CN104238002A - 一种侧视成像保偏光纤定轴方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种侧视成像保偏光纤定轴方法，包括步骤一、将光纤安装在自动定轴系统上，光源为非相干平行光源，平行光从侧向垂直照射在光纤表面上，在光纤另一侧用CCD相机接收光强图像；步骤二、待测方位角的光强分布曲线经过透镜放大被CCD相机采集，以离散数据形式存储在计算机中；步骤三、对光强分布曲线采用内插处理方法进行处理，得到新的光强分布序列；步骤四、获取基准光强分布序列；步骤五、将光强分布序列和基准光强分布序列做归一化互相关运算，得到互相关曲线，按顺序提取互相关曲线的中心点值，得到中心点值随角度变化曲线，该曲线极大值的横坐标值即所求方位角。本发明经过光强内插后再进行相关处理，定轴精度较高。

Description

一种侧视成像保偏光纤定轴方法

技术领域

本发明涉及一种侧视成像保偏光纤定轴方法，属于光纤传感技术领域。

背景技术

保偏光纤由于具有对线偏振光较强的偏振保持能力和对一般单模光纤极好的兼容性，在光纤通信和传感技术中得到了越来越广泛的研究和应用。然而保偏光纤在这些领域应用的关键前提是如何精确检测和定位保偏光纤的偏振轴。

目前，针对保偏光纤定轴的主要方法有两种：纵向观测法和横向观测法。纵向观测法是指将光从光纤一端直接耦合入光纤，在光纤的另一端接收光，利用保偏光纤的偏振保持特性和偏振色散特性来检测偏振轴。这种方法检测设备复杂，对环境的要求高，操作难度大；横向观测法，将光从光纤侧面垂直射向光纤表面，利用光纤的透镜效应来检测偏振轴，主要方法是侧视成像法，这种方法装置简单，测量精度较高，适用于各种保偏光纤，是一种极具发展潜力的方法。

瑞典专利SE9401146中公开了一种基于POL法的侧视成像法，将一束光垂直照射在处于同一直线的两条光纤上，提取中心点光强值作为特征值，分别将两条光纤旋转一周，得到两条特征曲线，对这两条特征曲线做互相关，极大值所对应的角度就是两条光纤起始方位角的差值。

中国专利CN1831572A公开了一种基于五指型侧视光强分布的对轴方法，选取9个点作为特征点，利用这9个点的光强值计算特征值，将光纤旋转一周得到特征曲线，对特征曲线和基准曲线的进行互相关运算，得到光纤的起始角。

中国专利CN1131279中，也属于侧视成像法，将一束光垂直照射在处于同一直线的两条光纤上，两幅光强图像都有三个亮度峰值，左右峰值与中心峰值的距离分别为a、b，以a/b为特征值，将其中一条光纤旋转一周，比较两条光纤a/b值，当两条光纤的a/b值最接近时两条光纤方位角重合。

中国专利CN101419311A公开了一种侧视图像匹配对轴法，将两束相互垂直的光照射在处于同一直线上的两条光纤上，记录两条光纤的光强I₁₁、I₁₂、I₂₁、I₂₂(I₁₁表示第一束光照射下，第一条光纤的光强，其中下标中第一个1表示第一束光束，第二个1表示第一条光纤)，分别计算I₁₁和I₁₂，以及I₂₁和I₂₂的互相关系数R1、R2，旋转其中一条光纤，当R1+R2最大时，两条光纤的方位角重合。

上述这些专利在诸多领域取得了较好的对轴精度，然而也存在一些不足的地方，这些专利在测量过程中无不例外都需要将其中一条或两条光纤旋转一周。旋转过程中，光纤容易发生振动，使得光纤在旋转过程中的成像平面发生一定程度的漂移和振动，从而无法得到稳定可靠的偏振轴角度。此外，将光纤旋转一周势必需要花费很长的时间，因此定轴效率不高。上述多数发明只能求出方位角的相对值，不能求出其绝对值。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有的定轴方法在定轴过程中都需要将光纤转动一周的问题，提供一种基于侧视成像法且在测量过程中不需要旋转光纤即可测量出方位角的高精度定轴方法。基于待测方位角的光强图像和模板库中的基准光强图像做互相关运算得到互相关中心点曲线的方法，实现光纤的精确定轴。

一种侧视成像保偏光纤定轴方法，包括以下几个步骤：

步骤一、将光纤安装在自动定轴系统上，光源为非相干平行光源，平行光从侧向垂直照射在光纤表面上，在光纤另一侧用CCD相机接收光强图像；

步骤二、待测方位角的光强分布曲线经过透镜放大被CCD相机采集，以离散数据形式存储在计算机中；

步骤三、对步骤二所得的光强分布曲线采用内插处理方法进行处理，得到新的光强分布序列；

步骤四、获取基准光强分布序列；

步骤五、将步骤二得到的光强分布序列和步骤四得到的基准光强分布序列做归一化互相关运算，得到互相关曲线，按顺序提取互相关曲线的中心点值，得到中心点值随角度变化曲线，该曲线极大值的横坐标值即所求方位角。

