CN105068180A - 一种保偏光纤侧视成像定轴方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种保偏光纤侧视成像定轴装置，它由光路部分、旋转控制部分和定轴程序三部分构成；两路垂直安放的光路和旋转控制部分固定在同一机械平台上，然后通过RS232接口连接旋转控制部分和上位机、通过PCI总线连线光路和上位机。一种保偏光纤侧视成像定轴方法，它有四大步骤。本发明直接利用特征曲线对称性完成定轴，不需要构建标准曲线，减少了计算量，在一定程度上提升了定轴速度和定轴精度，而且较好的解决了不同型号光纤标准曲线不通用的问题。

Description

一种保偏光纤侧视成像定轴方法及装置

技术领域

本发明涉及一种保偏光纤侧视成像定轴方法及装置，属于光纤通信和光纤传感技术领域。

背景技术

一般的轴对称单模光纤，可以同时传输两个线偏振正交模式或两个圆偏振正交模式，若光纤是完全的轴对称形式(几何形状为理想圆，折射率分布均匀)，这两个正交模式在光纤中将以相同的速度向前传播，因而在传播过程中偏振态不变。实际的光纤由于多少同时存在着非轴对称性和弯曲，因而两正交模式在传播过程中会发生耦合，其结果是使光波的偏振态在传播过程中发生变化。为此发展了能维持光波偏振态的偏振保持光纤，即保偏光纤。由于保偏光纤对线偏振光具有较强的偏振保持能力,并且与普通单模光纤有良好的相容性而在光纤通信和光纤传感系统中得到了越来越广泛应用。

目前应用最多的是应力双折射保偏光纤，按几何结构来分主要有：熊猫型、领结型、椭圆包层型，如图1所示。保偏光纤的纤芯受到两个应力——沿X轴的外拉力和Y轴的压应力，因此在纤芯中产生了较高的应力双折射，形成了两个互相正交的主轴。正是由于自身所具有的这种高双折射，使两正交轴方向上偏振模的相位常数差很大，不易产生耦合，淹没了外部的干扰，从而保偏光纤可以在两个主轴上输出线偏振光保持其线偏振状态。

只有沿偏振轴方向注入线偏振光时，保偏光纤才会产生保偏作用。因此，如何精确地确定保偏光纤偏振轴方位角方是当前面临的重要课题之一，也是保偏光纤应用的前提。

当平行光从侧面照射熊猫型保偏光纤后，因保偏光纤的透镜效应而在光纤后的观测平面上得到可测量的光强分布。由于应力区和纤芯的内部折射率不同，而且应力区是旋转不对称的，因此保偏光纤旋转时，光强分布随保偏光纤偏振轴方位角的不同而不同。可以从光强分布中提取出反应偏振轴方位角位置的信息从而确定偏振轴方位角。利用此种原理的定轴技术称作侧视成像定轴技术，相对于其他定轴技术具有简单可行，精度较高的优点，是现在光纤定轴的主要技术。

该技术以爱立信公司的POL技术和藤仓公司的PAS技术为主要代表。在POL定轴技术基础上又发展起了五点特征值、五指型光强分布等定轴方法。对于POL定轴方法以光纤后光强分布中心光强值为特征点，光纤旋转一周利用特征点绘制出POL曲线，然后通过计算原始POL曲线和标准POL曲线之间的相关系数完成定轴，主要缺点是需要对每种类型光纤构建标准曲线，降低了技术通用性。PAS定轴技术通过对比光强形貌完成定轴，主要缺点是只适用于特定类型光纤。五点、五指型光强分布定轴法基本原理与POL定轴方法相同，只是特征点提取方式不一样，其主要缺点是满足要求的光强分布范围较窄，需要不断调整成像透镜位置直至采集到满足要求的图像。

本发明所述保偏光纤的定轴方法不需要构建标准曲线，对透镜安放位置要求没那么严格，具有通用性强、速度快等优点。

发明内容

基于侧视成像的定轴技术有多种，其中POL定轴技术因其简单可行、可靠性高从而得到快速发展，并成功应用到保偏光纤熔接机中。图2为POL定轴技术的原理图，利用平行光照射保偏光纤，由于光纤具有透镜效应从而对平行光起到汇聚左右，可以在光纤后得到利用CCD测量的光强分布。此外，因保偏光纤内部各部分折射率不同、结构不对称，光纤旋转时光强分布会发生变化，可从变化的光强分布中提取出偏振轴位置信息。

