光纤传感器、光学系统和光学地探询光纤传感器的方法

技术领域

本发明总体涉及光纤传感器的领域。特别地，本发明涉及适于在光学形状感测中使用的光纤传感器。本发明还涉及一种包括光纤传感器的光学系统和一种光学地探询光纤传感器的方法。

背景技术

光纤传感器可以在光学形状感测(OSS)中使用，这是一种技术，通过该技术，可以使用基于光纤内的光的反射的背反射法重建特殊光纤的三维形状。光学形状传感是关于通过光学手段在不使用有害辐射的情况下发现细长医学设备(例如导丝或导管)的形状。为此，光纤被并入在医学设备中。光被发送到光纤传感器中，并且用干涉仪监测背向反射的光。以此方式，反射光谱在沿光纤传感器的每个位置被记录。反射光谱中的光谱偏移可能由于各种刺激而发生，这些刺激可以是曲率、扭曲、温度和/或轴向应变的变化，当医学设备用于外科手术时，这些刺激可以被施加到光纤传感器。这些刺激可以通过特殊的光纤传感器几何结构来解开。通常，光纤传感器具有四纤芯设计，其中位于光纤横截面中心的纤芯仅对温度和轴向应变敏感，而围绕中心螺旋缠绕的三个外纤芯也对两个方向弯曲和扭曲敏感。

文献US 8773650B1描述了形状感测技术的基本原理。

在光学形状传感中，在多芯光纤传感器的每个光纤纤芯上同时进行分布式应变测量，根据其来计算光纤的沿着光纤传感器长度的每个位置的特定变形。分布式应变测量例如使用扫频源干涉测量法进行，其中激光(例如单模激光)的波长在明确定义的波长范围内单调变化。每个纤芯与其自己的干涉仪通信。来自光源的光被馈入具有参考分支和测量分支的干涉仪。测量分支包含被测试的光纤传感器。探测器测量从被测试的光纤传感器反射的光和穿过参考分支的光的组合。探测器信号以光频率的等距步长被采样。在傅立叶域背向散射反射计中，此干涉光谱经过傅立叶变换，产生作为光学延迟时间τ的函数的信号,即设备上的位置z(τ＝2nz/c，其中考虑了因子2，因为光在光纤传感器中来回传播)的函数。

启用形状感测的医学设备，例如导丝或导管，将在外科手术中移动相当长的距离，即多个光学波长。然而，光学背反射计需要亚波长稳定性。为了降低振动灵敏度，反射光谱在短时间内被记录，通常小于2ms。时间越短，可捕获的光的量越少，并且因此信噪比越小。由于导丝和导管等医学设备是一次性的，因此它们将通过光学连接器连接到光学探询器。光连接器导致额外的光损失，尤其是在多芯光纤传感器的情况下。考虑到上述因素，很明显，对于单模光纤固有的每单位长度的小量的反射率(瑞利散射)不足以实现鲁棒和准确的形状感测。因此，传感器的反射率通过并入光纤布拉格光栅而被增强。

从WO2014/200986 A1和US 9417057 B1已知具有光纤布拉格光栅的光纤传感器。根据这些文件中描述的光纤布拉格光栅设计，光纤传感器的反射光谱是宽的。这同样适用于依赖瑞利散射的光纤传感器。反射光谱至少跨越探询器的扫描范围，并且通常甚至超出该范围。这种宽光谱的后果是双重的。首先，信号在时间延迟域中的相位，即相邻采样点沿传感器的位置变化很大。将特定测量的相位与相应的参考测量的相位进行比较(在参考测量中，光纤传感器处于参考形状(通常是直线形状))，需要针对完全相同的位置执行，只有很小的针对位置误差的余量。测量的对齐应远低于单个样本索引。这种相位跟踪过程繁琐、容易出错且计算量大。其次，在WO2014/200986 A1中公开的瑞利散射和交叠啁啾光纤布拉格光栅的情况下，光谱在沿传感器的任何位置都是宽的。这意味着在全光谱扫描期间探测每个点。在全扫描期间，每个位置都应以亚波长精度保持稳定，否则将发生错误。换句话说，宽光谱传感器的缺点是比窄光谱传感器对振动更敏感。另一方面，对于展现出窄的反射光谱的光纤传感器，在考虑时间延迟域中的信号数据时，信噪比将降低。

US2015/0029511公开了一种光纤传感器，其包括具有沿光纤有效地连续的光纤布拉格光栅的一个或多个纤芯。反射光谱可以包含等于反射计中的光源的波长扫描的波长跨度。

US2018/0266813 A1公开了一种曲率传感器，其包含包括芯的柔性光导，其中，光纤布拉格光栅(FBG)被提供在纤芯中，并且在沿纤芯的预定位置构成FBG传感器组。纤芯中的FBG传感器包括第一FBG传感器和紧邻其的第二FBG传感器。第一和第二FBG传感器包括具有第一和第二节距的光栅，其中，第一节距比第二节距短并且比被提供在纤芯中并且包括具有短于第二节距的节距的光栅的所有FBG传感器的光栅的其他节距更接近第二节距。

