CN102901615A - 基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测方法及装置，属于光学测量、光纤传感及检测技术领域。该方法包括：将被测光纤环固定在一个旋转机构上；将光学相干断层扫描系统探头垂直固定于被测光纤环上方；以光纤环圆心为旋转轴旋转该光纤环，同时光学相干断层扫描系统的扫描探头对被测光纤环沿着被测光纤环轴向进行一维扫描，从而获得被测光纤环的OCT信息；根据OCT信息，进行三维图像重建，通过重建图像判断该被测光纤环表面及表面以下是否存在缺陷，并根据图像的不均匀位置对缺陷进行定位，以消除缺陷。该方法利用OCT检测光纤环成品的质量以及绕制过程中产生的绕制缺陷，可以有效提高各种使用光纤环的角度传感器的精度。

Description

基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测方法及装置

技术领域

本发明属于光学测量、光纤传感及检测技术领域，涉及光学相干断层扫描（OpticalCoherence Tomography，简称OCT）技术、光纤环绕制和检测技术及方法。

背景技术

光纤环是光纤陀螺的核心，它对光纤陀螺来说，光纤环既是提高精度的途径，同时也是主要影响精度的主要因素。如何绕制高质量的光纤环，对光纤陀螺十分重要。光纤环在绕制过程中需采用特殊缠绕方式、精密绕制技术、完善的封装工艺、合适的光纤环用胶选择来保证光纤环具有高质量的静态特性（低的偏振串音、低的插入损耗等）和高质量的瞬态特性（抗振动、抗冲击、不受环境温度和磁场的影响）。

光纤环的缠绕方法有多种，四级对称绕法是通用的一种方法。四级对称光纤环的绕制工艺复杂，绕制周期长，人工绕制不易保证质量，因为需要多次换层，在绕制光纤环时易出现一些缺陷。当光纤环绕制结束后，光纤环绕制过程中出现的这些缺陷大部分埋藏在光纤环的内部，采用现有一些简单的放大成像技术，如CCD放大观测系统、显微镜放大观测系统均只能实现对光纤环外层光纤的排布情况进行检测，无法对内部结构进行检测。这些绕制缺陷均会引起光纤环内部出现偏振串扰，最终影响光纤陀螺的零偏稳定性，检测光纤环内部缺陷并完善缠绕技术，有利于进一步提高光纤陀螺的性能。

光纤环通常要求在绕环过程中，绕制的光纤根与根、层与层之间应紧密排绕，不出现凹和凸、变形和间隙，这样绕制的光纤环对易受环境影响的内部压力变得不敏感，从而也可以减少环境变化引起的光损耗和消偏影响。在现实当中，一方面由于光纤并非理想的圆，其直径不是一成不变的，总存在误差，导致在每一层中总会出现微小缝隙。另外在绕制时，由于机械加工精度及其它因素，每层绕纤时光纤与骨架的内壁对齐比较困难；在每层的结束时，由于绕纤时光纤之间存有不确定的微缝隙，骨架的宽度不能满足一层的排纤做到光纤的整数倍，即在排纤结束一端剩余宽度可能小于光纤直径，这样就会造成两端的光纤高于其他部位的光纤，这对下层的排纤造成困难。

光纤陀螺的另一重要参数其抗振动性能优越，即要求耐冲击性能好，而为了保证陀螺耐冲击性，其常用的做法是在绕制光纤环时对其进行涂胶，固胶虽然能改善光纤环的抗振动性能，但也会带来其它方面的问题，例如涂胶量及涂胶均匀与否对光纤陀螺的温度及振动瞬态特性都会产生不同的影响。所以有必要对不同情况下光纤环的内部情况进行详细的分析。

目前，为了改善光纤环的热稳定性，抑制外界温度变化对其产生的影响，研究者通过不懈的努力先后对光纤环绕制工艺提出改进，总体的绕制方法包括有直接绕制法、双极绕制法、四级绕制法、八级绕制法、十六级绕制法、交叉绕制法、免交叉绕制法。而用于绕制光纤环的光纤尺寸主要有两种，一种是涂覆层为250um包层为125um的粗光纤，另一种是涂覆层为165um±20um包层为80um的细光纤。尽管在光纤环的绕制过程中，采用不同尺寸、不同的绕制工艺，其最终绕制的光纤环内部结果均为光纤紧密排布的几何层析结构，而且每一层的光纤厚度均匀。对于实际绕制完后以及在绕制过程中的光纤环，目前还没有一种方法能有效的、直观的检测其内部结构。所以，目前所有光纤环制造者都没有这样的检测环节，如果发现光纤环质量不好，最多只能拆开重新绕制，无法在不破坏已经绕好的光纤环情况下发现缺陷存在的具体情况，也无法判断是什么原因引起质量问题，因而很可能在拆开光纤环后不能找到造成光纤环质量不好的原因，也就无法指导改进绕制工艺，提高光纤环的质量水平。

光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography）是一种新型的扫描技术，它具有高分辨率、无侵入式、快速成像检测的特点，其采用低相干长度的宽带光源，可以获得很高的轴向分辨率（轴向就是指被测样品沿表面向内部延伸的方向），最高可以达到1μm；同时OCT在光学断层成像上具有较大的优势，OCT可以获得被测样品表层以下2-3mm的结构特征。

