CN103308978B - 保偏光纤自动定轴系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保偏光纤自动定轴系统，该系统包括图像处理和角度控制模块、控制器、执行机构和角度检测装置。执行机构包括光纤转轴精密调节台和驱动电路，角度检测装置包括成像透镜和高精度CCD相机，保偏光纤被固定在光纤转轴精密调节台上。角度检测装置实时获取保偏光纤的截面图像，图像经图像处理和角度控制模块处理得到偏差角，偏差角和预设角比较，经控制器获得通获取脉冲信号、方向信号和使能信号输入驱动电路，驱动电路根据信号控制光纤转轴精密调节台的步进电机的各项输入。本发明实时检测保偏光纤偏振轴方位角，调节转速和方向，具有亚像素级的定位精度，可实现对保偏光纤偏振轴稳定、快速、准确地定位。

Description

保偏光纤自动定轴系统

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，涉及一种高精度闭环控制的保偏光纤自动定轴系统。

背景技术

保偏光纤对沿其偏振轴输入的线偏振光有较强的偏振保持能力，在以光学相干检测为基础的干涉型光纤传感器中，使用保偏光纤能够保证线偏振方向不变，提高相干信噪比，以实现对物理量的高精度测量。而保偏光纤偏振轴的检测和定位是其应用中的关键技术。目前，国内外的保偏光纤定轴方法主要是基于侧视成像的间接测量方法，理论精度可以达到0.5°，仍然具有较高的误差。并且工作人员需要根据检测到的误差再去手动调整保偏光纤的偏振轴，整个过程精度不高并且效率低下。

数字图像处理就是利用计算机对图像信息进行加工以满足人的视觉心理或者应用需求的行为。实质上是一段能够被计算机还原显示和输出为一幅图像的数字码。图像作为人类感知世界的视觉基础，是人类获取信息、表达信息和传递信息的重要手段。数字图像处理技术内容十分丰富，例如图像获取、图像转换、图像增强、目标检测、图像分析、图像识别等。数字图像处理技术可以帮助人们更客观、准确地认识世界，人的视觉系统可以帮助人类从外界获取3/4以上的信息，而图像、图形又是所有视觉信息的载体，尽管人眼的鉴别力很高，可以识别上千种颜色，但很多情况下，图像对于人眼来说是模糊的甚至是不可见的，通过图像增强技术，可以使模糊甚至不可见的图像变得清晰明亮。另一方面，通过数字图像处理中的模式识别技术，可以将人眼无法识别的图像进行分类处理。通过计算机模式识别技术可以快速准确的检索、匹配和识别出各种东西，并且具有可再现性高、处理精度高、适用面宽的特点。

步进电机作为一种数字式的执行元件，它将电脉冲信号转换成相应的角位移，其特点显著，步进电机的位移与输入脉冲数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性；低速下能获得较大转矩，一般可以不用减速器而直接驱动负载。同时，采用步进电机构成的控制系统具有价格低、控制简单、维护容易等优点，特别是随着微型计算机和微电了技术的发展，使步进电机得到更加广泛的应用，同时也对步进电机的运行性能提出了更高的要求。

步进电机的细分驱动技术是一种电子阻尼技术，其主要目的是减弱或消除步进电机的低频振动，同时可以提高电机的运转精度。细分后电机运转时对每一个脉冲的分辨率提高了，但运转精度能否达到或接近脉冲分辨率还取决于细分驱动器的细分电流控制精度等其它因素。电流细分是细分驱动的一种方法，恒流的实现常用斩波驱动，给定的电流是以正弦波分布。另一种为电压细分，这种方法是比正弦波的电压驱动电机的线圈，可以不需要反馈地实现电机的细分驱动，但是由于电机的反电势等作用，正弦波电压驱动并不能产生正弦波的电流，效果没有电流细分好，但是它的驱动电路相对简单。

发明内容

本发明的目的是提供一种保偏光纤自动定轴系统，该系统可以实时检测保偏光纤的偏振轴方位角，并运用合理的控制算法控制光纤转轴精密调节台的转动，使保偏光纤的偏振轴稳定、准确、快速地到达预定的位置。

本发明的保偏光纤自动定轴系统包括：图像处理和角度控制模块、控制器、执行机构和角度检测装置。执行机构包括光纤转轴精密调节台和驱动电路，角度检测装置包括成像透镜和高精度CCD相机。保偏光纤被固定在光纤转轴精密调节台上，且保偏光纤与成像透镜同轴。保偏光纤的端面图像经成像透镜放大，被CCD相机实时采集，CCD相机将实时采集到的图像im传送给图像处理和角度控制模块。

图像处理和角度控制模块，对接收到的图像处理，检测到保偏光纤的两个应力区的圆心，具体过程是：接收到图像im后，先将图像im转化为灰度图像，对灰度图像进行小波降噪和中值滤波得到图像iw，再对图像iw进行全局阈值处理，处理得到的阈值作为二值化阈值，将图像iw二值化得到图像bw，利用Robert算子提取二值化图像bw的边缘图像ib，在边缘图像ib中截取保偏光纤端面所在区域ibp，对CCD相机再采集回来的图像截取保偏光纤端面对应的固定区域处理，对区域图像ibp做亚像素边缘提取，得到图像ibm，通过hough变换检测图像ibm中圆的圆心及半径，通过设置阈值，检测到保偏光纤的两个应力区的圆心。通过两个圆心的坐标计算出偏振轴的角度α，通过边缘图像ib得到光纤衬块的上边缘，对上边缘点的一次函数拟合得到基准线的方程，基准线的斜率对应的角度为β，由α-β得到偏差角。

