使用参考光纤干涉数据配准测量的光纤干涉数据制造技术

本申请公开用于具有纤芯的光纤的系统和方法，该纤芯具有沿纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，多个光栅在纤芯中创建重复的图案。存储器存储预定的参考反射数据和测量反射数据，测量反射数据是针对一定长度的纤芯确定的并且是从与从纤芯接收的散射反射对应的干涉图案检测的。数据处理电路从测量反射数据中减少或移除与由于纤芯中的重复图案引起的反射对应的信息，以产生经滤波的测量数据。经滤波的测量数据的一个或多个部分与参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值。确定多个相关值中的最大值，并且识别与最大相关值对应的沿光纤的位置。

Optical fiber interference data using reference fiber interference data registration

The application is disclosed for systems and methods of optical fiber with core. The core has multiple closely spaced gratings written along the core, and multiple raster patterns create repetitive patterns in the core. The memory stores the predetermined reference reflection data and the reflection data. The measured reflection data is determined for a certain length core and is detected from the interference pattern corresponding to the scattering reflection received from the core. The data processing circuit reduces or removes the information corresponding to the reflection caused by the repetitive pattern in the core data from the measured reflection data, so as to generate filtered measured data. One or more parts of the filtered measured data are associated with one or more parts of the reference reflected data to generate a number of correlation values. The maximum value of the multiple correlation values is determined and the location of the optical fiber corresponding to the maximum correlation value is identified.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用参考光纤干涉数据配准测量的光纤干涉数据相关申请本专利申请要求于2015年4月2日提交的题目为“REGISTERINGMEASUREDOPTICALFIBERINTERFEROMETRICDATAWITHREFERENCEOPTICALFIBERINTERFEROMETRICDATA(使用参考光纤干涉数据配准测量的光纤干涉数据)”的美国临时专利申请62/142,062的提交日的优先权和权益，该专利申请以其整体通过引用并入本文。
该技术涉及光纤感测。
技术介绍
光学应变感测是用于测量由例如光纤的张力、压缩或温度的变化引起的波导的物理变形的技术。这可以采用标准的单芯光纤或多芯光纤进行。多芯光纤包括嵌入单光纤内的多个独立波导或纤芯。沿纤芯长度的连续测量可以通过使用扫描波长干涉法解释纤芯的光学响应来得到。通过了解沿光纤长度的纤芯的相对位置的知识，针对每个光纤的这些独立应变信号可以被结合以获得施加到多芯光纤的应变分布的测量。光纤的应变分布是指在高(例如，小于50微米)的样本分辨率下沿光纤的长度施加的弯曲应变、扭转应变和/或轴向应变的测量。在称为光学位置和/或形状感测的技术中，例如在Froggatt等人的共同转让的美国专利8,773,650中有详细描述，该专利通过引用并入本文，该应变分布信息可以用于重建光纤的三维位置。为了形状感测中的最佳实践，来自每个纤芯的当前获得的测量数据应该与针对该纤芯的先前获得的参考测量数据准确对齐或配准。形状感测光纤可以包含沿每个纤芯半连续写入的光纤布拉格光栅。这些光栅沿光纤的长度形成重复图案。这种重复在配准数据方面提出了挑战，因为光纤上的一个位置可能看起来与光纤上的另一位置非常相似(具有相同或相似的图案)。事实上，如果在当前测量数据和参考数据之间执行简单的空间互相关，则在布拉格光栅重叠之处的布拉格光栅宽度的倍数处通常与相关峰值具有很强的相关性。图1是示出具有半连续布拉格光栅的光纤芯的示例性互相关幅度对测量距离对参考数据的曲线图。当整个光栅重叠时，相关性通常很强并且达到峰值，在该示例中峰值在大约每20mm处。
技术实现思路
