[发明专利]具有用于安全性的冗余纤芯的多纤芯光学纤维

说明书

一种光学纤维包含配置在纤维中的多个光学纤芯，多个光学纤芯包含主要纤芯和辅助纤芯的集合。一种干涉测量系统使用来自多个主要纤芯的测量值来预测来自辅助纤芯的响应。将预测辅助纤芯响应与实际辅助纤芯响应比较以确定它们是否相差超过预定量，在相差超过预定量的情况下，来自多个主要纤芯的测量值可以被认为是不可靠的。

本申请要求2016年5月11日提交的标题为REDUNDANT CORE IN MULTICOREOPTICAL FIBER FOR SAFETY”的第62/334,649号美国临时专利申请的优先权和权益，该临时专利申请通过引用以其全文并入本文中。

背景技术

旋转多纤芯纤维已用于确定光学纤维的形状。具有四个纤芯的多纤芯纤维可以用于将纤维的变形分成两个弯曲角度(俯仰和摇摆)、一个扭转角度以及纤维伸长。这四个测量值构成四个自由度。这四个测量值(俯仰、摇摆、扭转以及伸长)还表示纤维在相对较小力的情况下可能发生的所有变形。

在基于光纤的形状感测中，多信道分布式应变感测系统用于检测在多纤芯光学形状感测纤维内的若干纤芯中的每一个的应力的改变，所述多纤芯光学形状感测纤维如通过引用并入本文中的US8,773,650中所描述。多个分布式应变测量值通过方程组组合以产生物理测量值的集合，包含曲率应变、扭转应变以及轴向应变，如通过引用并入本文中的US8,531,655中所描述。这些物理测量值可以用于确定光学纤维的分布式形状和位置。

用于形状感测纤维的一些应用针对形状感测输出的精确性和可靠性需要高置信度或安全性。示例应用为在精密制造、手术或其它环境中使用的机械臂。

形状感测纤维应用的另一问题是无法预见或不可预测的误差，所述误差不包含在形状感测模型或模型假设中。示例误差包含光学和/或电子感测和处理电路的操作中的误差、连接纤维中的误差、例如加载错误的校准文件以校准形状感测系统的人为误差，以及通过由纤维经受的不包含在形状感测模型中的力造成的误差。已描述的一个此参数为纤维挤压。另一参数为温度，如果形状感测模型不考虑由于温度导致的改变的话。另一关注点为尚未知道或尚不可识别的其它参数。因此对技术方案的另一需要是能够检测到独立于形状感测模型且在形状感测模型中未考虑的误差。

发明内容

本申请中的技术使用具有N个自由度和N个测量值的模型来预测附加测量值。换句话说，N自由度模型用于制造N+1个测量值，且使用纤维中的额外的或冗余的纤芯制造的额外测量值用作对模型的检查。例如，在具有六个光学纤芯(第六个纤芯为辅助或冗余纤芯)的光学形状感测纤维的五自由度模型的情况下，其中纤维的每一区段可能经受俯仰、摇摆、滚转、张力以及温度的空间或时间改变，五个应变被测得且用于唯一地确定模型中的五个参数(俯仰、摇摆等)中的每一个。所确定的五个参数随后用于在模型为正确且可靠的时预测第六个纤芯中的应变应是什么，且将预测应变与第六个纤芯中的测量的应变比较以确定误差。有利地，该技术不需要提前知道模型中的任何具体误差以便检测所述误差且还检测未知来源的误差。添加更多的辅助或冗余信号(7个纤芯替代于6个纤芯用于五自由度模型)进一步增加形状感测测量中的置信度和信任。

在示例实施例中，提供一种用于测量光学纤维的干涉测量系统，所述光学纤维包含配置在纤维中的多个主要纤芯和配置在纤维中的辅助纤芯。干涉检测电路经配置以检测与多个主要纤芯和辅助纤芯中的每一个相关联的测量干涉图案数据。这可以在光学纤维置于感测位置中时进行。数据处理电路经配置以基于多个主要纤芯的检测的测量干涉图案数据来确定补偿参数、比较所使用的辅助纤芯的预测参数值和辅助纤芯的基于测量的参数值以产生比较结果、基于该比较结果来确定所确定的补偿参数的不可靠性，并且响应于不可靠性来产生信号。补偿参数补偿在多个主要纤芯的校准配置与多个主要纤芯的实际配置之间的变化。