CN109612689A - 一种光纤端面检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光纤端面检测方法及系统，设置镜头、图像处理卡、中央处理模块、运动控制模块、步进电机和电控三维调节台，镜头用于实时获取待测光纤的端面图像，图像处理卡用于计算光纤端面图像的清晰度评价值和光纤端面在视场中所处的位置，中央处理模块用于根据图像处理卡反馈结果调用自动控制流程发送控制指令给运动控制模块；所述运动控制模块用于驱动三维调节台上的步进电机完成光纤的位移和对焦基本控制；所述电控三维调节在步进电机的驱动下带动光纤完成三轴方向的微位移。本发明通过图像处理及自动控制，简化了光纤端面检测的操作，解决了传统光纤测试方案需要手动调整、检测耗时、不易对准的问题。

Description

一种光纤端面检测方法及系统

技术领域

本发明涉及光纤的自动化测试领域，特别涉及一种光纤端面检测方法及系统。

背景技术

光纤是现代通信主要传播介质之一，光纤的几何参数关系到光通信中光的耦合传输、接续等方面的性能，测量光纤的几何参数成为光纤测试的必需项目之一。

目前，光纤几何测试设备大多采用光纤端面近场成像技术，光纤端面的成像质量直接影响着测试结果，为了获取清晰的光纤端面图像，测试过程中需要调整光纤端面图像位于视场中间并对焦，现有设备大多需手动调整光纤或镜头来获取清晰的光纤端面图像，整个测试过程耗时较长，对准精度容易受人为主观因素影响。而少数具有自动调整和对焦功能的测试设备则价格昂贵(100万以上)，且在自动调整光纤过程中同样存在耗时长的问题。

