CN113916777B - 一种在线光纤缺陷快速检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种在线光纤缺陷快速检测的方法，该方法以在线检测为基础，将待检测光纤根据透光性分为可透光光纤和不透光光纤两种类型，基于前向散射法测量可透光光纤的内部缺陷和外部缺陷，以及基于阴影测量法测量可透光光纤以及不透光光纤的外部缺陷；两种缺陷检测原理最后通过阈值法实现缺陷的检测，并将两种检测原理的光路进行组合，实现一套系统两种检测光路。通过将CCD的数据分配给多线程进行处理，从而提高单个线程对数据处理时间的冗余，最终实现在线快速缺陷检测。本方法将可透光光纤和不透光光纤的缺陷检测光路进行组合，可以通过对少部分器件的改动，实现可透光光纤和不透光光纤的两种缺陷检测光路之间的切换，提高缺陷检测系统的检测效率。
Description
技术领域
本发明属于光学设计领域，涉及一种在线光纤缺陷快速检测的方法。
背景技术
在某些类型的光纤生产或线包的缠绕中，如制导光纤线包的缠绕，为提高线包的生产效率，需要光纤的移动速度够快，而当光纤处于快速移动的情况下时，对光纤的缺陷检测就会因为光纤移动速度的加快，使得对光纤采样的间隔增加，降低了采样的精准度，增加缺陷漏检的可能性。这造成了需要在光纤移动速度和缺陷检测效率之间的取舍关系。同时，现有的检测系统在能够实现外部缺陷检测的情况下难以实现内部缺陷的检测，因此需要花费更多的物资去购买一套新的检测系统。
发明内容
为了解决上述技术问题，本方法提出一种在线光纤缺陷快速检测的方法，可以实现在同一套检测系统内，通过少量器件的变动实现可透光和不透光这两种类型光纤的在线缺陷检测，通过阈值法和多线程处理的方法实现快速缺陷检测。
本发明以在线检测为基础，将待检测光纤根据透光性分为可透光光纤和不透光光纤两种类型，再根据可透光光纤在线可检测的内部缺陷和外部缺陷，以及不透光光纤在线可检测的外部陷阱缺陷等，提出基于前向散射法测量可透光光纤的内部缺陷和外部缺陷，以及基于阴影测量法测量可透光光纤以及不透光光纤的外部缺陷的检测方法。
对于可透光外部缺陷，既可以通过前向散射法，又可以通过阴影测量，两种方法都可以实现可透光光纤的外部缺陷，本发明在测量可透光光纤的外部缺陷时，前向散射法对系统的测量精度要求相对更高，当系统精度不高时，可以用阴影测量法来实现可透光光纤的外部缺陷检测，而且在光路设计中，阴影测量法可以实现双方向的外部缺陷检测。两种缺陷检测原理最后通过阈值法实现缺陷的检测，并将两种检测原理的光路进行组合，实现一套系统两种检测光路。由于在对CCD回传的数据处理时间上会对检测速度产生很大的影响，通过将CCD的数据分配给多线程进行处理，从而提高单个线程对数据处理时间的冗余，最终实现在线快速缺陷检测。本方法将可透光光纤和不透光光纤的缺陷检测光路进行组合，可以通过对少部分器件的改动，实现可透光光纤和不透光光纤的两种缺陷检测光路之间的切换，通过多线程处理CCD回传数据的方法，提高缺陷检测系统的检测效率，使得能够实现在线快速缺陷检测。
本发明的技术方案如下：一种在线光纤缺陷快速检测的方法，包括以下步骤：
步骤A、根据设计需求选择激光器，选择透镜，根据检测速度要求选择第一线阵CCD，以及两个平面反射镜和一个分光棱镜；
步骤B、确定待检测光纤的透光性以及缺陷检测类型；
步骤C、根据步骤B所确定的光纤透光性和缺陷检测类型，当待检测光纤为不透光光纤时，对应的缺陷检测类型为外部缺陷，采用阴影测量法进行测量；
当待检测为透光光纤，确定检测类型为外部缺陷及内部缺陷，其中对于外部缺陷的线径缺陷采用阴影测量法，内部缺陷采用前向散射法；
所述阴影测量法是将激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜以及第一线阵CCD的位置依次放置，一字排开，待检测光纤置于第一凸透镜与第二凸透镜中间位置，组成第一光路，在第一凸透镜后放置分光棱镜，分出的光束经平面反射镜反射后照射光纤，经凹透镜照射第二线阵CCD，组成第二光路，两CCD受光面中心均与光轴重合；
