CN113984097B - 用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***及承载设备 - Google Patents

用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***及承载设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***及承载设备，包括如下过程：来自多芯光纤的四路波长信号通过光纤阵列入射到由三个马赫曾德干涉仪组成的通道切换单元，通过电极调控来选择其中一路进入特殊设计的大串扰阵列波导光栅，阵列波导出射的光经过光纤阵列用InGaAs探测器阵列探测，根据探测到的各个通道光功率结合重心算法来推算多芯光纤上光纤布拉格光栅的中心波长，最后根据多芯光纤所有FBG的中心波长结合弗莱纳算法去恢复多芯光纤的三维形状，本发明可以用一个阵列波导光栅同时解调多芯光纤多路传感信号并有效降低三维形状感知解调器的尺寸和成本。

Description

用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***及承载设备
技术领域
本发明涉及集成光子光纤光栅解调芯片领域，尤其是用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***及承载设备。
背景技术
光纤形状传感技术近年来快速发展，在医疗微创介入手术、航空航天关键结构的形状测量、机械臂空间姿态检测和智能可穿戴设备等领域具有非常重要的应用。光纤形状传感器通常由空间上特定排布的光纤布拉格光栅阵列组成，形变引起光纤布拉格光栅中心波长漂移，利用中心波长变化量以及多根纤芯之间的几何关系通过算法可以恢复出结构的三维形状。多芯光纤由于纤芯之间的几何关系已精确确定，不会因为封装以及后续使用影响几何结构，可靠性和稳定性相对来说更高；另外，多芯光纤芯与芯间距很小，适合极大曲率的形变检测场合。
集成光子光纤光栅解调仪具有解调速度快、灵敏度高、可靠性高和不受电磁干扰等优点；相比于传统的由众多分立元件组成的解调仪，它可以集成光源、探测器和解调单元到几个毫米大小的芯片上来，大大降低了解调仪的成本和体积。结合III-V族材料在有源器件（光源和探测器）方面优异的性能和硅基材料在无源器件制作上小尺寸、低损耗的特点，利用III-V/Si混合集成技术，结合***的信号采集处理电路，将光纤布拉格光栅解调仪的分立器件进行一个芯片级集成备受关注。目前基于集成光子解调的芯片方案主要有阵列波导光栅（AWG）、马赫曾德干涉仪（MZI）和微环谐振腔（MRR）三种结构：马赫曾德干涉仪（MZI）解调方案解调精度可以做到很高，但是只能同时解调一个传感器，不利于分布式传感的解调；微环谐振腔（MRR）方案解调精度也可以做的很高，但是一个微环也只能解调一个传感器，另外解调速率受电极热调谐的影响往往只有几Hz；阵列波导光栅（AWG）方案是通过提高相邻通道之间的串扰，使单个光纤布拉格光栅（FBG）反射峰经过AWG传输后其光功率可以分配到多个输出波导，结合重心算法利用AWG相邻输出通道功率之间的关系去反推中心波长，可以实现大动态范围高精度的连续波长解调，不仅解调速率快而且可以同时解调多个FBG。
基于多芯光纤形状传感的解调至少需要解调四路信号（三路用来形状恢复，一路作为参考路）。现有的可以用于形状传感解调的设备包括OFDR专用解调仪、高精度的可调谐扫描激光器或者光谱仪，这些设备不仅体积庞大而且成本昂贵；片上集成的光纤光栅解调芯片由于其小型化、低成本、性能优良，能与电路***集成并最终实现成单一模块近年来备受关注。
发明内容
传统的多芯光纤三维形状传感解调设备是用分立的元器件搭建而成的一个***，整个***既庞大又复杂，为了解决这种传统解调设备体积大、质量大、成本高的问题，本发明提供一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，基于热调谐的通道切换单元级联大串扰阵列波导光栅可以实现快速的通道切换和大动态范围高精度的连续波长解调，满足多芯光纤三维形状传感解调设备小型化、性能优良和低成本的需求。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明实施例的第一方面，提供一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，包括多芯光纤、32通道光纤阵列、通道切换单元、1×28通道的阵列波导光栅、InGaAs光电探测器阵列，所述多芯光纤包括至少4个纤芯，每个纤芯用于传输一路信号光，所述至少4个纤芯包括4个第一纤芯，每根第一纤芯上均刻有多个光纤布拉格光栅，其中，来自4个所述第一纤芯对应的四路信号光入射到32通道光纤阵列中的其中4个通道，然后通过端面耦合入射到通道切换单元，从通道切换单元出来的信号光进入阵列波导光栅，从阵列波导光栅出射的光通过端面耦合入射到32通道光纤阵列中的另外28个通道，最后分别由InGaAs光电探测器阵列探测所述另外28个通道的光功率；根据探测到的所述另外28个通道中的光功率结合重心算法来推算多芯光纤上每个第一纤芯的多个光纤布拉格光栅的中心波长，最后根据每个第一纤芯的多个光纤布拉格光栅的中心波长数据结合弗莱纳算法去恢复多芯光纤的三维形状，以根据所述三维形状确定所述多芯光纤承载体的形变信息和/或位置信息。