控制器接收图像处理和角度控制模块发送来的偏差角，将偏差角与预设角比较得到偏差量，偏差量根据比例积分微分控制算法得到光纤转轴精密调节台的转动方向和转速；控制器向驱动电路发送使能信号En、方向信号Dir和脉冲信号Pul，使能信号En用于控制驱动电路是否为光纤转轴精密调节台的步进电机通电；方向信号Dir根据计算得到的转动方向得到；脉冲信号Pul的频率通过转速计算得到。

驱动电路根据输入的三个信号，控制光纤转轴精密调节台4中的步进电机各相的输入电流具有很高的精度。

本发明保偏光纤自动定轴系统的优点在于：

（1）通过图像处理的方法检测光纤偏振轴的位置，可以得到亚像素级的定位精度；

（2）步进电机的驱动采用细分驱动，可以消除步进电机的低频振动同时提高定位精度；

（3）整个系统实现了闭环控制，自动化程度高，提高了效率，可以实现对保偏光纤偏振轴的稳定、快速、准确地定位。

附图说明

图1是本发明的保偏光纤自动定轴系统的结构示意图；

图2是图像处理和角度控制模块检测得到的一幅保偏光纤的截面图；

图3是本发明的保偏光纤自动定轴系统的工作流程示意图。

图中：

1-图像处理和角度控制模块；2-控制器；3-驱动电路；4-光纤转轴精密调节台；

5-保偏光纤；6-成像透镜；7-高精度CCD相机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种保偏光纤自动定轴系统，包括：图像处理和角度控制模块1、控制器2、执行机构和角度检测装置。执行机构包括驱动电路3和光纤转轴精密调节台4。角度检测装置包括成像透镜6和高精度CCD相机7。图像处理和角度控制模块1安装在计算机上。保偏光纤5被固定在光纤转轴精密调节台4上。

控制器2由单片机及外围电路构成。控制器2接收图像处理和角度控制模块1发送来的信号，输入驱动电路3，驱动电路3依据输入的信号控制光纤转轴精密调节台4转动，CCD相机7实时采集成像透镜6所成的图像，并输出给图像处理和角度控制模块1。

保偏光纤5与成像透镜6同轴，且二者之间的距离调整至可以在高分辨率相机7上得到清晰的像。成像透镜6的光轴经过高分辨率CCD相机7的接受面的中心。成像透镜6和高精度CCD相机7作为图像获取工具，计算机通过USB操作高精度CCD相机7实时地捕捉保偏光纤5端面的图像。成像透镜6用于将保偏光纤5的端面图像放大。高精度CCD相机7采集放大后的保偏光纤5的端面图像，然后将采集的图像传送给图像处理和角度控制模块1。

设CCD相机7采集的图像为im。图像处理和角度控制模块1在得到图像im后，首先将图像im转化为灰度图像ig，然后对灰度图像ig进行小波降噪和中值滤波得到图像iw，之后对图像iw进行全局阈值处理，处理得到的阈值作为二值化的阈值，将图像iw二值化得到图像bw；进一步，利用Robert算子对低噪声图像响应好的特点，提取二值化图像的边缘得到图像ib。因高精度CCD相机7采集到的图像较大，在做数字图像处理时需要的时间会很长，会增大整个系统的响应时间，所以本发明设计了区域检测的算法，具体做法为：首先，根据光纤端面所在区域对应的边缘图像ib，将光纤所在区域截取出来，之后对CCD相机7采集回来的图像，只截取保偏光纤端面对应的固定区域处理，这样不仅大大减小了图像的大小，提高了处理速度，而且在处理过程中很好地避免了其余部分对图像角度检测的干扰；其次，对提取到的边缘图像ib中的光纤端面所在区域图像ibp做亚像素边缘提取，得到图像ibm，进一步提高边缘检测的精度；然后，通过hough变换可以检测到图像中的圆的圆心及半径，通过设置适当的阈值，可以使得检测到的圆心为两个应力区的圆心。通过两个圆心的坐标便可以计算出偏振轴的角度α，通过检测到的边缘图像可以得到光纤衬块的上边缘，通过对衬块上边缘点的一次函数拟合便可以得到基准线的方程，该基准线的斜率对应的角度为β，由α-β便可以得到偏差角。光纤衬块是指用于放置保偏光纤5的衬块，上表面设置有一个凹槽，用于放置保偏光纤5。通过边缘图像可以得到衬块的上边缘，由于衬块是固定不动的，因此根据衬块的上边缘线来作为基准线。所获得的偏差角通过人机交互界面实时显示给用户，同时，图像处理和角度控制模块1将偏差角发送给控制器2。