光学相干断层扫描的工作原理，是将一束宽带光源进行分光后，一束光进行不同量的延迟，另外一束光射入到被测物体并从物体不同深度层面产生反射光，然后再将这个反射光和延迟光进行相干干涉，不同的延迟量就对应于被测物体的不同深度。这些干涉信号就构成了该物体的OCT信息，通过对这些OCT信息的分析，就可以得到被测物体各个深度层面的状况。如果将这些OCT信息与探头扫描轨迹综合起来进行计算机运算，就可以生成整个被测物体的被测部分的三维立体图像。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提出了一种基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测方法及装置。该方法不仅能实现对光纤环绕制层表面光纤排布检测，同时也可以对光纤环的内部结构进行了直观的检测，还可以分别从无胶环与涂胶环不同位置光纤分布、涂胶环上胶分布的均匀性和涂胶量等方面对光纤环质量进行离线及在线检测，为进一步分析光纤环的内部结构，改进光纤环的绕制工艺提供了保障，提高了光纤环绕制的质量。

本发明的基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将被测光纤环固定在一个旋转机构上；

（2）将光学相干断层扫描系统探头垂直固定于被测光纤环上方，使得入射光垂直对准被测光纤环；

（3）以光纤环圆心为旋转轴旋转该光纤环，同时光学相干断层扫描系统的扫描探头对被测光纤环沿着被测光纤环轴向进行一维扫描，从而获得被测光纤环的OCT信息；或光纤环静止不动，扫描探头沿着光纤环轴向和垂直光纤环轴向两个方向进行二维扫描，从而获得被测光纤环局部的OCT信息；或光纤环静止不动，光学相干断层扫描系统的扫描探头相对被测光纤环沿着其外围转动，进行轴向扫描，从而获得被测光纤环的OCT信息；

（4）根据获得的被测光纤环OCT信息，进行三维图像重建，通过重建图像判断该被测光纤环表面及表面以下是否存在缺陷，并根据图像的不均匀位置对缺陷进行定位，以消除缺陷。

本发明还包括一套基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测的装置，该装置具体包括：

一个安装被测光纤环的转动机构；一个光学相干断层扫描系统，其探头置于被测光纤环之上，用于对光纤环进行扫描，并采集光纤环的OCT信息；一台计算机连接到光学相干断层扫描系统上，用于处理被测光纤环OCT信息，对其进行三维成像，通过采集获得的光纤环骨架、光纤环上光纤、光纤环上涂胶的图像，以判断光纤环质量的优劣。

本发明的优点和积极效果：

本发明首次利用光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography）技术应用于光纤环质量检测，一方面光纤环内部光纤的层状排布，决定了其具有很好的层析性，另一方面光纤的厚度在160μm-250μm之间保证了OCT可以很好的对光纤环外层表面以下8至10层的光纤结构进行无损伤的直观检测。可以在不破坏光纤环的情况下，得到光纤环的三维OCT图像，用来查找光纤环绕制过程中的缺陷，从而判断光纤环绕制质量的优劣。同时可以检测光纤环在绕制过程中存在的缺陷，并可以对缺陷进行处理，可提高光纤环的绕制工艺水平，提高光纤环的绕制质量。

附图说明

图1为本发明基于OCT系统实现光纤环结构扫描的示意图；

图2为本发明中OCT探头横向扫描，光纤环圆周转动获得的整个光纤环扫描图；

图3为本发明中光纤环不动，OCT探头做二维扫描示意图；

图4为用图3扫描方式得到的OCT图像；

图5为传统使用百分表检测骨架旋转同轴度方法的示意图；

图6为本发明利用OCT技术检测骨架同轴度及平整度图像显示；

图7为本发明对骨架及骨架上绕单层光纤进行OCT三维扫描图，该光纤为采用200um粗光纤进行绕制；（a）为OCT扫描三维图；（b）为沿Y方向在X-Z截面上剖切图；（c）为沿Z方向沿X-Y截面上剖切图；

图8为本发明对24层160μm光纤绕制的无胶光纤环A的OCT三维结构扫描图（a）图中显示不仅能很清楚的分辨出每一层光纤绕制的具体情况，而且也能给出每匝光纤具体位置（b）X-Z方向上的二维图（c）沿Z方向上的俯视图，由于OCT探测臂自扫描时，在M点处扫描光所经过的光程最短即对应于图1中d1处，此时光损耗最小因而扫描图显示光强最强；

图9为本发明对12层200μm光纤绕制的涂胶光纤环B（最外层无涂胶）OCT三维结构扫描图；（a）为光纤环三维扫描图；（b）为沿X-Z截面的剖切图；（c）为沿Z方向上的俯视图；

图10为本发明对无胶光纤环A骨架右侧边缘处OCT扫描图；（a）为光纤环右侧靠近骨架边缘处OCT三维扫描图，从图中可以看出在O点处出现一光纤环缝隙；（b）为X-Z截面上OCT扫描二维图，从二维图上也可以很清楚的看出缝隙；（c）为沿坐标X轴方向上Y-Z截面二维图，从图中能很清楚的看出OCT系统可实现对表层以下9层光纤进行扫描；

图11为本发明对无胶光纤环A左侧骨架边缘处OCT扫描图；（a）为光纤环靠近骨架左侧边缘处OCT三维扫描图，图中o′点处为光纤环一缺陷，体现为光纤塌陷，并在靠近骨架的地方爬起；（b）为X-Z截面上OCT扫描二维图；（c）为沿坐标X轴方向上Y-Z截面上二维图；

图12为本发明对涂胶光纤环B骨架右侧边缘处OCT扫描图；（a）为光纤环靠近骨架右侧边缘处OCT三维扫描图；（b）为X-Z截面上OCT扫描二维图；（c）为沿坐标X轴方向上Y-Z截面上二维图；