光强分布中心位置处光强值具有最大对比度，光纤旋转一周利用中心光强值绘制出反应偏振轴方位角的POL曲线。利用保偏光纤的结构对称性，用傅里叶拟合方法处理POL曲线以消除图像采集时噪声以及光纤旋转过程中离轴等带来的测量误差。POL曲线经拟合后，进一步处理可以得到偏振轴方位角为0°的标准POL曲线，然后以一定的步长改变POL标准曲线的相位角依次与原始POL曲线做互相关，互相关系数最大时的标准曲线相位角即是偏振轴方位角。利用POL技术定轴时需要对每一种光纤构建标准曲线，这降低了该技术的通用性，此外定轴时还需在原始POL曲线和标准POL曲线之间进行大量的互相关运算，数据处理量较大，一定程度上影响了定轴速度。保偏光纤广泛应用于光纤陀螺等精密光学仪器中，偏振轴检测是保偏光纤应用的前提，侧视成像定轴技术是保偏光纤偏振轴检测的主要技术方案，但尚存在一些问题。本发明基于侧视成像定轴原理，旨在克服现有技术在通用性和速度方面的不足，提供一种基于特征曲线自身对称性的定轴方法及其装置，实现保偏光纤的精确定轴。

1、本发明一种保偏光纤侧视成像定轴装置，其整体结构原理图如图3所示，它主要由光路部分、旋转控制部分和定轴程序三部分构成。三者之间的位置连接关系是：两路垂直安放的光路和旋转控制部分固定在同一机械平台上，然后通过RS232接口连接旋转控制部分和上位机(定轴程序)、通过PCI总线连线光路和上位机(定轴程序)。

所述光路部分主要实现定轴过程中光纤图像的实时采集和显示，原理图如图4所示。本装置采用垂直安放的双光路方案，核心器件是镜头和电荷耦合器件CCD。该镜头是：大恒GCO2102；该电荷耦合器件CCD是：大恒PNT602H；该光源是：绿色LED平行光源。为保证成像质量，光路中加装了镜头位置调整装置以便调整镜头位置得到最清晰的光纤成像。此外，电荷耦合器件CCD靶面应当与平行光方向垂直，电荷耦合器件CCD和镜头尺寸应该匹配。

所述旋转控制部分利用步进电机实现光纤的旋转，为保证光纤旋转时不发生明显离轴，本装置采用V型槽加真空吸附的方式固定光纤，为防止步进电机因急停而产生振荡、失步现象，采取光纤旋转和图像采集并行而不是单步采集方案，即给步进电机发出旋转一周指令后同时开始图像采集，电机中间不停车直至旋转完一周。定轴程序控制图像采集、处理以及步进电机的运动。

所述定轴程序利用VS2010+QT编写，主要实现图像采集、处理，控制步进电机旋转，计算偏振轴角度等功能。此外，该程序能实时显示定轴过程中的光纤图像，能控制光纤以不同的角度间隔正反转一周。

其中，本发明的图像处理、数据计算以及步进电机控制程序都是由计算机完成的，可以使用嵌入式微处理器代替计算机完成同样的功能。

其中，本发明使用双光路成像系统以减少定轴误差，但也可以使用单光路系统替代本发明光路。

其中，本发明使用V型槽加真空吸附方式固定光纤以保证光纤同轴旋转，可以使用压片式夹具代替本发明所用装置来固定光纤。驱动光纤旋转的为步进电机也可以改为更精密的压电陶瓷马达等驱动光纤。

2、一种保偏光纤侧视成像定轴方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：设置好光源、镜头和电荷耦合器件CCD的位置，将光纤固定到夹具上后，调整透镜位置使光纤成像清晰。然后上位机发出定轴指令，步进电机开始驱动光纤旋转、两路光路开始采集图像，计算机对电荷耦合器件CCD采集到的图像进行处理得到光纤成像中心处的灰度值。

步骤二：当光纤旋转一周后利用灰度值绘制出特征曲线P(θ)，如图6所示，然后对特征曲线进行傅里叶拟合得到拟合后的特征曲线P₁(θ)，如图7所示。

步骤三：根据保偏光纤结构特点可知，光纤从偏振轴方位角为0°(应力区连线方向)或者90°(应力区连线垂直方向)时开始旋转，特征曲线前后两部分(图7A,B两部分)应严格对称。可以利用这两部分曲线的相关性衡量其对称程度，相关系数越大说明对称度越高。

