[发明专利]重叠光纤光栅

说明书

描述了例如用于应力感测或形状感测应用的光学光纤，其使用具有啁啾光栅的重叠光栅配置来促进应变延迟配准。根据各种实施例，例如，光纤纤芯可以具有两组重叠啁啾光栅，它们在第一组和第二组之间的啁啾方向上不同，或者光纤纤芯可以具有与单频光栅重叠的一组啁啾光栅。还描述了采用具有重叠光栅的光学光纤的应变感测系统和相关联的计算方法。

要求优先权

本申请要求于2018年6月4日提交的美国临时专利申请序列号62/680,217的优先权权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开总体涉及刻在光学光纤纤芯中的光栅，并且更具体地涉及用于应变延迟配准的光栅配置。

背景技术

光学光纤可以在许多应用中用作分布式光学传感器，例如，以测量与光学光纤相关联的物理参数(诸如压力、温度)以及光纤的二维或三维形状。光纤形状感测在例如工业、娱乐、医疗、机器人以及在将工具的一部分与形状感测光学光纤的一部分并置促进确定工具的方位的其他程序中很有用。作为进一步的示例，将医疗工具与形状感测光学光纤的一部分并置可以帮助促进在机器人和非机器人医疗程序中更精确地确定工具的方位。作为具体的医疗示例，在机器人或其他计算机辅助外科手术中，将手术工具与形状感测光学光纤的一部分并置促进基于三维光纤形状精确确定工具在患者体外或体内的方位。可以根据沿光学光纤的弯曲、扭转和轴向应变来计算光纤形状，弯曲、扭转和轴向应变进而基于沿光纤的多个纤芯的持续应变测量来确定。为了准确的形状确定，重要的不仅是准确地测量应变，而且还要知道每个应变测量应用到沿光纤的长度的位置。

当将光学光纤用作传感器时，通过沿光纤发送光并且测量从沿光纤的各个方位接收的反射来对光纤进行询问；反射光的频谱特性可以被处理，以提供关于局部光纤属性(诸如局部应变)的信息。可以通过例如光学频域反射法(OFDR)来完成光纤询问，该法使用跨指定频率范围扫描的可调谐激光器以提供光学输入信号。OFDR能够精确测量沿光纤的光学信号的飞行时间。两次测量之间的光纤的纤芯伸长可以导致来自同一片光学光纤的反射在两个测量的信号中以不同的时延出现，并且激光扫描期间的光纤的动态变化甚至可以导致来自同一片光学光纤的反射在单个测量的信号中以不同的时延出现。因此，使应变测量与光学光纤的特定物理点而不是特定延迟匹配(本文称为应变延迟配准)构成了挑战性的问题。

应变延迟配准的先前方法利用了瑞利散射相关性。来自光学光纤固有的随机微观密度变化的瑞利散射具有以下属性：在时域和频谱域中，它是德尔塔(delta)相关的(即相关信号表现出明显的最大值)。此属性允许经由与一组参考频谱(具有时延和沿光纤的物理方位之间的已知对应关系)的相关性，使测量的频谱(对应于从测量的时域反射信号计算的频谱图的时间切片)被唯一性映射到特定参考频谱和相对于参考频谱的特定频率偏移，并且因此映射到沿光纤的特定方位以及该方位处的特定应变。然而，与该方法相关联的一个问题是随机反射器可能需要沿光纤的反射信号的幅值非常低的方位。瑞利散射信号的第二个问题是，在相关信号内的不对应于正确的参考频谱以及测量的瑞利散射频谱和参考频谱之间的正确频率偏移的任何点处将没有相关最大值，并且没有指示相关最大值在哪里或距离多远。因此，只有对时延和频率偏移空间的完整搜索才能定位相关最大值。

因此，期望改进的方法。

发明内容

本文描述了光学光纤(例如，其用于测量物理参数，诸如用于应力感测、温度感测或形状感测应用)，该光学光纤使用光纤布拉格光栅(FBG)(包括啁啾(chirped)光栅)的重叠配置，以促进应变延迟配准，同时避免了与瑞利散射相关联的缺点。FBG由光纤纤芯的折射率的至少局部周期性变化形成，并且提供允许精确的应变测量的强反射信号。然而，通常难以利用具有均匀光栅周期的FBG来确定沿光纤的测量的应变的方位，因为利用这种均匀光栅获取的参考信号导致反射信号跨对应于光栅的长度的时延范围具有恒定频率。相反，在啁啾光栅中，光栅的周期性以及因此反射信号的频率随时延或沿光纤的位置而变化。作为结果，啁啾光栅促进沿光纤的空间分辨应变。