CN105182469A - 一种基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法，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、光纤侧视光强图像经透镜放大被CCD相机采集，将所采集的光强图像实时转换为光强曲线并传送至计算机；步骤三、旋转光纤，得到一系列不同方位角的光强曲线；步骤四、将采集到的光强曲线按照采集顺序，依次与采集到的所有的光强曲线做互相关运算，以相关峰尖锐程度作为特征量，得到特征曲线；步骤五、对步骤四所得的特征曲线进行分析处理，便可得到光纤待测方位角。本发明适用于所有观测平面，具有很好的通用性。

Description

一种基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法

技术领域

本发明涉及光电子技术中保偏光纤传感技术领域，具体来说，是一种基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法。

背景技术

保偏光纤是一类特殊的单模保偏光纤，该类保偏光纤具有较强的偏振保持特性，一般这一特性通过在保偏光纤芯向引入应力块或非对称纤芯获得。由于具有这一特性，保偏光纤广泛应用于保偏光纤陀螺、干涉传感以及相干光通讯等对偏振态具有较高要求的领域。

保偏光纤偏振轴的精确定位和对准是其应用中的关键技术之一。侧视成像法由于装置简单，定轴精度较高等优点，为目前主要的定轴方法。

瑞典专利SE9401146中的POL法，以焦平面作为观测平面，提取光强曲线中心值作为特征值，将保偏光纤以一定角度间隔旋转一周得到特征值曲线。根据特征值曲线的对称性与周期性得到0°起始方位角标准曲线，通过标准曲线的平移得到任意方位角的特征值曲线，最后将待测方位角的特征值曲线与任意方位角的特征值曲线做相关运算，极大值所对应的角度即为待测方位角。

美国专利US5013345中的PAS法，要求光强曲线中心点两侧具有两个极大峰值，并以两个峰值间的距离作为特征量。

国防科技大学王金娥等人提出了基于五点特征值的侧视定轴法，该方法要求光强曲线的形貌特征具有三个峰值，并以三个波峰的光强值之和减去两个波谷的光强值之差作为特征值(参考：“基于五点特征值的匹配型保偏光纤定轴新方法”，《光通信技术》，2005，第一期，20～22)。

上述专利及方法在一定程度及范围上实现了保偏光纤偏振轴定轴，然而对观测平面位置与光强形貌特征具有很高的要求，通用性不高。采用POL法进行保偏光纤定轴时，要求观测平面位置在焦平面附近。PAS法要求光强曲线中心点两侧具有两个极大峰值，五点特征法要求光强形貌特征具有三个峰值。而实际应用中出现这两种光强形貌特征的观测平面范围很小，因此，这两种侧视定轴方法同样对观测平面位置具有很高的要求。除此之外，上述几种方法均要求提取光强图像中特征点的光强值，而在实际工作中特征点的提取是件比较困难的工作，特别对于五点法这类光强形貌特征比较复杂的方法。

发明内容

为了解决现有定轴方法通用性不足，及特征点提取困难等问题，本发明的首要目的在于提供一种基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法，该方法直接通过某方位角的侧视光强曲线与任意方位角侧视光强曲线做互相关得到相关曲线，将该相关曲线极大峰值尖锐程度作为特征值，从而实现保偏光纤的准确定轴。

本发明基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法，通过下述步骤实现：

步骤一：通过光源发射平行光从保偏光纤一侧垂直照射在保偏光纤表面上，使保偏光纤另一侧产生光纤侧视光强分布图像。

步骤二：通过CCD相机采集光纤侧视光强图，并转换为光强曲线传送至计算机。

步骤三：步骤三：以保偏光纤纤芯为轴，以固定角度间隔Δθ旋转保偏光纤2π/Δθ次，得到每次保偏光纤后，保偏光纤方位角对应的光强曲线。

步骤四：按照步骤三中保偏光纤旋转顺序，由第一次旋转保偏光纤开始，依次将每次旋转保偏光纤后CCD相机所采集、转换后的光强曲线，与旋转保偏光纤2π/Δθ次后CCD相机所采集到的全部光强曲线做互相关运算，以相关峰尖锐程度作为特征量，得到特征值曲线。

步骤五：对步骤四得到特征值曲线进行平移变换，即可得到保偏光纤起始方位角为0°的标准特征值曲线T(0)；则保偏光纤起始方位角为时的特征值曲线与T(0)之间的相位差即为保偏光纤起始方位角的值。

本发明的优点在于：

1、本发明基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法，不仅适用于各类光强形貌特征，而且在成清晰侧视保偏光纤图像范围内的各观测平面均能实现保偏光纤定轴，具有较强的通用性。