步骤四：在±90°范围内以0.1°的步长改变拟合后特征曲线P₁(θ)的相位角θ，依次计算前后两部分相关系数，当相关系数最大时相位角θ＝θ_m则可认为此时偏振方位角为-θ_m或者90-θ_m，为进一步确定偏振轴方位角为哪一个值需要提前仿真分析常见保偏光纤偏振轴在0°和90°时的光强大小关系，根据该大小关系即可得到偏振轴位置。假设两套光路计算出的偏振轴方位角分别为θ₁和θ₂，则最终检测到的偏振轴方位角为(θ₁+θ₂)/2。利用该定轴方法理论上可以达到优于0.5°的定轴精度。

3、优点及功效：本发明技术方案带来的有益效果是

1.本发明直接利用特征曲线对称性完成定轴，不需要构建标准曲线，减少了计算量，可以在一定程度上提升定轴速度而且解决了不同型号光纤标准曲线不通用的问题。

2.POL曲线对称性对角度变化非常敏感，理论上能够分辨出0.2度的方位角变化，因此提升了定轴精度，这对提升光学仪器的性能具有重要意义。

3.利用双光路系统可以有效减少光纤放置倾斜，CCD成像噪声，特征点提取误差等因素带来的定轴误差。

4.本发明中利用V型槽加真空吸附固定光纤，可保证光纤在旋转过程中保持良好的同轴性。

附图说明

图1应力双折射保偏光纤结构示意图。

图2POL定轴技术原理图。

图3方案整体结构示意图。

图4光路原理图。

图5定轴流程图。

图6POL曲线示意图。

图7拟合后POL曲线示意图。

具体实施方式

见图1—图7，1、本发明一种保偏光纤侧视成像定轴装置，其整体结构原理图如图3所示，它主要由光路部分、旋转控制部分和定轴程序三部分构成。三者之间的位置连接关系是：两路垂直安放的光路和旋转控制部分固定在同一机械平台上，然后通过RS232接口连接旋转控制部分和上位机(定轴程序)、通过PCI总线连线光路和上位机(定轴程序)。

所述光路部分主要实现定轴过程中光纤图像的实时采集和显示，原理图如图4所示。本装置采用垂直安放的双光路方案，核心器件是镜头和电荷耦合器件CCD。该镜头是：大恒GCO2102；该电荷耦合器件CCD是：大恒PNT602H；该光源是：绿色LED平行光源。为保证成像质量，光路中加装了镜头位置调整装置以便调整镜头位置得到最清晰的光纤成像。此外，电荷耦合器件CCD靶面应当与平行光方向垂直，电荷耦合器件CCD和镜头尺寸应该匹配。

所述旋转控制部分利用步进电机实现光纤的旋转，为保证光纤旋转时不发生明显离轴，本装置采用V型槽加真空吸附的方式固定光纤，为防止步进电机因急停而产生振荡、失步现象，采取光纤旋转和图像采集并行而不是单步采集方案，即给步进电机发出旋转一周指令后同时开始图像采集，电机中间不停车直至旋转完一周。定轴程序控制图像采集、处理以及步进电机的运动。

所述定轴程序是利用VS2010+QT编写，主要实现图像采集、处理，控制步进电机旋转，计算偏振轴角度等功能。为使定轴过程更直观、光纤安放位置有参考标准，该程序能实时显示定轴过程中的光纤图像，能控制光纤以不同的角度间隔正反转一周。

其中，本发明的图像处理、数据计算以及步进电机控制程序都是由计算机完成的，可以使用嵌入式微处理器代替计算机完成同样的功能。

其中，本发明使用双光路成像系统以减少定轴误差，但也可以使用单光路系统替代本发明光路。

其中，本发明使用V型槽加真空吸附方式固定光纤以保证光纤同轴旋转，可以使用压片式夹具代替本发明所用装置来固定光纤。驱动光纤旋转的为步进电机也可以改为更精密的压电陶瓷马达等驱动光纤。

2、一种保偏光纤侧视成像定轴方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：设置好光源、镜头和CCD的位置，将光纤固定到夹具上后，调整透镜位置使光纤成像清晰。然后上位机发出定轴指令，步进电机开始驱动光纤旋转、两路光路开始采集图像，计算机对CCD采集到的图像进行处理得到光纤成像中心处的灰度值。

步骤二：当光纤旋转一周后利用灰度值绘制出特征曲线P(θ)，如图6所示，然后对特征曲线进行傅里叶拟合得到拟合后的特征曲线P₁(θ)，如图7所示。

步骤三：根据保偏光纤结构特点可知，光纤从偏振轴方位角为0°(应力区连线方向)或者90°(应力区连线垂直方向)时开始旋转，特征曲线前后两部分(图7A,B两部分)应严格对称。可以利用这两部分曲线的相关性衡量其对称程度，相关系数越大说明对称度越高。