在一些实施例中，所述32通道光纤阵列是将32根单模光纤按照固定间距并排安装在基板上，包括32个输入端口和32个输出端口，所述多芯光纤与所述32通道光纤阵列之间设置有扇入扇出模块，所述的多芯光纤包括4个纤芯，32通道光纤阵列的前4个通道的输入端口通过所述扇入扇出模块分别和多芯光纤的其中4个纤芯相连，32通道光纤阵列的前4个通道的输出端口分别和通道切换单元的4个输入波导相连，通道切换单元与32通道光纤阵列基于水平端面耦合方式连接或者基于光栅耦合器垂直耦合方式连接；32通道光纤阵列的所述另外28个通道的输出端口分别和阵列波导光栅的输出波导相连，阵列波导光栅的输出波导与光纤阵列基于水平端面耦合方式连接或者基于光栅耦合器垂直耦合方式连，32通道光纤阵列的另外28个通道的输入端口分别和InGaAs光电探测器阵列相连，使得来自光纤阵列端面的光直接照射到InGaAs光电探测器的光敏面上。
在一些实施例中，所述通道切换单元由三个结构相同的马赫曾德干涉仪组成，其中两个马赫曾德干涉仪的输出端分别和第三个马赫曾德干涉仪的输入端相邻，每个马赫曾德干涉仪分别由输入端、干涉臂和输出端构成，输入端是一个2×2的多模干涉耦合器，干涉臂是两条长度相等的波导，输出端也是一个2×2的多模干涉耦合器，输入端的多模干涉耦合器的两个输出波导分别和干涉臂一端相连，输出端的多模干涉耦合器的两个输入波导分别和干涉臂另一端相连，干涉臂的其中一个波导上有热调谐电极，通过同时调节三个干涉臂热调谐电极上的电流大小来改变光的输出通道，以选择性的让任何一路来自多芯光纤的信号进入阵列波导光栅。
在一些实施例中，所述阵列波导光栅是一个1×28通道的大串扰型阵列波导光栅，所述大串扰型阵列波导光栅的通道间隔50G Hz，所述大串扰型阵列波导光栅的半高全宽为0.7nm，所述大串扰型阵列波导光栅的半高全宽超过0.6nm，所述大串扰型阵列波导光栅的输入波导与所述通道切换单元的输出端相连，所述大串扰型阵列波导光栅的输出波导通过所述32通道光纤阵列与所述InGaAs光电探测器阵列相连，每根纤芯上均刻有7个光纤布拉格光栅，所述大串扰型阵列波导光栅每相邻连续4个输出通道结合重心算法用于解调每个第一纤芯的1个光纤布拉格光栅，使得所述大串扰型阵列波导光栅的28通道能够解调每个第一纤芯的7个光纤布拉格光栅。
在一些实施例中，所述重心算法是根据阵列波导光栅每个输出通道的光功率Pi和每个通道的中心波长λi利用公式 λFBG=
Figure 88848DEST_PATH_IMAGE001
来推算光纤布拉格光栅（FBG）的中心波长λFBG；
所述弗莱纳算法用于根据多芯光纤上布拉格光栅中心波长变化量来求解多芯光纤三维形状，包括：
将布拉格光栅中心波长变化量转化为布拉格光栅的应变量；
根据这些应变量推算出多芯光纤各个位置处的曲率κ（s）和挠率τ（s）；
结合弗莱纳框架算法进行三维形状的重构，弗莱纳框架方程如下：
Figure 333885DEST_PATH_IMAGE002
其中，T(s)是切向矢量，T’(s)是切向矢量的求导，N(s)是法向矢量，N’(s)是法向矢量的求导，B(s)是次法向矢量,B’(s)是次法向矢量的求导，R0是初始三维形状，R(s)是重构的三维形状。
本发明实施例的第二方面，提供一种承载设备，包括承载体和第一方面所述的用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，其中，所述片上解调***收容于所述承载体内。
在一些实施例中，所述承载设备包括内窥镜，所述承载体为所述内窥镜的主体，所述形变信息包括所述主体的位置信息。
在一些实施例中，所述承载设备包括飞行器，所述承载体包括所述飞行器的机翼，所述形变信息包括所述机翼的形变信息和/或位置信息。
在一些实施例中，所述飞行器包括无人飞行器。
在一些实施例中，所述承载设备包括管道，所述承载体为所述管道的管体，所述形变信息包括所述管体的形变信息。
本发明的有益效果主要表现在：基于热调谐的通道切换单元级联大串扰阵列波导光栅可以实现快速的通道切换和大动态范围高精度的连续波长解调，满足多芯光纤三维形状传感解调设备小型化、性能优良和低成本的需求；并且，利用阵列波导光栅芯片和集成的InGaAs探测器阵列来解调FBG的中心波长，无需昂贵的可调谐激光器或者光谱仪，大大降低了成本。
附图说明
图1为本发明的一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***示意图；