US2017/0153387 A1公开了一种使用超弱、太赫兹范围反射器结构的光纤传感设备。窄带宽可调激光探询系统探询光纤并测量由光纤的物理变化引起的反射和干涉图案的变化。

因此，仍然需要一种改进的光纤传感器，所述传感器对振动不太敏感并且仍然表现出足够大的信噪比并且因此适用于具有改进的形状感测精度的光学形状感测。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种光纤传感器，其允许以改进的精度进行光学形状感测。

另一个目的是提供一种光学地探询光纤传感器的方法。

本发明的另一个目的是提供一种包括光纤传感器的光学系统。

根据本发明的第一方面，提供了一种光纤传感器，包括光纤，所述光纤中嵌入在其中的沿所述光纤的长度延伸的至少一个纤芯，所述至少一个光纤纤芯具有沿着至少一个纤芯串联布置的多个单个光纤布拉格光栅，其中，每个光纤布拉格光栅当在所述至少一个光纤纤芯的无应变状态下的用光探询时，在单个反射峰值波长附近具有单个反射光谱，其中，所述单个反射光谱的所述反射峰值波长沿着所述至少一个光纤纤芯从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅不同。

根据本发明的光纤传感器利用光纤布拉格光栅的特定设计。根据本发明的光纤传感器的一个或多个纤芯具有多个单个纤维布拉格光栅，每个单个纤维布拉格光栅具有单个谐振波长，其中，光纤布拉格光栅的谐振波长不同。特别地，每个光纤布拉格光栅可以被配置为使得它的单个反射光谱在单个反射峰值波长附近是窄的。换句话说，每个光纤布拉格光栅都具有单个谐振波长，所述单个谐振波长沿各自的光纤布拉格光栅尽可能恒定，并且不同光纤布拉格光栅的谐振波长是不同的。换句话说，响应于光,每个光纤布拉格光栅都有谐振波长，其中，相同光纤纤芯中的光纤布拉格光栅的谐振波长不同。光纤布拉格光栅的单个反射光谱优选地具有比用于探询纤芯的扫描波长范围窄的一些幅度。因此，根据本发明的光纤传感器优选地沿光纤纤芯的长度在光纤布拉格光栅处具有多个局部窄反射光谱。另一方面，与单个光纤布拉格光栅的单个反射光谱的宽度相比，单个反射光谱跨越的全反射光谱显著地变宽。局部窄反射光谱对应于作为光学延迟函数的平滑、缓慢变化或甚至恒定的相位。在相位跟踪期间，对齐测量和参考的要求因此不那么重要。在参考测量的恒定相位的限制中，容差被最大化。此外，当光谱局部变窄时，将在总波长扫描的一小部分期间探测传感器上的相应位置。有效地，可以减少本地扫描时间。因此，对亚波长稳定性的需求只需要在缩短的时间段内得到满足。在根据本发明的光纤传感器中降低了对振动的总体灵敏度。

另一方面，与表现出窄全反射光谱的光纤传感器相比，例如沿其长度具有单一谐振波长的光纤传感器，根据本发明的光纤传感器具有以下优点：由于所有光纤布拉格光栅的单个反射光谱所跨越的全反射光谱加宽，信噪比增加。

光纤布拉格光栅可以针对传播通过光纤纤芯的模式的周期性变化的折射率形成。单个反射光谱的光谱宽度主要由各个光纤布拉格光栅的周期的总数决定。光纤布拉格光栅的周期数越高，光纤布拉格光栅的单个反射光谱的宽度越小。

在光纤传感器中，单个反射光谱的反射峰值波长可以沿着至少一个光纤纤芯从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅单调地偏移。当从光纤纤芯的近端看时，反射峰值波长可以以增加或减少的方式单调偏移。单个反射光谱的反射峰值波长的偏移的量可能是小的，但足够大以避免相邻光纤布拉格光栅的单个反射光谱的显著交叠，显著交叠可能会引起相邻FBG之间的不希望的干涉效应和FBG之间的多次反射。光纤布拉格光栅的反射峰值波长或谐振波长可以从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅逐步地偏移。

具体地，相邻光纤布拉格光栅的单个反射光谱的反射峰值波长之间的差可以等于或略大于相邻光纤布拉格光栅的单个反射光谱的光谱宽度。在这种情况下，单个反射光谱彼此充分分离。

光纤布拉格光栅的单个反射光谱在每种情况下可以具有小于3％、或小于2％、或甚至低至1％或略小于1％的反射率幅度。

当每个单独的单频光纤布拉格光栅的反射率(强度)以这种方式受到限制时，多次反射的影响被进一步降低，并且对沿光纤传感器长度的测量信号相位的影响可以忽略不计。当反射事件的概率很大时，光也可能有有限的概率被反射三次或更多次。在这种情况下，光在光纤传感器上来回反弹几次，这意味着反射事件发生的确切位置被模糊。这些事件在光纤传感器的零散位置(odd locations)添加准随机信号甚至其他。实际上，光纤传感器的反射率不应超过百分之几的值。例如，可以通过沿光纤布拉格光栅的折射率的调制的量来调整反射率的量。因此，沿光纤布拉格光栅的折射率调制深度应该很小。

