12-14 показывают схематичные иллюстрации поперечного разреза различных вариантов осуществления с оптическим волокном(ами) с сердцевинами оптического волокна согласно настоящему изобретению,
фиг. 15-17 показывают схематичные иллюстрации поперечного разреза различных вариантов осуществления с сердцевинами оптического волокна с волоконной брэгговской решеткой согласно настоящему изобретению, и
фиг. 18 показывает последовательность операций способа согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Фиг. 10 показывает схематическую иллюстрацию оптической системы 1 измерения положения и/или формы согласно настоящему изобретению. Оптическая система 1 измерения выполнена с возможностью определения положения и/или формы связанного объекта О. Система содержит одно или более оптических волокон 10 для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту О, каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин оптического волокна, см. фиг. 11 и далее.
Кроме того, множество сердцевин оптического волокна, не показанных в данной работе, имеют одну или более волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта О.
Рефлектометр REFL 12 оптически соединен, например, через вспомогательное оптическое волокно 11, настроенное для этой цели, к упомянутому одному или более оптических волокон 10, рефлектометр 12 оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна. При необходимости может применяться больше одного вспомогательного оптического волокна 11, см., например, патент США №7781724 для дополнительных подробностей относительно этого аспекта изобретения.
Процессор PROC 14 соединен при функционировании с рефлектометром 12 для определения положения и/или формы объекта О, на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна (не показаны в данной работе).
Рефлектометр 12, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны (λ1) до второй длины волны (λ2) вокруг центральной длины волны (Л0) для определения упомянутых положения и/или формы, одна или более волоконных брэгговских решеток проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин оптического волокна, каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна так, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн, например, от λ1 до λ2, также называют Δλ в последующем.
Фиг. 11 показывает схематичную иллюстрацию в перспективе оптического волокна 10 с четырьмя сердцевинами 9а, 9b, 9с и 9d оптического волокна согласно настоящему изобретению. Как обозначено с помощью шаблона вертикального заполнения, сердцевина 9 имеет одну или более волоконных брэгговских решеток вдоль всей длины (левая конечная часть не показана, как обозначено прерывистыми линиями).
Как объяснено в приложении III, в общем случае существуют однородные и неоднородные решения для отражения r вдоль всей длины сердцевины 9 оптического волокна.
Для неоднородного решения, в котором по меньшей мере одна сердцевина 9 оптического волокна, которая имеет одну волоконную брэгговскую решетку, проходящих вдоль упомянутой всей длины, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта О.
Для однородного решения по меньшей мере одна оптическая сердцевина 9 имеет множество волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины, причем каждая волоконная брэгговская решетка имеет длину волны резонанса, отличную от других волоконных брэгговских решеток.
Предполагается, что может также воплощаться комбинация неоднородного решения и неоднородного решения. Конечно, рефлектометр должен настраиваться соответствующим образом.
На фиг. 11 и последующих фигурах оптические сердцевины 9 показаны, как расположенные параллельно с центральной осью оптического волокна 10, но в некоторых вариантах осуществления оптические сердцевины могут располагаться иначе. В одном предпочтительном варианте осуществления количество оптических сердцевин 9 равно четырем, и они располагаются так, что центральная оптическая сердцевина 9d параллельна оптическому волокну 10, а другие три сердцевины 9 спирально изгибаются вокруг упомянутой центральной сердцевины (не показаны).
Фиг. 11 изображает четыре сердцевины 9а, 9b, 9с и 9d в волокне 10. Как показано на фиг. 11, сердцевины 9 идут параллельно с центром волокна. С помощью такой структуры можно фактически измерять только поперечный изгиб в направлении х и у, но нельзя измерять/компенсировать ни деформацию, ни скручивание/закручивание волокна. Однако, если эти три сердцевины 9а, 9b и 9с также изгибаются вокруг центральной сердцевины 9d, то также возможно измерять эти свойства. Это, однако, не показано для ясности ни на фиг. 11, ни на других фигурах. На чертеже А поперечного сечения показано относительное положение сердцевин 9.
Фиг. 12-14 показывают схематичные иллюстрации различных вариантов осуществления с оптическим волокном(ами) с сердцевинами оптического волокна согласно настоящему изобретению.
На фиг. 12 показано оптическое волокно 10 с двумя оптическими сердцевинами 9а и 9b. Для некоторых типов измерения этого может быть достаточно, например, для одномерных перемещений, дополнительная сердцевина используется для компенсации температуры.
На фиг. 13 показано другое оптическое волокно 10 с двумя оптическими сердцевинами 9а' и 9b'. Как схематично обозначено, только оптическая сердцевина 9а' имеет одну или более волоконных брэгговских решеток вдоль длины (шаблон вертикального заполнения), тогда как другая оптическая сердцевина 9b' применяет другой вид отражения, например, рэлеевское рассеяние. Таким образом, в отдельном аспекте настоящего изобретения только одна оптическая сердцевина 9а' имеет волоконную брэгговскую решетку, которая может объединяться с другими видами методик измерения через оптическое отражение, чувствительное к деформации. В определенном варианте осуществления оптическая сердцевина 9а' может также работать независимо или без другой оптической сердцевины.