图2为本发明的一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***设计图；
图3为本发明的多芯光纤的侧面结构示意图；
图4为本发明的多芯光纤的截面结构示意图；
图5为本发明的基于马赫曾德干涉仪（MZI）的通道切换单元结构示意图；
图6为本发明的大串扰型阵列波导光栅的传输曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1、图2所示，分别为本发明的一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***示意图和设计图。参见图1和图2，本发明实施例的一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，该片上解调***可包括多芯光纤1、32通道光纤阵列（FA）2、通道切换单元8、1×28通道的阵列波导光栅6和InGaAs光电探测器阵列7,其中，所述至少4个纤芯包括4个第一纤芯，每个纤芯用于传输一路信号光，且每根第一纤芯上均刻有多个光纤布拉格光栅，4个第一纤芯对应的四路信号光入射到32通道光纤阵列2中的其中4个通道，然后通过端面耦合入射到通道切换单元8，即来自4个第一纤芯对应的四路信号光入射到32通道光纤阵列2中的其中4个通道后通过端面耦合入射到通道切换单元8，需要说明的是，这里的端面耦合就是指光纤端面和通道切换单元8的波导端面直接进行对接耦合。从通道切换单元8出来的信号光进入阵列波导光栅6，从阵列波导光栅6出射的光通过端面耦合入射到32通道光纤阵列2中的另外28个通道，这里的端面耦合是指阵列波导光栅6的输出波导端面与32通道光纤阵列2中的另外28个通道的光纤端面直接进行对接耦合。最后分别由InGaAs光电探测器阵列7探测所述另外28个通道的光功率；根据探测到的各个通道光功率结合重心算法来推算多芯光纤上每个第一纤芯的多个光纤布拉格光栅（FBG）的中心波长，最后根据这些每个第一纤芯的多个光纤布拉格光栅的中心波长数据结合弗莱纳算法Frenet去恢复多芯光纤1的三维形状，以根据所述三维形状确定所述多芯光纤1的承载体的形变信息和/或位置信息。
需要说明的是，本发明实施例中，承载体即为用于搭载多芯光纤1的结构。
本发明实施例中的基于热调谐的通道切换单元级联大串扰阵列波导光栅可以实现快速的通道切换和大动态范围高精度的连续波长解调，满足多芯光纤三维形状传感解调设备小型化、性能优良和低成本的需求；并且，利用阵列波导光栅芯片和集成的InGaAs探测器阵列来解调FBG的中心波长，无需昂贵的可调谐激光器或者光谱仪，大大降低了成本。
在本发明实施例中，所述32通道光纤阵列2是将32根单模光纤按照固定间距并排安装在基板上，包括32个输入端口和32个输出端口，32通道光纤阵列2的结构可选择现有结构，本发明32通道光纤阵列2的结构不做具体说明。
其中，所述多芯光纤1与所述32通道光纤阵列2之间设置有扇入扇出模块，该扇入扇出模块为一连接器。
本发明实施例中的多芯光纤1的数量可以是4个、5个、6个或7个，也可为其他大于7的数值，需要说明的是，多芯光纤1的纤芯的数量无论是4个还是4个以上，恢复多芯光纤1的三维形状只需要其中的4个纤芯就可以，下面以多芯光纤1的纤芯的数量为4个进行举例说明。所述的多芯光纤1可包括4个纤芯，32通道光纤阵列2的前4个通道的输入端口通过所述扇入扇出模块分别和多芯光纤1的其中4个纤芯相连，32通道光纤阵列2的前4个通道的输出端口分别和通道切换单元的4个输入波导相连，通道切换单元与32通道光纤阵列2基于水平端面耦合方式连接或者基于光栅耦合器垂直耦合方式连接；32通道光纤阵列2的所述另外28个通道的输出端口分别和阵列波导光栅的输出波导相连，阵列波导光栅的输出波导与光纤阵列基于水平端面耦合方式连接或者基于光栅耦合器垂直耦合方式连，32通道光纤阵列2的另外28个通道的输入端口分别和InGaAs光电探测器阵列相连，使得来自光纤阵列端面的光直接照射到InGaAs光电探测器的光敏面上。
具体而言，如图3，图4所示，为本发明的多芯光纤1的结构示意图，多芯光纤1可由四根纤芯10、11、12、13组成，其中纤芯10在多芯光纤的正中央位置，纤芯10中的光纤布拉格光栅中心波长的值仅受温度和轴向应力的影响，不受多芯光纤形状弯曲的影响，本发明实施例中，纤芯10主要是做为温度量和轴向应力补偿的参考纤芯；纤芯11、纤芯12和纤芯13和纤芯10之间的距离都为35微米，互成120度角排布；多芯光纤1的包层15直径和普通单模光纤包层的直径一样同为125微米。每根纤芯上都刻有相同数量的七个光纤布拉格光栅（FBG）14，纤芯11上刻的光纤布拉格光栅表示为FBGj1（j=1，2...7）,纤芯10上刻的光纤布拉格光栅表示为FBGj2（j=1，2...7）,纤芯12上刻的光纤布拉格光栅表示为FBGj3（j=1，2...7）,纤芯13上刻的光纤布拉格光栅表示为FBGj4（j=1，2...7），所以在多芯光纤上离散的分布着七个点，每个点位置上有四个FBG。根据InGaAs光电探测器探测到的各个通道光功率结合重心算法推算出多芯光纤每个位置上光纤布拉格光栅（FBG）的中心波长，当多芯光纤发生弯曲的时候，每个位置点上四个FBG的中心波长就会发生变化，只要知道这四个FBG的波长变化量，就可以推算出四个FBG受到的应变量，根据应变量可以推算出多芯光纤1在每个位置处的曲率κ（s）和挠率τ（s），然后对这两个量进行三次样条曲线插值结合弗莱纳框架算法Frenet进行三维形状的重构，弗莱纳框架算法的方程可如下：
