用于应变和温度分离的多芯光纤中的不同的纤芯制造技术

一种光纤包括在光纤中配置的多个光波导。干涉测量系统减轻或者补偿由形状感测光纤对温度和应变的响应的差异引起的误差。3‑D形状和/或位置从针对多芯光学形状感测光纤获得的一组分布式应变测量中计算出，其中多芯光学形状感测光纤通过使用相比于现有的纤芯对温度变化作出不同反应的多芯光纤中的一个或更多个额外的纤芯来补偿这些非线性误差。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于应变和温度分离的多芯光纤中的不同的纤芯本专利技术是基于由IARPA授予的合同号2014-14071000012在政府支持下作出的。政府拥有本专利技术的某些权利。
技术介绍
旋转多芯光纤已用于确定光纤的形状。具有四个纤芯的多芯光纤可以用于将光纤的变形分为两个弯曲角(俯仰和偏转)、一个扭转角和光纤伸长。这四个测量构成四个自由度。这四个测量(俯仰、偏转、扭转和伸长)也表示在相对较小的力的情况下光纤可能发生的所有变形。在基于光纤的形状感测中，多通道分布式应变感测系统用于检测用于多芯光学形状感测光纤内的若干纤芯中的每个的应变的变化，如通过参考的方式并入本文的US8,773,650中所描述的。多个分布式应变测量通过方程组组合以产生包括曲率、扭转和轴向应变的一组物理测量，如通过参考的方式并入本文的US8,531,655中所描述的。这些物理测量可以用于确定光纤的分布的形状和位置。温度也可以改变纤芯的表现长度并且代表该系统中的第五“自由”度。在以上专利中描述的形状感测系统没有区分沿光纤长度的温度变化和沿光纤长度的轴向应变变化。
技术实现思路
关于
技术介绍
中描述的四芯光纤，向多芯光纤增加第五纤芯提供了单独的第五测量。然而，该第五测量与其它四个测量不线性独立。所以，仅向多芯光纤增加第五纤芯本身对于将多芯光纤中的温度与应变分离来说是没有用的。另一方面，如果额外的第五纤芯具有与多芯光纤中的其它四个纤芯不同的折射率的温度依赖性，则第五纤芯对温度变化作出不同的反应并且因此提供额外的、线性独立的信息源。为了增加形状感测系统的准确性，专利技术人提供了形状感测系统，其减轻或补偿由形状感测光纤对温度和应变的响应的差异引起的误差。以下描述的技术从针对多芯光学形状感测光纤获得的一组分布式应变测量中计算出3-D形状和/或位置，其中多芯光学形状感测光纤通过使用相比于现有的纤芯对温度变化作出不同反应的多芯光纤中的一个或更多个额外纤芯来补偿这些非线性误差。在示例实施例中，相比于光纤中的现有的四个纤芯，一个或更多个额外纤芯具有不同的热响应。在示例实现方式中，相比于现有的四个纤芯，一个或更多个额外纤芯具有不同的掺杂组分，这相比于现有的四个纤芯产生用于一个或更多个额外纤芯的折射率的不同的温度依赖性。本技术的一方面包括具有多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯的光纤，多个第一纤芯具有第一热响应，一个或更多个第二纤芯具有第二不同的热响应。多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯沿光纤长度具有不同的相对位置。在示例实现方式中，多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯沿光纤长度螺旋扭转。多个第一纤芯可以具有第一掺杂并且一个或更多个第二纤芯具有第二不同的掺杂。例如，第一掺杂包括仅具有锗的掺杂，并且第二掺杂包括锗和硼。硼掺杂剂使得一个或更多个第二纤芯的热响应不同于多个第一纤芯的热响应。多个第一纤芯可以包括与第一热响应相关联的第一材料，并且一个或更多个第二纤芯可以包括与第二不同的热响应相关联的第二不同的材料。在示例实现方式中，多个第一纤芯包括四个纤芯，并且一个或更多个第二纤芯包括一个纤芯。所述一个纤芯可以优选在光纤内间隔开，以减少与四个纤芯的耦合。在另一示例实现方式中，多个第一纤芯包括四个纤芯，并且一个或更多个第二纤芯包括三个纤芯。三个纤芯可以优选在光纤内相对于彼此并且相对于四个纤芯对称地间隔开。三个纤芯还可以在光纤内间隔开，以减少彼此的耦合并减少与四个纤芯的耦合。另一方面涉及用于校准具有多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯的旋转光纤的方法，多个第一纤芯具有第一掺杂和第一热响应，一个或更多个第二纤芯具有第二不同的掺杂和第二不同的热响应。光纤至少部分地放置在加热或冷却环境中，所述加热或冷却环境具有比加热环境周围的环境更高或更低的温度。光纤在不同温度下应变到变化的已知水平，并且针对所述已知的应变水平中的每个，针对所述不同温度中的每个，记录所述光纤的长度变化。用于光纤的校准参数通过比较光纤的所记录的长度变化与仅具有多个第一纤芯的另一光纤的之前记录的长度变化来确定，多个第一光纤具有第一掺杂。在示例实现方式中，电动平移台用于执行应变步骤。本技术的进一步方面涉及用于测量光纤的干涉测量系统，光纤包括在光纤中配置的具有第一热响应的多个第一纤芯以及在光纤中配置的具有第二不同的热响应的一个或更多个第二纤芯。干涉检测电路被配置成当光纤被放置在感测位置中时检测与多个第一纤芯中的每个以及一个或更多个第二纤芯中的每个相关联的测量干涉图案数据。数据处理电路被配置成基于检测的测量干涉图案数据确定补偿参数，补偿参数补偿光纤中的多个纤芯和一个或更多个第二纤芯的校准配置与光纤中的多个纤芯和一个或更多个第二纤芯的实际配置之间的变化。补偿参数包括温度补偿参数。存储器被配置成储存补偿参数以用于补偿随后获得的用于光纤的测量干涉图案数据。