单个反射光谱中的至少一个的光谱宽度与相应的单个纤维布拉格光栅的长度的优选比率可以在以下范围内：10

例如，单光纤布拉格光栅的长度可以约为100mm，其中，在这种情况下，各个单个反射光谱的光谱宽度可以在10pm-30pm的范围内。可以根据光纤传感器的总长度和单个光纤布拉格光栅的单独长度来选择沿相应的光纤纤芯布置的单个光纤布拉格光栅的数量。

如上所述，所有光纤布拉格光栅的单个反射光谱跨越全反射光谱。光纤传感器的全反射光谱的光谱范围因此相对于单个反射光谱中的每个被加宽。然而，总光谱范围不应太大，因为应考虑光纤布拉格光栅谐振波长由于应变(特别是弯曲应变)引起的波长偏移。光纤传感器的弯曲半径越小，光纤布拉格光栅的反射峰值波长的波长偏移就越大。波长偏移应落入用于探询光纤传感器的扫描波长范围内。例如，对于1545nm的谐振波长或反射峰值波长，6mm的弯曲半径导致反射峰值波长的+/-7.2nm的波长偏移，总共跨越14.4nm的范围。温度效应和轴向应变可能将谐振分别向更高的波长移动大约1nm。对于16.7nm的总扫描波长范围，通过谐振波长从FBG到FBG的阶梯状位移，这为传感器的全反射光谱的光谱展宽留下了大约1.4nm。

因此，在实际情况下，光纤布拉格光栅可以在至少一个纤芯的无应变状态下跨越光谱范围在0.6nm至1.4nm范围内的全反射光谱。在至少一个纤芯的无应变状态下，总光谱范围也可以在0.8nm到1.0nm的范围内。

优选地，光纤布拉格光栅沿着至少一个光纤纤芯彼此紧邻布置。紧邻的光纤布拉格光栅之间可能没有间隙或者间隙很小。换言之，光纤布拉格光栅优先彼此级联。

在相邻光纤布拉格光栅之间的间隙处，光学背反射信号的相位可能突然跳跃。为了减少连续光栅连接点处间隙的影响，在光纤布拉格光栅的开始和结束附近，可以增加或减少光栅强度。

所述光纤可以在其中嵌入了至少四个光纤纤芯，所述至少四个光纤纤芯围绕所述光纤的纵轴分布并且每个光纤纤芯都沿着所述光纤的长度延伸，所述至少四个光纤纤芯每个具有多个沿各自的纤芯串联布置的单个光纤布拉格光栅，其中，所述光纤纤芯中的每个光纤纤芯的每个光纤布拉格光栅当在所述至少一个光纤纤芯的无应变状态下的用光探询时，在单个反射波束波长附近具有单个反射光谱，并且其中，所述单个反射光谱的所述反射峰值波长沿着相应的光纤纤芯从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅不同。

在至少四个纤芯中，各个光纤布拉格光栅的配置优选地从光纤纤芯到光纤纤芯是相同的。

根据一个或多个前述实施例的光纤传感器特别适用于形状感测目的，因为它允许提高形状感测的精度。

根据本发明的第二方面，提供了一种光学地探询光纤传感器的方法，其包括根据第一方面所述的光纤传感器，

将光照射到所述至少一个纤芯中，其中，所述光具有扫描通过波长范围扫描的波长，其中，所述扫描波长范围以如下的波长为中心，所述波长基本上是由在所述至少一个光纤纤芯的未应变状态下的所述光纤布拉格光栅的单个反射光谱跨越的总光谱范围的中心波长，

接收来自所述至少一个光纤纤芯的反射光，所述反射光源自所述至少一个光纤纤芯的光纤布拉格光栅。

扫描波长范围可以随着至少由处于至少一个光纤纤芯的未应变状态的FBG的单个反射光谱跨越的总光谱范围而增加，使得应变范围不减小。

例如，当至少一个纤芯的FBG在其未应变状态下的单个反射光谱所跨越的总光谱范围在0.8nm至1.0nm的范围内时，大约14.4nm的扫描波长范围可以增加到15.4nm。

所述至少一个光纤纤芯的无应变状态下的单个光纤布拉格光栅的单个反射光谱所跨越的扫描波长范围与总光谱范围的比率可以在5至20的范围内，并且可以是大约5、大约10、大约15或大约20。

根据本发明的第三方面，提供了一种光学系统，其包括：根据第一方面的光纤传感器，

探询控制台，其被配置为：

将光照射到所述至少一个纤芯中，其中，所述光具有扫描通过波长范围扫描的波长，其中，所述扫描波长范围以如下的波长为中心，所述波长基本上是由在所述至少一个光纤纤芯的未应变状态下的所述至少一个光纤纤芯的所述光纤布拉格光栅FBG的单个反射光谱跨越的总光谱范围的中心波长，