需要的是能够精确地识别沿包括多个光栅的光纤的特定位置的技术，这些光栅可以与针对那些相同位置的对应的参考数据精确地匹配。示例性实施例涉及用于配准具有纤芯的光纤的数据处理系统，该纤芯包括沿纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，该光栅在纤芯中创建重复图案，该数据处理系统包括存储器，存储器被配置成存储预定的参考反射数据和测量反射数据，所述测量反射数据是针对一定长度的纤芯确定的并且是从与从纤芯接收的散射反射对应的干涉图案检测到的。数据处理电路，其耦合到所述存储器，并且被配置成从测量反射数据中减少或移除与由于在纤芯中的重复图案引起的反射对应的信息，以产生经滤波的测量数据，将经滤波的测量数据的一个或多个部分与参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值，确定多个相关值中的哪个是最大相关值，以及识别与最大相关值对应的沿纤芯的位置。例如，数据处理电路可以从参考反射数据中减少或移除与由于在多个光栅中的重复信号引起的反射对应的信息，以产生经滤波的参考数据，并且将经滤波的测量数据的一组选择段与经滤波的参考反射数据的选择段相关联，以产生多个相关值，或者将经滤波的测量数据的选择段与经滤波的参考反射数据的一组选择段相关联，以产生多个相关值。经滤波的测量数据的示例可以包括针对相邻光栅之间的纤芯段检测的瑞利散射数据和针对与重叠光栅对应的纤芯段检测的反射数据。来自光栅的反射具有中心波长，并且在一个示例性实现方式中，数据处理电路从测量反射数据中减少或移除与中心波长对应的光谱峰值的信息，以产生经滤波的测量数据。如果光纤包括多个螺旋纤芯，其中纤芯中的每个包括沿每个纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，那么数据处理电路将与螺旋纤芯的外纤芯对应的反射光栅光谱压缩回到中心波长。在非限制性示例性实现方式中，数据处理电路可以将参考反射数据的尺寸减小到测量反射数据的尺寸。数据处理电路还可以通过在搜索范围内具有第一分辨率的指数增量，递增地改变经滤波的测量数据的选择段。对于数据处理电路的另一种选择是在相邻指数之间插值，以实现更精细的分辨率。这种可选的插值可以例如通过在谱域中零填充反射数据来完成。对于数据处理电路的另一个选择是基于插值通过具有比第一分辨率更精细的第二分辨率的指数增量，来递增地改变经滤波的测量数据的选择段。对于数据处理电路的另一非限制性示例性实现方式特征是确定多个相关值的抛物线拟合，并且使用抛物线拟合来确定与最大的相关值对应的沿纤芯的位置。数据处理电路还可以可选地在相邻指数之间插值从而通过在谱域中零填充反射数据来实现更精细的分辨率，确定多个相关值的抛物线拟合，并使用经插值的指数和抛物线拟合来确定与最大相关值对应的沿纤芯的位置。其它非限制性示例性实现方式特征包括对多组测量反射数据进行平均，以确定测量反射数据和/或使测量反射数据和参考反射数据标准化。在非限制性示例性实现方式中，如果没有相关值超过阈值，则数据处理电路确定被连接用于测量的光纤与参考反射数据不匹配。替代地，数据处理电路被配置成基于多个相关值从多个其他不同的光纤识别该光纤。另一个替代方案是数据处理电路被配置成基于多个相关值来识别光纤是否被连接到干涉测量系统。在非限制性示例性实现方式中，数据处理电路被包括在干涉测量系统中。数据处理电路进一步被配置成基于针对光纤检测到的反射信号水平与噪声基底的比较，来检测光纤到干涉测量系统的不期望的连接。示例性实施例涉及用于配准具有纤芯的光纤的方法，该纤芯包括沿纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，光栅在纤芯中创建重复图案。该方法包括产生并检测与从纤芯接收的散射反射对应的干涉图案；从干涉图案确定测量反射数据；从测量反射数据中减少或移除与由于在纤芯中的重复图案引起的反射对应的信息，以产生经滤波的测量数据；将经滤波的测量数据的一个或多个部分与预定的参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值；确定多个相关值中哪个是最大的相关值；以及识别与最大的相关值对应的沿纤芯的位置。示例性实施例涉及如本文所述的其他装置和方法。附图说明图1是示出针对具有半连续的布拉格光栅(Bragggrating)的光纤芯的示例性互相关幅度对测量距离对参考数据的曲线图。图2示出通过多芯连接器连接到光学询问系统的多芯光纤传感器的示例。图3示出使用基于OFDR的多芯光纤感测系统的非限制性示例性实施例。图4是示出使用图3中的示例性系统的OFDR测量的示例性程序的流程图。图5示出反射对延迟数据的OFDR迹线的示例。图6示出包含由间隙分开的半连续光纤布拉格光栅的光纤芯。图7示出包含在边缘处稍微重叠的半连续光纤布拉格光栅的光纤芯。图8示出来自未弯曲光纤的单个纤芯的截面的反射光谱的示例。图9示出应用于来自光纤芯的反射光谱的窗口的示例。图10示出针对具有半连续光栅的光纤芯的互相关幅度对距离的示例性曲线图，其中光栅反射在谱域中被滤波或加窗去除(windowout)。图11A和图11B是在谱域中的幅度对空间指数的示例性曲线图，其图示分段搜索程序。图12概述了用于确定测量段的空间位置或与测量段相关联的延迟的示例性程序，其产生用于选择作为测量数据中期望段的位置的最大相关峰值。图13使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数据处理系统，其用于配准具有纤芯的光纤，所述纤芯包括沿所述纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，所述光栅在所述纤芯中创建重复图案，所述数据处理系统包括：存储器，其被配置成存储预定的参考反射数据和测量反射数据，所述测量反射数据是针对一定长度的所述纤芯确定的并且是从与从所述纤芯接收的散射反射对应的干涉图案检测到的；以及数据处理电路，其耦合到所述存储器，其被配置成：从所述测量反射数据中减少或移除与由于在所述纤芯中的所述重复图案引起的反射对应的信息，以产生经滤波的测量数据；将所述经滤波的测量数据的一个或多个部分与所述参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值；确定所述多个相关值中的哪个是最大相关值；以及识别与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的位置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.02 US 62/142,0621.