由此可见，应用新的技术，研究一种光纤端面自动检测技术方案，实现光纤的自动化测试是当前的发展趋势。

发明内容

本发明的主要目的在于解决传统光纤端面检测过程中手动调整光纤耗时长，对准精度受人为主观因素影响的问题。提供一种光纤端面检测方法及系统。

本发明技术方案提供一种光纤端面检测方法，设置镜头、图像处理卡、中央处理模块、运动控制模块、步进电机和电控三维调节台，

所述镜头，用于实时获取待测光纤的端面图像；

所述图像处理卡，用于对镜头获取的图像进行高速图像处理，计算光纤端面图像的清晰度评价值和光纤端面在视场中所处的位置，并将计算结果反馈给中央处理模块；

所述中央处理模块，用于根据图像处理卡反馈结果调用自动控制流程，发送控制指令给运动控制模块；

所述运动控制模块，用于根据控制指令驱动三维调节台上的步进电机完成光纤的位移和对焦基本控制；

所述步进电机，用于安装到电控三维调节台的X、Y、Z轴上，其中Z轴步进电机是对焦步进电机，X、Y轴步进电机是平面位移步进电机；

所述电控三维调节台，用于放置待测光纤夹具，并能在步进电机的驱动下带动光纤完成三轴方向的微位移；

所述自动控制流程包括以下步骤，

步骤1，对焦步进电机向某一方向开始运动；

步骤2，中央处理模块实时获取图像处理卡计算出的当前图像的清晰度评价值；实时获取运动控制模块给出的对焦步进电机当前的位置，并记录清晰度评价值和其对应的电机位置；

步骤3，当清晰度评价值小于给定的阈值时，对焦步进电机反向运动；

步骤4，重复步骤2，当清晰度评价值再次小于给定的阈值时，对焦步进电机停止运动；

步骤5，查找记录，找出清晰度评价值的最大值点及其对应的电机位置，驱动对焦步进电机高速运动到此位置点，完成光纤端面对焦；

步骤6，中央处理模块根据图像处理卡计算出的光纤端面在视场中所处的位置，驱动平面位移步进电机将光纤图像调整到视场中间；

步骤7，增大清晰度阈值，重复步骤1～5，完成光纤端面精细对焦；

步骤8，重复步骤6，完成光纤端面精细位移。

而且，所述图像处理卡与中央处理模块的连接是基于PCI-E总线，所述运动控制模块与中央处理模块的连接是基于PCI总线。

而且，光纤端面图像的清晰度评价值计算实现包括以下步骤，

(1)镜头采集原始图像；

(2)图像预处理，并将原始图像转换为灰度图像；

(3)对转换后的灰度图像进行中值滤波；

(4)采用Laplacian边缘检测算法对滤波后的灰度图像进行边缘检测，计算出清晰度评价值。而且，计算光纤端面在视场中所处的位置，实现方式包括以下步骤，

(1)镜头采集原始图像；

(2)进行图像预处理，将采集的原始图像转换为灰度图像；

(3)采用Canny边缘检测算法对转换后的灰度图像进行处理，获取光纤包层边缘的二值化图像；

(4)采用findContorus轮廓提取算法对光纤包层边缘的二值化图像进行处理，提取光纤包层图像的轮廓；

(5)采用椭圆拟合算法处理光纤包层图像的轮廓，拟合出包含光纤包层端面图像的圆，并得到拟合圆的中心点坐标，认为是纤芯在视场中处的位置。

本发明还提供一种光纤端面检测系统，包括镜头、图像处理卡、中央处理模块、运动控制模块、步进电机和电控三维调节台，

所述镜头，用于实时获取待测光纤的端面图像；

所述图像处理卡，用于对镜头获取的图像进行高速图像处理，计算光纤端面图像的清晰度评价值和光纤端面在视场中所处的位置，并将计算结果反馈给中央处理模块；

所述中央处理模块，用于根据图像处理卡反馈结果调用自动控制流程，发送控制指令给运动控制模块；

所述运动控制模块，用于根据控制指令驱动三维调节台上的步进电机完成光纤的位移和对焦基本控制；

所述步进电机，用于安装到电控三维调节台的X、Y、Z轴上，其中Z轴步进电机是对焦步进电机，X、Y轴步进电机是平面位移步进电机；

所述电控三维调节台，用于放置待测光纤夹具，并能在步进电机的驱动下带动光纤完成三轴方向的微位移；

所述自动控制流程包括以下步骤，

步骤1，对焦步进电机向某一方向开始运动；

步骤2，中央处理模块实时获取图像处理卡计算出的当前图像的清晰度评价值；实时获取运动控制模块给出的对焦步进电机当前的位置，并记录清晰度评价值和其对应的电机位置；

步骤3，当清晰度评价值小于给定的阈值时，对焦步进电机反向运动；

步骤4，重复步骤2，当清晰度评价值再次小于给定的阈值时，对焦步进电机停止运动；

步骤5，查找记录，找出清晰度评价值的最大值点及其对应的电机位置，驱动对焦步进电机高速运动到此位置点，完成光纤端面对焦；

步骤6，中央处理模块根据图像处理卡计算出的光纤端面在视场中所处的位置，驱动平面位移步进电机将光纤图像调整到视场中间；

步骤7，增大清晰度阈值，重复步骤1～5，完成光纤端面精细对焦；

步骤8，重复步骤6，完成光纤端面精细位移。

而且，所述图像处理卡与中央处理模块的连接是基于PCI-E总线，所述运动控制模块与中央处理模块的连接是基于PCI总线。

而且，光纤端面图像的清晰度评价值计算实现包括以下步骤，

(1)镜头采集原始图像；

(2)图像预处理，并将原始图像转换为灰度图像；

(3)对转换后的灰度图像进行中值滤波；

(4)采用Laplacian边缘检测算法对滤波后的灰度图像进行边缘检测，计算出清晰度评价值。而且，计算光纤端面在视场中所处的位置，实现方式包括以下步骤，

(1)镜头采集原始图像；

(2)进行图像预处理，将采集的原始图像转换为灰度图像；

(3)采用Canny边缘检测算法对转换后的灰度图像进行处理，获取光纤包层边缘的二值化图像；

(4)采用findContorus轮廓提取算法对光纤包层边缘的二值化图像进行处理，提取光纤包层图像的轮廓；

(5)采用椭圆拟合算法处理光纤包层图像的轮廓，拟合出包含光纤包层端面图像的圆，并得到拟合圆的中心点坐标，认为是纤芯在视场中处的位置。

本发明提供的一种光纤端面检测方法及系统，能够解决传统光纤端面检测过程中手动调整光纤耗时长，对准精度受人为主观因素影响的问题。本发明可以替代现有人工调整光纤的方法，避免现有方法费时、费力、放置误差大等缺点，实现了光纤端面的自动检测及自动调整。并且，通过光纤聚焦与对准结合，本发明自动控制过程精确可靠，效率高，应用于光纤通信相关领域能够起到显著效果，具有重要的市场价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的光纤端面检测系统结构框图。