接收来自所述至少一个光纤纤芯的反射光，所述反射光源自所述至少一个光纤纤芯的光纤布拉格光栅。

应当理解，如上所述的光纤传感器的所有实施例可以以任意组合方式彼此组合，并且可以与根据第二方面的方法和根据第三方面的光学系统组合。

附图说明

参考本文下文中所描述的实施例，本发明的这些和其他方面将显而易见并将得以阐述。在以下附图中：

图1示意性地示出了图示用于形状感测的光学系统的示例的框图；

图2示意性地示出了光纤传感器的示例的透视图；

图3示意性地示出了具有单个光纤布拉格光栅的图2中的光纤传感器的纤芯的部分；

图4A示出了具有窄反射光谱的光纤传感器的反射光谱示意图；

图4B示出了来自具有光纤布拉格光栅的光纤传感器的反射光谱的示意图，所述光纤布拉格光栅在谐振波长上逐步变化；

图5示出了具有28个长度均为100mm的光纤布拉格光栅的长度为2.8m的光纤传感器的实验测量的反射光谱的图；

图6示出了作为沿着具有图5的反射光谱的光纤传感器的位置的函数的28个FBG的谐振波长的图；

图7示出了作为沿着光纤传感器的位置的函数的干涉测量信号的幅度的图，其中，该图是对图5中的反射光谱进行傅立叶变换获得的；

图8示出了图示复信号加入噪声时相位变化的示意图。

具体实施方式

图1图解地示出了光纤传感器系统10的部分，其被配置为用于感测光纤传感器12的基于多通道光学频率域反射计(OFDR)的分布式应变感测系统。光纤传感器12包括具有包层和嵌入其中的多个纤芯14、16、18、20的光纤，在本示例中，四个纤芯具有一个中心纤芯16和三个外纤芯14、18、20。这里要注意的是，光纤传感器12可以具有多于四个的芯，例如五个、六个、七个或甚至更多。图2示出了一段光纤传感器，其具有光纤纤芯14、16、18、20，外纤芯14、18、20与中心纤芯16径向间隔开并围绕中心纤芯16螺旋。中心纤芯16被布置在光纤传感器的中心轴上。外光纤纤芯14、18、20在围绕光纤传感器12的纵向中心轴的方位角方向上彼此成角度地间隔开。根据本示例中的三个外纤芯的数量，相邻外纤芯之间的角间距可以为120°。

再次参考图1，光学形状感测系统10包括探询控制台21。探询控制台21可以包括可调光源22，其可以扫过光频范围，也称为扫描范围。由光源22发射的光被耦合到光学干涉网络24中，所述网络具有根据光纤传感器12的许多光纤纤芯的光通道24a、24b、24c、24d。在光纤传感器12具有多于四个芯的情况下，光学干涉测量网络24可具有多于四个光通道的对应数量。每个通道形成用于纤芯14、16、18、20之一的干涉仪。

当可调光源22扫过一系列光频率时，每个通道24a、24b、24c、24d，并且因此光纤传感器12的每个纤维芯14、16、18、20，同时并且独立地被光学探询，并且由从每个纤维芯14、16、18、20的返回的光创建的干涉信号经由相应的光电探测器25被路由到处理单元或数据采集单元26。使用多通道OFDR系统的来自纤芯14、16、18、20的分布式应变测量然后可以被输出到单元27以进行进一步处理，特别是用于光纤传感器12的三维形状重建，并且，例如，用于重建三维光纤传感器12的视觉显示。

光纤传感器12的纤芯14、16、18、20包括光纤布拉格光栅(FBG)，其是波长敏感的反射结构。每个光纤布拉格光栅是由折射率沿光纤布拉格光栅的周期性变化形成的。FBG反射特定波长(也称为谐振波长)的光，并透射所有其他波长。谐振波长在本文中也称为反射峰值波长。当在光纤传感器12上施加局部弯曲时，谐振波长因应变而移动(减小或增大)，并且对沿光纤的任何位置的反射波长的测量允许确定局部应变。

接着，为了更好地阐述本发明而进行说明。

在光学形状感测中，在多芯光纤传感器12的每个纤芯14、16、18、20上同时执行分布式应变测量，由此计算在沿光纤长度的每个位置处的光纤传感器的特定变形。分布式应变测量可以例如利用扫掠源干涉测量法来执行，其中，光源22的波长，例如单模激光器，在明确定义的波长范围内单调地变化。每个纤芯14、16、18、20与干涉测量网络24的它自己的干涉仪通信。来自光源22的光被馈入具有参考分支和测量分支的干涉仪。测量分支包含被测光纤传感器的纤芯。探测器25测量从被测光纤传感器的纤芯反射的光和穿过参考分支的光的组合。探测器信号以光频率的等距步长被采样。