所述前向散射法是将激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜以及第一线阵CCD的位置一字排开，CCD受光面中心与光轴重合，待检测光纤置于第一凸透镜与第二凸透镜中间，并紧靠第二凸透镜，组成第一光路，在第二凸透镜后放置分光棱镜，分出的光束照射第二线阵CCD的受光面的端点，组成第二光路；
步骤D、根据步骤B所确定的光纤透光性和缺陷检测类型利用处理程序对第一线阵CCD回传数据进行处理，计算处理程序在单线程下处理一次CCD回传数据所需花费的时间，再根据检测速度要求，调整多线程数量处理CCD回传数据；
步骤E、按照步骤C中相关器件的放置，根据设计需求及CCD性能，调整器件位置，使得CCD能够接收足够进行分辨的光强，以此达到对缺陷检测足够的分辨率；
步骤F、根据步骤C-E中对检测系统的设计，将检测系统启动一段时间达到稳定后，测量得到误差允许范围内的标准光纤在检测系统中的结果，该结果是一个范围，并将此作为参考，通过飞线轮带动待检测光纤移动，测量得到的结果，通过阈值法比较待光纤检测结果是否在参考结果允许的范围内，判断是否存在光纤缺陷；
进一步地，所述步骤A中，根据设计需求选择激光器，可选一字线激光器，或点激光器通过扩束镜扩束，形成面光源；选择透镜时，一般需要第一凸透镜将光源转为平行面光源，为了前向散射光路的需要，选择第二凸透镜，其焦距应尽量长，使得在CCD上接收的前向散射图样足够清晰，而为了实现阴影测量，减少器件移动，可在经第二凸透镜的后光路选择一个小焦距的第三凸透镜，增加CCD上的阴影区域的宽度；根据检测速度要求选择第一线阵CCD，根据检测速度计算系统处理完成一次数据测量所需的时间，考虑一定的冗余时间作为选择CCD时的积分时间，以及两个平面反射镜实现阴影测量法中从两个方向照射光纤和一个分光棱镜将光路一分为二。
进一步地，所述步骤B中，根据待检测光纤的透光性，确定光纤是否可透光，由于是在线检测，对于可透光光纤可检测内部缺陷和外部缺陷；而对于不透光光纤，在线情况下，仅能检测包括线径缺陷在内的外部缺陷。
进一步地，所述步骤C中，对于可透光光纤，由于线径缺陷检测在前向散射法中的精度要求非常高，因此在缺陷检测系统的测量精度差的情况下(例如，图像分辨率低)，可以采用阴影测量法来实现可透光光纤的线径缺陷检测，其他类型的缺陷通过前向散射法实现检测；对于不透光光纤，从单个方向照射光纤可能会造成漏检情况的发生，为减少该类情况的发生，采用双方向检测的方法，两条光路均按照阴影测量法搭建。当检测目标是外部缺陷时，均可采用阴影测量法，将激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜以及第一线阵CCD一字排开，待检测光纤置于第一凸透镜与第二凸透镜中间位置，组成第一光路，在第一凸透镜后放置分光棱镜，分出的光束经平面反射镜反射后照射光纤，经凹透镜照射第二线阵CCD，组成第二光路，两CCD受光面中心均与光轴重合；当检测光纤是可透光光纤，检测目标是外部及内部缺陷时，其中线径缺陷采用阴影测量法，其他缺陷采用前向散射法，将激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜以及第一线阵CCD一字排开，CCD受光面中心与光轴重合，待检测光纤置于第一凸透镜与第二凸透镜中间，并紧靠第二凸透镜，组成第一光路，在第三凸透镜后放置分光棱镜，分出的光束照射第二线阵CCD的受光面的端点，组成第二光路。
进一步地，所述步骤D中，在确定的光纤透光性和缺陷检测类型后，通过编写、调试对第一线阵CCD回传数据的处理程序，确定检测判定方法。
对于前向散射法，在检测流程中参考部分，需要利用已知标准线径光纤作为参考光纤进行测量，获取参考光纤下检测系统中CCD所接收的前向散射图样，确定散射图样近似中双光束干涉形成的条纹区域，计算双光束干涉区域内的光强均值、光强最值信息Im0，条件允许时可以计算双光束干涉区域的条纹周期内的平均像元数量范围[Q1,Q2]，作为参考值输入检测部分。在检测部分，对待检测光纤进行测量，获取双光束干涉部分条纹内像元数量的均值Qn以及光强均值、最值数据Imn。当Imn各值与Im0之间的差值存在较大变化，在系统中依实际需求设定最大值与最小值之间的偏差，如20％，或差值的平均数值大于Im0达到10％时判定存在内部缺陷，若不存在内部缺陷，则进入线径缺陷的判定；当像元数量超出允许范围[Q1,Q2]时，即可判定待检测光纤的当前区域存在线径缺陷；当既不存在线径缺陷，也不存在内部缺陷，即可判定光纤不存在明显的缺陷。