2、本发明基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法，不需要提取特征点，在一定程度上增加了定轴的效率与可靠性。

附图说明

图1为本发明保偏光纤定轴方法中保偏光纤安装方式示意图；

图2为本发明保偏光纤定轴方法中侧视成像法定轴原理图；

图3为焦平面处方位角为0°时光强曲线图；

图4为焦平面处方位角为45°时光强曲线图；

图5为焦平面处方位角为90°时光强曲线图；

图6是焦平面处的特征值曲线；

图中：

1—光源2—步进电机3—保偏光纤夹具

4—保偏光纤5—纤芯6—保偏光纤夹持器

7—透镜8—CCD相机9-计算机

10—观测平面

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。

基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤一：将保偏光纤4安装在自动定轴系统上，如图1所示，使保偏光纤4的一端安装在自动定轴系统中保偏光纤夹持器6内，另一端通过自动定轴系统中保偏光纤夹具3夹持并固定在自动定轴系统中的步进电机2上。通过光源1发射非相干平行光，使平行光从保偏光纤4侧面(沿Y轴)垂直照射在保偏光纤4表面上，如图2所示，此时保偏光纤4相当于一个柱面透镜，则保偏光纤4相对侧面作为观测平面10，可在观测平面10上得到光线侧视光强分布图像。

步骤二：使保偏光纤4侧视光强图像经透镜7放大后，由CCD相机8进行采集，调节透镜7与CCD的位置，使CCD可采集到清晰的保偏光纤侧视光强图像，并将所采集的保偏光纤侧视光强图像实时转换为光强曲线并传送至计算机9。所述光强曲线在计算机9中以离散数据形式存储，将光强曲线用数组表示为：

I＝[i₁,i₂,…,i_x,…,i_N])(1)

其中，i_x表示第x个像素的光强值，1≤x≤N，N为光强分布曲线的像素个数，由CCD相机8的分辨率及图像放大倍数决定。

步骤三：以保偏光纤4的纤芯5为轴，通过计算机9控制自动定轴系统中的步进电机2以固定角度间隔Δθ旋转保偏光纤4共2π/Δθ次，得到每次保偏光纤4后，保偏光纤4的方位角对应的光强曲线，表示为：

$I({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ})=\[i_{{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ},1},i_{{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ},2},...,i_{{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ},x},...,i_{{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ},N}\])---\left(2\right)$

其中，θ₀表示保偏光纤4的起始方位角，θ表示保偏光纤4旋转的角度，0≤θ≤2π，θ＝jΔθ，j为保偏光纤4旋转的次数，j＝1,2,3,…,2π/Δθ；表示在保偏光纤4的方位角为θ₀+θ下，第x个像素的光强值。

本发明中，自动定轴系统中的采用步距角为1.8°(64细分)的步进电机2，可使Δθ的最小值可达0.028°。

步骤四：按照步骤三中保偏光纤4旋转顺序，由第一次旋转保偏光纤4开始，依次将每次旋转保偏光纤4后CCD相机8所采集、转换后的光强曲线，与保偏光纤4旋转2π/Δθ次后CCD相机8所采集到的全部光强曲线做互相关运算，以相关峰尖锐程度作为特征量，得到特征值曲线，具体方式为：

令当前保偏光纤4的方位角为θ_q，θ_q∈[θ₀+θ]，将保偏光纤4当前方位角对应的光强曲线I(θ_q)与全部光强曲线I(θ₀+θ)做互相关：

$C\[I\left({\mathrm{\θ}}_q\right),I({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ})\]=\frac{{\mathrm{N\Σ}}_{x=1}^N{i}_x\left({\mathrm{\θ}}_q\right)i_x({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ})-{\mathrm{\Σ}}_{x=1}^N{i}_x\left({\mathrm{\θ}}_q\right){\mathrm{\Σ}}_{x=1}^N{i}_x({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ})}{{\{\[{\mathrm{N\Σ}}_{x=1}^N{i}_x^2\left({\mathrm{\θ}}_q\right)-{\left({\mathrm{\Σ}}_{x=1}^N{i}_x\right({\mathrm{\θ}}_q\left)\right)}^2\]\·\[{\mathrm{N\Σ}}_{x=1}^N{i}_x^2({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ})-{\left({\mathrm{\Σ}}_{x=1}^N{i}_x\right({\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\θ}\left)\right)}^2\]\}}^{1/2}}---\left(3\right)$

得到相关曲线：

$C\left({\mathrm{\θ}}_q\right)=\[c_{{\mathrm{\θ}}_q,{\mathrm{\θ}}_0},c_{{\mathrm{\θ}}_q,{\mathrm{\θ}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}},...,c_{{\mathrm{\θ}}_q,{\mathrm{\θ}}_0+j\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}},...,c_{{\mathrm{\θ}}_q,{\mathrm{\θ}}_0+2\mathrm{\π}}\]---\left(4\right)$

