一、關於光纖形（xíng）狀傳感的綜述

光（guāng）纖形狀傳感技術是近年來在光纖（xiān）傳感領域又一項新的研究方向，目前除了國外（wài）少有的幾個產品在商業（yè）化應用外，國內暫時沒有成熟的產品出現，不過國內的諸多（duō）高校和研究機構都在光（guāng）纖形狀傳感領域早有涉及。由於受（shòu）到掃頻激光器和特種光纖製備的技術以及飛秒（miǎo）刻柵技術的限製，國內目前多采用波（bō）分複用的技術方向在研究（jiū），采用波分複用的方法有諸多弊端，如無法解決扭曲、傳感器的數（shù）量受限導致空（kōng）間分辨率底等問題。所以，目前TSSC所采用的空分複用的辦法是目前較好的解決方案。

二、光纖形（xíng）狀傳感的應用及TSSC產品的商用化

在光纖傳感的應用領域中，不用的（de）應用場（chǎng）景往（wǎng）往對傳感技術有著千（qiān）差（chà）萬別的要求。對於短距離高精度（dù）的（de）場合（通常米級），目前所能看到的主要集中於醫療微創介入手術的導管位置追跡，這個時候就要要求整（zhěng）套傳感技術的實時數據刷新（xīn）頻率非常高，對導管末端的位置定位（wèi）精度也在毫米級以下。下麵分別介紹光纖形狀傳感若幹領域的典型應用。

2.1醫療領域

光纖形狀傳感（gǎn）技術（shù）的出現和發展依賴於線性連續形狀傳感器，連續光（guāng）纖形（xíng）狀傳感為多種醫療應用打（dǎ）開了（le）大門。通過（guò）利用光纖（xiān）形狀（zhuàng）傳感的連續性、實（shí）時性、免受（shòu）電磁幹擾性（xìng）、高精度分辨率等（děng）特點來幫助導航（háng）和定位內窺鏡和導管。同（tóng）時（shí）配套的解調儀器可以（yǐ）把生成的數據試（shì）試描繪在監視器上直觀顯示，以顯（xiǎn）示傳感器和導管試試（shì）位（wèi）置和路徑。該圖像還可以與之前的（de）建模圖（tú）形（xíng）結合在一（yī）起，實時顯示內（nèi）窺（kuī）鏡（jìng）路徑已（yǐ）最（zuì）快的速度達到病灶（zào），通過這樣的結合，可以顯著的減少輻射照射時間。

圖1：光纖形狀傳感應用過程：第一張圖像顯示（shì）血管模型，第二張圖像是CT掃描重建的3D圖和光纖路徑顯（xiǎn）示 

醫療案例（lì）1：光纖形狀傳感（gǎn）用於肺（fèi）部活檢

圖 2 集成了光纖形狀傳感器（qì）的 Ion 係統（tǒng）活檢針對肺部組織取樣過程

光纖形狀傳感技術可在整個（gè）導航（háng）和活檢過程中對導（dǎo）管位置進行主動控製

提供精確放置活檢工具所需的穩定性

醫療案例（lì）2：光纖形狀傳感（gǎn）用於心髒電生理

圖（tú） 3 用於心髒電生理直（zhí）達需要做試驗的部位

顯著（zhe）減少 X 射線和透視的使用時間

通過（guò）更有效和直觀的可視化和導航減少手術（shù）時間

由於光纖對電磁（cí）幹擾不（bú）明顯，光纖形（xíng）狀傳感器可用於裝有起搏器和其他植入物的患者

提供設備整個（gè）介入導絲的路徑及（jí）可旋轉的 3D 視圖

醫療（liáo）案例3：光纖形（xíng）狀傳感用於胃腸鏡

圖 4 光纖形狀傳感可以用於胃腸鏡檢測的導（dǎo）航

在插入過程中提供整（zhěng）個導管的形狀和位置

可以將攝像機指示的遠端控（kòng）製與設（shè）備手柄處的近端輸入相關聯

防止重複（fù）和穿（chuān）孔（kǒng）

醫療案例4：光纖形狀傳感用於骨科的（de）打孔定位

圖 5 光纖形（xíng）狀傳感可（kě）以用於骨科手術

為髖臼（jiù）杯更換（huàn）過程提供工具對齊和指導

鑽孔程（chéng）序中跟蹤和瞄準（zhǔn）植入

2.2光纖形狀傳感在航空航天和國防工業領域的應用

光纖形狀傳感在分布式環（huán）境中確定位置、曲率和扭曲的能力為氣動（dòng）彈性表征和反饋控製提供了理（lǐ）想的測（cè）量解決（jué）方案。光纖形狀傳感結合其（qí）體積小、疲勞壽命長等優（yōu）點，提供了（le）傳統技術無法（fǎ）實現的測量結果。