На фиг. 14 показан определенный вариант осуществления, где оптические сердцевины 9а'' и 9b'' располагаются в отдельных оптических волокнах 10' и 10''. Это может, конечно, дополнительно обобщаться для любой комбинации оптических волокон 10, каждое волокно имеет одну или более оптических сердцевин 9, например, 2 оптических волокна, каждое с двумя оптическими сердцевинами (не показаны).
Фиг. 15-17 показывают схематичные иллюстрации различных вариантов осуществления с сердцевинами оптического волокна с волоконной брэгговской решеткой согласно настоящему изобретению.
На фиг. 15 схематично показано вышеупомянутое однородное решение, где показан массив перекрывающихся волоконных брэгговских решеток 8а, 8b, 8с..; см. также приведенное ниже приложение III для более подробного объяснения. Для реального оптического волокна количество решеток обычно будет приблизительно равно 10000, представляя это решение несколько сложным, но не невозможным при существующей технологии и, следовательно, находящимся в пределах объема и раскрытия настоящего изобретения. Однородный случай, изображенный на фиг. 15, таким образом, показывает полностью перекрывающиеся решетки, где каждая из них имеет длину всего волокна и каждая - свою собственную периодичность. Можно сказать, что это моделирует аналогичную ситуацию, как при рэлеевском рассеянии, но созданную искусственно. Можно графически представлять это с помощью набора вертикальных линий, которые имеют нерегулярный случайный интервал с определенным средним интервалом. Это, однако, не сделано на фиг. 15 для ясности.
На фиг. 16 показано неоднородное решение смежных областей 7а, 7b, 7с… волоконных брэгговских решеток. Каждая область решетки имеет свою собственную длину волны резонанса, охватывающую всю протяженность области рассогласования. В данном конкретном варианте осуществления области решетки имеют периодичность (Λ) решетки, которая линейно изменяется, то есть она является чирпированной от высокого значения к низкому, от высокого к низкому и т.д. вдоль оптического волокна 10 (слева направо). Это схематично обозначено для отражения r на графике непосредственно ниже оптического волокна 10. Следует обратить внимание, что масштаб графика увеличен для ясности, в действительности это - небольшое отклонение от обычного состояния, как объяснено в приведенном ниже приложении III.
Фиг. 16 отображает чирпированные дифракционные решетки, которые не перекрываются. Для полноты можно добавить дополнительный вариант осуществления, который может быть последовательностью нечирпированных дифракционных решеток, смежных друг с другом, каждая с другой длиной волны резонанса. Таким образом, диапазон длин волн может также охватываться. Для этого необходимо значительное количество масок, таким образом это может выполняться с помощью способа изготовления интерферометра или другого соответствующего изготовления.
Таким образом, одна волоконная брэгговская решетка 7 является чирпированной во множестве областей R1, R2, R3 Ri вдоль всей длины таким образом, чтобы у каждой точки в оптической сердцевине была действующая отдельная длина волны резонанса, каждая точка выборки могла обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн. Под «отдельной» подразумевается то, что их можно отличить от соседних пиков при сканировании. Любой вид частотной модуляции, который отвечает этим требованиям, может применяться для изменения периодичности.
Точки выборки могут распределяться приблизительно с интервалом Δz, равным 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 или 100 микрометров (мкм).
Это также указывает, как определяется длина 6 частотной модуляции CL в пределах упомянутых областей R2 и R3, и длина частотной модуляции CL преимущественно выбирается так, чтобы соответствующая длина когерентности фазы была более длины шага Δz между последовательными точками выборки. Это значительно уменьшит влияние шума и температуры, как демонстрируется в приложении II ниже более подробно. Длина 6 частотной модуляции обычно одинакова для различных областей R1-Ri решетки, но также рассматривается, что она может быть различной.
Фиг. 17 показывает вариант осуществления, аналогичный фиг. 16, но где множество областей R1-Ri вдоль оптической сердцевины 9 частично совпадают друг с другом, как схематично обозначено с помощью R2, перекрывающейся с R1 и R3 с обеих сторон, соответственно. На приведенном ниже графике оптического волокна 10 совпадающие области 3а и 3b обозначены, чтобы показать, что коэффициенты отражения и, следовательно, длины волн резонанса будут отличаться для двух перемежаемых решеток в 3а и 3b. Это может в общем случае достигаться с помощью нечетной функции частотной модуляции, но в данном варианте осуществления это показано для линейной частотной модуляции. Следует обратить внимание, что диапазон перекрытия обычно является относительно небольшим (1/1000 длины оптического волокна), но показан в данном случае большим для ясности.