图2是本发明实施例中光纤端面图像清晰度评价值的计算方法。

图3是本发明实施例中光纤端面图像在视场中所处位置的计算方法。

图4是本发明实施例中控制光纤自动聚焦的自动控制示意图。

图5是本发明实施例中控制光纤自动对准的自动控制示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，实施例提供的一种光纤端面检测系统，主要包括镜头、图像处理卡、中央处理模块、运动控制模块、步进电机、电控三维调节台。镜头、图像处理卡、中央处理模块、运动控制模块、步进电机、电控三维调节台依次连接，所述图像处理卡与中央处理模块的连接是基于PCI-E总线，所述运动控制模块与中央处理模块的连接是基于PCI总线。PCI-E、PCI均是通用的总线规格，由Intel所提倡和推广，PCI-E有着更高的带宽传输速度。图像处理卡需要进行高速图像处理，需要更高的带宽，普通的接口无法满足带宽需求，具体实施时采用PCI-E、PCI接口可以方便支持硬件选型。

所述镜头可以是生成影像的光学部件，用于实时获取待测光纤的端面图像。

所述图像处理卡可以是显卡或其它专业的图像分析处理卡，用于对镜头获取的图像进行高速图像处理，计算光纤端面图像的清晰度评价值和光纤端面图像在视场中所处的位置，并将计算结果反馈给中央处理模块。

所述中央处理模块可以由电脑主机来实现，用于根据图像处理卡反馈的计算结果调用自动控制算法，发送控制指令给运动控制模块。

所述运动控制模块主要指运动控制卡，用于根据控制指令驱动三维调节台上的步进电机完成光纤的位移、对焦等自动控制过程。

所述电控三维调节台，能够安装X、Y、Z轴3个方向上的步进电机，其中Z轴用于控制光纤对焦，X、Y轴用于控制光纤在平面位移。即Z轴步进电机是对焦步进电机，X、Y轴步进电机是平面位移步进电机。

如图2所示，是本发明实施例中光纤端面图像清晰度评价值的计算方法。在本发明中，采用了OpenCV图像处理库来对光纤端面图像进行处理，应理解，图中给出了一些关键的步骤，但这些步骤仅仅是示例，本发明实施例中还可能需要执行其它的步骤。

(1)镜头采集原始图像；

(2)图像预处理，并将原始图像转换为灰度图像；

具体实施时，转换实现可采用现有技术，例如可采用OpenCV图像处理库实现，本发明不予赘述。

(3)对转换后的灰度图像进行中值滤波；

(4)Laplacian边缘检测算法对滤波后的灰度图像进行边缘检测，计算出清晰度评价值。

具体实施时，边缘检测实现可采用现有技术，例如可采用OpenCV图像处理库实现，本发明不予赘述。通过边缘检测得到包层和纤芯边缘。

清晰度评价值可直接采用Laplacian梯度值，图像越清晰，边缘越锐利，Laplacian梯度值越高。

如图3所示，是本发明实施例中光纤端面图像在视场中所处位置的计算方法，在本发明中，采用了OpenCV图像处理库来对光纤端面图像进行处理，应理解，图中给出了一些关键的步骤，但这些步骤仅仅是示例，本发明实施例中还可能需要执行其它的步骤。

(1)镜头采集原始图像。

(2)进行图像预处理，将采集的原始图像转换为灰度图像。

(3)采用Canny边缘检测算法对转换后的灰度图像进行处理，获取光纤包层边缘的二值化图像。

具体实施时，Canny边缘检测算法为现有技术，可采用OpenCV图像处理库实现，本发明不予赘述。

(4)采用findContorus轮廓提取算法对光纤包层边缘的二值化图像进行处理，提取光纤包层图像的轮廓。

具体实施时，findContorus轮廓提取算法可采用现有技术，例如可采用OpenCV图像处理库实现，本发明不予赘述。

(5)采用椭圆拟合算法处理步骤(4)所得光纤包层图像的轮廓，拟合出包含光纤包层端面图像的圆，并得到拟合圆的中心点坐标，此坐标即可粗略认为纤芯在视场中处的位置。

具体实施时，椭圆拟合算法为现有技术，可采用OpenCV图像处理库实现，本发明不予赘述。

根据椭圆拟合可以得到拟合圆的中心点坐标，当图像处于视场边缘不完整时，此中心点坐标与纤芯实际坐标有出入，但是在第一次调整光纤端面图像位置时(控制流程步骤6)，并不需要精确知道纤芯的实际位置，通过实施例4控制流程步骤6可将光纤端面图像调整到视场中心点附近，此时光纤端面图像已完整显示，第二次调整光纤端面图像时，椭圆拟合出的中心点坐标已是精确的纤芯位置。