Figure 644780DEST_PATH_IMAGE002
其中，T(s)是切向矢量，T’(s)是切向矢量的求导，N(s)是法向矢量，N’(s)是法向矢量的求导，B(s)是次法向矢量,B’(s)是次法向矢量的求导，R0是初始三维形状，R(s)是重构的三维形状。
本发明实施例中，所述通道切换单元由三个结构相同的马赫曾德干涉仪组成，其中两个马赫曾德干涉仪的输出端分别和第三个马赫曾德干涉仪的输入端相邻，每个马赫曾德干涉仪分别由输入端、干涉臂和输出端构成，输入端是一个2×2的多模干涉耦合器，干涉臂是两条长度相等的波导，输出端也是一个2×2的多模干涉耦合器，输入端的多模干涉耦合器的两个输出波导分别和干涉臂一端相连，输出端的多模干涉耦合器的两个输入波导分别和干涉臂另一端相连，干涉臂的其中一个波导上有热调谐电极，通过同时调节三个干涉臂热调谐电极上的电流大小来改变光的输出通道，以选择性的让任何一路来自多芯光纤的信号进入阵列波导光栅。
如图5，本发明实施例中提供的一种基于马赫曾德干涉仪（MZI）的通道切换单元结构示意图。所述通道切换单元8由三个相同结构的马赫曾德干涉仪（MZI）3、4、5组成，每个马赫曾德干涉仪分别由输入端24、干涉臂25、26和输出端构成，输入端24是一个2×2的多模干涉耦合器，干涉臂25、26是两条长度相等的波导，输出端也是一个2×2的多模干涉耦合器，输入端和输出端的多模干涉耦合器结构相同，所述多模干涉耦合器包括两个输入波导、一个多模平板波导和两个输出波导28、29、30，输入端的多模干涉耦合器的两个输出波导分别和干涉臂的一端相连，输出端的多模干涉耦合器的两个输入波导分别和干涉臂的另一端相连，干涉臂的其中一个波导上有热调谐电极27，通过同时调节三个干涉臂热调谐电极上的电流来改变光的输出通道，选择性的让任何一路来自多芯光纤的信号进入阵列波导光栅。图5左侧两个马赫曾德干涉仪的输出波导28，29分别右侧马赫曾德干涉仪直接相连，右侧马赫曾德干涉仪的输出波导30和阵列波导光栅6的输入波导直接相连。光纤阵列2的前4个通道一侧分别和多芯光纤1的四个纤芯相连，多芯光纤和光纤阵列通过扇入扇出模块进行连接；另一侧和通道切换单元8的4个输入波导20、21、22、23相连，所述输入波导结构相同，通道切换单元和光纤阵列的连接可以是水平端面耦合的形式，也可以是通过光栅耦合器垂直耦合的形式。光纤阵列2另外28个通道的一侧和阵列波导光栅6的输出波导相连，所述输出波导结构相同，阵列波导光栅输出波导和光纤阵列的连接可以是水平端面耦合的形式，也可以是通过光栅耦合器垂直耦合的形式；另一侧和InGaAs光电探测器阵列7相连，InGaAs光电探测器阵列和光纤阵列通过端面直接耦合的形式，也就是来自光纤阵列端面的光直接照射到InGaAs光电探测器的光敏面上。
本发明实施例中，所述阵列波导光栅是一个1×28通道的大串扰型阵列波导光栅，所述大串扰型阵列波导光栅的通道间隔50G Hz，所述大串扰型阵列波导光栅的半高全宽为0.7nm，所述大串扰型阵列波导光栅的半高全宽超过0.6nm，所述大串扰型阵列波导光栅的输入波导与所述通道切换单元的输出端相连，所述大串扰型阵列波导光栅的输出波导通过所述32通道光纤阵列与所述InGaAs光电探测器阵列相连，每根纤芯上均刻有7个光纤布拉格光栅，所述大串扰型阵列波导光栅每相邻连续4个输出通道结合重心算法用于解调入射信号光至32通道光纤阵列中的其中4个通道的4个纤芯中其中1个纤芯的1个光纤布拉格光栅，使得所述大串扰型阵列波导光栅的28通道能够解调所述入射信号光至32通道光纤阵列中的其中4个通道的4个纤芯中其中1个纤芯的7个光纤布拉格光栅。
如图6所示，本发明的大串扰型阵列波导光栅的传输曲线。阵列波导光栅6是一个1×28通道的大串扰设计结构，这里的大串扰设计指的是阵列波导光栅的半高全宽大于0.6nm，所述半高全宽可以取0.6nm到0.8nm之间，通道间隔可以取50G到100G Hz之间，图6中只显示了其中几个信道的传输谱。阵列波导光栅包括1个输入波导和28个输出波导，输入波导和通道切换单元8的输出端30相连，28个输出波导通过光纤阵列2和InGaAs光电探测器阵列7相连，阵列波导光栅28个输出波导出射的光通过端面耦合或光栅耦合器耦合入射到光纤阵列中的其中28个通道，然后分别由InGaAs光电探测器阵列探测所述28个通道的光功率，所述的光电探测器阵列将28个通道的光功率转化为电流信号，然后电流信号通过模数转换电路和处理电路（可以是DSP或者FPGA或者ARM）进行数据的采集和处理，根据探测到的28个通道中的光功率结合重心算法来推算多芯光纤上光纤布拉格光栅的中心波长，最后根据这些光纤布拉格光栅的中心波长数据结合弗莱纳算法去恢复多芯光纤的三维形状，根据所述三维形状确定所述多芯光纤承载体的形变信息和/或位置信息。阵列波导光栅每相邻连续四个通道结合重心算法可以解调一个光纤布拉格光栅，所以一共可以解调七个光纤布拉格光栅。所述重心算法（CoG）是根据AWG相邻连续四个输出通道的光功率Pi和中心波长λi，利用公式λFBG=