Фиг. 18 показывает последовательность операций способа согласно настоящему изобретению; способа определения положения и/или формы связанного объекта О, данный способ содержит этапы;
S1, обеспечивающий одно или более оптических волокон 10 для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту О, каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин 9 оптического волокна,
S2, обеспечивающий множество сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток 8, проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин 9 оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта О,
S3, обеспечивающий рефлектометр REFL 12, оптически соединенный с упомянутыми одним или более оптическими волокнами 10, причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна, и
S4, обеспечивающий процессор PROC 14, соединенный при функционировании с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта, на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна,
причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны λ0 для определения упомянутых положения и/или формы, одна или более волоконных брэгговских решеток 8 проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин 9 оптического волокна, каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение r вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна так, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн.
Обычно брэгговские решетки записываются в сердцевине волокна, используя УФ (ультрафиолетовый) свет и фазовую маску. Конечная длина фазовой маски приводит к той же самой конечной длине решетки. Эта длина будет несколько сантиметров шириной и не будет иметь такого размера, как вся длина измерительного волокна. Поэтому множество решеток должны записываться таким способом, что они соединяются или перекрываются таким образом, чтобы сигнал как функция положения по отношению к волокну не имел пробелов. См. М. Sumetsky и др. Holographic methods for phase mask and fiber grating fabrication and characterization для дополнительных подробностей, важных для специалиста для изготовления волоконных брэгговских решеток.
Для получения хорошего пространственного разрешения (например, 40 микрон) должна сканироваться соответствующая ширина полосы (например, 20 нм). Брэгговская решетка, непрерывная по измерительному волокну с длиной 1 м, приведет к очень острому спектральному пику, намного меньшему 20 нм. Скачки фазы между последовательными решетками расширят спектр, но ширина спектра недеформированного волокна все еще будет намного ниже 1 нм. Для получения информации в крыльях спектральной полосы, где уровни сигнала небольшие, датчики должны иметь большой динамический диапазон. Для решения этой задачи лучше чирпировать решетку(и) таким образом, чтобы почти вся измеряемая спектральная полоса была заполнена. Из-за изгиба измерительного волокна последует деформация и, следовательно, спектр отражения будет сдвинут. Сдвиг будет самое большее несколько нм. Во время опроса диапазон сканирования должен охватывать не только недеформированную спектральную полосу отражения, но также и добавленные возможные сдвиги из-за деформации.
Вследствие частотной модуляции решетки фаза эталонного измерения не будет постоянной, а будет иметь функциональную зависимость, соответствующую частотной модуляции. Для линейной частотной модуляции функция фазы будет квадратичной. Пример этого приведен на фиг. 1. Хотя полная протяженность фаз является существенной, функция непрерывна и не полностью случайна, что касается рэлеевского рассеяния. Масштаб длин изменения соответствует спектральной полосе частотной модуляции. Частотная модуляция по менее чем 20 нм будет соответствовать длине когерентности фазы больше 40 микрон, то есть больше длины шага между последовательными точками измерения. Следовательно, чувствительность к вибрации и температурным изменениям уменьшается намного больше, чем на порядок величины. В приложении II «Экспериментальные данные сигналов фазы от волоконных брэгговских решеток» приводится экспериментальное доказательство устойчивости сигнала фазы от волоконной брэгговской решетки по отношению к сдвигам положения, то есть вибрации.
Настоящее изобретение предлагает среди других волокно с множеством сердцевин, каждая имеет одну чирпированную брэгговскую решетку. Преимущество частотной модуляции состоит в том, что спектральная полоса, необходимая для пространственного разрешения, более или менее равномерно заполняется. Такое волокно может использоваться для оптического измерения формы.
Настоящее изобретение предлагает среди других волокно с одной сердцевиной, которая имеет множество чирпированных брэгговских решеток, посредством чего между решетками нет никакого пробела. Преимущество частотной модуляции состоит в том, что спектральная полоса, необходимая для пространственного разрешения, более или менее равномерно заполняется, и преимущество отсутствия пробелов состоит в том, что все местоположения вдоль сердцевины могут сканироваться. Такое односердцевинное волокно может использоваться в применениях, где распределенный профиль температуры и/или деформации контролируется интерференционным способом. При усовершенствовании данное изобретение предлагает сердцевину с перекрытием двух последовательных брэгговских решеток. Перекрытие обеспечивает то, что такая сердцевина позволяет сканировать местоположение, которое из-за деформации переместилось за пределы области одной решетки.