本发明的优点在于：

(1)本发明在光纤的测量过程中，一步定轴，不需要旋转光纤就能得到光纤的方位角，避免了在旋转过程中由于振动所导致的成像平面的漂移和振动，提高了定轴可靠性及效率；

(2)本发明经过光强内插后再进行相关处理，定轴精度较高；

(3)本发明适用于各类保偏光纤，具有很强的通用性。

附图说明

图1是基于侧视成像法自动定轴系统的结构示意图；

图2是侧视成像法的原理图；

图3a是依本发明方法，45°测量曲线与基准曲线直接做互相关运算的中心点曲线；

图3b是依本发明方法，45°测量曲线与基准曲线经过内插处理后，再做互相关运算的中心点曲线；

图4是经过内插处理与未经过内插处理，互相关中心值曲线极大值处峰值尖锐程度的比对；

图5是本发明方法的流程图。

图中：

1—光源        2—步进电机        3—光纤夹具

4—保偏光纤    5—纤芯             6—应力区

7—光纤夹持器  8—透镜             9—CCD相机

10—计算机     11—光纤待测方位角  12—保偏光纤慢轴

13—观测平面   14—光强分布

其中：X轴方向为垂直于光纤夹持器平面方向；Y轴方向为平行于光纤夹持器平面方向；Z轴方向为光纤纵轴方向。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

现有的基于侧视成像法自动定轴系统如图1所示，由两部分组成：控制调节装置和图像采集装置。

控制调节装置包括：步进电机2、光纤夹具3、光纤夹持器7；

图像采集装置包括：平行光源1、透镜8、CCD相机9。

计算机10是整个系统的枢纽，既负责图像的采集和处理，又通过控制步进电机2，调整光纤的位置。

保偏光纤4放置在光纤夹持器7中，光纤通过光纤夹具3固定在步进电机2上。步进电机2通过数据总线由计算机10控制。计算机10还与CCD相机9相连，处理并存储CCD相机9采集到的数据。

本发明是一种侧视成像保偏光纤定轴方法，流程如图5所示，包括以下几个步骤：

步骤一、将光纤安装在自动定轴系统上，光源为非相干平行光源，平行光从侧向垂直照射在光纤表面上，在光纤另一侧用CCD相机9接收光强图像；

步骤二、待测方位角的光强分布曲线经过透镜8放大被CCD相机9采集，以离散数据形式存储在计算机10中；

步骤三、对步骤二所得的光强分布曲线采用内插处理方法进行处理，得到新的光强分布序列；

为了使光纤灰度变化的更加明显及减少噪声的影响，将步骤二所得的光强图像进行内插处理，得到新的光强分布序列；

所述的内插处理方法，可以增强极大值处峰值的尖锐程度，提高定轴精度，具体方法如下：

由于光强分布曲线以离散数据形式存储，设光强分布曲线用数组表示：

D＝[d₁，d₂，...，d_n-1，dn]

其中，d_i(1≤i≤n)表示第i个像素的光强值，n是光强分布曲线的像素个数，由CCD相机决定。从该数值的第二项d₂到倒数第二项dn-1，逐项将d_x(2＜＜x＜＜n-1)的前后项d_x-1、d_x+1相加，减去该项的两倍2d_x，得到一个n-2元的新数组ΔD，即：

ΔD＝(Δd₁，Δd₂，...，Δd_n-2)

其中：Δd_x＝d_x+2-d_x-2d_x+1(x＝1，2，...，n-2)。

ΔD即为新的光强分布序列。

步骤四、获取基准光强分布序列；

基准光强分布序列由以下两种方法得到：

第一、利用精度更高且已较成熟的端面图像检测法(专利号201310205159.2)，将光纤调至0°方位角，步进电机以0.1°步长将光纤旋转90°，得到一系列随角度变化的光强分布曲线(离散的数据形式)，利用内插处理方法得到对应的光强分布序列，将这些光强分布序列存储在计算机中作为基准光强分布序列，基准光强分布序列在储存时标明方位角值；

第二、利用光线追迹法仿真，得到一系列以0.1°为间隔的光强曲线，利用内插处理方法得到对应的基准光强分布序列。

步骤五、将步骤二得到的光强分布序列和步骤四得到的基准光强分布序列做归一化互相关运算，得到一系列对应的互相关曲线，按顺序提取互相关曲线的中心点值，输出中心点值随角度变化曲线，该曲线极大值的横坐标值即所求方位角；