Figure 571148DEST_PATH_IMAGE003
（i=1，2，3，4）来推算FBG的中心波长λFBG。
利用特殊设计的大串扰型阵列波导光栅，结合重心算法（CoG），可以实现大动态范围高精度的连续波长解调。硅基热调谐的MZI通道切换速率可以达到几十微秒量级，阵列波导光栅属于并行式快速解调，整个芯片的解调频率能达到KHz甚至MHz。
本发明实施例中的片上解调***可应用于医疗微创介入手术、航空航天关键结构的形状测量、机械臂空间姿态检测和智能可穿戴设备等领域，比如将多芯光纤集成到内窥镜里，就可以根据多芯光纤的三维形状让医生直观地看到内窥镜在人体内的位置和走向；将多芯光纤集成到飞机或者直升机的机翼上，就可以根据多芯光纤的三维形状去检测飞机机翼的形变；将多芯光纤安装到输气输油管壁上，就可以根据多芯光纤的三维形状去检测管道的变形。
如图1所述用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***可以除了在硅（Si）材料平台实现以外，还可以在氮化硅（Si3N4）或者磷化铟（InP）等平台实现。硅（Si）材料平台的优势是尺寸可以做的很小，可以集成光电探测器，光损耗适中，但是缺点是不能集成光源、温度敏感；氮化硅（Si3N4）材料平台的优势是波导损耗可以做到非常低，尺寸适中，但是缺点是不便集成光源和光电探测器；磷化铟（InP）材料平台的优势是可以和光源、光电探测器单片集成，但是成本昂贵、尺寸较大；
选择集成光电子技术平台，采用微纳加工工艺制作的光开关级联阵列波导光栅结构，尺寸仅有10mm×10mm，大大降低了解调***的尺寸和重量。
本发明是基于先进的集成光子技术，整个芯片的尺寸非常小，在10毫米（mm）×10毫米（mm）大小；另外，一个晶圆片上可以同时加工多个解调芯片，所以相对来说成本会比较低。本发明用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***可以应用到多种应用场景，比如内窥镜里面的位姿形状传感、飞机和无人机机翼的三维形状的检测以及输气输油管道形变量的检测。
值得一提的是，本发明实施例还提供一种承载设备，该承载设备可包括承载体和上述实施例中的用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，其中，所述片上解调***收容于所述承载体内。
该承载设备可以为不同类型的设备，如承载设备可以为医疗设备、航空航天设备、机械臂、智能穿戴设备等等，从而对应实现医疗微创介入手术的位置测量、航空航天关键结构的形状测量、机械臂空间姿态检测和智能可穿戴设备的姿态检测等功能。
示例性的，在一些实施例中，所述承载设备包括内窥镜，所述承载体为所述内窥镜的主体，所述形变信息包括所述主体的位置信息。比如，将多芯光纤集成到内窥镜里，这样就可以根据多芯光纤的三维形状让医生直观地看到内窥镜在人体内的位置和走向。
在一些实施例中，所述承载设备包括飞行器，所述承载体包括所述飞行器的机翼，所述形变信息包括所述机翼的形变信息和/或位置信息。例如，所述飞行器可包括无人飞行器，如固定翼无人机或者其他具有机翼的无人机；当然，飞行器也可包括有人飞行器，如飞机或直升机。比如，可将多芯光纤集成到飞机或者直升机的机翼上，就可以根据多芯光纤的三维形状去检测机翼的形变。
在一些实施例中，所述承载设备包括管道，所述承载体为所述管道的管体，所述形变信息包括所述管体的形变信息。这样，将多芯光纤安装到输气输油管壁上，就可以根据多芯光纤的三维形状去检测管道的变形以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，其特征在于：包括多芯光纤、32通道光纤阵列、通道切换单元、1×28通道的阵列波导光栅、InGaAs光电探测器阵列，所述多芯光纤包括至少4个纤芯，每个纤芯用于传输一路信号光，所述至少4个纤芯包括4个第一纤芯，每根第一纤芯上均刻有多个光纤布拉格光栅，其中，来自4个所述第一纤芯对应的四路信号光入射到32通道光纤阵列中的其中4个通道，然后通过端面耦合入射到通道切换单元，从通道切换单元出来的信号光进入阵列波导光栅，从阵列波导光栅出射的光通过端面耦合入射到32通道光纤阵列中的另外28个通道，最后分别由InGaAs光电探测器阵列探测所述另外28个通道的光功率；根据探测到的所述另外28个通道中的光功率结合重心算法来推算多芯光纤上每个第一纤芯的多个光纤布拉格光栅的中心波长，最后根据每个第