一、關於光纖形狀傳感的綜（zōng）述

光纖形狀（zhuàng）傳感技術是近年來在光（guāng）纖傳感領域又一（yī）項新的研究方向，目前除（chú）了（le）國（guó）外少有的幾個產品在（zài）商業化應用外，國內暫時沒有成熟的產品（pǐn）出現，不過國內的（de）諸多高校（xiào）和研究（jiū）機構都在光纖形狀傳感領（lǐng）域早有涉及。由於受到（dào）掃頻激光器和特種光纖製備的（de）技術以及飛秒刻柵技術的限製（zhì），國（guó）內目前多采用波分複用的技術方向在研究，采用波分複（fù）用的方法有諸多（duō）弊端，如（rú）無法解決扭曲、傳感器的數量受限導致空間分辨率底等問題。所以，目前（qián）TSSC所采用的空分複用的辦法是目前較好的解決方案。

二、光纖形狀傳（chuán）感（gǎn）的應用及TSSC產品的商用化

在光（guāng）纖傳感的應用領（lǐng）域中，不用的應（yīng）用場景往往對（duì）傳（chuán）感技術有著千差萬別的要求。對於短距離高精度的場合（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（gè）時候就要要求整套傳感技術的實時數據刷新頻（pín）率非常（cháng）高，對導（dǎo）管末端的位置定位精度也在毫米級以下。下（xià）麵分（fèn）別介紹光纖形（xíng）狀傳感若幹領域的典型應用。

2.1醫療領域

光纖形狀傳感技術的出現和發展依賴於線性連續形狀傳（chuán）感器，連續光纖形（xíng）狀傳感為多種醫療應用打開了大門。通過利用光纖（xiān）形狀傳（chuán）感的連續性、實（shí）時性、免受（shòu）電磁幹擾性、高精度分辨（biàn）率等特點來幫（bāng）助導航和定位內窺鏡和導管。同時配套的解調（diào）儀器可以把生成的數據試試描繪在監視器（qì）上直觀顯示，以顯示傳感（gǎn）器和導管（guǎn）試試位置和路徑。該圖（tú）像還可以與之前的建模圖形結合在一起，實（shí）時顯示內窺鏡路徑已最快的速度達到病灶，通過這樣的結合（hé），可以顯著的減少輻射照（zhào）射時間。

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

醫療案例1：光纖形狀傳感用於肺部活檢

圖 2 集成了光纖形狀傳感器的 Ion 係統活檢（jiǎn）針對肺（fèi）部組織取樣過程

光纖形狀傳感技術可在整個導航和活檢過程中對導（dǎo）管位置進（jìn）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2：光纖形狀傳感（gǎn）用於心髒電生理

圖 3 用於心髒電生理直達需要做試（shì）驗的部位

顯著減少 X 射線和透視的（de）使用時間

通過更有效和直觀（guān）的可視化（huà）和導航減少手術時間

由於光纖（xiān）對電磁幹（gàn）擾（rǎo）不明顯，光纖形狀傳感器可用於裝有（yǒu）起（qǐ）搏器和其他植入物的患（huàn）者

提供設（shè）備整（zhěng）個介入（rù）導絲的路徑及可旋（xuán）轉的 3D 視圖

醫（yī）療案（àn）例3：光纖形（xíng）狀傳（chuán）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航

在插入過程中提（tí）供整個（gè）導管的形狀和位置（zhì）

可以將攝（shè）像（xiàng）機指示的遠端控製與設備手柄處的近端輸入相關聯（lián）

防止重複和穿孔

醫療案例4：光纖形（xíng）狀傳感用於骨科的打孔定位

圖 5 光纖形狀傳感可以用於骨（gǔ）科手術

為髖臼杯更換過程提供工具對（duì）齊和指導

鑽孔程序中跟蹤和瞄準植入

2.2光纖形狀傳感在航空（kōng）航天（tiān）和國防工業領域的應用（yòng）

光纖形狀傳感在分布式環境（jìng）中確定位置、曲率和（hé）扭（niǔ）曲的能力為氣動彈性表征和（hé）反饋控製提供了理想的測量解決方案。光纖形狀傳感結合其體積小、疲（pí）勞壽命（mìng）長等優點，提供了傳統技術無法實現的測量結果。

航空航天案例一：飛機機翼的形變狀態（tài）測量

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

將多芯光纖形狀（zhuàng）傳感器（30 米總（zǒng）長）布設在柔性結構表麵（結構長 10米左右），通過重構多芯光纖空間（jiān）位置獲得被（bèi）測（cè）表麵空間變形。如圖 6所示（shì），多（duō）芯光纖（xiān）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（shè）分別為 U 型和回旋型。重構誤差在 1.5%以下（xià）。這一技術為大（dà）型柔性結構的變形監測提供了很好的手段。