图13为本发明对4层涂胶光纤环OCT扫描图；（a）为4层涂胶环OCT三维扫描图，图中圆圈处为一处光纤绕制缝隙，经涂胶后被填上；（b）为沿缝隙处Y-Z截面二维图，图中白色箭头为光纤绕制缝隙，从图中可以清楚的看出，光纤缝隙已经被胶给填满整体光纤层面平滑；(c)为无缝隙处沿X方向的Y-Z截面二维图；

图14为本发明对采用200μm光纤、同种涂胶材料绕制12层涂胶光纤环OCT三维扫描图；（a）显示表层涂胶不均匀情况；（b）显示表层涂胶均匀情况；

图15为本发明对采用200μm光纤、同种涂胶材料绕制12层涂胶光纤环OCT三维扫描图；（a）为显示光纤环涂胶厚情况；（b）显示光纤环涂胶适中情况；

图16为本发明对12层200μm光纤绕制涂胶光纤环与无胶光纤环OCT扫描深度对比情况；（a）为无胶环OCT扫描图，其中可以看出OCT扫描深度可以达到表层以下第7层，其扫描深度约为1.4mm左右，可以很清楚的看到在环中表层第4层下表面垫纸；（b）为涂胶光纤环OCT扫描图，涂胶环的扫描深度与涂胶的材料、涂胶均匀度、涂胶的厚度密切相关，相比无胶环的扫描结果图，其扫描深度在表层以下第5层处；

图17为绕制前光纤环骨架（铝骨架）同轴度测试三维图；（a）为第一次装配骨架同轴度测量结果；（b）为重新调整后同轴度测量结果；（c）为对应图（a）在Y-Z截面上的二维图；（d）为对应图（b）在Y-Z截面上的二维图；

图18为两种材料的光纤环骨架内层OCT扫描对比图；（a）为金属材料加工骨架内层OCT扫描三维图；（b）为选用的非金属材料加工光纤环骨架内层OCT扫描三维图；（c）为对应图（a）在Y-Z截面上的二维图；（d）为对应图（b）在Y-Z截面上的二维图；

图19（a）显示排布出现缺陷的光纤环表面；（b）显示重新绕制后的光纤环表面，通过重新绕制消除光纤环表面存在的缺陷；

图20显示一在线绕制4层光纤环的OCT扫描图，其中（a）为OCT三维扫描图，其中图中白色箭头处可以很明显的看出光纤环在第4层上出现一爬起，并且能发现在匝与匝交替位置处光纤出现微弯曲；（b）为外层缺陷处沿Y-Z截面上二维扫描图，如白色箭头处所指位置，可以很清楚的看出光纤爬起；（c）为正常位置处光纤环Y-Z截面上的二维图；

图21为通过对一只无胶光纤环进行OCT三维扫描；其中（a）为光纤环在整个圆周的OCT扫描图；（b）为通过对（a）中A部位上光纤进行放大，提取该位置处光纤的分布情况；（c）为通过对（a）中B部位上光纤进行放大，提取该位置处光纤的分布情况；

图22（a）为提取图21（a）中第三层光纤三维分布图；（b）为白色圆圈C处光纤排布情况图；（c）为白色圆圈D处光纤排布情况图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测方法及装置结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的一种方法实施例所用装置如图1所示，该装置包括：一个安装被测光纤环的转动机构（图中未示出）；一个光学相干断层扫描系统，其探头置于被测光纤环之上，用于对光纤环进行扫描，并采集光纤环的OCT信息；一台计算机连接到光学相干断层扫描系统上，用于处理被测光纤环OCT信息，对其进行三维成像，通过采集获得的光纤环骨架、光纤环上光纤、光纤环上涂胶的图像，以判断光纤环质量的优劣。

本实施例装置的光学相干断层扫描成像系统为时域系统光学相干断层扫描成像系统，或为频域系统光学相干断层扫描成像系统。

图中101为被测光纤环，102为OCT探头。在本实施例的检测方法中，OCT探头左右沿着垂直光纤方向（光纤环的轴向）直线运动进行扫描，同时光纤环沿着圆心进行转动。在本实施例当中，光纤环是固定在一个绕环机上，利用绕环机的转动机构进行转动。OCT探头102发出探测光，并接受光纤环101不同层面上的反射光传输到OCT探测仪103当中，经过处理形成OCT探测信息，并传输到OCT的图像分析和处理模块104当中进行分析和处理，然后传输到计算机105中，可以形成三维扫描图像进行显示和存储，如图2所示；其中图2（a）为存在缺陷的光纤环检测结果图像，图2（b）为缠绕质量较好的光纤环检测结果图像。

本发明的另一种检测方法实施例，就是光纤环静止不动，而扫描探头除了沿着垂直光纤的光纤环轴向进行扫描外，还进行顺着光纤的方向进行扫描，也就是说是一个二维的平面扫描，如图3所示，可以发现当采用探头自扫描时探头到光纤环在边缘处的距离d2要比中心处距离d1大；这种扫描方法在OCT探头的景深足够大的情况下，也可以得到光纤环内部的三维图像，只不过前面的方法可以得到光纤环整个一周的内部三维图像（图2），而现在这种光纤环静止的扫描方式，只能得到OCT探头视场范围内的三维立体图像，如图4所示，其中图4（a）是视场范围内立体成像，图4（b）是光纤环横断面的二维图像，图4（c）是从探头方向观测光纤环的二维图像。