CCD相机9采集到的某条光强分布曲线可以用一个n元的数组表示，两条光强分布曲线(两个n元的数组)做归一化互相关，会得到一个2n-1的新数组。该数组的中心值在-1和1之间，可以表征两条曲线之间的相关程度，1表示相关度最大，-1表示相关度最小。

将某待测方位角的光强分布序列与基准光强分布序列做归一化互相关，提取归一化结果的中心点，将中心点值连接成曲线。该曲线的横坐标是基准光强分布曲线的方位角，由0°到90°，间隔是采集基准光强分布曲线时光纤最小转角，纵坐标为对应的基准光强分布序列与该方位角的光强分布序列互相关运算结果的中心点值。该曲线直观地反映了光强分布序列和每条基准光强分布序列的相关程度，极大值的横坐标就是待测光纤的方位角。基准曲线的采样间隔也是制约定轴精度的重要因素，综合考虑步进电机2的精度和CCD相机9灰度值分辨率，将采样间隔确定为0.1°。

定轴精度取决于该曲线极大值处峰值的尖锐程度：峰值越尖锐，精度越高。为了判定上述的内插处理方法是否真实有效，本发明又提出了一种评判内插处理方法优劣的方法，即一种评判互相关中心点曲线极大值处峰值尖锐程度的新方法，具体方法如下：

如上所述某角度的光强分布序列与基准光强分布序列做互相关运算得到一条互相关中心点曲线，该曲线也可以用一个数组来表A＝(a1_，a₂，...，a_m)，其中数组元素a_y(1≤y≤m)表示该待测方位角的光强分布序列和第y条基准光强分布序列的互相关中心值，数值的个数m表示基准光强分布序列的条数。对数组A做梯度运算，得到一个新数组B＝(b₁，b₂，...，b_m)，其中b_y(1≤y≤m)表示A中第y个值a_y的梯度值。通过分析互相关中心点曲线，得到其极大值a_K(1≤k≤m)，将b_k-1、b_k+1的绝对值之和作为评判极大值处尖锐程度的标准。

本发明的创新点在于：

1)一步定轴,不需要旋转，提高了定轴可靠性及效率；

2)提出一种光强内插后的相关处理算法，提高定轴精度；

3)针对创新点2)的内插处理算法，提出一种相关结果尖锐程度的评判指标。

实施例：

本系统由两部分组成：控制调节装置和图像采集装置。其中计算机是整个系统的枢纽，既负责图像的采集和处理，又通过控制步进电机，调整光纤的位置。此外，控制调节装置还包括：步进电机、光纤夹具、光纤夹持器；图像采集装置还包括：平行光源、透镜、CCD相机。

本发明的工作流程为：1、如图1所示，将保偏光纤4的一端通过光纤夹具3固定在步进电机2上，另一端放置在光纤夹持器7内。当光源1发出的非相干平行光垂直照射在光纤表面上时，由于保偏光纤中光的反射和折射，在光纤另一侧的观测平面13上，可以得到光强分布图像14。如图2所示，将光纤慢轴12和Y轴之间的夹角，称为光纤的方位角11。由于应力区6的影响，保偏光纤相当于一个椭圆透镜。因此随着方位角的变化，将得到不同的光强曲线，根据方位角和光强图像之间的对应关系，可以实现光纤定轴。

2、保偏光纤的截面关于X轴、Y轴对称，故只需要考虑方位角在90°之内的情况。调整光纤纤芯5和观测平面之间的距离，利用精度更高且已经成熟的端面图像观测法，将光纤的方位角θ调整到0度，电机的步长设置为0.1°，将光纤转动90°，接收每个方位角的光强图像。得到901条光强图像，它们以离散数据形式保存在计算机中。

3、提取到的光强图像表示方位角为时的光强曲线。d_i(1＜＜i＜＜n)是第个像素的光强值，其中是图像的像素个数，由于这些光强图像由同一个CCD获得，故它们的n相等。

ΔD_θ＝［Δd_1，Δd_2，…Δ_dn-2，]，Δd_x＝d_x+2+d_x-2d_x+1(x＝1，2，...，n-2)

得到一个新的分布序列ΔD_θ。将这901个新的分布序列ΔD_θ作为基准存储在计算机中，对于同一种型号的保偏光纤，只要保持纤芯和观测平面位置不变，在之后的定轴工作中就可以重复利用这套基准，不需要再测量基准曲线。