控制器2的输入端通过串口线与计算机连接，接收图像处理和角度控制模块1发送来的偏差角。控制器2将接收到的偏差角与预设角进行比较得到偏差量，进一步根据比例积分微分控制算法（PID）得到光纤转轴精密调节台4的转动方向和转速，PID算法使得输出和偏差的积分成比例，因此过度过程结束时没有误差。驱动电路3的杜邦线与控制器2中的使能端、方向控制端、脉冲输入端连接。控制器2的单片机的I/O口向驱动电路3发送脉冲信号Pul、方向信号Dir和使能信号En。脉冲信号Pul用来控制保偏光纤5偏振轴偏转的角度，脉冲的频率决定保偏光纤5偏振轴的转速，脉冲的频率根据PID算法得到的转速计算得到。方向信号Dir用来控制保偏光纤5偏振轴的转向；使能信号En用来控制驱动电路3是否向光纤转轴精密调节台4的步进电机输出电流。预设角是指设定的需要保偏光纤5偏振轴与基准线的偏转角度。

驱动电路3依据输入的脉冲信号Pul、方向信号Dir和使能信号En三个信号，控制光纤转轴精密调节台4中的步进电机各相的输入电流，驱动光纤转轴精密调节台4转动。通过对光纤转轴精密调节台中步进电机的细分驱动，使光纤转轴精密调节台4转动具有很高的精度。

光纤转轴精密调节台4包括：步进电机、致动机构、齿轮机构、光纤夹具、保护及支撑结构。步进电机的各项线圈的电流通过驱动电路3控制输入。致动机构可以手动或电动驱动，电动驱动动力由步进电机提供，使用时先手动进行粗调，之后在通过电动驱动精密调节；齿轮机构作为传动机构，用来传递制动轴和光纤夹具轴之间的动力，齿轮机构具有结构紧凑、工作可靠、传动平稳、效率高、寿命长、能保证恒定的传动比的优点，而且其传递的功率和适用的速度范围大；光纤夹具在使用时夹住光纤，保证光纤夹具在转动时光纤轴跟随夹具转动。本发明中正是通过对光线转轴调节台中的步进电机采用细分驱动，来达到高精度定位的目的。

如图3所示，为本发明的保偏光纤自动定轴系统的工作流程，图像处理和角度控制模块1、成像透镜6和高精度CCD相机7作为反馈环节，定时获取保偏光纤4的截面图像，获得偏差角，然后偏差角和预设角进行比较，通过控制器2获得三个控制信号：脉冲信号Pul、方向信号Dir和使能信号En，控制信号输入驱动电路3，控制光纤转轴精密调节台4转动，调节保偏光纤4的偏振轴的转向和角度。整个系统为一个闭环系统，由图像处理单元检测到的角度信息作为定轴系统的反馈量，使得该系统可以实现对保偏光纤偏振轴的实时自动化的控制。

Claims (1)

1.一种保偏光纤自动定轴系统，其特征在于，包括：图像处理和角度控制模块、控制器、执行机构和角度检测装置；执行机构包括驱动电路和光纤转轴精密调节台；角度检测装置包括成像透镜和高精度CCD相机；保偏光纤被固定在光纤转轴精密调节台上，且保偏光纤与成像透镜同轴；调整保偏光纤与成像透镜之间的距离使CCD相机上得到清晰的像；保偏光纤的端面图像经成像透镜放大，被CCD相机实时采集，CCD相机将实时采集到的图像发送至图像处理和角度控制模块；

图像处理和角度控制模块，对接收到的图像处理，检测到保偏光纤的两个应力区的圆心，具体过程是：接收到图像im后，先将图像im转化为灰度图像，对灰度图像进行小波降噪和中值滤波得到图像iw，再对图像iw进行全局阈值处理，处理得到的阈值作为二值化阈值，将图像iw二值化得到图像bw，利用Robert算子提取二值化图像bw的边缘图像ib，在边缘图像ib中截取保偏光纤端面所在区域图像ibp，对CCD相机再采集回来的图像截取保偏光纤端面对应的固定区域处理，对区域图像ibp做亚像素边缘提取，得到图像ibm，通过hough变换检测图像ibm中圆的圆心及半径，通过设置阈值，检测到保偏光纤的两个应力区的圆心；通过两个圆心的坐标计算出偏振轴的角度α，通过边缘图像ib得到光纤衬块的上边缘，对上边缘点的一次函数拟合得到基准线的方程，基准线的斜率对应的角度为β，由α-β得到偏差角；

控制器接收图像处理和角度控制模块发送来的偏差角，将偏差角与预设角比较得到偏差量，偏差量根据比例积分微分控制算法得到光纤转轴精密调节台的转动方向和转速；控制器向驱动电路发送使能信号En、方向信号Dir和脉冲信号Pul；使能信号En用于控制驱动电路是否为光纤转轴精密调节台的步进电机通电；方向信号Dir根据计算得到的转动方向得到；脉冲信号Pul的频率通过转速计算得到；驱动电路依据输入的信号控制光纤转轴精密调节台的步进电机各相输入电流，驱动光纤转轴精密调节台转动。