扫描探头的运动方式可以多种实现，常规的是通过一个机械装置，使得探头能够相对光纤环运动进行扫描。还有一种方法，是在探头中加入可旋转扫描振镜，通过振镜的转动，使得出射光产生移动，达到扫描的目的。本实施例采用的是探头中加扫描振镜的方法进行扫描。

本发明利用图1的装置进行光纤环的检测方法，既可以是将绕制好的光纤环在线下检测，也可以在绕制过程中随时进行检测，即所谓的在线检测。在线检测是在绕制一层或几层光纤后，随着绕环机带动光纤环转动，OCT探头同时进行扫描，当发现已经绕制的光纤中存在缺陷，既可以随时停止绕制，退回已经绕上骨架的光纤，调整工艺后重新绕制，消除缺陷，从而保证光纤环的质量。

本发明还可利用OCT技术检测光纤环的骨架。通常光纤环的绕制质量的好坏，除了和绕制工艺、绕制张力有关以外，还和光纤环骨架的加工精度有关，骨架的加工精度低，安装到绕环机上同轴度就差，就不能平稳转动，就会影响绕环质量。即便骨架加工得尺寸很精确，如果在安装到绕环机上的时候安装不够好，同轴度也会差。通常在机械方面检查骨架已经骨架安装的方法是使用百分表顶住转动表面，然后转动骨架，通过发现不同面在百分表上度数的变化，来得出骨架安装的同轴度好坏，图5为传统使用百分表检测骨架旋转同轴度方法的示意图，其中501为被测光纤环骨架，502为百分表，503为百分表的探测杆；随着光纤环骨架501的转动，由于不同轴度的存在，压在骨架上的探测杆503会随着骨架的转动而起伏，从而在百分表502上显示出起伏程度（尺寸）。这种采用百分表的方法有一个缺点，在测量时每次只能测骨架一条圆周线的同轴度，要想保证整个骨架的同轴度，需要测多个点（对应圆周线）。这就会带来一个问题，会碰上前面调整好了，另外一边同轴度又差了，往往反复调整也很难调整得很好。本发明其中一个创新点是采用OCT技术检测光纤环的方法对骨架进行检测，通过观察骨架的OCT图像，判断骨架安装转动的同轴度整体的好坏，从而保证绕环顺利进行；图6显示了两个光纤环骨架测量结果，其中图6（a）是同轴度和平整度较好的光纤环骨架的立体图，图6（b）是同轴度和平整度较差的光纤环骨架的立体图；（c）、（d）是对应（a）、（b）的二维图，便于数值化测量同轴度和平整度。

本发明方法在扫描过程中，OCT信息经过三维重建，从而获得断层扫描的三维立体图图像。这个三维重建过程主要是利用OCT系统，针对光纤环这种特殊应用所进行的。这其中包括针对光纤环的直径尺寸、光纤的折射率设定、涂胶的折射率以及涂胶的厚度，将这些数据设定后重建出光纤环的断层扫描图像。本实施例中，光纤折射率设定为1.45，光线直径设定为200um，涂胶厚度为20um，涂胶折射率设定在1.49；这样的设定可以在三维重建过程中，准确反映光纤环内部的缺陷情况。在本实施例中，当光纤之间的平整度超过光线直径的四分之一，则认定光纤环缠绕存在缺陷，如果测得涂胶厚度超过光线直径的十分之一，则涂胶工艺存在缺陷。经过这样的设定，在三维重建过程中，可以设定只看其中一层光纤的缠绕情况（如图2），或者多层光纤缠绕情况（如图8），从而可以清晰查看光纤环的缠绕质量。例如，以光纤环最外层位置为零点，则最外层光纤在OCT三维图像中深度方向的位置是0～n_f·d，次外层光纤在OCT三维图像中深度方向的位置是(n_f·d+n_g·h)~(2·n_f·d+n_g·h)，并以此类推。

下面对本发明做进一步的说明。

采用的OCT系统其样品探测臂可自由活动，根据检测的需要可以人为的改变探测臂的位置，实现对不同尺寸大小的待测样品进行检测，考虑为了将OCT系统更方便的应用于光纤环结构检测，并对不同情况下光纤环内部结构进行检测，将OCT系统的样品探测臂直接固定在绕纤机的工作台上。根据OCT系统样品探测臂本身具有横向扫描功能和绕线机绕环时可同轴转动光纤环，如图1所示，本发明从以下两个方面对光纤环进行检测：（1）固定光纤环不动，通过OCT样品探测臂自身的横向扫描实现对光纤环局部区域的进行检测（图3）；（2）固定OCT样品探测臂不动，通过绕线机带动光纤环定轴转动实现对光纤环整个圆周上区域进行检测。

一、本发明基于OCT样品探测臂自扫描实现对光纤环结构质量的检测方法

1金属骨架上绕制单层光纤OCT三维扫描

如图7所示，对金属骨架上的单层光纤进行OCT扫描，该光纤为采用200um粗光纤进行绕制；（a）为OCT扫描三维图；（b）为沿Y方向在X-Z截面上剖切图；（c）为沿Z方向沿X-Y截面上剖切图；通过扫描可以很容易确定处光纤的上下表面的位置，而且还能很清楚的分辨出骨架上光纤的具体位置。由于探测臂自扫描时扫描光在纵向上经历光程不同，导致扫描图中在骨架未绕制光纤与已绕制光纤交界处出现一位置突变。从扫描图可以看出OCT系统具有足够的分辨率用于分辨光纤环上光纤的位置。