如图4所示，是本发明中控制光纤聚焦的自动控制示意图，图5所示是光纤自动对准的自动控制示意图，本发明实施例中进行光纤聚焦控制和光纤自动对准的控制过程包括以下步骤：

(1)对焦步进电机从起始位置A点出发，向某一方向开始运动，实施例中是先向右方向开始运动；

(2)中央处理模块实时获取图像处理卡计算出的当前图像的清晰度评价值；实时获取运动控制模块给出的对焦步进电机当前的位置，并记录清晰度评价值和其对应的电机位置；

(3)当清晰度评价值小于给定的阈值时，对焦步进电机反向运动：实施例中，当对焦步进电机运动到位置B点时，清晰度评价值小于给定的阈值，对焦步进电机反向运动；

(4)重复步骤(2)，即中央处理模块实时获取图像处理卡计算出的当前图像的清晰度评价值；实时获取运动控制模块给出的对焦步进电机当前的位置，并记录清晰度评价值和其对应的电机位置；当清晰度评价值再次小于给定的阈值时，对焦步进电机停止运动：实施例中，当对焦步进电机运动到位置C点时，清晰度评价值再次小于给定的阈值，对焦步进电机停止运动；

(5)查找记录，找出清晰度评价值的最大值点及其对应的电机位置，驱动对焦步进电机高速运动到此位置点，完成光纤端面对焦：实施例中，找到清晰度评价值的最大值点及其对应的电机位置D点，驱动对焦步进电机从位置C点高速运动到位置D点，完成光纤端面对焦；

(6)如图5所示，中央处理模块根据图像处理卡计算出的光纤端面所处的位置E，将E点与视场中心点F的距离换算成X、Y轴两个方向步进电机需要移动的步数，发送指令让运动控制模块驱动X、Y轴步进电机将光纤图像调整到视场中间F点；

(7)改变清晰度阈值，重复步骤(1)～(5)，完成光纤端面精细对焦；

具体实施时，刚开始光纤端面图像有可能处于视场边缘，如图4所示情况。图像在边缘对焦找到的清晰度最大值和将光纤端面图像调整到视场中间对焦找到的清晰度最大值是有差别的，所以需要第二次对焦，寻找在视场中间对焦找到的清晰度最大值。第一次对焦，清晰度评价值可能出现“双峰”或“多峰”情况，需要在更大的范围搜索，清晰度阈值设置较低，第二搜索时，清晰度已在最大值附近，此时增大清晰度的阈值，目的是加快搜索速度。用户可以根据该原则预先设置阈值的两次取值。

(8)重复步骤(6)，完成光纤端面精细位移。

至此，自动控制完成。

以上流程中，步骤(1)～(5)是对焦轴的运动，实现对焦流程，步骤(6)则是其他两轴的运动，用于将光纤移动到视场中间。

具体实施时，可采用软件方式实现流程的自动运行。

以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤端面检测方法，其特征在于：设置镜头、图像处理卡、中央处理模块、运动控制模块、步进电机和电控三维调节台，

所述镜头，用于实时获取待测光纤的端面图像；

所述图像处理卡，用于对镜头获取的图像进行高速图像处理，计算光纤端面图像的清晰度评价值和光纤端面在视场中所处的位置，并将计算结果反馈给中央处理模块；

所述中央处理模块，用于根据图像处理卡反馈结果调用自动控制流程，发送控制指令给运动控制模块；

所述运动控制模块，用于根据控制指令驱动三维调节台上的步进电机完成光纤的位移和对焦基本控制；

所述步进电机，用于安装到电控三维调节台的X、Y、Z轴上，其中Z轴步进电机是对焦步进电机，X、Y轴步进电机是平面位移步进电机；

所述电控三维调节台，用于放置待测光纤夹具，并能在步进电机的驱动下带动光纤完成三轴方向的微位移；

所述自动控制流程包括以下步骤，

步骤1，对焦步进电机向某一方向开始运动；

步骤2，中央处理模块实时获取图像处理卡计算出的当前图像的清晰度评价值；实时获取运动控制模块给出的对焦步进电机当前的位置，并记录清晰度评价值和其对应的电机位置；

步骤3，当清晰度评价值小于给定的阈值时，对焦步进电机反向运动；

步骤4，重复步骤2，当清晰度评价值再次小于给定的阈值时，对焦步进电机停止运动；

步骤5，查找记录，找出清晰度评价值的最大值点及其对应的电机位置，驱动对焦步进电机高速运动到此位置点，完成光纤端面对焦；

步骤6，中央处理模块根据图像处理卡计算出的光纤端面在视场中所处的位置，驱动平面位移步进电机将光纤图像调整到视场中间；

步骤7，增大清晰度阈值，重复步骤1～5，完成光纤端面精细对焦；

步骤8，重复步骤6，完成光纤端面精细位移。

2.根据权利要求1所述的光纤端面检测方法，其特征在于：所述图像处理卡与中央处理模块的连接是基于PCI-E总线，所述运动控制模块与中央处理模块的连接是基于PCI总线。