对于阴影测量法，首先需要记录在无光纤的情况下，CCD接收光束直接照射的情况下的光强分布I0，再记录在已知线径作为参考光纤在检测系统中，CCD接收的光强分布Ic。通过I0–Ic可获得光纤插入后形成的阴影区域的光强变化。对阴影区域的判断标准为：无光纤与有光纤两种情况下CCD所接收的光强分布的差值，在差值中，阴影区域对应的数值应为正数，考虑到仍有噪声的存在，计算差值中小于0的序列位置，在计算相邻位置之间的间隔数，获得最大间隔减1即阴影区域所覆盖的像元数量。可以通过已知的线径误差允许范围极值分别利用检测系统测量计算的到对应的阴影区域的像元数量，计算出在光纤线径误差允许范围内所对应的像元数量的范围[P1，P2]。在检测部分，同样利用待检测光纤计算阴影区域的像元数量Pn，通过与误差允许的范围[P1，P2]比较，即可判断光纤是否存在线径缺陷。
计算处理程序在单线程下处理一次CCD回传数据所需花费的时间，再根据检测速度要求，按需设计多线程处理CCD回传数据。在单线程中系统处理的时间轴分布中，数据传输依赖硬件，每次传输的时间几乎一致，因此可以不考虑CCD从积分完的数据传输至检测系统中所花的时间。令Tccd为CCD的积分时间，Tsys为检测系统完成一次数据处理判断所花的时间，检测系统中在完成处理判断后应剩余时间Tres＝Tccd–Tsys＞0。由于系统对数据的处理时间会存在一定的波动，对于单线程，当处理时间超过Tsys积分时间Tccd，只能选择放弃本次数据的处理，否则会导致大量数据的积压，严重影响后续数据的处理。不妨令检测系统的检测时间100us<Tsys<200us，对于单线程处理的检测系统，检测时间总是大于CCD的积分时间，100us的时间内，检测系统总是无法完成数据的一系列操作。但在双线程中，如果将CCD积分结果的次数按照121212…的顺序分别进入线程1和线程2中分别进行处理，此时系统中可以有2倍积分时间，即2Tccd的时间来实现对数据的处理与判断。
进一步地，所述步骤E中，根据设计需求及CCD性能，调整器件位置，使得CCD能够接收足够进行分辨的光强，以此达到对缺陷检测足够的分辨率。在阴影测量法的光路中，可以通过将CCD位置向光路后方移动，在光强足够的情况下，使得CCD所接收到的阴影区域的宽度增加，提高检测系统的分辨率，也可以通过移动第三凸透镜、凹透镜改变检测系统的分辨率；在前向散射法的光路中，在经第二凸透镜后，形成的散射图样的双光束干涉区域位于近光轴区域，为减少干扰光，CCD应位于第二凸透镜的焦平面前后，可以适当调整位置，但需要确保第二凸透镜汇聚的光应落在CCD受光面之外。
进一步地，所述步骤F中，将检测系统启动一段时间达到稳定后，测量得到误差允许范围内的标准光纤在检测系统中的结果，将此作为参考，通过飞线轮带动待检测光纤移动，测量得到的结果，通过阈值法比较待光纤检测结果是否在参考结果允许的范围内，判断是否存在光纤缺陷。
本发明原理在于：一种在线光纤缺陷快速检测的方法，具体实现步骤为：
(1)根据设计需求选择激光器，可选一字线激光器，或点激光器通过扩束镜扩束，形成面光源；选择透镜时，一般需要第一凸透镜将光源转为平行面光源，为了前向散射光路的需要，选择第二凸透镜，其焦距应尽量长，使得在CCD上接收的前向散射图样足够清晰，而为了实现阴影测量，减少器件移动，可在经第二凸透镜的后光路选择一个小焦距的第三凸透镜，增加CCD上的阴影区域的宽度；根据检测速度要求选择第一线阵CCD，根据检测速度计算系统处理完成一次数据测量所需的时间，考虑一定的冗余时间作为选择CCD时的积分时间，以及两个平面反射镜实现阴影测量法中从两个方向照射光纤和一个分光棱镜将光路一分为二。
(2)根据待检测光纤的透光性，确定光纤是否可透光，由于是在线检测，对于可透光光纤可检测内部缺陷和外部缺陷；而对于不透光光纤，在线情况下，仅能检测包括线径缺陷在内的外部缺陷。