涂胶环与无胶环在绕制中心区域上OCT扫描三维图对比

如图8所示，对一只采用160μm绕制的24层光纤环A进行扫描。由扫描结果可以很清楚的分辨出光纤环中各层光纤的位置，由图8(a)三维扫描图可以得出该光纤环在该扫描范围上光纤绕制平整，且无爬升、凹陷等缺陷。通过对三维图沿Y方向在X-Z截面进行剖切，可以得到光纤环沿Y方向不同位置处的层析图，如图8(b)所示，从图中不仅能清楚的得出表层光纤的详细排布情况，而且能透过表层对表层以下四到五层上的光纤的位置进行观测。同样本发明对三维图沿Z方向对X-Y截面进行剖切，得到不同扫描深度上光纤的分布信息，如图8(c)所示，该图为Z=0时沿X-Y截面上剖切三维扫描图的结果，图中所能看到情况为扫描范围内的外层光纤排布，也清楚的看出该扫描范围内光纤绕制整齐且紧密排布。

同时，对一只12层200μm光纤绕制的光纤环B进行扫描。相比无胶环的扫描结果，由于涂胶环中在光纤环每一层都进行固胶，将会影响到OCT的成像扫描结果，如图9所示。图9(a)中可以清楚的看出光纤环的表层光纤结构及次表层的光纤情况，受固胶材料的散射和吸收影响，探测光在经过次表层涂胶层后损耗增大，导致对次表层以下的光纤分布扫描结果信息也减弱；同样，沿Y方向上在某一位置对扫描结果进行剖切，得到如图9(b)所示二维图，从图中也能明显的看出由于受固胶的影响在次表层以下光纤的细节情况均埋藏在固胶结构中；在Z=0处沿Z轴正方向对光纤环扫描图进行观测，如图9(c)所示，可以得出在该扫描区域内光纤排布紧凑。

涂胶环与无胶环光纤环在骨架边缘区域处OCT扫描三维图对比

接下来，同样对无胶光纤环A及涂胶光纤环B在骨架两边缘区域上进行OCT扫描分析，其结果分别如10、11、12所示。图10为对无胶光纤环A骨架边缘右侧进行扫描，从图10(a)中可以清楚的看出除了在O点处出现一缝隙外，其余地方均排布整体。为了更清楚的分析裂缝处的情况，本发明沿Y方向在X-Z平面上对扫描图进行剖切，其结果如图10(b)所示，从图中可以清楚的看出引起表层出现缝隙的原因为光纤环底层P点处出现一光纤凸起，导致次表层P点位置处光纤也出现爬起，相应的最外层光纤相同位置处由于光纤滑动而出现一缝隙。最后从图10(c)中可以看出，OCT的系统扫描深度可以达到表层以下9层，即最大扫描深度约为1.44mm。

同样，对光纤环A左侧靠近骨架边缘进行扫描，其结果如图11所示，从图11(a)中可以很清楚的看出在光纤环O′位置处出现一光纤塌陷，并且在靠近骨架左侧边缘出现光纤爬起；由图11(b)中X-Z面上切剖图能很清楚的得出，在骨架左侧边缘，光纤排布较中间光纤排布混乱。

接着，对涂胶环B的右侧骨架边缘处进行OCT扫描，其扫描结果如图12所示，（a）为光纤环靠近骨架右侧边缘处OCT三维扫描图；（b）为X-Z截面上OCT扫描二维图；（c）为沿坐标X轴方向上Y-Z截面上二维图；可以看出骨架边缘处也同样出现了光纤排列不平整，但未出现类似于无胶环边缘处光纤凹陷或者爬起等明显缺陷，分析其主要原因为对于涂胶环而言，每层光纤在绕制时出现微小缝隙、凹陷缺陷均可以通过后期的均匀涂胶得到改善，避免底层缺陷影响到下一层光纤的绕制。因此从光纤环的绕制排纤上考虑，无胶环的绕制较涂胶环来的困难。另外，从OCT探测扫描深度来看，涂胶环的扫描深度则要比无胶环浅，如图12(c)所示，此时仅能是实现对表层以下4层光纤进行探测，对无胶环与涂胶环的探测深度问题将在后面将对其分析。

图13(a)给出了一只4层涂胶环的OCT扫描图，图中圆圈处为一光纤绕制缝隙，通过对缝隙处光纤和完好光纤分别在X-Z切面上进行剖切，可得图13(b)、(c)所示，（b）为沿缝隙处Y-Z截面二维图，图中白色箭头为光纤绕制缝隙，从图中可以清楚的看出，光纤缝隙已经被胶给填满整体光纤层面平滑；(c)为无缝隙处沿X方向的Y-Z截面二维图；对比两图可以看出在缝隙处光纤环用胶明显要比无缝隙处用的多，体现为涂胶不均匀。

通过对无胶环及涂胶环就每层上光纤排布的情况进行分析，总结如下：绕环的质量非常重要。在绕纤时，每层绕纤的开始和结束都是关键，底层排纤时出现的光纤爬起或者裂缝均有可能造成下一层光纤绕制出现排列混乱，最终导致光纤环绕制失败。