Вариант осуществления устройства согласно изобретению содержит:
- многосердцевинное волокно измерения формы с центральной сердцевиной и по меньшей мере 3 внешними сердцевинами, которые спирально навиты вокруг центральной сердцевины;
- блок опроса для доставки света к волокну измерения формы и обнаружения отраженных от брэгговских решеток сигналов интерференционным способом;
- процессор и сопроводительный алгоритм, который преобразовывает измеренные спектры отражения в форму, которые отличаются тем, что:
- все сердцевины волокна содержат по меньшей мере одну брэгговскую решетку;
- в пределах каждой из сердцевин решетка(ки) записывается непрерывно так, чтобы никакие пробелы не возникали в сигнале, как в функции от положения;
- в пределах каждой из сердцевин спектр брэгговской решетки(ок) имеет ширину спектральной полосы, которая близко соответствует необходимому пространственному разрешению;
- в случае если используются множество аналогичных чирпированных дифракционных решеток, то последовательные решетки предпочтительно перекрываются в пространственной области, в то время как полосы частот резонанса в перекрытии соответствуют двум противоположным крыльям спектральной полосы.
Как объяснено в приложении III, названном «Теоретическая структура волоконных брэгговских решеток», существует неограниченное количество способов, которыми могут разрабатываться одна или последовательность волоконных брэгговских решеток, пока выполняются два требования аналитических выводов: то есть 1) решетка(ки) должна быть непрерывной вдоль волокна, не оставляя пробелов так, чтобы каждое положение приводило к отражению, которое может обнаруживаться, 2) весь спектр отражения должен охватывать протяженность длин волн, равную размеру сканирования развертки оптического источника. Размер сканирования определяется с помощью разрешения, необходимого для надлежащего измерения формы, как приведено в уравнении (1). Типичное значение протяженность длин волн на 20 нм вокруг центральной длины волны 1540 нм - будет соответствовать размеру шага 40 микрон в реальном пространстве.
Не будучи далеко от завершения, далее будет приведен пример, который соответствует двум приведенным выше требованиям. Конструкция составляет 40 решеток с одинаковой частотной модуляцией и одинаковой средней длиной волны. Для длины волокна, равной 1 м, размер решетки таким образом составляет 25 мм, что является типичным значением для размера фазовой маски во время записи решетки. Решетки имеют небольшое перекрытие, равное 0,001, умноженное на длину измерительного волокна, то есть когда длина волокна равна 1 м, это перекрытие рано 1 мм. Каждая из решеток имеет линейную частотную модуляцию, что означает квадратичную зависимость фазы от положения и абсолютную фазу периодичности, которая выбирается случайно.
После преобразования Фурье конусообразной функции с нормализованной амплитудой, которая задана с помощью фиг. 3, и фазой, которая задана с помощью фиг. 4, используя формулу уравнения (II.1) из приложения II, получают сложный коэффициент отражения Френели. Результат отображается на фиг. 5. Нормализованный диапазон настройки от -32000 до +32000 соответствует протяженности длин волн немного больше 16 нм.
Спектр на фиг. 5 является быстро изменяющейся функцией с высокой плотностью расположения пиков, которая полностью заполняет спектральную полосу, представляющую интерес. Часть спектра с увеличенным масштабом приведена на фиг. 6. Выбирая абсолютную фазу конусообразной функции для каждой из решеток со случайным смещением (что будет истинным на практике), нет, по-видимому, никакой структуры в спектре, которая моделирует шаблон рэлеевского рассеяния.
Рассмотрим конструкцию, где полная ширина спектра отражения соответствует полному диапазону измерений. Деформация будет сдвигать по меньшей мере часть спектра с конечной вероятностью, что сдвиг будет за пределы диапазона измерения. В этом случае часть определенных решеток с деформацией не будет полностью контролироваться, что приведет к пробелам в информации деформации вдоль волокна. Для решения этой проблемы можно увеличивать перекрытие последовательных линейных чирпированных дифракционных решеток. Каждое положение по отношению к волокну имеет соответствующую длину волны резонанса. Начало решетки и ее конец будут иметь наиболее сильно разнесенные длины волны резонанса. Перекрытие в начале решетки с предыдущей решеткой и в конце со следующей решеткой приводит к тому, что области перекрытия имеют две различные длины волны резонанса. В случае, если одна из них сдвигается за диапазон измерения, то другая сдвигается больше к центру диапазона измерения. Поэтому перекрытие решеток обеспечивает непрерывность информации деформации вдоль волокна.
Также можно вычислять чувствительность к деформации. На фиг. 7 показано изменение амплитуды спектра отражения из-за 0,1 микродеформаций (изменение длины 10-7) по длине 0,005 части волокна. В случае конченной однородной конусообразной функции (как рэлеевское рассеяние) изменение из-за локализованной деформации было бы видимо по всей спектральной полосе. Для набора чирпированных дифракционных решеток конусообразная функция менее однородна, и, следовательно, изменение спектра будет только в части всего диапазона рассогласования. Однако фиг. 7 показывает изменения на по меньшей мере 15% диапазона настройки, хотя только 0,5% волокна деформируется.