4、在实测工作中对于任意方位角的保偏光纤，测得某方位角下它的光强图像，利用步骤3中的内插运算处理，得到新的光强分布序列ΔD_x。

5、将ΔD_x与所有的基准做互相关，会得到901条互相关曲线，提取这些互相关曲线的中心点值，按照基准的方位角从小到大的顺序连接成曲线。该曲线直观的反映了测量曲线和基准之间的相关程度，极大值所对应的横坐标就是所求光纤的方位角。

6、将步骤5所得的互相关中心点曲线用一个数组来表示，其中 表示测量曲线的方位角，数组元素a_y(1≤y≤m)表示测量曲线和第条基准曲线的互相关中心值，数值的个数m表示基准曲线的条数。对数组A做梯度运算，会得到一个新数组B_θ＝(b₁，b₂，...，b_m)，其中b_y(1≤y≤m)表示A中第y个元素a_y的梯度值。通过分析互相关中心点曲线，找到其极大值a_K(1≤k≤m)。我们用一个新数组C其中cθ＝|b_k-1|+|b_k+1|，表示当测量曲线的方位角为θ时，极大值峰值的尖锐程度。当测量曲线的方位角θ从0°到90°变化时，得到每个θ处的尖锐程度c_θ，连接c_θ得到一条曲线，则通过该曲线的高度，我们可以直观的判断光纤不同方位角下极大值峰值尖锐的程度。

针对烽火公司生产的80熊猫保偏光纤进行测试，来验证本发明是否可行。如图3a所示，图中的曲线表示当保偏光纤的方位角为45°，光纤纤芯与观测平面的距离为100um时，测量曲线和未经过内插处理的基准曲线做互相关运算，得出的互相关中心点曲线。图3b表示保偏光纤的方位角为45°，测量曲线和基准曲线，先经过内插处理然后再做互相关运算，得到的中心值曲线。比较3a和3b不难发现，这两幅图像极大值点所对应的横坐标都为45°，说明本发明通过互相关中心点曲线来定轴的方法是可行的。利用端面图像检测法，将光纤方位角调整到0°位置，以1°为间隔测量0°到90°之间的光强图像。如图4所示，实线表示经过内插处理后，不同方位角下，光强图像与基准曲线的互相关中心点曲线极大值处的尖锐程度；虚线表示光强图像与基准曲线都未经过内插处理，不同方位角下，互相关中心点曲线极大值处的尖锐程度。不难发明实线的纵坐标值均大于虚线，说明本发明的内插处理可以显著的增强极大值处峰值的尖锐程度，从而提高定轴精度。

Claims (4)

1.一种侧视成像保偏光纤定轴方法，包括以下几个步骤：

步骤一、将光纤安装在自动定轴系统上，光源为非相干平行光源，平行光从侧向垂直照射在光纤表面上，在光纤另一侧用CCD相机接收光强图像；

步骤二、待测方位角的光强分布曲线经过透镜放大被CCD相机采集，以离散数据形式存储在计算机中；

步骤三、对步骤二所得的光强分布曲线采用内插处理方法进行处理，得到新的光强分布序列；

步骤四、获取基准光强分布序列；

步骤五、将步骤二得到的光强分布序列和步骤四得到的基准光强分布序列做归一化互相关运算，得到互相关曲线，按顺序提取互相关曲线的中心点值，得到中心点值随角度变化曲线，该曲线极大值的横坐标值即所求方位角。

2.根据权利要求1所述的一种侧视成像保偏光纤定轴方法，所述的步骤三具体为：

设光强分布曲线用数组表示：

D＝［d₁，d₂，…，d_n-1，d_n］

其中，d_i表示第i个像素的光强值，1≤i≤n，n是光强分布曲线的像素个数，从该数值的第二项d₂到倒数第二项d_n-1，逐项将d_x的前后项d_x-1、d_k+1相加，减去该项的两倍2d_x，得到一个n-2元的新数组ΔD，即：

ΔD＝(Δd₁，Δd₂，...，Δd_n-2)

其中：Δd_x＝d_x+2+d_x-2d_x+1(x＝1，2，...，n-2)，ΔD即为新的光强分布序列。

3.根据权利要求1所述的一种侧视成像保偏光纤定轴方法，所述的步骤四中基准光强分布序列通过下述方法得到：

利用端面图像检测法，将光纤调至0°方位角，步进电机以0.1°步长将光纤旋转90°，得到随角度变化的光强分布曲线，利用内插处理方法得到对应的光强分布序列，将这些光强分布序列存储在计算机中作为基准光强分布序列，基准光强分布序列在储存时标明方位角值。

4.根据权利要求1所述的一种侧视成像保偏光纤定轴方法，所述的步骤四中基准光强分布序列通过下述方法得到：

利用光线追迹法仿真，得到以0.1°为间隔的光强曲线，利用内插处理方法得到对应的基准光强分布序列。