3.根据权利要求1或2所述的光纤端面检测方法，其特征在于：光纤端面图像的清晰度评价值计算实现包括以下步骤，

(1)镜头采集原始图像；

(2)图像预处理，并将原始图像转换为灰度图像；

(3)对转换后的灰度图像进行中值滤波；

(4)采用Laplacian边缘检测算法对滤波后的灰度图像进行边缘检测，计算出清晰度评价值。

4.根据权利要求1或2所述的光纤端面检测方法，其特征在于：计算光纤端面在视场中所处的位置，实现方式包括以下步骤，

(1)镜头采集原始图像；

(2)进行图像预处理，将采集的原始图像转换为灰度图像；

(3)采用Canny边缘检测算法对转换后的灰度图像进行处理，获取光纤包层边缘的二值化图像；

(4)采用findContorus轮廓提取算法对光纤包层边缘的二值化图像进行处理，提取光纤包层图像的轮廓；

(5)采用椭圆拟合算法处理光纤包层图像的轮廓，拟合出包含光纤包层端面图像的圆，并得到拟合圆的中心点坐标，认为是纤芯在视场中处的位置。

5.一种光纤端面检测系统，其特征在于：包括镜头、图像处理卡、中央处理模块、运动控制模块、步进电机和电控三维调节台，

所述镜头，用于实时获取待测光纤的端面图像；

所述图像处理卡，用于对镜头获取的图像进行高速图像处理，计算光纤端面图像的清晰度评价值和光纤端面在视场中所处的位置，并将计算结果反馈给中央处理模块；

所述中央处理模块，用于根据图像处理卡反馈结果调用自动控制流程，发送控制指令给运动控制模块；

所述运动控制模块，用于根据控制指令驱动三维调节台上的步进电机完成光纤的位移和对焦基本控制；

所述步进电机，用于安装到电控三维调节台的X、Y、Z轴上，其中Z轴步进电机是对焦步进电机，X、Y轴步进电机是平面位移步进电机；

所述电控三维调节台，用于放置待测光纤夹具，并能在步进电机的驱动下带动光纤完成三轴方向的微位移；

所述自动控制流程包括以下步骤，

步骤1，对焦步进电机向某一方向开始运动；

步骤2，中央处理模块实时获取图像处理卡计算出的当前图像的清晰度评价值；实时获取运动控制模块给出的对焦步进电机当前的位置，并记录清晰度评价值和其对应的电机位置；

步骤3，当清晰度评价值小于给定的阈值时，对焦步进电机反向运动；

步骤4，重复步骤2，当清晰度评价值再次小于给定的阈值时，对焦步进电机停止运动；

步骤5，查找记录，找出清晰度评价值的最大值点及其对应的电机位置，驱动对焦步进电机高速运动到此位置点，完成光纤端面对焦；

步骤6，中央处理模块根据图像处理卡计算出的光纤端面在视场中所处的位置，驱动平面位移步进电机将光纤图像调整到视场中间；

步骤7，增大清晰度阈值，重复步骤1～5，完成光纤端面精细对焦；

步骤8，重复步骤6，完成光纤端面精细位移。

6.根据权利要求5所述的光纤端面检测系统，其特征在于：所述图像处理卡与中央处理模块的连接是基于PCI-E总线，所述运动控制模块与中央处理模块的连接是基于PCI总线。

7.根据权利要求5或6所述的光纤端面检测系统，其特征在于：光纤端面图像的清晰度评价值计算实现包括以下步骤，

(1)镜头采集原始图像；

(2)图像预处理，并将原始图像转换为灰度图像；

(3)对转换后的灰度图像进行中值滤波；

(4)采用Laplacian边缘检测算法对滤波后的灰度图像进行边缘检测，计算出清晰度评价值。

8.根据权利要求5或6所述的光纤端面检测系统，其特征在于：计算光纤端面在视场中所处的位置，实现方式包括以下步骤，

(1)镜头采集原始图像；

(2)进行图像预处理，将采集的原始图像转换为灰度图像；

(3)采用Canny边缘检测算法对转换后的灰度图像进行处理，获取光纤包层边缘的二值化图像；

(4)采用findContorus轮廓提取算法对光纤包层边缘的二值化图像进行处理，提取光纤包层图像的轮廓；

(5)采用椭圆拟合算法处理光纤包层图像的轮廓，拟合出包含光纤包层端面图像的圆，并得到拟合圆的中心点坐标，认为是纤芯在视场中处的位置。