Изобретение, относящееся к односердцевинному волокну, может использоваться в применениях, где распределенный профиль температуры и/или деформации контролируется интерференционным способом.
Изобретение, относящееся к множеству сердцевин, может применяться во всех малоинвазивных процедурах, где важны отслеживание и/или определение местоположения медицинских устройств, таких как проволочные направители, катетеры и т.п.
Список источников
US 2011/0109898, Mark Е. Froggatt, Justin W. Klein, Dawn K. Gifford, and Stephen Tod Kreger, "Optical position and/or shape sensing".
US 2011/0310378, Mark E. Froggatt, Justin W. Klein, "Interferometric measurement with crosstalk suppression".
US 7781724, Brooks A. Childers, Dawn K. Gifford, Roger G. Duncan, Matthew T. Raum, Michael E. Vercillino and Mark E. Froggatt, "Fiber optic shape sensing 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 et al., "Holographic methods for phase mask and fiber grating fabrication and characterization" in Laser Micromachining for Optoelectronic Device Fabrication, Andreas Ostendorf, Editor, Proceedings of SPIE Vol.4941 (2003).
Все приведенные выше источники в полном объеме включены в данный документ путем ссылки.
Приложение I. Интенсивность рэлеевского сигнала и отношение сигнал/шум
Ниже представлена оценка сигнала рэлеевского рассеяния в одномодовом волокне, используя интерференционное средство. Для проверки этой оценки отношение сигнал/шум вычисляется и сравнивается с экспериментальными значениями, которые возникают из системы Luna Form Acquisition. Уровень шума имеет два слагаемых. Одно возникает из электроники датчика, в частности - от температурного шума Джонсона резистора обратной связи в трансимпендансном усилителе. Другое является результатом относительно интенсивного шума лазерного источника.
Рэлеевское рассеяние
Потери в телекоммуникационном волокне составляют 0,15 дБ/км, и они поглощаются рэлеевским рассеянием. Это подразумевает, что после приблизительно 30 километров половина света будет рассеяна, и внедряется следующая станция усилителя. Будет использоваться параметр рассеяния:
Рассеянный свет распространяется по всему пространственному углу, и только небольшая часть захватывается в моде волокна. Эта часть fs определяется внутренним углом θNA, соответствующим внешней числовой апертуре:
Для входной мощности I0 в волокне и длины L волокна полная мощность рэлеевского рассеяния будет равна:
К счастью, измерения выполняются интерференционным способом, и рассеянный с помощью рэлеевского рассеяния свет смешивается с эталонной мощностью, аналогичной по величине входной мощности в волокне, следовательно, РЧ мощность в датчике равна:
Хороший InGaAs PIN-диод будет иметь чувствительность приблизительно 1 А/Вт, так что ток iRF датчика составит приблизительно 0,3 мкА.
Шум усилителя
В трансимпедансном усилителе ток датчика будет проходить через резистор обратной связи R, что приведет к напряжению сигнала. Размер резистора обратной связи ограничен необходимой шириной полосы частот следующим образом: паразитные емкости С будут замыкать накоротко резистор обратной связи с полным сопротивлением 1/(ωС), так что R не может быть больше данного значения. Трудно уменьшать паразитные емкости до значений ниже 1 пФ. Тепловой шум резистора задается с помощью:
В последней части приведенного выше уравнения используется максимальное значение для сопротивления R, которое задается паразитной емкостью С. Уровень собственных шумов трансимпедансного усилителя не зависит от ширины полосы. Сигнал, однако, зависит от ширины полосы, так как резистор R обратно пропорционален ширине полосы. Следовательно, отношение сигнал/шум обратно пропорционально ширине полосы (а не квадратному корню из ширины полосы, как предлагает приведенная выше формула). Отношение сигнал/шум равно:
Усилитель ограничен 30 МГц. Это значение получено с помощью рассмотрения представляющего интерес лазерного источника на 500 нм/с для интерферометра с синхроимпульсами с задержкой 20 м, что приводит к тактовой частоте приблизительно 6 МГц. Чтобы должным образом откорректировать изменения в сигнале синхроимпульсов, частота дискретизации установлена в 5 раз выше. При частоте 30 МГц и паразитной емкости не больше 1 пФ резистор обратной связи может иметь значение 5 кОм. Отношение сигнал/шум при амплитуде 30 соответствует по мощности отношению, также равному 30 дБ.
