光纤形状传感技术是近年来在光纤传感领域又一项新的研究方向，目前除了国外少有的几个产品在商业化应用外，国内暂时没有成熟的产品出现，不过国内的诸多高校和研究机构都在光纤形状传感领域早有涉及。由于受到扫频激光器和特种光纤制备的技术以及飞秒刻栅技术的限制，国内目前多采用波分复用的技术方向在研究，采用波分复用的方法有诸多弊端，如无法解决扭曲、传感器的数量受限导致空间分辨率底等问题。所以，目前TSSC所采用的空分复用的办法是目前较好的解决方案。
在光纤传感的应用领域中，不用的应用场景往往对传感技术有着千差万别的要求。对于短距离高精度的场合（通常米级），目前所能看到的主要集中于医疗微创介入手术的导管位置追迹，这个时候就要要求整套传感技术的实时数据刷新频率非常高，对导管末端的位置定位精度也在毫米级以下。下面分别介绍光纤形状传感若干领域的典型应用。
2.1医疗领域
光纤形状传感技术的出现和发展依赖于线性连续形状传感器，连续光纤形状传感为多种医疗应用打开了大门。通过利用光纤形状传感的连续性、实时性、免受电磁干扰性、高精度分辨率等特点来帮助导航和定位内窥镜和导管。同时配套的解调仪器可以把生成的数据试试描绘在监视器上直观显示，以显示传感器和导管试试位置和路径。该图像还可以与之前的建模图形结合在一起，实时显示内窥镜路径已最快的速度达到病灶，通过这样的结合，可以显著的减少辐射照射时间。
图1：光纤形状传感应用过程：第一张图像显示血管模型，第二张图像是CT扫描重建的3D图和光纤路径显示
医疗案例1：光纤形状传感用于肺部活检
图 2 集成了光纤形状传感器的 Ion 系统活检针对肺部组织取样过程
光纤形状传感技术可在整个导航和活检过程中对导管位置进行主动控制
提供精确放置活检工具所需的稳定性
医疗案例2：光纤形状传感用于心脏电生理
图 3 用于心脏电生理直达需要做试验的部位
显着减少 X 射线和透视的使用时间
通过更有效和直观的可视化和导航减少手术时间
由于光纤对电磁干扰不明显，光纤形状传感器可用于装有起搏器和其他植入物的患者
提供设备整个介入导丝的路径及可旋转的 3D 视图
医疗案例3：光纤形状传感用于胃肠镜
图 4 光纤形状传感可以用于胃肠镜检测的导航
在插入过程中提供整个导管的形状和位置
可以将摄像机指示的远端控制与设备手柄处的近端输入相关联
防止重复和穿孔
医疗案例4：光纤形状传感用于骨科的打孔定位
图 5 光纤形状传感可以用于骨科手术
为髋臼杯更换过程提供工具对齐和指导
钻孔程序中跟踪和瞄准植入
2.2光纤形状传感在航空航天和国防工业领域的应用
光纤形状传感在分布式环境中确定位置、曲率和扭曲的能力为气动弹性表征和反馈控制提供了理想的测量解决方案。光纤形状传感结合其体积小、疲劳寿命长等优点，提供了传统技术无法实现的测量结果。
航空航天案例一：飞机机翼的形变状态测量
图 6 柔性结构空间形变测量装置与测量结果，多芯光纤分别布设为 U 型(左)和回旋型（右）
将多芯光纤形状传感器（30 米总长）布设在柔性结构表面（结构长 10米左右），通过重构多芯光纤空间位置获得被测表面空间变形。如图 6所示，多芯光纤布设在被测版型表面测量空间变形装置图与测量结果，光纤布设分别为 U 型和回旋型。重构误差在 1.5%以下。这一技术为大型柔性结构的变形监测提供了很好的手段。
航空航天案例二：可以用于发动机的内部检修时的导航定位
图 7 光纤形状传感可用于发动机故障定位检修
现阶段，更多的情况是使用手动和机器人内窥镜对发动机内部部件进行目视检查，甚至进行维修。光纤形状传感正在被集成到这些检测和维修设备中，以使操作人员能够跟踪他们所处的位置，快速返回到先前发现的故障位置，并将其位置信息进行存储。
2.3光纤形状传感在能源及土木工程的应用
能源案例一：钻头的姿态控制
图 8 光纤形状传感可用于钻头的姿态控制
石油和天然气公司将光纤形状传感技术嵌入他们的钻削头中，以了解他们正在挖掘的位置和方向。核电站定期验证棒束是否保持其最佳直线形状，以确保安全运行。
土木工程案例二：隧道土体沉降的实验案例
图 9 光纤形状传感可用于土木工程的沉降监测
实验使用约3米长的光纤形状传感器进行测试。光纤形状传感器由一根薄而柔韧的管子构成，管子的顶面或底面与一根或多根光纤相连。当管子弯曲时，测量的弯曲应变分布用于获得管子的弯曲半径的空间连续测量值。使用这些值，沿管子的整个长度可以导出二维位移轮廓。
下面分别介绍光纤形状传感的三个核心技术，他们分别为传感器设计与构型，分布式应变测量方法以及空间重构算法。
3.1传感器设计与构型
光纤形状传感技术在构型上要求利用若干根具有特定排布的光纤紧密组合在一起，需要多路光纤与中性面存在相对位置关系。这种设计的目的是使光纤形状传感器在发生变形时各个光纤产生差异化的应变响应。TSSC所采用的就是四芯螺旋光纤的结构，三根光纤在外部呈螺旋状排布，中间有一根平行光纤。外部的三根光纤每隔1cm旋转一周。
图10 TSSC的光纤结构，d为光栅间距，L为光栅长度
3.2分布式应变测量方法
图11 TSSC的OFDR形状传感技术结构示意图
3.3三维重构方法
在重构过程中，三维重构算法实现了由多路特定排布的光纤上的应变转化为传感器中心线空间位置坐标的功能，重构算法影响着位置求解的精度。这种方法将空间分布的应变转化为曲线的特征参量曲率和挠率，利用三维空间中曲线切向、法向和副法方向之间关系的弗莱纳公式（Frenet-Serret Formulas），通过分布式传感方式解算光纤中各个位置的应变值，并用数值方法对微分方程进行求解，从而得到多芯光纤在三维空间的位置
3.4 TSSC光纤形状传感的指标参数
图 12 TSSC的性能参数表
图 13 传感器参数
光纤形状传感技术相较于传统基于电学技术的形状测量方式，无需复杂的布线和连接多个传感器，可以大大减小布设难度，并且能够应用在很多电学传感方式无法使用的场合，光纤的小尺寸使其易于集成到被测对象上，此外光纤传感器不受外部电磁场的影响进一步拓展了其应用场合。在关键技术方面，传感器设计，分布式应变测量方法以及三维重构算法是近年来研究最多的几个方向。光纤形状传感技术走向应用，尤其是和具体测量场景的结合还存在很多问题和挑战，这将是光纤形状传感技术进一步研究与发展的方向。