航空航天案例二：可（kě）以用（yòng）於發動機（jī）的內部檢修時的導航（háng）定位

圖 7 光纖形狀傳感可用於發動機（jī）故障定（dìng）位檢修

現階段，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（jìn）行目視檢（jiǎn）查，甚至（zhì）進行維修。光纖形狀傳感正在被集成到這（zhè）些檢測和維（wéi）修設備中（zhōng），以使操作人員能夠跟蹤他們所處的位置，快速返回到先（xiān）前（qián）發現的故障（zhàng）位置，並將其位置信（xìn）息進行存（cún）儲。

2.3光纖（xiān）形狀傳感在能源（yuán）及土木工程的應用

能源案例一：鑽頭的（de）姿態控製

圖 8 光纖形狀傳感（gǎn）可用於鑽頭的姿態控製

石油和天然氣公司將光纖形狀（zhuàng）傳（chuán）感技術嵌入他們的鑽削頭中，以了解他們正在（zài）挖掘的位置和方向。核電站定（dìng）期驗證棒束是否保持其最佳直線形狀，以確保（bǎo）安全運行。

土木工程案例二：隧道土體沉降的實驗案例

圖 9 光纖形狀傳感可用於土木（mù）工程的沉降（jiàng）監測

實驗使用（yòng）約3米長的光纖形狀（zhuàng）傳感器進行測試（shì）。光纖形（xíng）狀傳感器由一根薄（báo）而柔韌的管子構成，管子的頂麵或底麵與一（yī）根或多根光纖相連。當管子彎（wān）曲（qǔ）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（liàng）值（zhí）。使用這些值，沿管子的整個長度可以導（dǎo）出（chū）二維位（wèi）移輪廓。

三、光纖形狀傳感的主要技術及TSSC產品參數

下麵分別介紹（shào）光纖形狀傳感（gǎn）的三個核心（xīn）技（jì）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（gòu）型

光纖形狀傳感技術在構型上要求利用若幹根具有特定排（pái）布的光纖緊密組合（hé）在一起，需要多路光纖與中性麵存在相對位置關係。這（zhè）種（zhǒng）設計（jì）的目的是使光纖形狀傳感器（qì）在發（fā）生變形時各個光纖產生差異化的應（yīng）變響應。TSSC所采用（yòng）的就是四芯螺旋光纖的（de）結構，三根光纖在外部呈螺（luó）旋狀排布，中間有一根平行光纖（xiān）。外部的三根光纖（xiān）每隔1cm旋轉一周。

圖10 TSSC的光纖結構，d為光柵間距，L為光柵長度

3.2分布式應變測量（liàng）方法

圖11 TSSC的OFDR形狀傳感技術結構示意圖

3.3三維重構方法

在（zài）重構過程中，三維重構算法實現了由多（duō）路特定（dìng）排布的光纖上的應變（biàn）轉化為傳感（gǎn）器中心線空間位（wèi）置坐標的（de）功能，重構算法影響著位置求解的精度。這種方法將空間分布（bù）的應變轉化為（wéi）曲線的特征參量（liàng）曲率（lǜ）和撓率，利用（yòng）三維空間中曲（qǔ）線切向、法向（xiàng）和（hé）副（fù）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算光纖中各個位置的應變值，並用數值方法對微（wēi）分方程進（jìn）行求解，從而得（dé）到多芯光纖在（zài）三（sān）維空（kōng）間的位置

3.4 TSSC光纖（xiān）形狀傳感的指（zhǐ）標參數

圖 12 TSSC的性能參數表

圖 13 傳感器參數

四、結束語

光纖形狀傳感技術相較（jiào）於傳統基（jī）於電學技術的形狀測量方式，無需複雜的布線和連接（jiē）多個傳感器（qì），可以大（dà）大減小布設難度，並且能夠應用在很多電學傳感方式無（wú）法使用的場合，光纖的小尺寸使其易於集成到被測對象上，此外光纖傳感器不（bú）受外部（bù）電磁場（chǎng）的影響進一步拓展了（le）其應用場合。在關鍵技術方麵，傳感（gǎn）器設計，分布式（shì）應變測量方法以及三（sān）維重構算法是近年來研究最多的幾個方向。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題和挑戰，這（zhè）將是（shì）光纖形狀傳感技術進一步研究（jiū）與發展的方向。