一纤芯的多个光纤布拉格光栅的中心波长数据结合弗莱纳算法去恢复多芯光纤的三维形状，以根据所述三维形状确定所述多芯光纤承载体的形变信息和/或位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，其特征在于，所述32通道光纤阵列是将32根单模光纤按照固定间距并排安装在基板上，包括32个输入端口和32个输出端口，所述多芯光纤与所述32通道光纤阵列之间设置有扇入扇出模块，所述的多芯光纤包括4个纤芯，32通道光纤阵列的前4个通道的输入端口通过所述扇入扇出模块分别和多芯光纤的其中4个纤芯相连，32通道光纤阵列的前4个通道的输出端口分别和通道切换单元的4个输入波导相连，通道切换单元与32通道光纤阵列基于水平端面耦合方式连接或者基于光栅耦合器垂直耦合方式连接；32通道光纤阵列的所述另外28个通道的输出端口分别和阵列波导光栅的输出波导相连，阵列波导光栅的输出波导与光纤阵列基于水平端面耦合方式连接或者基于光栅耦合器垂直耦合方式连，32通道光纤阵列的另外28个通道的输入端口分别和InGaAs光电探测器阵列相连，使得来自光纤阵列端面的光直接照射到InGaAs光电探测器的光敏面上。
3.根据权利要求1所述的一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，其特征在于，所述通道切换单元由三个结构相同的马赫曾德干涉仪组成，其中两个马赫曾德干涉仪的输出端分别和第三个马赫曾德干涉仪的输入端相邻，每个马赫曾德干涉仪分别由输入端、干涉臂和输出端构成，输入端是一个2×2的多模干涉耦合器，干涉臂是两条长度相等的波导，输出端也是一个2×2的多模干涉耦合器，输入端的多模干涉耦合器的两个输出波导分别和干涉臂一端相连，输出端的多模干涉耦合器的两个输入波导分别和干涉臂另一端相连，干涉臂的其中一个波导上有热调谐电极，通过同时调节三个干涉臂热调谐电极上的电流大小来改变光的输出通道，以选择性的让任何一路来自多芯光纤的信号进入阵列波导光栅。
4.根据权利要求1所述的一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，其特征在于，所述阵列波导光栅是一个1×28通道的大串扰型阵列波导光栅，所述大串扰型阵列波导光栅的通道间隔50G Hz，所述大串扰型阵列波导光栅的半高全宽为0.7nm，所述大串扰型阵列波导光栅的半高全宽超过0.6nm，所述大串扰型阵列波导光栅的输入波导与所述通道切换单元的输出端相连，所述大串扰型阵列波导光栅的输出波导通过所述32通道光纤阵列与所述InGaAs光电探测器阵列相连，每根纤芯上均刻有7个光纤布拉格光栅，所述大串扰型阵列波导光栅每相邻连续4个输出通道结合重心算法用于解调每个第一纤芯的1个光纤布拉格光栅，使得所述大串扰型阵列波导光栅的28通道能够解调每个第一纤芯的7个光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求1所述的一种用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，其特征在于，所述重心算法是根据阵列波导光栅每个输出通道的光功率Pi和每个通道的中心波长λi利用公式 λFBG=
Figure DEST_PATH_IMAGE001
来推算光纤布拉格光栅（FBG）的中心波长λFBG；
所述弗莱纳算法用于根据多芯光纤上布拉格光栅中心波长变化量来求解多芯光纤三维形状，包括：
将布拉格光栅中心波长变化量转化为布拉格光栅的应变量；
根据这些应变量推算出多芯光纤各个位置处的曲率κ（s）和挠率τ（s）；
结合弗莱纳框架算法进行三维形状的重构。
6.一种承载设备，其特征在于，包括承载体和权利要求1至5任一项所述的用于多芯光纤三维形状传感的片上解调***，其中，所述片上解调***收容于所述承载体内。
7.根据权利要求6所述的承载设备，其特征在于，所述承载设备包括内窥镜，所述承载体为所述内窥镜的主体，所述形变信息包括所述主体的位置信息。
8.根据权利要求6所述的承载设备，其特征在于，所述承载设备包括飞行器，所述承载体包括所述飞行器的机翼，所述形变信息包括所述机翼的形变信息和/或位置信息。
9.根据权利要求8所述的承载设备，其特征在于，所述飞行器包括无人飞行器。
10.根据权利要求6所述的承载设备，其特征在于，所述承载设备包括管道，所述承载体为所述管道的管体，所述形变信息包括所述管体的形变信息。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114878858B (zh) * 2022-07-11 2022-11-18 之江实验室 基于多芯光纤光栅的建筑拉索摆动加速度测量装置及方法
CN115420314B (zh) * 2022-11-03 2023-03-24 之江实验室 一种基于布拉格光栅位姿传感的电子内窥镜测控***

