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Fiber-optic shape sensing using neural networks operating on multi-specklegrams

计算机科学 人工神经网络 参数化复杂度 纤维 一般化 人工智能 多模光纤 基本事实 光纤 集合(抽象数据类型) 光纤传感器 计算机视觉 模式识别(心理学) 算法 数学 材料科学 电信 复合材料 数学分析 程序设计语言
作者
Caroline G. L. Cao,Bernard Javot,Shreeram Bhattarai,Karin Bierig,Ivan Oreshnikov,Valentin Volchkov
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:24 (17): 27532-27540
标识
DOI:10.1109/jsen.2024.3430381
摘要

Application of machine learning techniques on fiber speckle images to infer fiber deformation allows the use of an unmodified multimode fiber to act as a shape sensor. This approach eliminates the need for complex fiber design or construction (e.g., Bragg gratings, time-of-flight). Prior work in shape determination using neural networks trained on a finite number of possible fiber shapes (formulated as a classification task), or trained on a few continuous degrees of freedom, has been limited to reconstruction of fiber shapes only one bend at a time. Furthermore, generalization to shapes that were not used in training is challenging. Our innovative approach improves generalization capabilities, using computer vision-assisted parameterization of the actual fiber shape to provide a ground truth, and multiple specklegrams per fiber shape obtained by controlling the input field. Results from experimenting with several neural network architectures, shape parameterization, number of inputs, and specklegram resolution, show that fiber shapes with multiple bends can be accurately predicted. Our approach is able to generalize to new shapes that were not in the training set. This approach of end-to-end training on parameterized ground truth opens new avenues for fiber optic sensor applications. We publish the datasets used for training and validation, as well as an out-of-distribution test set, and encourage interested readers to access these datasets for their own model development.
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