(3)对于可透光光纤，由于线径缺陷检测在前向散射法中的精度要求非常高，因此在条件不足的情况下，可以采用阴影测量法来实现可透光光纤的线径缺陷检测，其他类型的缺陷通过前向散射法实现检测；对于不透光光纤，从单个方向照射光纤可能会造成漏检情况的发生，为减少该类情况的发生，采用双方向检测的方法，两条光路均按照阴影测量法搭建。当检测目标是外部缺陷时，均可采用阴影测量法，将激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜以及第一线阵CCD一字排开，待检测光纤置于第一凸透镜与第二凸透镜中间位置，组成第一光路，在第一凸透镜后放置分光棱镜，分出的光束经平面反射镜反射后照射光纤，经凹透镜照射第二线阵CCD，组成第二光路，两CCD受光面中心均与光轴重合；当检测光纤是可透光光纤，检测目标是外部及内部缺陷时，其中线径缺陷采用阴影测量法，其他缺陷采用前向散射法，将激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜以及第一线阵CCD一字排开，CCD受光面中心与光轴重合，待检测光纤置于第一凸透镜1与第二凸透镜2中间，并紧靠第二凸透镜，组成第一光路，在第三凸透镜后放置分光棱镜，分出的光束照射第二线阵CCD的受光面的端点，组成第二光路。
(4)在确定的光纤透光性和缺陷检测类型后，通过编写、调试对第一线阵CCD回传数据的处理程序，确定检测判定方法。
对于前向散射法，在检测流程中参考部分，需要利用已知标准线径光纤作为参考光纤进行测量，获取参考光纤下检测系统中CCD所接收的前向散射图样，确定散射图样近似中双光束干涉形成的条纹区域，计算双光束干涉区域内的光强均值、光强最值信息Im0，条件允许时可以计算双光束干涉区域的条纹周期内的平均像元数量范围[Q1,Q2]，作为参考值输入检测部分。在检测部分，对待检测光纤进行测量，获取双光束干涉部分条纹内像元数量的均值Qn以及光强均值、最值数据Imn。当Imn各值与Im0之间的差值存在较大变化，在系统中依实际需求设定最大值与最小值之间的偏差，如20％，或差值的平均数值大于Im0达到10％时判定存在内部缺陷，若不存在内部缺陷，则进入线径缺陷的判定；当像元数量超出允许范围[Q1,Q2]时，即可判定待检测光纤的当前区域存在线径缺陷；当既不存在线径缺陷，也不存在内部缺陷，即可判定光纤不存在明显的缺陷。
对于阴影测量法，首先需要记录在无光纤的情况下，CCD接收光束直接照射的情况下的光强分布I0，再记录在已知线径作为参考光纤在检测系统中，CCD接收的光强分布Ic。通过I0–Ic可获得光纤插入后形成的阴影区域的光强变化。对阴影区域的判断标准为：无光纤与有光纤两种情况下CCD所接收的光强分布的差值，在差值中，阴影区域对应的数值应为正数，考虑到仍有噪声的存在，计算差值中小于0的序列位置，在计算相邻位置之间的间隔数，获得最大间隔减1即阴影区域所覆盖的像元数量。可以通过已知的线径误差允许范围极值分别利用检测系统测量计算的到对应的阴影区域的像元数量，计算出在光纤线径误差允许范围内所对应的像元数量的范围[P1，P2]。在检测部分，同样利用待检测光纤计算阴影区域的像元数量Pn，通过与误差允许的范围[P1，P2]比较，即可判断光纤是否存在线径缺陷。
计算处理程序在单线程下处理一次CCD回传数据所需花费的时间，再根据检测速度要求，按需设计多线程处理CCD回传数据。在单线程中系统处理的时间轴分布中，数据传输依赖硬件，每次传输的时间几乎一致，因此可以不考虑CCD从积分完的数据传输至检测系统中所花的时间。令Tccd为CCD的积分时间，Tsys为检测系统完成一次数据处理判断所花的时间，检测系统中在完成处理判断后应剩余时间Tres＝Tccd–Tsys＞0。由于系统对数据的处理时间会存在一定的波动，对于单线程，当处理时间超过Tsys积分时间Tccd，只能选择放弃本次数据的处理，否则会导致大量数据的积压，严重影响后续数据的处理。不妨令检测系统的检测时间100us<Tsys<200us，对于单线程处理的检测系统，检测时间总是大于CCD的积分时间，100us的时间内，检测系统总是无法完成数据的一系列操作。但在双线程中，如果将CCD积分结果的次数按照121212…的顺序分别进入线程1和线程2中分别进行处理，此时系统中可以有2倍积分时间，即2Tccd的时间来实现对数据的处理与判断。
