[发明专利]一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置和方法

权利要求书

1.一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置，其特征在于，所述装置包括：光源模块、光纤扇入扇出模块、组合多芯光纤探头模块、形状传感模块、成像模块以及数据处理模块；其中，

光源模块，为光纤输送光信号，同时为成像提供照明光；

光纤扇入扇出模块，用于整合不同模块的光纤使之聚合为一束，同时连接形状传感模块和成像模块；

组合多芯光纤模块，主要分为两部分，其中一部分通过光纤扇入扇出模块与形状传感模块相连，用于形状感知；另一部分通过光纤扇入扇出模块与成像模块相连，用于三维成像；

形状传感模块，包含光栅解调仪，通过光纤扇入扇出模块和多芯光纤模块的外层螺旋光纤连接，将接收到的中心波长漂移量转化为应变；

成像模块，包含CCD相机，通过光纤扇入扇出模块和多芯光纤模块直光纤束的接收光纤连接，将接收经过多芯光纤调制的衍射图像；

数据处理模块，包含计算机，将形状传感模块检测到的应变转换为三维形状，以实现空间形状感知的目标；将成像模块接收的衍射图像进行定量相位恢复，以达到目标组织成像的目的；同时将不同时刻光纤位置与三维成像进行数据融合，以达到实时可视化表达的目的。

2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像装置，其特征在于，所述组合多芯光纤包括两部分，第一部分由外层多根螺旋光纤和中心一根独立光纤组成，该部分光纤内刻有光栅，外层螺旋光纤用于应变及空间感知，中心独立光纤用于温度以及应变补偿；第二部分为包裹中心独立光纤的两层直光纤束，无光栅刻写，其中一层为发射光纤用于发射照明光，另一层为接收光纤用于接收目标组织物反射回的物光。

3.一种基于多芯光纤的空间形状感知及三维成像方法，其特征在于，具体实施步骤如下：

步骤1：光源模块作为光纤稳定的信号来源和照明光，光纤扇入扇出模块将所设计的多功能组合光纤进行整合；光信号穿过整个组合多芯光纤探头模块，同时照射目标组织；

步骤2：当光纤发生弯曲扭转时，光纤会发生形变，外层螺旋光栅光纤的光栅栅距会发生相应的变化，导致经光栅反射的信号其中心波长发生漂移，而波长变化量会被形状传感模块的光栅解调仪探测到；

步骤3：通过中心波长漂移量计算光纤应变，中心波长漂移量Δλ与应变ε之间有如下关系：

其中P_e是与光纤材料有关的光弹性系数，λ是光栅光纤的中心波长；由于组合多芯光纤模块中心的独立光栅光纤在弯曲过程中不发生形变，同时被包裹在光纤束中间也受温度影响较小，所以作为应变和温度的补偿，从而消除环境影响和系统误差；

步骤4：通过光纤应变量计算光纤曲率；光纤应变与其曲率κ(s)之间也存在着定量关系，有如下表达：

上式中ε_i为第i根光纤的轴向应变，r_i是第i根光纤到光纤中心的距离，在本发明中光纤围绕光纤中心均匀排布，所以r_i均相等，θ_b是光纤弯曲方向到y轴的角度，θ_i是第i根光纤到y轴的角度，θ_avg是均匀分布的光纤之间的夹角，ρ为曲率半径；通过公式(2)(3)即得到离散的光纤曲率，通过将其在光纤弯曲方向差值拟合，得到连续曲率函数κ(s)；

步骤5：通过光纤应变量计算光纤挠率；光纤应变与其挠率τ(s)之间也存在着定量关系，有如下表达：

上式中L_p为光纤节距，L为螺旋光纤节距对应的原长度，L_ε为扭转后的长度，θ为扭转角，r为螺旋光纤到光纤中心的距离；

通过公式(4)即可得到离散的光纤扭转角，通过将其在光纤弯曲方向差值拟合，可得到关于弧长s的连续挠率函数θ(s)；

τ(s)＝θ'(s) (5)

根据公式(5)对θ(s)微分，即可得到光纤的挠率函数τ(s)；

步骤6：通过曲率和挠率求解Frenet-Serret方程；将曲率κ(s)和挠率τ(s)代入Frenet-Serret方程：

其中，T(s)表示切向量，N(s)表示法向量，B(s)表示副法向量；之后通过各点的曲率和挠率，数值求解的方式获得切向量函数T(s)；

步骤7：通过切向量函数求解光纤形状；通过对切向量函数T(s)计算即可得到曲线r关于弧长s的函数，如下式：

r(s)＝∫T(s)ds+r₀ (7)

通过公式(7)，即可得到光纤的形状分布，从而实现空间形状感知的功能其中，r₀表示光纤起点在本坐标系下的初始位置；

步骤8：在光纤进给过程中，组合多芯光纤探头模块的直光纤束中的发射光纤一直处于光信号发射状态，到达目标组织附近，组合多芯光纤探头模块的直光纤束中的接收光纤会接收经目标组织反射回的光信号，经不同光纤调制最终被成像模块的CCD采集到衍射强度图；

步骤9：使用计算成像方法进行迭代计算从而进行定量相位恢复；CCD采集面捕获的衍射强度为光强I，初始猜测采集面的相位为迭代过程如下：

1)对采集面进行初始估计，设其分布为i为虚数单位；

2)反向传播至目标组织平面，得到目标组织平面分布并进行平面约束；

3)从目标组织平面正向传播至采集面，得到采集面分布

4)进行采集平面约束，保持相位不变，用记录到的强度平方根替换计算所得振幅

5)从记录平面逆向传播到样本平面

6)判断是否收敛，若误差小于设定值，输出结果；若大于，进行样本平面约束，使用HIO算法进行更新，并进入下一次迭代；

式中q为物平面坐标系，Q表示e_n'中不满足空域约束的点集，ε∈[0.5,1]为常数；n表示第n次迭代，表示正向传输，表示反向传输；其传输过程使用角谱传输法。