在傅立叶域背向散射反射计中，干涉光谱经过傅立叶变换，产生作为光学延迟时间τ的函数的信号，即设备上的位置z(τ＝2nz/c，其中考虑了因子2，因为光在光纤传感器中来回传播)的函数。

由于傅里叶变换，总频率扫描范围Δv＝cΔλ/λ

可以观察到的应变的最大量受到被探询的光纤传感器的总扫描范围的限制。这意味着弯曲半径的最小量受该扫描范围的限制。因此，空间分辨率由设备设计的预期曲率范围固定。两个傅立叶域之间的另一种关系是光谱分辨率δλ之间的关系，即信号的采样期间光学频率的步长，以及系统能够表征的被测试的光纤传感器的最大长度L：

此处，额外的因子2表示正延迟和负延迟在干涉仪中引起类似信号的事实。换句话说，因子2是奈奎斯特定理的结果。给定最大长度的选择，光谱分辨率是固定的，并且因此可以观察到的应变的最小量。应变的最小量将固定最大的弯曲半径。源自傅立叶变换的第三种关系处理光谱中的偏移δλ

需要注意的是，在光学形状感测中，测量结果总是与光纤传感器处于参考形状(其通常是直线)的测量结果进行比较。公式(3)的左侧显示了在时间延迟域中两个测量结果之间的该相位差相对于样本数索引i的导数。索引数i的增加对应于由公式(1)给出的位置的变化δz。公式(3)表达了这样一个事实，即形状的信息由时域中的信号相位表示。此外，必须评估相位差这一事实意味着两个测量值必须在位置(时域)上对齐。无论是由于曲率、扭曲还是共模效应(温度和轴向应变)引起的应变都引起长度上的变化，从而引起位置的变化。当从被测试的光纤传感器的近端到远端时，应变可以累积到任意量。补偿相关联位置偏移的过程称为相位跟踪。在光纤传感器处于参考形状时的测量相位特性至关重要。

如前所述，在光学形状感测中，记录的光谱被傅立叶变换成时间延迟域中的信号。在傅里叶变换时，功率的总量是守恒的，但在两个域中能量的分布可能有很大不同。当在宽得多的扫描范围内记录相对窄的反射光谱时，只有一小部分采样的数据点接收到大量的光学功率。在傅里叶变换之后，总功率在时间延迟域中表示光纤传感器整个长度的所有数据点上展开。相比之下，噪声是非相干的，并且通常在两个傅立叶域中均匀分布。对于表现出窄谱的光纤传感器，在考虑时间延迟域中的数据时，信噪比将降低。

本发明提出通过增加光纤传感器12的全反射光谱的有效宽度同时保持沿传感器12的特定位置处的局部反射光谱尽可能窄来减轻这些影响。这根据本发明借助于为光纤传感器12的每个光纤纤芯14、16、18、20提供多个光纤布拉格光栅来实现，每个光纤布拉格光栅每个都具有不同的谐振波长，优选地从各自的光纤纤芯的FBG到FBG逐步偏移。因此，光纤传感器的全反射光谱的有效光谱宽度增加，同时保持沿光纤传感器的特定位置处的局部光谱尽可能窄。

下面，将描述根据本发明原理的光纤传感器12的实施例。

光纤传感器12的光纤纤芯14、16、18、20中的至少一个，优选所有光纤纤芯，均具有沿着各自的光纤纤芯串联布置的多个单光纤布拉格光栅，优选地彼此紧邻，即相互级联。当在相应光纤纤芯的无应变状态下利用光探询时，每个光纤布拉格光栅在单个反射峰值波长附近具有单个反射光谱。单个反射光谱的反射峰值波长(谐振波长)沿着各自的光纤纤芯在光纤布拉格光栅与光纤布拉格光栅之间是不同的。图3非常示意性地且未按比例示出了具有光纤布拉格光栅40、42、44的光纤纤芯14的一部分的示例。每个光纤布拉格光栅40、42、44可以具有不同的周期性，导致不同的个体谐振波长。因此，当在光纤纤芯的未应变状态下利用光探询时，每个FBG 40、42、44具有围绕单个反射峰值波长的个体单个反射光谱。单个光纤布拉格光栅的单个反射光谱的反射峰值波长优选沿着光纤纤芯从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅单调地移动，优选地逐步移动。应当理解，取决于传感器12的长度和单个FBG的长度，单FBG的数量可以大于10个，甚至大于20个或更多。