RIN лазера
В интерферометре датчик кроме РЧ сигнала также подвергается DC сигналу, соответствующему мощности от эталонного ответвления. У этого DC сигнала будет амплитудный шум также на частоте РЧ сигнала. Его вклад приведет к окончательному отношению сигнал/шум. Хороший полупроводниковый лазер будет иметь уровень шума RIN -120 дБ/Гц. Следует отметить, что в данном случае шум также пропорционален ширине полосы. Это является результатом того факта, что мощность лазера приводит к току датчика, поэтому электрическая мощность пропорциональна квадрату оптической мощности. Шум должен быть известен на частоте измерения, то есть в диапазоне МГц. Ширина полосы, по которой выполняют интегрирование вокруг этой частоты, является разностью частот, соответствующих двум смежным точкам, разнесенным на длину шага. Это - то же самое, как обратная величина всей длины сканирования, то есть 1/40 мс = 25 Гц. Уровень шума лазера таким образом равен -106 дБ. Отношение РЧ уровня и DC уровня равняется:
Уровень отношения сигнал/шум из-за шума лазера оценивается только в 35 дБ. Он является довольно небольшим, и необходимо проверять все лазеры (которые включают в себя систему Luna), какие у них уровни RIN. Аналогично шуму датчика это чрезвычайно помогло бы увеличить сигналы.
Приложение II. Экспериментальные данные сигналов фазы от волоконных брэгговских решеток
Волокно состоит из множества сердцевин, то есть из одной центральной сердцевины и 3 внешних сердцевин на расстоянии 50 микрон от центральной сердцевины и спирально намотанных вокруг центральной сердцевины с шагом приблизительно 18 мм. Каждая сердцевина содержит брэгговские решетки с длиной приблизительно 25-30 мм и длиной волны резонанса приблизительно 1543 нм. Когда волокно изгибается, внешние сердцевины будут испытывать деформацию. Деформация будет периодически изменяться от растяжения к сжатию и наоборот с периодичностью 18 мм вследствие их спиральной намотки. Спектры отражений этих четырех сердцевин измеряются с помощью интерферометра в спектральном диапазоне 20 нм вокруг 1540 нм. Преобразование Фурье приводит к сложным сигналам в качестве функции от задержки, то есть положения вдоль волокна. На фиг. 8 фаза этих сложных сигналов показана после вычитания постоянного наклона, являющегося результатом того факта, что резонанс не находится в центре сканирования спектра.
Явно видны колебания из-за деформации от изгиба в комбинации со спиральной намоткой. Они должны сравниваться с фазовым сигналом рэлеевского рассеяния, как задано на фиг. 1. Без вычитания фазы эталонного измерения, когда волокно является прямой линией, рэлеевские сигналы не могут интерпретироваться, в то время как брэгговские решетки показывают деформацию без сравнения с эталонным значением. Это само по себе уже является явным доказательством устойчивости сигналов от брэгговской решетки по отношению к небольшим изменениям положения вдоль волокна, и, следовательно, устойчивости по отношению к вибрации. Сравнение с эталонным значением фазовых сигналов с результатами измерений волокна на прямой линии увеличит информацию деформации и для волоконных брэгговских решеток, и для рэлеевских сигналов. Когда эталон сдвинется на небольшую величину (часть индекса волокна), фаза рэлеевского сигнала потеряет свою когерентность, и никакая значительная информация деформации не сможет извлекаться. С другой стороны, сигналы от волоконных брэгговских решеток довольно устойчивы по отношению к сдвигу эталонных данных. Рассматривают сигнал фазы внешней сердцевины в качестве функции положения вдоль волокна, как задано на фиг. 8, и вычитают сигнал фазы эталонного измерения. Повторяют то же самое, но сдвигают эталонный сигнал фазы на один индекс волокна (приблизительно 40 микрон). Эти два сигнала разности фаз являются одинаковыми кроме заданного постоянного смещения. Это изображено на фиг. 9, где данное изменение разности фаз изображено по отношению к положению вдоль волокна. Эталонный сигнал фазы изменяется только с постоянным значением (не добавляется к деформации из-за изгиба). Кроме того, добавленный из-за сдвига шум меньше ±0,1 радиана, что показывает устойчивость брэгговского сигнала.
Приложение III. Теоретическая структура волоконных брэгговских решеток
Kogelnik показал, что для брэгговских решеток существует простая зависимость между коэффициентом отражения в качестве функции от длины волны с одной стороны и конусообразной функцией решетки с другой стороны.
В данном случае Ω является амплитудой конусообразной функции, то есть силой взаимного влияния между распространяющимися в прямом и обратном направлениях волнами в волокне и является результатом периодичности в диэлектрической константе сердцевины, φ - фаза конусообразной функции. Когда амплитуда Ω и фаза φ являются постоянными, это подразумевает, что периодичность Λ решетки является фиксированной, и интеграл приводит к синхронизирующей функции, центрированной в δ=0. В общем случае и Ω, и φ являются функцией положения z*, или, другими словами, решетка является неоднородной. Решетка будет иметь почти периодическую структура, то есть конусообразная функция имеет только небольшую зависимость от положения, так что зависимость длины волны может рассматриваться в качестве небольшого отклонения вокруг центрального резонанса:
В уравнении (II.1) используется параметр 5 рассогласования, который описывает сдвиг длины волны от центрального резонанса:
Кроме того в уравнении (II.1) не являющиеся безразмерными величины были преобразованы в безразмерные величины с помощью нормализации их с помощью длины L волокна (δ*=δ.L, Ω*=Ω.L и z*=z/L). Конусообразная функция является нулем вне волокна, так что интеграл можно брать от -∞ до +∞. В этом случае уравнение (II.1) имеет форму интеграла Фурье, где дополнительный коэффициент 2 в экспоненте является следствием того факта, что свет распространяется вперед и назад в эксперименте с отражением, так что он дважды проходит расстояние.