(5)根据设计需求及CCD性能，调整器件位置，使得CCD能够接收足够进行分辨的光强，以此达到对缺陷检测足够的分辨率。在阴影测量法的光路中，可以通过将CCD位置向光路后方移动，在光强足够的情况下，使得CCD所接收到的阴影区域的宽度增加，提高检测系统的分辨率，也可以通过移动第三凸透镜、凹透镜改变检测系统的分辨率；在前向散射法的光路中，在经第二凸透镜后，形成的散射图样的双光束干涉区域位于近光轴区域，为减少干扰光，CCD应位于第二凸透镜的焦平面前后，可以适当调整位置，但需要确保第二凸透镜汇聚的光应落在CCD受光面之外。
(6)将检测系统启动一段时间达到稳定后，测量得到误差允许范围内的标准光纤在检测系统中的结果，将此作为参考，通过飞线轮带动待检测光纤移动，测量得到的结果，通过阈值法比较待光纤检测结果是否在参考结果允许的范围内，判断是否存在光纤缺陷。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明可利用一套检测系统中，仅通过少部分器件的改动，实现可透光和不透光两种类型光纤的在线快速缺陷检测，可透光光纤实现内部缺陷和外部缺陷的检测，不透光光纤实现外部缺陷的检测，检测速度由第一线阵CCD的积分时间和处理器的线程数直接影响，因此实现快速缺陷检测相对更加容易；两种检测光路中的大部分器件公用，因此搭建检测系统物资花费更少。
附图说明
图1为本发明一种在线光纤缺陷快速检测的方法实现流程图；
图2为平行光束照射可透光光纤时三种光束的入射和出射；
图3为入射光束1和入射光束2的散射角极值情况；
图4为前向散射图样在不同散射角中的光束组成；
图5为前向散射法的基本光路图；
图6为阴影测量法中CCD所接收光强分布及线径检测；
图7为阴影测量法的基本光路图；
图8为截面椭圆的光纤示意图；
图9为不透光光纤的在线缺陷快速检测光路图；
图10为可透光光纤的在线缺陷快速检测光路图；
图11为单线程处理CCD测量数据时间轴分布示意图；
图12为双线程处理CCD测量数据时间轴分布示意图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。
本发明提供了一种在线光纤缺陷快速检测的方法，该方法以在线检测为基础，将待检测光纤根据透光性分为可透光光纤和不透光光纤两种类型，再根据可透光光纤在线可检测的内部缺陷和外部缺陷，以及不透光光纤在线可检测的外部陷阱缺陷等，提出基于前向散射法测量可透光光纤的内部缺陷和外部缺陷，以及基于阴影测量法测量可透光光纤以及不透光光纤的外部缺陷的检测方法。两种缺陷检测原理最后通过阈值法实现缺陷的检测，并将两种检测原理的光路进行组合，实现一套系统两种检测光路。由于在对CCD回传的数据处理时间上会对检测速度产生很大的影响，通过将CCD的数据分配给多线程进行处理，从而提高单个线程对数据处理时间的冗余，最终实现在线快速缺陷检测。本方法将可透光光纤和不透光光纤的缺陷检测光路进行组合，可以通过对少部分器件的改动，实现可透光光纤和不透光光纤的两种缺陷检测光路之间的切换，通过多线程处理CCD回传数据的方法，提高缺陷检测系统的检测效率，使得能够实现在线快速缺陷检测。
如图1所示，根据本发明的实施例，一种在线光纤缺陷快速检测的方法，具体实现步骤如下：
(1)根据设计需求选择激光器，可选一字线激光器，或点激光器通过扩束镜扩束，形成面光源；如图5所示，选择透镜时，一般需要第一凸透镜1将光源转为平行面光源，为了前向散射光路的需要，选择第二凸透镜2，其焦距应尽量长，使得在CCD上接收的前向散射图样足够清晰，而为了实现阴影测量，减少器件移动，如图7所示，可在经第二凸透镜2的后光路选择一个小焦距的第三凸透镜3，增加CCD上的阴影区域的宽度；根据检测速度要求选择第一线阵CCD，根据检测速度计算系统处理完成一次数据测量所需的时间，考虑一定的冗余时间作为选择CCD时的积分时间，以及两个平面反射镜实现阴影测量法中从两个方向照射光纤和一个分光棱镜将光路一分为二，如图9所示。
对于前向散射法，如图2，不妨令包层折射率为n1，半径为r1；纤芯折射率为n2，半径为r2；入射光线a的入射角为T1，折射角为U1；入射光线b在空气-包层界面处的入射角为T2，折射角为U2；入射光线b在包层-纤芯界面处的入射角为T3，折射角为U3。P1为输入参考平面，P2为输出参考平面。三条入射光线的散射角为θ。则有：