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6256090B1 (en) * 1997-07-31 2001-07-03 University Of Maryland Method and apparatus for determining the shape of a flexible body
US7324714B1 (en) * 2007-04-11 2008-01-29 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Multicore fiber curvature sensor
CN101881634A (zh) * 2009-05-08 2010-11-10 刘信 基于awg的高速多通道光纤光栅传感解调***及方法
CN202304891U (zh) * 2011-10-12 2012-07-04 浙江师范大学 基于阵列波导光栅特性的分布式监测仪
US8970845B1 (en) * 2012-05-31 2015-03-03 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration In-situ three-dimensional shape rendering from strain values obtained through optical fiber sensors
CN107063317A (zh) * 2017-04-27 2017-08-18 西南交通大学 一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法
CN108430368A (zh) * 2016-01-07 2018-08-21 圣犹达医疗用品国际控股有限公司 用于光学感测的具有多芯光纤的医疗设备
CN109186490A (zh) * 2018-09-21 2019-01-11 北京航空航天大学 一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置
CN110243305A (zh) * 2018-03-08 2019-09-17 桂林电子科技大学 基于动态botda的多芯循环串接式光纤形状传感器
CN110456410A (zh) * 2019-08-28 2019-11-15 之江实验室 基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器
CN111982000A (zh) * 2020-08-21 2020-11-24 河北工业大学 一种基于Beta标架的光纤形状重构方法及装置
WO2021127738A1 (en) * 2019-12-24 2021-07-01 The University Of Melbourne Medical device and system and method for guiding positioning of same
CN113662657A (zh) * 2021-08-26 2021-11-19 桂林电子科技大学 一种具有3d导航功能的介入式血管癌栓消融医疗***

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060013523A1 (en) * 2004-07-16 2006-01-19 Luna Innovations Incorporated Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto
US8746076B2 (en) * 2012-08-22 2014-06-10 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Shape sensing using a multi-core optical fiber having an arbitrary initial shape in the presence of extrinsic forces

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6256090B1 (en) * 1997-07-31 2001-07-03 University Of Maryland Method and apparatus for determining the shape of a flexible body
US7324714B1 (en) * 2007-04-11 2008-01-29 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Multicore fiber curvature sensor
CN101881634A (zh) * 2009-05-08 2010-11-10 刘信 基于awg的高速多通道光纤光栅传感解调***及方法