其中，表示保偏光纤4的方位角为θ_q时对应的光强曲线I(θ_q)与保偏光纤4的起始方位角θ₀对应的光强曲线I(θ₀)的相关度；表示保偏光纤4的方位角为θ_q时对应的光强曲线I(θ_q)与第一次旋转保偏光纤4后的光线方位角对应的光强曲线I(θ₀+Δθ)的相关度。表示保偏光纤4的方位角为θ_q时对应的光强曲线I(θ_q)与保偏光纤4的方位角为θ₀+jΔθ对应的光强曲线I(θ₀+jΔθ)的相关度。表示保偏光纤4的方位角为θ_q时对应的光强曲线I(θ_q)与最后一次旋转保偏光纤4后的保偏光纤4的方位角对应光强曲线I(θ₀+2π)的相关度。

以相关曲线极大峰值左右各5°纵坐标的下降幅度之和：

|C(θ_q)_max-C(θ_q)_max-5|+|C(θ_q)_max-C(θ_q)_max+5|(5)

来评判相关曲线的峰值尖锐程度。其中，C(θ_q)_max表示相关曲线C(θ_q)中的极大值；C(θ_q)_max-5表示相关曲线极大值C(θ_q)左侧位置处，距离极大值5°的相关值；C(θ_q)_max+5表示相关曲线极大值C(θ_q)右侧位置处，距离极大值5°的相关值。

将当前保偏光纤4的方位角为θ_q时得到的相关曲线C(θ_q)极大峰值处的尖锐程度作为该方位角θ_q下的特征值，则保偏光纤4的方位角θ_q的特征值为：

t(θ_q)＝|C(θ_q)_max-C(θ_q)_max-5|+|C(θ_q)_max-C(θ_q)_max+5|(6)

根据上述方法，依次将每次旋转保偏光纤4后，保偏光纤4的方位角对应的光强曲线与全部光强曲线I(θ₀+θ)做互相关，计算保偏光纤4在各个方位角下的特征值t(θ₀+θ)，可以得到保偏光纤4的起始方位角为θ₀时的特征值曲线：

T(θ₀)＝[t(θ₀),t(θ₀+Δθ),…,t(θ₀+jΔθ),…,t(θ₀+2π)](7)

步骤五：对步骤四所得的特征值曲线进行分析处理，便可得到保偏光纤4的待测方位角，即T(θ₀)，具体方法为：

利用特征值曲线的周期性、对称性以及形貌特征，对步骤四得到特征值曲线T(θ₀)内部元素进行平移变换，即可得到保偏光纤4的起始方位角为0°的标准特征值曲线T(0)；则保偏光纤4的起始方位角为θ₀时的特征值曲线T(θ₀)与T(0)之间的相位差即为保偏光纤4的起始方位角θ₀的值。

仿真验证

采用光线追迹法仿真计算出平行光经过保偏光纤后，在焦平面上不同方位角的光强分布曲线，来验证本发明是否可行。仿真系统中保偏光纤从0°起始方位角开始，以0.5°间隔旋转了一周，将计算所得各方位角下的光强分布曲线保存到计算机中。

将方位角为0°，0.5°，…，360°的光强曲线依次与所有方位角光强分布曲线I(θ),0≤θ≤2π做相关运算，得到各方位角下的相关曲线C(θ),0≤θ≤2π。

图3、图4、图5分别为保偏光纤方位角处于0°、45°、90°时对应的相关曲线为，由图3、图4、图5中的相关曲线可以得知，不同方位角相关曲线的极大峰值处尖锐程度是不同的。以极大峰值前后各5°纵坐标的下降幅度之和作为峰值尖锐程度的判据，则图3、图4、图5中相关曲线极大峰值处的尖锐程度分别为0.1613、0.1035、0.0015。说明相关曲线的峰值尖锐程度的值是随着方位角的变化而变化，因此相关峰尖锐程度蕴含了方位角信息，可以作为该方位角下的特征值。