r1sinT1＝r1n1sinU1＝k1
r1sinT2＝r1n1sinU2＝r2n2sinU3＝r2n1sinT3＝k2
θ/2＝T2-U2+T3-U3＝T1-U1
式中的k1、k2均为常数。另，可得三束入射光线的光程：
入射光线a：
la＝2r1(n1cosU1+cosT2-cosT1)-λ/4
入射光线b：
lb＝2n2r2cosU3+2n1(r1cosU2-r2cosT3)-λ/4
入射光线c：
lc＝2r1(cosT2-sin(θ/2))+λ/2
式中，λ/2为入射光线c从光疏介质空气到光密介质包层之间的界面时发生反射时所产生的相位。
需要注意的是，当激光照射光纤后，不同的入射光线会在光纤后方的不同散射角区域内进行不同的组合叠加，选择合适的散射角范围对光强进行记录分析，极大影响光纤缺陷检测的精准度。经研究，发现入射光线a的散射角存在一极小值θc，即入射光线a的出射散射角的角度范围为[θc,90°)；入射光线b的散射角存在一极大值θu，即入射光线b的出射散射角的角度范围为(0,θu]。且两出射散射角极值之间的关系有：θc<θu，光路图如图3所示：
入射光线a的极小散射角：
入射光线b的极大散射角：
可以发现，当照射光纤后的光线的散射角范围为θc≤θ≤θu时，可以近似地认为，激光照射光纤后的前向散射图样是由入射光线a-c共同相干叠加而形成的干涉图样；当光线的散射角θ≤θc时，可以认为是入射光线b-c相干叠加而形成的干涉图样；当光线的散射角θu≤θ时，可以认为是入射光线a和入射光线c相干叠加而形成的干涉图样。则入射光以垂直入射面的方向入射照射光纤后，在光纤后方可得到前向散射的干涉图样的光强分布情况：
式中，Ibc表示由入射光线b和c相干叠加的光强分布；Iabc表示由入射光线a-c相干叠加的光强分布；Iac表示由入射光线a和c相干叠加的光强分布。
如图4为某光纤在激光照射下的干涉光强分布曲线，显示散射角范围0°～40°，可以发现，在散射角θc≤θ≤θu的范围内，入射光线a与b干涉形成的低频包络线对总的干涉条纹形成了振幅调制效果；在散射角θ≤θc及θu≤θ范围内，均可看作双光束干涉图样。(a)为总干涉光强分布曲线；(b)为入射光线a与b的干涉光强分布曲线；(c)为入射光线b与c的干涉光强分布曲线；(d)为入射光线a与c的干涉光强分布曲线。
对于阴影测量法，如图6所示，当光纤受到一束均匀分布的光线照射时，由于光纤对与其接触的光纤的反射等作用，使得在光纤后的CCD对光线的接收，在光强信息分布上，会有一部分区域会出现明显的弱光强，图6所示为理想情况下光纤遮挡光束后CCD接收的光强信息分布。通过对CCD接收的光强分布的强弱边缘设定适当的光强阈值，计算范围内的CCD的感光元件的数量乘以感光元件的尺寸，得到CCD接收到的光纤遮挡光束的宽度，进而得到单个感光元件所对应的线径长度。通过比较标准线径光纤与待检测光纤下的光纤遮挡光束的宽度或感光元件的数量，从而实现光纤线径缺陷的检测。
(2)根据待检测光纤的透光性，确定光纤是否可透光，由于是在线检测，对于可透光光纤可检测内部缺陷和外部缺陷；而对于不透光光纤，在线情况下，仅能检测包括线径缺陷在内的外部缺陷。
(3)对于可透光光纤，由于线径缺陷检测在前向散射法中的精度要求非常高，因此在条件不足的情况下，可以采用阴影测量法来实现可透光光纤的线径缺陷检测，其他类型的缺陷通过前向散射法实现检测；对于不透光光纤，从单个方向照射光纤可能会造成漏检情况的发生，为减少该类情况的发生，采用双方向检测的方法，两条光路均按照阴影测量法搭建。当检测目标是外部缺陷时，均可采用阴影测量法，将激光器、第一凸透镜1、第二凸透镜2、第三凸透镜3以及第一线阵CCD一字排开，待检测光纤置于第一凸透镜1与第二凸透镜2中间位置，组成第一光路1，在第一凸透镜1后放置分光棱镜，分出的光束经平面反射镜反射后照射光纤，经凹透镜照射第二线阵CCD，组成第二光路2，两CCD受光面中心均与光轴重合，如图9；当检测光纤是可透光光纤，检测目标是外部及内部缺陷时，其中线径缺陷采用阴影测量法，其他缺陷采用前向散射法，将激光器、第一凸透镜1、第二凸透镜2、第三凸透镜3以及第一线阵CCD一字排开，CCD受光面中心与光轴重合，待检测光纤置于第一凸透镜1与第二凸透镜2中间，并紧靠第二凸透镜2，组成第一光路1，在第三凸透镜3后放置分光棱镜，分出的光束照射第二线阵CCD的受光面的端点，组成第二光路2，如图10。