CN202304891U (zh) * 2011-10-12 2012-07-04 浙江师范大学 基于阵列波导光栅特性的分布式监测仪
US8970845B1 (en) * 2012-05-31 2015-03-03 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration In-situ three-dimensional shape rendering from strain values obtained through optical fiber sensors
CN108430368A (zh) * 2016-01-07 2018-08-21 圣犹达医疗用品国际控股有限公司 用于光学感测的具有多芯光纤的医疗设备
CN107063317A (zh) * 2017-04-27 2017-08-18 西南交通大学 一种多芯光纤Bragg光栅曲率传感器的解调方法
CN110243305A (zh) * 2018-03-08 2019-09-17 桂林电子科技大学 基于动态botda的多芯循环串接式光纤形状传感器
CN109186490A (zh) * 2018-09-21 2019-01-11 北京航空航天大学 一种基于多芯光纤的三维形状传感测量方法及装置
CN110456410A (zh) * 2019-08-28 2019-11-15 之江实验室 基于超强抗弯多芯光纤柔性光缆的分布式水听器
WO2021127738A1 (en) * 2019-12-24 2021-07-01 The University Of Melbourne Medical device and system and method for guiding positioning of same
CN111982000A (zh) * 2020-08-21 2020-11-24 河北工业大学 一种基于Beta标架的光纤形状重构方法及装置
CN113662657A (zh) * 2021-08-26 2021-11-19 桂林电子科技大学 一种具有3d导航功能的介入式血管癌栓消融医疗***

Non-Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
3D Shape Sensing Utilizing SBS in Multi-Core Fiber;Zhen Guo等;《2019 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC)》;20191231;全文 *
Shape sensing using multi-core fiber optic cable and parametric curve solutions;jason P.moore等;《OPTICS EXPRESS》;20121231;第20卷(第3期);全文 *
Twist angle compensation for three dimensional real-time shape sensing method based on multi-core optical fiber;qingqing guo等;《2020 12th International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation (ICMTMA)》;20201231;第402-406页 *
光纤光栅形状传感器的研究;吴仲台等;《计量与测试技术》;20171231;第44卷(第5期);第56-58页 *
光纤形状传感技术综述;赵士元等;《光学 精密工程》;20200131;第28卷(第1期);第10-29页 *
变形机翼薄膜蒙皮形状监测光纤传感方法研究;张俊康等;《仪器仪表学报》;20180228;第39卷(第2期);第66-72页 *
基于光纤光栅的结构形状传感技术研究;张新华;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》;20190215(第2期);第C031-557页 *
基于光纤分布式传感的形变测量技术研究;金溢华;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技I辑》;20200215(第2期);第B022-1139页 *
基于分布式应变测量的光纤形状传感研究;刘子叶;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》;20190115(第1期);第I140-901页 *
基于匹配滤波解调的多芯Bragg光栅曲率传感器;郑狄等;《光学学报》;20180331;第38卷(第3期);全文 *

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