提取每个方位角的相关曲线极大峰值尖锐程度，结果如图6所示。可以看出该曲线的变化趋势呈周期性，周期为180°；且该曲线具有很好的对称性，关于0°(90°)对称；此外，由于保偏光纤的特殊结构，导致90°处的相关峰尖锐程度最低，接近为0。利用这些性质就能求出保偏光纤的起始方位角θ₀，具体步骤为：

a、由于特征值曲线在极小值点附近比较平坦，特征不明显，直接在特征值曲线上提取极小值点将导致精度偏低。为此，利用特征值曲线呈对称性这一特性，寻找特征值曲线中两个关于90°对称的极大峰值的横坐标θ₁、θ₂，通过它们间接找到极小值点的横坐标值θ_min＝(θ₁+θ₂)/2。

b、为了进一步增加极小值点横坐标值的提取精度，利用特征值曲线周期为180°这一特性，找到两个关于270°对称的极大峰值的横坐标θ₃、θ₄，通过他们找到特征曲线上第二个极小值点的横坐标值θ′_min＝(θ₃+θ₄)/2。

c、特征值曲线中第一个极小值点的横坐标值θ_π/2＝(θ_min+θ′_min-180)/2，即该特征值曲线与标准曲线的相位差为可知该特征值曲线起始方位角 ${\mathrm{\θ}}_0={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\π}/2}-\frac{\mathrm{\π}}{2}.$

综上所述，本发明方法不仅可以有效地找出保偏光纤起始方位角，而且在成像范围内适用于所有观测平面，具有很好地通用性。

Claims (2)

1.基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法，其特征在于：通过下述步骤实现：

步骤一：通过光源发射平行光从保偏光纤一侧垂直照射在保偏光纤表面上，使保偏光纤另一侧产生光纤侧视光强分布图像；

步骤二：通过CCD相机采集光纤侧视光强图，并转换为光强曲线传送至计算机；

步骤三：步骤三：以保偏光纤纤芯为轴，以固定角度间隔Δθ旋转保偏光纤2π/Δθ次，得到每次保偏光纤后，保偏光纤方位角对应的光强曲线；

步骤四：按照步骤三中保偏光纤旋转顺序，由第一次旋转保偏光纤开始，依次将每次旋转保偏光纤后CCD相机所采集、转换后的光强曲线，与旋转保偏光纤2π/Δθ次后CCD相机所采集到的全部光强曲线做互相关运算，以相关峰尖锐程度作为特征量，得到特征值曲线；

步骤五：对步骤四得到特征值曲线进行平移变换，即可得到保偏光纤起始方位角为0°的标准特征值曲线T(0)；则保偏光纤起始方位角为时的特征值曲线与T(0)之间的相位差即为保偏光纤起始方位角的值。

2.如权利要求1所述基于侧视光强曲线相关峰尖锐程度的保偏光纤定轴方法，其特征在于：所述步骤四的具体方法为：

令当前保偏光纤方位角为θ_q，θ_q∈[θ₀+θ]；θ表示保偏光纤旋转的角度，0≤θ≤2π；θ₀表示保偏光纤起始方位角；将保偏光纤当前方位角对应的光强曲线I(θ_q)与全部光强曲线I(θ₀+θ)做互相关：

得到相关曲线：

其中，其中，i_x表示第x个像素的光强值，1≤x≤N，N为光强分布曲线的像素个数；j为保偏光纤旋转的次数，j＝1,2,3,…,2π/Δθ；表示保偏光纤方位角为θ_q时对应的光强曲线I(θ_q)与保偏光纤起始方位角θ₀对应的光强曲线I(θ₀)的相关度；表示保偏光纤方位角为θ_q时对应的光强曲线I(θ_q)与第一次旋转保偏光纤后的光线方位角对应的光强曲线I(θ₀+Δθ)的相关度。表示保偏光纤方位角为θ_q时对应的光强曲线I(θ_q)与保偏光纤方位角为θ₀+jΔθ对应的光强曲线I(θ₀+jΔθ)的相关度。表示保偏光纤方位角为θ_q时对应的光强曲线I(θ_q)与最后一次旋转保偏光纤后的保偏光纤方位角对应光强曲线I(θ₀+2π)的相关度。

以相关曲线极大峰值左右各5°纵坐标的下降幅度之和：

|C(θ_q)_max-C(θ_q)_max-5|+|C(θ_q)_max-C(θ_q)_max+5|(5)

来评判相关曲线的峰值尖锐程度。其中，C(θ_q)_max表示相关曲线C(θ_q)中的极大值；C(θ_q)_max-5表示相关曲线极大值C(θ_q)左侧位置处，距离极大值5°的相关值；C(θ_q)_max+5表示相关曲线极大值C(θ_q)右侧位置处，距离极大值5°的相关值。

将当前保偏光纤方位角为θ_q时得到的相关曲线C(θ_q)极大峰值处的尖锐程度作为该方位角θ_q下的特征值，则保偏光纤方位角θ_q的特征值为：

t(θ_q)＝|C(θ_q)_max-C(θ_q)_max-5|+|C(θ_q)_max-C(θ_q)_max+5|(6)。