OCT用于检测涂胶环涂胶均匀性与涂胶厚度

由于手工操作的机动性和灵活性及对操作设备的复杂性要求不高，目前广泛采用半自动绕纤机进行光纤环绕制，在此过程操作人员起着重要的作用，需要大量的人工介入，如每完成一级光纤需变换一次放线轮，调整光纤位置、调节光纤在环上的排布、光纤环固胶等，因此，对于不同的光纤环或者同一只光纤环上不同层上涂胶的均匀性和涂胶厚度均会不一样，其最终将会影响到光纤环的性能。据了解目前还没有一种合适的方法用于检测实际绕制完成后光纤环内的涂胶情况，主要由于对于最终绕制完成后的光纤环其环内每层涂胶的情况均埋藏在光纤环内部，不易被观测。由于OCT本身所具有的非侵入式扫描的优点，能很容易的对光纤环内部实现扫描，对光纤环内部结构进行观测，因此决定了OCT可作为一种很实用的方法用于检测光纤环上涂胶情况。

胶水通常表现为光的散射体，在OCT图像上表现为明亮，而光纤通常表现为光的透过体，在OCT图像上表现为暗，在重建的三维OCT图像上根据图像的明暗即可区分胶水和光纤，通过数据分析与处理模块可以直接提取出胶水的OCT图像，通过图像计算所涂胶水的厚度，如所涂胶水厚度大于所用光纤直径的1/10，则判断该层涂胶存在缺陷。另外，如果图像中在涂胶区域出现明显的亮度分布不均匀，则表明涂胶的不均匀。如图14所示，图中(a)、(b)分别为两只涂胶环在Z=0处沿X-Y截面上的二维图，（a）显示表层涂胶不均匀情况；（b）显示表层涂胶均匀情况；对比两图可以很清楚的看出图14(a)中光纤环表层上涂胶不均匀，导致最终OCT扫描图上出现一些斑点。除了对光纤环上涂胶均匀性的检测外，本发明还能将其应用于光纤环上涂胶厚度的检测上，如图15所示，图中(a)、(b)分别为两只相同涂胶的光纤环在Y-Z界面上的二维图，其中图15(a)中显示出OCT扫描深度可达到表层下第五层，而且层析结构清晰，主要表现为该环每层上涂胶厚度控制恰当。相比之下，图15(b)中所示光纤环的OCT观测图在第二层以下层析带模糊，OCT扫描深度也大为减弱，主要表现为光纤环绕制过程中涂胶量厚，影响OCT的探测效果。

针对以上实验结果，有必要对OCT的最大探测深度进行一标定，并以此作为一参考用于评判光纤环上涂胶的情况，如图16所示，通过分别比较相同工艺（均采用200μm光纤）绕制无胶环和涂胶环的OCT扫描观测图，（a）为无胶环OCT扫描图，其中可以看出OCT扫描深度可以达到表层以下第7层，其扫描深度约为1.4mm左右，可以很清楚的看到在环中表层第4层下表面垫纸；（b）为涂胶光纤环OCT扫描图，涂胶环的扫描深度与涂胶的材料、涂胶均匀度、涂胶的厚度密切相关，相比无胶环的扫描结果图，其扫描深度在表层以下第5层处；可以看出，对于无胶环其最大扫描深度约为1.4mm左右即表层以下第7层光纤上，而且能很清楚的检测出位于第4层光纤上垫纸的情况；而对于涂胶环受到涂胶材料、涂胶的均匀性及涂胶的厚度影响，其扫描深度减弱了，如图16(b)所示，对于该涂胶环其最大扫描深度约为1mm即表层以下第5层处。

以上通过比较无胶环与涂胶环的OCT扫描图，可得如下结论：OCT技术可作为一种很好的检测方法用于判断涂胶环中涂胶的均匀性和涂胶的厚度。

二、本发明基于绕线机定轴转动实现对光纤环结构质量的检测方法

固定OCT样品探测臂不动，定轴转动光纤环，实现对光纤环整个圆周区域进行检测，由于该检测模式下，探测臂到光纤环上的距离d1保持不变，因此，以下从三个方面给出OCT对光纤环内部进行观测的结果：

（1）对装入绕线机上光纤环骨架装配同轴度及骨架内层表面平整度进行测量，如图17、图18所示，图17为绕制前光纤环骨架（铝骨架）同轴度测试三维图；（a）为第一次装配骨架同轴度测量结果；（b）为重新调整后同轴度测量结果；（c）为对应图（a）在Y-Z截面上的二维图；（d）为对应图（b）在Y-Z截面上的二维图；

图18为两种材料的光纤环骨架内层OCT扫描对比图；（a）为金属材料加工骨架内层OCT扫描三维图；（b）为选用的非金属材料加工光纤环骨架内层OCT扫描三维图；（c）为对应图（a）在Y-Z截面上的二维图；（d）为对应图（b）在Y-Z截面上的二维图；

由于OCT扫描图像可实现对扫描物体实际尺寸的测量，因此可以直接给出骨架的同轴度，或者骨架表面的实际平整度；旋转光纤环骨架，通过采集OCT图像，通过数据处理及分析模块，提取光纤环骨架的OCT图像，并根据重建后的三维OCT图像中骨架位置偏差的最大值与最小值之差计算光纤环骨架的同轴度，同轴度＞25um的光纤环骨架判定为不合格骨架。

（2）光纤环绕制在线监测，每层缺陷点实时监测和通过重新绕制及时消除缺陷点，如图19、图20所示；图19（a）显示排布出现缺陷的光纤环表面；（b）显示重新绕制后的光纤环表面，通过重新绕制消除光纤环表面存在的缺陷；

图20显示一在线绕制4层光纤环的OCT扫描图，其中（a）为OCT三维扫描图，其中图中白色箭头处可以很明显的看出光纤环在第4层上出现一爬起，并且能发现在匝与匝交替位置处光纤出现微弯曲；（b）为外层缺陷处沿Y-Z截面上二维扫描图，如白色箭头处所指位置，可以很清楚的看出光纤爬起；（c）为正常位置处光纤环Y-Z截面上的二维图；