航空航天案例一：飛機機翼的（de）形變（biàn）狀態測量

圖 6 柔性結構空間形變測（cè）量裝置與測量結果，多（duō）芯光纖分別布設為 U 型(左)和回（huí）旋型（右）

將多芯光纖形（xíng）狀傳感器（30 米總長（zhǎng））布設（shè）在柔性結構表麵（結構長 10米左右），通過（guò）重構多芯光纖空間位置獲得被（bèi）測（cè）表麵空間變形。如圖 6所示，多芯光纖布設在被測版型表麵測量空間變形裝置圖與測量結果，光纖布設分別為 U 型和回旋型。重（chóng）構誤差在 1.5%以下。這一技（jì）術為大（dà）型（xíng）柔性（xìng）結構的變形監（jiān）測提供了很好（hǎo）的手段。

航空航天案例二：可以用於發動（dòng）機的（de）內部（bù）檢修時的導航定位

圖 7 光纖形狀傳感可用於發動機故障定位（wèi）檢修

現階段（duàn），更多的情況是使用手動和機器人內窺鏡對發動機內部部件進行目視檢查，甚（shèn）至進（jìn）行維修。光纖形（xíng）狀傳感正在被集成（chéng）到這些檢測（cè）和維修設備中，以使（shǐ）操作人員能（néng）夠跟蹤他們所處的位置，快速返回到（dào）先前發現（xiàn）的故障位置，並將（jiāng）其位置信息進行存儲。

2.3光纖形狀傳感在能源及土木工程（chéng）的應用

能源（yuán）案例一：鑽頭的姿態控製（zhì）

圖 8 光纖形狀傳感可用於（yú）鑽頭的（de）姿（zī）態控（kòng）製

石油和天然氣公司將（jiāng）光纖形狀傳（chuán）感（gǎn）技術嵌入他們的鑽削頭中，以了解他們正在挖掘的位置和方向。核電站定（dìng）期（qī）驗證棒束（shù）是否保持其最佳直線形狀，以確保安全運行。

土木工程案例二：隧道土體沉（chén）降的實驗案例

圖 9 光纖形狀傳感可用於土木工程的沉降監測

實驗使用約3米長的（de）光纖形狀傳感器進行測試。光纖形狀傳感器由（yóu）一根薄而柔韌的管子（zǐ）構成，管子的頂麵或底麵與一根或多根光纖（xiān）相連。當管子彎曲時，測量的彎曲應變分布用於獲得管子的彎曲半徑的空間連續測量值。使用這些值，沿管子的整個長度可以導（dǎo）出二（èr）維（wéi）位（wèi）移輪廓。

三、光纖形狀傳感的（de）主要技（jì）術及TSSC產品參數（shù）

下麵分（fèn）別介（jiè）紹（shào）光纖形狀傳感的三個核心技術，他們分別為傳感器設計與構型，分布式應變測量方法以及空間重構算法。

3.1傳感器設計與構型

光纖形（xíng）狀傳感技術在構型上要求利用若幹根具有特定排布的光纖緊密組合在一起（qǐ），需要（yào）多路光纖與中性麵存在相（xiàng）對（duì）位置關係。這種（zhǒng）設計的目的是使光纖形（xíng）狀傳感器在發生（shēng）變形時各（gè）個光纖（xiān）產生差異化（huà）的應（yīng）變響應。TSSC所采（cǎi）用的就是四芯螺（luó）旋光纖的結構，三（sān）根光纖在外部呈螺旋狀排布（bù），中間有一根平行（háng）光纖。外部的三根（gēn）光纖每（měi）隔1cm旋轉一周。

圖10 TSSC的光纖結構，d為光柵間距，L為（wéi）光（guāng）柵長度

3.2分布式應變測量方（fāng）法

圖11 TSSC的OFDR形狀傳（chuán）感技術結構示意圖

3.3三維重構方法

在重構過程（chéng）中（zhōng），三（sān）維重構算法實現了由多路特定排布的光纖上的應變轉（zhuǎn）化為（wéi）傳感器中心（xīn）線空間位置（zhì）坐標的功能，重構算法影響著位置求解的精度。這種（zhǒng）方法將空間分布（bù）的應變轉化為曲線的特征參量（liàng）曲率和撓率，利用三維空間中曲線切向、法向和（hé）副法方向之間關係的弗萊納公式（Frenet-Serret Formulas），通過分布式傳感方式解（jiě）算光纖中各個位置的應變（biàn）值，並用數值方法對微分方程進行求解，從而得到（dào）多芯光纖在三維空間的位（wèi）置

3.4 TSSC光纖形狀傳感（gǎn）的指標參（cān）數

圖 12 TSSC的性能參數表（biǎo）

圖 13 傳感器參數

四、結束語

光纖形狀傳感技術相較於傳統基於電學技術的形狀測量方式，無需複雜的布線和連接多個傳感器，可以大大減小布設難（nán）度，並且能夠應用在（zài）很多電學傳感方（fāng）式無法使用的場合，光纖的小尺寸使其易（yì）於集成到被測對象上，此外（wài）光纖傳感器不受外部電磁場的影響進一步拓展了其應用場合。在關鍵技術方麵，傳感器設計，分布式應變測量方法（fǎ）以及三維重構算法是近年（nián）來研究最多的幾個方（fāng）向（xiàng）。光纖形狀傳感技術走向應用，尤其是和具體測量場景的結合還存在很多問（wèn）題和挑戰，這將是光纖形狀傳（chuán）感技術進一步研究與發展的方（fāng）向。