在示例实现方式中，数据处理电路被配置成将补偿参数应用到检测的测量干涉图案数据，以便区分光纤上的轴向应变、弯曲应变、扭转应变和温度应变，并且准确地确定对应于光纤上的轴向应变、弯曲应变、扭转应变和温度应变的用于光纤的应变值。数据处理电路还可以被配置成将补偿参数应用到检测的测量干涉图案数据，并且基于纤芯中的检测的应变的线性组合独立于可能存在于多芯光纤中的张力、扭转或弯曲来计算多芯光纤的温度。在甚至更具体的示例实现方式中，数据处理电路被配置成基于对应于光纤上的轴向应变、弯曲应变、扭转应变和温度应变的用于光纤的确定应变值确定旋转光纤的形状。附图说明图1示出具有五个纤芯的扭转的多芯光纤示例实施例。图2示出用于共掺杂硼-锗的纤芯和仅掺杂锗的纤芯的折射率与温度的图表。图3图示说明可以用于量化纤芯放置以及对螺旋扭转的五芯光纤的应变的响应的数学参数。图4示出基于五芯光纤示例的补偿非线性误差(诸如由温度引起的误差)的基于光频域反射技术(opticalfrequencydomainreflectometry)(OFDM)的形状感测系统的示例实施例的示意图。图5是用于校准五芯光学形状感测光纤的流程图。图6是示出用于加热光学形状感测光纤的示例光纤加热布置的示意图。图7是用于使用图4的补偿温度的形状感测系统进行形状感测的流程图。图8示出具有七个纤芯的多芯光纤示例实施例的横截面。具体实施方式为了说明而非限制的目的，以下描述陈述了具体细节，诸如特定的实施例。但是本领域技术人员应当了解，可以采用除这些具体细节之外的其它实施例。在一些实例中，省略了众所周知的方法、接口、电路和装置的详细描述，以便不会因不必要的细节使描述变得模糊。图中示出的各个块对应于各节点。本领域技术人员应当了解，这些块的功能可以通过使用各个硬件电路、使用与适当编程的数字微处理器或通用计算机相结合的软件程序和数据，和/或使用专用集成电路(ASIC)，和/或使用一个或更多个数字信号处理器(DSP)来实现。软件程序指令和数据可以储存在非暂时性的计算机可读存储介质上，并且当指令通过计算机或其它合适的处理器控制来执行时，计算机或处理器执行与这些指令相关联的功能。因此，例如，本领域技术人员应当了解，本文的视图可以表示说明性电路或其它功能元件的概念图。类似地，应当了解，任何流程图、状态转换图、伪代码等表示各种过程，其可以基本上被表示在计算机可读介质中并且因此由计算机或处理器执行，无论是否本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤，其包括：多个第一纤芯，其具有第一热响应；一个或更多个第二纤芯，其具有第二不同的热响应；其中所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯沿所述光纤的长度具有不同的相对位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.15 US 62/091,9211.一种光纤，其包括：多个第一纤芯，其具有第一热响应；一个或更多个第二纤芯，其具有第二不同的热响应；其中所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯沿所述光纤的长度具有不同的相对位置。2.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多个第一纤芯和所述一个或更多个第二纤芯沿所述光纤的长度螺旋扭转。3.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多个第一纤芯具有第一掺杂，并且所述一个或更多个第二纤芯具有第二不同的掺杂。4.根据权利要求3所述的光纤，其中所述第一掺杂包括仅具有锗的掺杂，并且所述第二掺杂包括锗和硼，其中所述硼掺杂剂使得所述一个或更多个第二纤芯的所述热响应不同于所述多个第一纤芯的热响应。5.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多个第一纤芯包括与所述第一热响应相关联的第一材料，并且所述一个或更多个第二纤芯包括与所述第二不同的热响应相关联的第二不同的材料。6.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多个第一纤芯包括四个纤芯，并且所述一个或更多个第二纤芯包括一个纤芯。7.根据权利要求6所述的光纤，其中所述一个纤芯在所述光纤内间隔开以减少与所述四个纤芯的耦合。8.根据权利要求1所述的光纤，其中所述多个第一纤芯包括四个纤芯，并且所述一个或更多个第二纤芯包括三个纤芯。9.根据权利要求8所述的光纤，其中所述三个纤芯在所述光纤内相对于彼此并且相对于所述四个纤芯对称地间隔开。10.根据权利要求8所述的光纤，其中所述三个纤芯在所述光纤内间隔开，以减少彼此的耦合并且减少与所述四个纤芯的耦合。11.一种用于校准具有多个第一纤芯和一个或更多个第二纤芯的旋转光纤的方法，所述多个第一纤芯具有第一掺杂和第一热响应，并且所述一个或更多个第二纤芯具有第二不同的掺杂和第二不同的热响应，所述方法包括：将所述光纤至少部分地放置在加热环境或冷却环境中，所述加热环境或冷却环境具有比所述加热环境周围的环境更高或更低的温度，在不同温度下使所述光纤应变到变化的已知水平，针对...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·E·弗罗格特，D·吉福德，S·T·克里格，A·K·桑，E·桑伯恩，J·T·拉克鲁瓦，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国,US