Целью в данном случае является разработка конусообразной функции так, чтобы спектр отражения заполнял определенную полосу в диапазоне Δδ* рассогласования. Ширина этой полосы может выбираться для удобства. При разработке необходимо сделать принципиальный выбор между однородным распределением и неоднородным распределением. В однородном случае необходимо создавать много решеток, каждая растянется по всей длине волокна, но все они имеют различную длину волны резонанса и различную случайную фазу. В каждом положении волокна существуют все решетки, поэтому, это - однородное распределение, и оно имитирует подобие рэлеевского рассеяния. Чтобы иметь ненулевые отражения по диапазону Δδ* рассогласования, необходимо взять N=Δδ*/π решеток, где сдвиг δk* резонанса решеток равен 2πj с -N/2<j<N/2. Формулой для отражений является:
Следует отметить, что фаза φj является случайным числом. Для реальной ситуации с длиной волокна 1 м и полосой длин волн, равной 20 нм, центрированной около 1540 нм, количество N решеток, которые должны записываться по всей длине волокна, является непрактично большим и составляет больше 104. Следовательно, эту возможность игнорируют.
В неоднородном случае существует одна решетка, которая является чирпированной таким образом, что у каждого положения по отношению к волокну есть своя собственная длина волны резонанса, охватывающая всю протяженность диапазона рассогласования. В случае если изменение резонанса линейно с положением, фаза конусообразной функции должна иметь квадратичную зависимость от положения:
Сопутствующее отражение как функция рассогласования задается с помощью
В уравнении (II.6) символы С и S обозначают интегралы Френели. В отличие от однородного случая чирпированная брэгговская решетка приводит к сложному коэффициенту отражения Френели. Уравнение (II.6) может также использоваться для случая составных чирпированных дифракционных решеток, то есть волокон с N одинаковыми чирпированными дифракционными решетками, но с меньшей длиной, расположенными одна за другой. Каждая из этих решеток будет иметь аналогичный коэффициент отражения Френели с дополнительным коэффициентом фазы, соответствующим положению по отношению к волокну.
Таким образом, вкратце изобретение относится к оптической системе (1) измерения для определения положения и/или формы связанного объекта (О), данная система содержит оптические волокна (10), имеющие одну или более сердцевин (9) оптического волокна с одной или более волоконных брэгговских решеток (8), проходящих вдоль всей длины, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта (О). Рефлектометр (REFL, 12) измеряет деформацию во множестве точек выборки вдоль сердцевин оптического волокна, и процессор (PROC, 14) определяет положение и/или форму, на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна. Волоконная брэгговская решетка(и) (8) проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин (9) оптического волокна, сердцевина волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна так, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн. Таким образом волоконная брэгговская решетка(и) может быть фактически непрерывной вдоль оптического волокна, не оставляя пробелов так, чтобы каждое положение приводило к отражению, которое может обнаруживаться, и к достижению того, что отраженный спектр может охватывать протяженность длин волн, равную промежутку сканирования по длинам волн, или развертке оптического источника в рефлектометре.
Хотя изобретение иллюстрировано и описано подробно на чертежах и в предшествующем описании, такие иллюстрацию и описание нужно считать иллюстративными или примерными, а не ограничительными; изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Другие разновидности раскрытых вариантов осуществления могут подразумеваться и выполняться специалистами при воплощении заявляемого изобретения после изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, и указание единственного числа не исключает множества. Один процессор или другой блок могут выполнять функции нескольких элементов, приведенных в формуле изобретения. Тот факт, что определенные средства охарактеризованы в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинация этих мероприятий не может использоваться для получения преимущества. Компьютерная программа может храниться/распространяться на соответствующем носителе, таком как оптический носитель данных или твердотельный носитель, поставляемый вместе или как часть других аппаратных средств, но может также распространяться в других формах, например, через Интернет или другие проводные или беспроводные телекоммуникационные системы. Условные обозначения в формуле изобретения не должны рассматриваться в качестве ограничения объема.