图21为通过对一只无胶光纤环进行OCT三维扫描；其中（a）为光纤环在整个圆周的OCT扫描图；（b）为通过对（a）中A部位上光纤进行放大，提取该位置处光纤的分布情况；（c）为通过对（a）中B部位上光纤进行放大，提取该位置处光纤的分布情况；

（3）不同工艺的光纤环绕制，及无胶环与涂胶环检测，如图21、图22。图21为通过对一只无胶光纤环进行OCT三维扫描；其中（a）为光纤环在整个圆周的OCT扫描图；（b）为通过对（a）中A部位上光纤进行放大，提取该位置处光纤的分布情况；（c）为通过对（a）中B部位上光纤进行放大，提取该位置处光纤的分布情况；

图22（a）为提取图21（a）中第三层光纤三维分布图；（b）为白色圆圈C处光纤排布情况图；（c）为白色圆圈D处光纤排布情况图。

对骨架装配同轴度及内层光滑度测量

光纤环开始绕制时，需要对待绕制光纤环的骨架装配同轴度进行测试，若骨架的装备同轴度大于规定要求则需要对其进行重新调整，以满足要求。在此，本发明采用OCT系统对骨架的同轴度进行测量，其测量结果如图17所示，图17(a)为骨架第一次装配完的OCT测试结果，通过对OCT扫描三维图在Y-Z截面上进行投影可得图17(c)，由图可以清楚的得到光纤环同轴度，图中采用一条虚线做为基准线，当同轴度测量曲线与该基准线平行时，同轴度则最理想。通过将两者进行比较，可以看出测量曲线偏离基准线，呈弧形，说明此次装调完的骨架同轴度并不理想。因此，通过对该骨架进行重新装调，并利用OCT系统再次测量，其结果如图17(b)、(d)所示，相比第一次装调结果，骨架的同轴度得到一定的改善。

另外，光纤环骨架加工精度不够时，特别是当骨架底层的光滑度差时，容易造成与骨架底层接触的光纤出现偏振串扰，直接影响最终绕制的光纤环质量。在光纤环骨架的选择上一般要求选择膨胀系数与光纤接近的材料，但由于不同材料的骨架加工难易程度不一样，导致它们的内层光滑度也不一样，所以有必要对最终加工的骨架精度进行测量。

图18为采用OCT对两种不同材料(金属与非金属材料)的光纤环骨架内层光滑度的扫描结果，同样采用一虚线作为基准，从图18(c)、(d)中曲线图比较可以看出，对应于图18(a)中金属材料骨架加工的精度要比对应于图18(b)中非金属材料骨架加工的精度好。通过检测，本发明能得出该非金属骨架的精度不能满足要求。

三、本发明利用OCT对光纤环进行在线检测方法

通过对OCT三维扫描图进行分析，本发明可以快速的得到光纤环上光纤排布缺陷的位置，还能直接对每一层光纤排布的平整度进行观测。

为了保证OCT三维成像系统与旋转光纤环的速率匹配，光纤环旋转角速率ω与OCT成像系统扫描频率F应满足如下关系：

$\mathrm{\&omega;}<\frac{d}{N_X(r+\mathrm{nd})}F$

其中，d为光纤直径，N_X为X方向图像的像素数，r为骨架半径，n为绕制在环上光纤的层数。本实例中，光纤直径d为200um，X方向像素N_X为200，光纤环骨架半径r为19.5mm，光纤环绕制层数n为12层，OCT成像系统扫描频率为16kHz，因此光纤环旋转的角速率小于0.71rad/s。

图19(a)为一只在线绕制光纤环表层的OCT扫描图，从图中可以看出该层上光纤高低起伏，并且有些地方出现裂缝。通过对该层光纤进行重新绕制，并严格的控制其排纤，重新绕制后的OCT三维扫描图如图14(b)所示，通过重新绕制消除原有的绕制缺陷。图20给出在线绕制4层光纤环的OCT三维扫描图，从图20(a)中能很清楚看出在第4层光纤的位置出现一光纤爬起，白色箭头所指位置；另外该扫描图中还能清楚的看出每匝光纤交接处出现光纤的微弯曲现象；图20(b)、(c)分别为在光纤爬起位置处和无缺陷位置处沿Y-Z截面上剖切的二维图。对比两图，能容易的得出图20(b)中白色箭头所指的位置即光纤爬起位置处。

接下来对一只200μm光纤绕制的12层光纤环进行OCT扫描成像图，其扫描结果如图21(a)所示，从图中可以看出该光纤环上存在较多缺陷，其大部分缺陷埋藏光纤环内部，分析其主要原因如下：(1)在光纤环绕制过程中，底层光纤排布缺陷将直接影响顶层光纤排纤，直接造成光纤环在该位置处形成一缺陷累积。（2）现有的CCD成像设备辅助光纤环绕制，仅可以保证最外层上光纤紧密排布，而无法避免在绕制过程中，由于外层光纤挤压而重新引入的缺陷。通过对图21(a)光纤环OCT三维扫描图进行分析，即能快速的得知该光纤环内部光纤整体排布情况。为了对光纤环内存在的缺陷更好地进行定位，扫描前先在光纤环上做一标记点，规定从标记点处开始扫描，当光纤环定轴转过360度，再次经过标记点时停止扫描。通过计算扫描图中缺陷点与标记点之间的距离来确定缺陷点在光纤环圆周上的位置。例如，对图21(a)中圆周上120°白色圆圈A处光纤分布情况进行分析，并对该处进行光纤信息进行放大，如图21(b)所示，可以看出该位置处光纤层与层、匝与匝之间平行排布，无绕制缺陷，而对于圆周上270°白色圆圈B位置上光纤排布情况进行提取，结果如图21(c)所示，可以看出光纤排布情况差，并且层与层上缺陷分布具有周期性，出现表层上光纤凸起，内部光纤凹凸排布的现象。对其原因进行分析可总结如下：光纤环中的缺陷具有累积性，即若底层光纤某处出现缺陷，则顶层光纤在该位置上也会受影响出现光纤绕制缺陷。