一种数据处理系统，其用于配准具有纤芯的光纤，所述纤芯包括沿所述纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，所述光栅在所述纤芯中创建重复图案，所述数据处理系统包括：存储器，其被配置成存储预定的参考反射数据和测量反射数据，所述测量反射数据是针对一定长度的所述纤芯确定的并且是从与从所述纤芯接收的散射反射对应的干涉图案检测到的；以及数据处理电路，其耦合到所述存储器，其被配置成：从所述测量反射数据中减少或移除与由于在所述纤芯中的所述重复图案引起的反射对应的信息，以产生经滤波的测量数据；将所述经滤波的测量数据的一个或多个部分与所述参考反射数据的一个或多个部分相关联，以产生多个相关值；确定所述多个相关值中的哪个是最大相关值；以及识别与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的位置。2.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成：从所述参考反射数据中减少或移除与由于在所述多个光栅中的所述重复信号引起的反射对应的信息，以产生经滤波的参考数据，并且将所述经滤波的测量数据的一组选择段与所述经滤波的参考反射数据的一个选择段相关联，以产生所述多个相关值，或者将所述经滤波的测量数据的一个选择段与所述经滤波的参考反射数据的一组选择段相关联，以产生所述多个相关值。3.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述经滤波的测量数据包括针对相邻光栅之间的纤芯段检测的瑞利散射数据。4.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述经滤波的测量数据包括针对与重叠光栅对应的纤芯段检测的反射数据。5.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中来自所述光栅的反射具有中心波长，并且其中所述数据处理电路被配置成从所述测量反射数据中减少或移除针对与所述中心波长对应的光谱峰值的信息，以产生所述经滤波的测量数据。6.根据权利要求5所述的数据处理系统，其中所述光纤包括多个螺旋纤芯，其中所述纤芯中的每个包括沿每个纤芯写入的多个紧密间隔的光栅，并且其中所述数据处理电路被配置成将与所述螺旋纤芯的外纤芯对应的反射光栅光谱压缩回到所述中心波长。7.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成将所述参考反射数据的尺寸减小到所述测量反射数据的尺寸。8.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成通过具有在搜索范围内的第一分辨率的指数增量，递增地改变所述经滤波的测量数据的所述选择段。9.根据权利要求8所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成在相邻指数之间进行插值，以实现更精细的分辨率。10.根据权利要求9所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成通过在所述谱域中零填充所述反射数据来进行插值。11.根据权利要求9所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成基于所述插值，通过指数增量递增地改变所述经滤波的测量数据的所述选择段，所述指数增量具有比第一分辨率更精细的第二分辨率。12.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成确定多个相关值的抛物线拟合，并且使用所述抛物线拟合确定与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的所述位置。13.根据权利要求8所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成：在相邻指数之间进行插值从而通过在所述谱域中零填充所述反射数据来实现更精细的分辨率，确定多个相关值的抛物线拟合，并且使用经插值的指数和所述抛物线拟合来确定与所述最大相关值对应的沿所述纤芯的所述位置。14.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成对多组测量反射数据进行平均，以确定所述测量反射数据。15.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成使所述测量反射数据和所述参考反射数据标准化。16.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中如果没有所述相关值超过阈值，则所述数据处理电路被配置成确定被连接用于测量的所述光纤不匹配所述参考反射数据。17.根据权利要求1所述的数据处理系统，其中所述数据处理电路被配置成基于所述多个相关值从多个其他不同的光纤识别所述光纤。18.根据权利要求1所述的数据处理系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·K·吉福德，M·弗罗格特，P·罗伊，J·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