(4)在确定的光纤透光性和缺陷检测类型后，通过编写、调试对第一线阵CCD回传数据的处理程序，确定检测判定方法。
对于前向散射法，在检测流程中参考部分，需要利用已知标准线径光纤作为参考光纤进行测量，获取参考光纤下检测系统中CCD所接收的前向散射图样，确定散射图样近似中双光束干涉形成的条纹区域，计算双光束干涉区域内的光强均值、光强最值信息Im0，条件允许时可以计算双光束干涉区域的条纹周期内的平均像元数量范围[Q1,Q2]，作为参考值输入检测部分。在检测部分，对待检测光纤进行测量，获取双光束干涉部分条纹内像元数量的均值Qn以及光强均值、最值数据Imn。当Imn各值与Im0之间的差值存在较大变化，在系统中依实际需求设定最大值与最小值之间的偏差，如20％，或差值的平均数值大于Im0达到10％时判定存在内部缺陷，若不存在内部缺陷，则进入线径缺陷的判定；当像元数量超出允许范围[Q1,Q2]时，即可判定待检测光纤的当前区域存在线径缺陷；当既不存在线径缺陷，也不存在内部缺陷，即可判定光纤不存在明显的缺陷。
对于阴影测量法，首先需要记录在无光纤的情况下，CCD接收光束直接照射的情况下的光强分布I0，再记录在已知线径作为参考光纤在检测系统中，CCD接收的光强分布Ic。通过I0–Ic可获得光纤插入后形成的阴影区域的光强变化。对阴影区域的判断标准为：无光纤与有光纤两种情况下CCD所接收的光强分布的差值，在差值中，阴影区域对应的数值应为正数，考虑到仍有噪声的存在，计算差值中小于0的序列位置，在计算相邻位置之间的间隔数，获得最大间隔减1即阴影区域所覆盖的像元数量。可以通过已知的线径误差允许范围极值分别利用检测系统测量计算的到对应的阴影区域的像元数量，计算出在光纤线径误差允许范围内所对应的像元数量的范围[P1，P2]。在检测部分，同样利用待检测光纤计算阴影区域的像元数量Pn，通过与误差允许的范围[P1，P2]比较，即可判断光纤是否存在线径缺陷。
计算处理程序在单线程下处理一次CCD回传数据所需花费的时间，再根据检测速度要求，按需设计多线程处理CCD回传数据。在单线程中系统处理的时间轴分布中，数据传输依赖硬件，每次传输的时间几乎一致，因此可以不考虑CCD从积分完的数据传输至检测系统中所花的时间。令Tccd为CCD的积分时间，Tsys为检测系统完成一次数据处理判断所花的时间，检测系统中在完成处理判断后应剩余时间Tres＝Tccd–Tsys＞0。由于系统对数据的处理时间会存在一定的波动，对于图11中所示的单线程，当处理时间超过Tsys积分时间Tccd，只能选择放弃本次数据的处理，否则会导致大量数据的积压，严重影响后续数据的处理。不妨令检测系统的检测时间100us<Tsys<200us，对于单线程处理的检测系统，检测时间总是大于CCD的积分时间，100us的时间内，检测系统总是无法完成数据的一系列操作。但在双线程中，如果将CCD积分结果的次数按照121212…的顺序分别进入线程1和线程2中分别进行处理，此时系统中可以有2倍积分时间，即2Tccd的时间来实现对数据的处理与判断，如图12。
(5)根据设计需求及CCD性能，调整器件位置，使得CCD能够接收足够进行分辨的光强，以此达到对缺陷检测足够的分辨率。在阴影测量法的光路中，可以通过将CCD位置向光路后方移动，在光强足够的情况下，使得CCD所接收到的阴影区域的宽度增加，提高检测系统的分辨率，也可以通过移动第三凸透镜3、凹透镜改变检测系统的分辨率；在前向散射法的光路中，在经第二凸透镜2后，形成的散射图样的双光束干涉区域位于近光轴区域，为减少干扰光，CCD应位于第二凸透镜2的焦平面前后，可以适当调整位置，但需要确保第二凸透镜2汇聚的光应落在CCD受光面之外。
(6)将检测系统启动一段时间达到稳定后，测量得到误差允许范围内的标准光纤在检测系统中的结果，将此作为参考，通过飞线轮带动待检测光纤移动，测量得到的结果，通过阈值法比较待光纤检测结果是否在参考结果允许的范围内，判断是否存在光纤缺陷。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (8)