光纤布拉格光栅的谐振波长λ

λ

因子2源于考虑反射光谱并且光来回移动这一事实。反射光谱或谐振的宽度主要由周期的总数确定。光纤布拉格光栅越长，谐振或反射光谱的宽度越小Δλ

图4A示出了当所有FBG具有相同谐振波长时纤芯的全反射光谱。在图4A的示例中，假设所有光纤布拉格光栅的反射幅度为1％。

在传感器的长度上具有这种全局窄反射光谱的光纤传感器具有上述缺点，即当考虑时间延迟域中的数据时信噪比将降低。

相比之下，图4B示意性地示出了具有从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅具有不同反射峰值波长的级联的单个光纤布拉格光栅的传感器表现出与如图4A中所示的具有相同反射峰值波长的光纤布拉格光栅的纤芯相比变宽的全反射光谱。在图4B中，示例性地示出了四个单个反射光谱，源自具有不同谐振波长或反射峰值波长的四个光纤布拉格光栅，它们从FBG到FBG移动一小步。通过改变周期性Λ可以根据公式(4)从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅实现不同的谐振波长，如图3中示例性所示。

根据图4B，由于光纤布拉格光栅具有不同的谐振波长，作为单个光纤布拉格光栅所有单个反射光谱之和的全反射光谱被扩展，并且相比于图4A，反射光谱中具有更多的功率，因为总光谱更宽，而最高反射率可以如图4A保持在或低于1％。

如上所述，光纤布拉格光栅是由光纤纤芯中的传播模式的折射率沿FBG的长度周期性变化而形成的。折射率Δn的调制的量确定反射率。光学形状感测在小的反射率范围内运行，从而避免与不同光纤布拉格光栅之间的多次反射相关联的问题。因此，根据本发明的原理，FBG的反射率或单个反射光谱的反射幅值优选低于3％，或者低于2％，并且可以更小。因此，折射率的调制深度Δn应该是小的。在这种情况下，单个光纤布拉格光栅的单个反射光谱或谐振的宽度可以近似为：

这里，l是光纤布拉格光栅的几何长度。

在小反射率的限制下，即对于小的扰动Δn＜＜n，光纤布拉格光栅的反射率是锥度函数的傅立叶变换的平方。锥度函数是传播方向上介电常数在光模截面上的积分的变化。它描述了前向和后向行波的耦合系数。在该限制下，Δn＜＜n，公式(5)右手边的描述折射率的调制深度的第一项比右手边的描述光纤布拉格光栅的周期的数量的第二项小大约等于反射率的因子。对于大约1550nm(在C波段中)的谐振波长和光纤布拉格光栅的长度l，例如，l＝100mm，FBG的单个反射光谱的宽度将达到约8pm。在实践中，光纤布拉格光栅并不总是满足理想行为，使得光谱实际上稍微更宽，通常为15-20pm。

因此，相继的光纤布拉格光栅应该具有大约20pm的谐振波长差。单个反射光谱的光谱宽度与单个光纤布拉格光栅的长度之比可以在10

在实践中，对于大约100mm的单个光纤布拉格光栅的长度，单个反射光谱的光谱宽度可以在10pm-30pm的范围内。

例如，对于2.8m的光纤传感器的总长度和100mm的光纤布拉格光栅长度，需要的光纤布拉格光栅数量为28个，并且所有光纤布拉格光栅的单个反射光谱跨越的全光谱总宽度最小应为560pm(28x20pm)。这样，相对于非阶梯情况(例如图4A)，针对具有阶梯式单频布拉格光栅(例如图4B)的光纤传感器可获得多28倍的信号。

图5示出了针对上述示例中的2.8m长的纤芯具有28个光纤布拉格光栅的实验测量的全反射光谱。图5中的每个反射率峰值都来自单个FBG。由于相邻光纤布拉格光栅之间的反射峰值波长间隔平均约为35pm的事实，因此全反射光谱的光谱宽度为0.9nm。通常，相邻光纤布拉格光栅的单个反射光谱的反射峰值波长之间的差可以等于或大于相邻光纤布拉格光栅的单个反射光谱的谱宽。

如图5中所示，单个反射光谱的反射率幅值小于3％，并且最大在2％左右，并且对于有些光纤布拉格光栅甚至低于2％。

总光谱的填充因子是实际测量的反射光谱的积分与覆盖0.9nm的完整宽度的理想光谱的表面积之比。在图5中，填充因子的值约为0.2。这意味着相同数量的反射率可以放在窄5倍的光谱中，或者可以在同一波段获得多5倍的反射率，同时保持任何波长处的最大反射足够低以防止多次反射。填充因子小的原因在于光纤布拉格光栅写入过程的有限再现性，如参考图6的最佳解释，其示出了传感器的谐振波长作为沿光纤纤芯的位置的函数。最佳地，谐振波长被设计为在光纤布拉格光栅的整个长度上保持恒定，但如图6中所示，由于写入过程的鲁棒性和可重复性，一个光纤布拉格光栅内的谐振波长稳定性仅在10pm-20pm的数量级上。图6示出了相继光栅之间谐振波长的阶梯状行为，但是也示出了单个光纤布拉格光栅长度内偶尔出现的小啁啾。在图6中，圆圈区域50、52、54显示了相邻光纤布拉格光栅的谐振展示出光谱交叠的区域。这意味着这些相邻光纤布拉格光栅的单个反射光谱会彼此不能很好地分离或区分。这些交叠可能产生干涉效应，这可能是相长干涉或相消干涉，这取决于光纤布拉格光栅之间与波长有关的光学距离。相长干涉导致反射率达到峰值并且增加多次反射的可能性。应避免多次反射，从而使全反射光谱的宽度最大化。