为了更好的分析同一层上光纤分布情况，本发明对扫描结果中以层为单位进行划分。例如，对图21(a)中第3层光纤进行提取，其结果如图22(a)所示，从图中可以得出该层上光纤存在多处光纤微弯曲现象，通过对C、D两处位置上扫描图进行放大，可得到图22(b)、(c)，可以看出D位置上光纤整层存在微弯曲，导致其出现的原因可能为：（1）底层光纤凸起造成该层光纤发生凸起引发的光纤微弯曲现象（2）该层某匝光纤存在绕制缺陷造成剩余匝数上光纤在该处也存在缺陷引发光纤微弯曲。

通过对光纤环在线绕制OCT检测的初步研究，可实现对光纤环内部结构无损伤的扫描，为分析光纤环的内部机构并通过从新绕制消除绕制缺陷起到关键作用。

Claims (11)

1.一种基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）将被测光纤环固定在一个旋转机构上；

（2）将光学相干断层扫描系统探头垂直固定于被测光纤环上方，使得入射光垂直对准被测光纤环；

（3）以光纤环圆心为旋转轴旋转该光纤环，同时光学相干断层扫描系统的扫描探头对被测光纤环沿着被测光纤环轴向进行一维扫描，从而获得被测光纤环的OCT信息；或光纤环静止不动，扫描探头沿着光纤环轴向和垂直光纤环轴向两个方向进行二维扫描，从而获得被测光纤环局部的OCT信息；或光纤环静止不动，光学相干断层扫描系统的扫描探头相对被测光纤环沿着其外围转动，进行轴向扫描，从而获得被测光纤环的OCT信息；

（4）根据获得的被测光纤环OCT信息，进行三维图像重建，通过重建图像判断该被测光纤环表面及表面以下是否存在缺陷，并根据图像的不均匀位置对缺陷进行定位，以消除缺陷。

2.如权利要求1所述方法，其特征在于，旋转机构为光纤绕环机。

3.如权利要求1所述方法，其特征在于，步骤（4）所述三维图像重建，包括将光纤折射率、涂胶折射率、光纤直径、涂胶厚度、光纤环整体直径以及旋转机构旋转速度中的任一种、几种或全部作为基本因素进行三维图像重建。

4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述OCT信息是通过收集光学断层扫描得到干涉信号转换成的电信号，在经过电子运算处理生成的三维立体图像。

5.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光纤环缺陷是指由光纤绕制过程中光纤交叠、或光纤绕制过程中光纤爬起、或光纤绕制过程中涂胶不均匀造成。

6.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光纤环为光纤陀螺用光纤环、或电流互感用光纤环、或光学延迟用光纤环。

7.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤3）中以光纤环圆心为旋转轴旋转该光纤环，同时光学相干断层扫描系统的扫描探头对被测光纤环沿着被测光纤环轴向进行一维扫描，从而获得被测光纤环的OCT信息，是光纤绕环机在绕制光纤环过程中，随着绕环转动进行在线测量。

8.如权利要求7所述方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）将光纤环骨架固定在光纤环绕制机上；

（2）光学相干断层扫描系统探头垂直固定于骨架上方，使得入射光沿着骨架径向方向垂直入射骨架内表面；

（3）利用光纤环绕制机绕制完成一层或几层光纤，光学相干断层扫描系统探头将入射光沿着光纤环径向垂直入射该层或该几层光纤；

（4）以光纤环轴为旋转轴旋转光纤环，同时光学相干断层扫描系统的扫描探头对被测光纤环沿着被测光纤环轴向进行一维扫描，从而获得被测光纤环第一层光纤的三维OCT图像；

（5）根据获得的该层光纤三维OCT扫描图像，通过图像发现该层光纤绕制缺陷，并指导对存在缺陷位置进行处理，以消除缺陷；

（6）继续绕制光纤环，再完成一层或几层后，重复步骤（3）-（5），直至完成该光纤环每层光纤的绕制及缺陷检测和处理。

9.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述光纤环只是一个光纤环骨架，通过测量骨架的OCT信息，判断骨架的质量和安装情况，以保证绕制光纤环时的运转稳定。

10.一种基于光学相干断层扫描技术的光纤环质量检测装置，该装置包括：

一个安装被测光纤环的转动机构；一个光学相干断层扫描系统，其探头置于被测光纤环之上，用于对光纤环进行扫描，并采集光纤环的OCT信息；一台计算机连接到光学相干断层扫描系统上，用于处理被测光纤环OCT信息，对其进行三维成像，通过采集获得的光纤环骨架、光纤环上光纤、光纤环上涂胶的图像，以判断光纤环质量的优劣。

11.如权利要求11所述装置，其特征在于，光学相干断层扫描成像系统为时域系统光学相干断层扫描成像系统，或为频域系统光学相干断层扫描成像系统。

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