步骤四：在±90°范围内以0.1°的步长改变拟合后特征曲线P₁(θ)的相位角θ，依次计算前后两部分相关系数，当相关系数最大时相位角θ＝θ_m则可认为此时偏振方位角为-θ_m或者90-θ_m，为进一步确定偏振轴方位角为哪一个值需要提前仿真分析常见保偏光纤偏振轴在0°和90°时的光强大小关系，根据该大小关系即可得到偏振轴位置。假设两套光路计算出的偏振轴方位角分别为θ₁和θ₂，则最终检测到的偏振轴方位角为(θ₁+θ₂)/2。利用该定轴方法理论上可以达到优于0.5°的定轴精度。

Claims (5)

1.一种保偏光纤侧视成像定轴装置，其特征在于：它由光路部分、旋转控制部分和定轴程序三部分构成；两路垂直安放的光路和旋转控制部分固定在同一机械平台上，然后通过RS232接口连接旋转控制部分和上位机、通过PCI总线连线光路和上位机；

所述光路部分实现定轴过程中光纤图像的实时采集和显示，采用垂直安放的双光路方案，核心器件是镜头和电荷耦合器件CCD；该镜头是大恒GCO2102；该电荷耦合器件CCD是大恒PNT602H；该光源是绿色LED平行光源；为保证成像质量，光路中加装了镜头位置调整装置以便调整镜头位置得到最清晰的光纤成像；此外，电荷耦合器件CCD靶面应当与平行光方向垂直，电荷耦合器件CCD和镜头尺寸应该匹配；

所述旋转控制部分利用步进电机实现光纤的旋转，为保证光纤旋转时不发生明显离轴，采用V型槽加真空吸附的方式固定光纤，为防止步进电机因急停而产生振荡、失步现象，采取光纤旋转和图像采集并行而不是单步采集方案，即给步进电机发出旋转一周指令后同时开始图像采集，电机中间不停车直至旋转完一周；定轴程序控制图像采集、处理以及步进电机的运动；

所述定轴程序利用VS2010+QT编写，实现图像采集、处理，控制步进电机旋转，计算偏振轴角度；此外，该程序能实时显示定轴过程中的光纤图像，能控制光纤以不同的角度间隔正反转一周。

2.一种保偏光纤侧视成像定轴方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：设置好光源、镜头和电荷耦合器件CCD的位置，将光纤固定到夹具上后，调整透镜位置使光纤成像清晰，然后上位机发出定轴指令，步进电机开始驱动光纤旋转、两路光路开始采集图像，计算机对电荷耦合器件CCD采集到的图像进行处理得到光纤成像中心处的灰度值；

步骤二：当光纤旋转一周后利用灰度值绘制出特征曲线P(θ)，然后对特征曲线进行傅里叶拟合得到拟合后的特征曲线P₁(θ)；

步骤三：根据保偏光纤结构特点可知，光纤从偏振轴方位角为0°即应力区连线方向或者90°即应力区连线垂直方向时开始旋转，特征曲线前后两部分应严格对称，利用这两部分曲线的相关性衡量其对称程度，相关系数越大说明对称度越高；

步骤四：在±90°范围内以0.1°的步长改变拟合后特征曲线P₁(θ)的相位角θ，依次计算前后两部分相关系数，当相关系数最大时相位角θ＝θ_m则认为此时偏振方位角为-θ_m或者90-θ_m，为进一步确定偏振轴方位角为哪一个值需要提前仿真分析常见保偏光纤偏振轴在0°和90°时的光强大小关系，根据该大小关系即得到偏振轴位置；假设两套光路计算出的偏振轴方位角分别为θ₁和θ₂，则最终检测到的偏振轴方位角为(θ₁+θ₂)/2，利用该定轴方法理论上达到优于0.5°的定轴精度。

3.根据权利要求1所述的一种保偏光纤侧视成像定轴装置，其特征在于：图像处理、数据计算以及步进电机控制程序都是由计算机完成的，使用嵌入式微处理器代替计算机也能完成同样的功能。

4.根据权利要求1所述的一种保偏光纤侧视成像定轴装置，其特征在于：使用双光路成像系统以减少定轴误差，使用单光路系统也能完成同样的功能。

5.根据权利要求1所述的一种保偏光纤侧视成像定轴装置，其特征在于：使用V型槽加真空吸附方式固定光纤以保证光纤同轴旋转，使用压片式夹具也能固定光纤；驱动光纤旋转的步进电机也能是更精密的压电陶瓷马达驱动光纤。