虽然期望沿着光纤纤芯的反射光谱的总光谱宽度尽可能大，但是由于多种原因，总光谱的光谱宽度不应太大。在长度为2.8m的传感器上具有28个FBG的本示例中，总光谱的光谱宽度约为0.9nm(参见图5)，不应超过其或至少不应超过太多，如下文中将解释。

由单个反射光谱跨越的总光谱的光谱宽度的上限例如由传感器的一个光纤纤芯的信号数据可以与传感器的其他纤芯的信号数据对齐的有限精度确定。未对齐与谐振频率的单调变化相结合将在光学形状传感的数据处理中引起伪扭曲，从而导致形状的不准确。这可以在对图5中的信号数据进行傅立叶变换时进行解释，即作为光学频率或波长的函数的反射光谱。傅立叶变换产生作为光学延迟的函数的数据或作为沿传感器长度的位置的函数的数据。图5的傅立叶变换数据如图7中所示。图7示出了作为沿传感器位置的函数的干涉信号的幅值。在光纤传感器的开始，可以观察到相对较高的峰值。其是由光纤传感器开始处的光连接器引起的。图1示例性地示出了光纤传感器的连接器30，其被耦合到将传感器12连接到探询控制台21的接插线的连接器32，以便将传感器12的纤芯连接到干涉测量网络24。对于光纤传感器中的所有纤芯，连接器接口30/32的物理位置在时域中具有相同的延迟。由于干涉测量网络24的不同干涉仪的光学元件中光纤长度和/或折射率的变化，对于光纤传感器的不同光纤纤芯，连接器接口将出现明显不同的延迟。一个光纤纤芯的数据可以相对于另一个光纤纤芯以如下的方式移动，连接器的峰值交叠，从而对齐光纤纤芯，使得它们的数据可以组合成弯曲和扭曲。

纤芯对齐精度可以根据用于在图7中寻找峰值的峰值寻找算法的精度和光纤传感器的索引长度或段长度来确定，其与如以上公式(1)给出的空间分辨率相同。例如，对于以相邻采样点之间的距离为单位的约0.03的寻峰算法的精度和中心波长为1545nm的扫描波长范围为16.7nm，段长为48μm并且纤芯对齐精度为约1.5μm。

根据图6，相邻的光纤布拉格光栅具有不同的谐振波长。根据公式(3)，相位的斜率将在从一个光纤布拉格光栅到下一个光纤光栅的每一步发生变化。当相位的斜率沿光纤传感器的长度线性增加时，相位将表现出二次行为。错误地未对齐的两个光纤纤芯的相位的差将表现出作为位置函数的线性相关性。根据三个外纤芯(例如图2中的光纤纤芯14、18、20)的平均相位相对于中心纤芯(例如图2中的光纤纤芯16)的相位之间的相位差来计算扭曲。纤芯之间的未对齐将导致沿光纤传感器长度的有效线性伪扭曲信号，引起形状上的错误。有效伪扭曲的量可以通过以下方式估计：

量TG是校准常数，其描述扭转角与信号相位之间的比率。对于表现出图5中测量的反射光谱的示例光纤传感器，TG的绝对值约为4.2。给定扫描波长范围Δλ＝16.7nm，以及δλ

还有一个方面为光纤传感器的全反射光谱的最大光谱宽度设置了上限。

该方面基于这样的情况，即光纤布拉格光栅的设计应该使得它们的反射光谱在光纤传感器经受弯曲、扭曲、温度和轴向应变时始终落在探询器控制台21的光源22的所使用的扫描波长范围内。如果光纤布拉格光栅的谐振波长移出扫描波长范围，反射光谱将无法被测量并且形状重建将失败。

有几种效应影响所有纤芯中光纤布拉格光栅的谐振波长或反射峰值波长，例如轴向应变和温度、弯曲应变和扭曲。外纤芯(图2中的纤芯14、18、20)中的光纤布拉格光栅容易受到弯曲应变的影响，其引起谐振波长根据相应外纤芯关于弯曲的确切位置移位到更高或更低的波长。从在纤芯未应变状态下的标称谐振波长λ

公式(7)中的数值由典型玻璃纤维的不同材料特性给出。

根据本发明原理的光纤传感器可以并入在医学设备中，例如导丝或导管。在这种情况下，光纤传感器应该能够重建小至6毫米的弯曲半径，在至少500微应变下工作，并在室温和温度比环境高约20度的人体内部工作。根据公式(7)，可以计算出当λ

具有光纤纤芯的光纤传感器，其具有从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅步进的单谐振波长光纤布拉格光栅，优点是作为光学延迟的函数的信号数据的信噪比增加。下面将描述本发明确实实现了该优点。