1. Оптическая система (1) измерения для определения положения и/или формы связанного объекта (О), причем система содержит:
- одно или более оптических волокон (10) для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту (О), причем каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин (9) оптического волокна,
- множество сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток (8), проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин (9) оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта (О),
- рефлектометр (REFL, 12), оптически соединенный с упомянутыми одним или более оптическими волокнами (10), причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна, и
- процессор (PROC, 14), соединенный при функционировании с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна,
причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны (λ0) для определения упомянутых положения и/или формы, причем одна или более волоконных брэгговских решеток (8) проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин (9) оптического волокна, причем каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна таким образом, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн.
2. Оптическая система измерения по п. 1, в которой по меньшей мере одна сердцевина оптического волокна (10) имеет одну волоконную брэгговскую решетку (8), проходящую вдоль упомянутой всей длины, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта.
3. Оптическая система измерения по п. 2, в которой одна волоконная брэгговская решетка является чирпированной во множестве областей (7) вдоль упомянутой всей длины таким образом, чтобы у каждой точки выборки в оптической сердцевине была действующая отдельная длина волны резонанса, причем каждая точка выборки может обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн.
4. Оптическая система измерения по п. 3, в которой множество областей частично совпадают друг с другом (3).
5. Оптическая система измерения по п. 3, в которой одна волоконная брэгговская решетка (8) является линейно чирпированной во множестве областей (7) вдоль упомянутой всей длины.
6. Оптическая система измерения по пп. 3, 4 или 5, в которой длина (6) чирпирования в пределах упомянутых областей выбрана таким образом, чтобы соответствующая длина когерентности фазы была более длины (Δz) шага между последовательными точками выборки.
7. Оптическая система измерения по п. 1, в которой по меньшей мере одна оптическая сердцевина (9) имеет множество волоконных брэгговских решеток, проходящих вдоль всей длины, причем каждая волоконная брэгговская решетка имеет длину волны резонанса, отличную от других волоконных брэгговских решеток, причем каждая решетка соответствует длине волны выборки.
8. Оптическая система измерения по п. 1, в которой система выполнена с возможностью измерения положения и/или формы в N измерениях, причем количество сердцевин (9) оптического волокна равно Ν+1 для учета температурной компенсации и/или растягивающей деформации, используя дополнительную сердцевину оптического волокна.
9. Оптическая система измерения по п. 1, в которой множество сердцевин (9) оптического волокна расположено в пределах одного оптического волокна (10), причем сердцевины оптического волокна спирально накручены вокруг центральной сердцевины оптического волокна.
10. Оптическая система измерения по п. 1, в которой связанным объектом является медицинский катетер, медицинский контрольный зонд, медицинский датчик, строительный контрольный датчик, подводный датчик, геологический датчик.
11. Способ определения положения и/или формы связанного объекта (О), причем способ содержит этапы, на которых:
- обеспечивают одно или более оптических волокон (10) для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту (О), причем каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин (9) оптического волокна,
- обеспечивают множество сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток (8), проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин (9) оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта (О),
- обеспечивают рефлектометр (REFL, 12), оптически соединенный с упомянутыми одним или более оптическими волокнами (10), причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна, и
- обеспечивают процессор (PROC, 14), соединенный при функционировании с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна,
причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны (λ0) для определения упомянутых положения и/или формы, причем одна или более волоконных брэгговских решеток (8) проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин (9) оптического волокна, причем каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна таким образом, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн.
12. Оптический блок, предназначенный для применения в связанной оптической системе (1) измерения для определения положения и/или формы связанного объекта (О), причем оптический блок содержит:
- одно или более оптических волокон (10) для пространственной фиксации на, в или к упомянутому связанному объекту (О), причем каждое оптическое волокно имеет одну или более сердцевин (9) оптического волокна, и
- множество сердцевин оптического волокна, имеющих одну или более волоконных брэгговских решеток (8), проходящих вдоль всей длины упомянутых сердцевин (9) оптического волокна, где должны определяться положение и/или форма упомянутого объекта (О),
причем оптический блок выполнен с возможностью соединения со связанным рефлектометром (REFL, 12), причем рефлектометр оптически приспособлен для измерения деформации во множестве точек выборки вдоль множества сердцевин оптического волокна, причем связанный процессор (PROC, 14) дополнительно выполнен с возможностью соединения с рефлектометром для определения положения и/или формы объекта на основании упомянутых измеренных деформаций от множества сердцевин оптического волокна,
причем рефлектометр, когда он работает в частотной области, выполнен с возможностью выполнения сканирования по длинам волн от первой длины волны до второй длины волны вокруг центральной длины волны (λ0) для определения упомянутых положения и/или формы, причем одна или более волоконных брэгговских решеток (8) проходит вдоль всей длины упомянутых сердцевин (9) оптического волокна, причем каждая из одной или более сердцевин оптического волокна имеет пространственно модулированное отражение (r) вдоль упомянутой всей длины сердцевины оптического волокна таким образом, чтобы соответствующий спектр отражения мог обнаруживаться при упомянутом сканировании по длинам волн.
