[發明專利]用于使光學形狀感測穩定的系統和方法

有效

• 申請號: 201380024175.X
• 申請日: 2013-05-01
• 公開（公告）號: CN104271040B
• 公開（公告）日: 2018-06-19
• 發明（設計）人: B·拉馬錢德蘭;R·曼茨克;R·陳
• 申請（專利權）人: 皇家飛利浦有限公司
• 主分類號: A61B5/107
• 分類號: A61B5/107;G02B6/02;G01B11/16
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 王英;劉炳勝

一種用于利用光纖進行形狀感測的系統和方法包括從形狀感測光纖設備收集(610)形狀數據。檢驗(620)所述形狀數據以基于所述形狀數據的幾何期望確定超過可接受閾值的數據位置。拒絕(640)與超過可接受閾值的所述數據位置相對應的所述形狀數據。繪制(650)可接受形狀數據以提供穩定的形狀感測數據集。

技術領域

本公開涉及形狀感測儀器，并且更具體地涉及用于具有經提高的穩定性的形狀感測光纖的系統和方法。

背景技術

基于光導纖維的形狀感測利用了常規光纖中的內在反向散射。該原理包括使用特征瑞利散射圖樣來使用光纖中的分布式應變測量。

纖維的物理長度和折射率固有地對環境參數、溫度和應變敏感，并且對壓力、濕度、電磁場、化學暴露等不敏感地多。由于溫度變化ΔT或者沿纖維軸的應變ε的反向散射圖樣的波長偏移Δλ或頻率偏移Δv為：Δλ/λ＝-Δv/v＝K_TΔT+K_εε，其中

溫度系數K_T是熱膨脹系數和熱光系數的和，其中，摻鍺硅芯纖維的典型值是0.55x10^-6℃和6.1x10^-6℃。應變系數K_ε為群折射率n、應變光學張量的分量p_ij和泊松比μ的函數。針對摻鍺硅芯的n、p₁₁、p₁₂和μ給定的典型值產生大約0.787的K_ε值。因此，溫度的偏移或應變只是光譜頻率偏移Δv的線性縮放比例(對于中等溫度和應變范圍)。自然地，如果應變接近纖維的彈性限度或者溫度接近纖維的玻璃化轉變溫度，則這種線性模型將不適用。

對于一個芯被定位在截面的中心中的四芯或更多芯的纖維系統，只要沒施加軸向應變(拉伸)，或者在軸向應變存在的情況下軸向應變是已知并且可控的(因此它可以被校準掉)，就可以分離出源于彎曲或溫度影響的應變。

對于光學系統，時常進行激光重新對準是必要的。需要利用具有正確的相位差的偏振狀態來校準光學系統。為芯中的每個(例如四個芯中的每個)執行這種方法。如果這些步驟中的任意一項沒有被正確地執行，那么光學感測系統可能變得不穩定。

已知的光學形狀感測方法和類似的方法包括Roelle等人的美國專利申請No.2011/319910；Kinzo等人的美國專利申請No.2008/177482；皇家飛利浦有限公司的W.O.專利申請No.2012/025856；Prisco的美國專利申請No.2011/113852；以及Duncan R G等人的“Characterization of a Fiber-Optic Shape and Position Sensor”，Proceedingsof Spie，Spie，US，vol.6167，2006年2月27日(2006-02-27)，第616704-1頁，XP002616927，ISSN:0277-786X，DOI:10.1117/12.658535。

根據相關性和相位跟蹤以干涉的方法來重建的應變和形狀測量需要固定的發射區域，并且需要穩定地保持接近發射區域的線纜。這些的任何運動都可能導致形狀不穩定。擺動測量(wobble measurement)定義了纖維的特性，纖維上的任何位置處的任何機械壓縮、拉伸或壓力都可以改變芯中的任何芯的機械屬性和位置。這還可以改變來自纖維的反向散射圖樣并且導致不穩定。也需要考慮源于纖維上的軸向拉伸/應變的影響和不穩定性。

發明內容

根據本發明的原理，一種用于利用光纖進行形狀感測的系統和方法包括從形狀感測光纖設備收集形狀數據。檢驗所述形狀數據以基于所述形狀數據的幾何期望確定超過可接受閾值的數據位置。拒絕與超過所述可接受閾值的所述數據位置相對應的所述形狀數據。繪制(render)可接受形狀數據以提供穩定的形狀感測數據集。