再次参考图7，在图7的图中可以区分三个区域。第一区域60包含来自将光纤传感器连接到探询控制台21的插接线的反射。其幅值由-113dB的水平的瑞利散射确定。中间区域62包含来自长度为2.8m的光纤传感器12的反射。该信号的幅值比区域60中的插接线中的瑞利散射的信号大28dB。光纤布拉格光栅的反射系数平均约为2％(见图5)。干涉仪信号与菲涅耳系数成正比，菲涅耳系数等于反射强度的平方根。当长度为100mm的光纤布拉格光栅的菲涅耳系数等于(0.02)1

在下文中，将估计由于有限的信噪比而导致的形状感测精度的限制。

在光学形状感测中，光纤传感器12的形状根据两个方向的弯曲信号和扭曲信号重建。扭曲信号的幅值最小并且最容易出错。对于具有四个纤芯(例如，图2中的纤芯14、16、18、20)的光纤传感器12，其中三个纤芯14、18、20绕中心纤芯16螺旋缠绕，可以从四个纤芯信号的相位差根据下式来推断扭曲：

扭转角的波动将由纤芯信号相位的不准确性控制，而后者继而将由其信噪比限制：

这里，相位的噪声被估计为等于1/(SNR 2

与仅具有瑞利散射的光纤传感器相比，具有光纤布拉格光栅(每个光纤布拉格光栅具有单个波长谐振)的光纤传感器的优点是信号的增加和作为位置函数的相位的平滑度。通过将谐振波长从一个光纤光栅到另一个光纤布拉格光栅步进来加宽反射光谱不改变这些优点，除了在光纤布拉格光栅的级联点处。在级联点，相位可能进行突然跳跃。此外，由于在写入过程中光纤布拉格光栅的有限定位，这些级联点处的信号强度将出现小间隙。这些困难可以通过平滑处理来减轻，即通过使用如上所述的平均因子N

在光学探询光纤传感器的方法中，提供了根据本发明的原理的光纤传感器并且光被照射到一个或多个纤芯中，光被扫描通过扫描波长范围，其中，扫描波长范围以如下的波长为中心，所述波长基本上是一个或多个纤芯在其未应变状态下的单个反射光谱所跨越的总光谱范围的中心波长，并且来自一个或多个纤芯的反射光被接收，反射光源自一个或多个光纤纤芯的光纤布拉格光栅。

光纤传感器具有光纤纤芯，每个光纤纤芯具有多个光纤布拉格光栅，单谐振波长从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅逐步变化，可以如下地制造。为了将光纤布拉格光栅写入光纤，可以使用线轴到线轴技术，其中来自例如准分子激光器的紫外光扫描穿过具有光栅结构的相位掩模。光纤紧邻相位掩模定位。这样，掩膜的周期性被转移到光纤的纤芯上。通过夹紧光纤，可以在写入过程中添加明确定义的应变量。在释放光纤后，光纤松弛，有效周期与原始相位掩模略有不同。对于要产生的每个光纤布拉格光栅，不同的应变的量被施加到光纤上。光纤布拉格光栅的长度由相位掩模的长度决定。紫外光在掩模上扫描的速度可以改变。这提供了以任意方式操纵光栅强度(反射率)的机会。例如，在光纤布拉格光栅的开始和结束附近，可以增加或减少光栅强度，以减少相继的光栅的级联点处间隙的影响。需要注意的是，这样的“间隙”也可能由两个光纤布拉格光栅的谐振交叠而产生，同时具有相消干涉。前面描述的制造过程只是可能的制造方法的一个示例。

除了相位掩模之外，来自同一UV源的两束干涉光束也可以通过劳埃德反射镜或劳埃德棱镜配置产生。此外，可以通过改变干涉光束之间的角度来改变布拉格光栅的周期性。这可以通过两个可调节的中继镜来实现。代替在相位掩模上扫描激光束和使用多个激光脉冲，可以使用单脉冲照明以避免振动不稳定性。写入过程的另一种替代方法是逐点方法。将光束聚焦到一半光栅周期的大小，中断光束并随后将光斑移动一个完整的周期可以创建具有几乎无限灵活性的布拉格光栅，尽管速度相对较慢。

应当理解，以上描述是为了阐明具有一个或多个纤芯的光纤传感器的优点，每个纤芯具有多个沿光纤纤芯串联布置的单个光纤布拉格光栅，其中，当在光纤纤芯的无应变状态下用光探询时，每个光纤布拉格光栅在单个反射峰值波长附近具有单个反射光谱，其中，单个反射光谱的反射峰值波长沿着光纤纤芯从光纤布拉格光栅到光纤布拉格光栅不同。

还应当理解，以上描述并不限制本发明的范围，本发明的范围仅由从属于本申请的权利要求书限定。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示范性的，而非限制性的。本发明不限于公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容以及权利要求书，在实践请求保护的本发明时能够理解并且实现对所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中所记载的若干个项目的功能。尽管特定措施是在互不相同的从属权利要求中记载的，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的集合。

权利要求书中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。