1.一种在线光纤缺陷快速检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、根据设计需求选择激光器，选择透镜，根据检测速度要求选择第一线阵CCD，以及两个平面反射镜和一个分光棱镜；
步骤B、确定待检测光纤的透光性以及缺陷检测类型；
步骤C、根据步骤B所确定的光纤透光性和缺陷检测类型，当待检测光纤为不透光光纤时，对应的缺陷检测类型为外部缺陷，采用阴影测量法进行测量；
当待检测为透光光纤，确定检测类型为外部缺陷及内部缺陷，其中对于外部缺陷的线径缺陷采用阴影测量法，内部缺陷采用前向散射法；
所述阴影测量法是将激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜以及第一线阵CCD的位置依次放置，一字排开，待检测光纤置于第一凸透镜与第二凸透镜中间位置，组成第一光路，在第一凸透镜后放置分光棱镜，分出的光束经平面反射镜反射后照射光纤，经凹透镜照射第二线阵CCD，组成第二光路，两CCD受光面中心均与光轴重合；
所述前向散射法是将激光器、第一凸透镜、第二凸透镜、第三凸透镜以及第一线阵CCD的位置一字排开，第一线阵CCD受光面中心与光轴重合，待检测光纤置于第一凸透镜与第二凸透镜中间，并紧靠第二凸透镜，组成第一光路，在第二凸透镜后放置分光棱镜，分出的光束照射第二线阵CCD的受光面的端点，组成第二光路；
步骤D、根据步骤B所确定的光纤透光性和缺陷检测类型利用处理程序对第一线阵CCD回传数据进行处理，计算处理程序在单线程下处理一次CCD回传数据所需花费的时间，再根据检测速度要求，调整多线程数量处理CCD回传数据；
步骤E、按照步骤C中相关器件的放置，根据设计需求及CCD性能，调整器件位置，使得CCD能够接收足够进行分辨的光强，以此达到对缺陷检测足够的分辨率；
步骤F、根据步骤C-E中对检测系统的设计，将检测系统启动一段时间达到稳定后，测量得到误差允许范围内的标准光纤在检测系统中的结果，该结果是一个范围，并将此作为参考，通过飞线轮带动待检测光纤移动，测量得到的结果，通过阈值法比较待光纤检测结果是否在参考结果允许的范围内，判断是否存在光纤缺陷。
2.根据权利要求1所述的在线光纤缺陷快速检测的方法，其特征在于：所述步骤A中，所述激光器，包括一字线激光器，或点激光器通过扩束镜扩束，形成面光源；
所述透镜，采用第一凸透镜将光源转为平行面光源；
在经第二凸透镜的后光路选择一个第三凸透镜，增加CCD上的阴影区域的宽度；根据检测速度要求选择第一线阵CCD，根据检测速度计算系统处理完成一次数据测量所需的时间，考虑一定的冗余时间作为选择CCD时的积分时间，以及两个平面反射镜实现阴影测量法中从两个方向照射光纤和一个分光棱镜将光路一分为二。
3.根据权利要求1所述的在线光纤缺陷快速检测的方法，其特征在于：所述步骤B中，根据待检测光纤的透光性，确定光纤是否可透光，由于是在线检测，对于可透光光纤检测内部缺陷和外部缺陷；而对于不透光光纤，在线情况下，仅检测包括线径缺陷在内的外部缺陷。
4.根据权利要求1所述的在线光纤缺陷快速检测的方法，其特征在于：所述步骤C中，
对于可透光光纤，采用阴影测量法来实现可透光光纤的线径缺陷检测，光纤内部的缺陷通过前向散射法实现检测；
对于不透光光纤，采用双方向检测的方法检测线径缺陷，两条光路均按照阴影测量法搭建。
5.根据权利要求1所述的在线光纤缺陷快速检测的方法，其特征在于：所述步骤D中，在确定的光纤透光性和缺陷检测类型后，通过利用处理程序对第一线阵CCD回传数据进行处理程序，确定检测判定方法；
对于前向散射法，针对透光光纤检测内部缺陷和线径缺陷，在检测流程中参考阶段，需要利用已知标准线径光纤作为参考光纤进行测量，获取参考光纤下检测系统中CCD所接收的前向散射图样，确定散射图样近似中双光束干涉形成的条纹区域，计算双光束干涉区域内的光强均值、光强最值信息Im0，当测量系统的图像分辨率高于预设值时，计算双光束干涉区域的条纹周期内的平均像元数量范围[Q1,Q2]，作为参考值输入检测部分；在检测阶段，对待检测光纤进行测量，获取双光束干涉部分条纹内像元数量的均值Qn以及光强均值、最值数据Imn；当Imn各值与Im0之间的差值存在变化，在系统中依实际需求设定最大值与最小值之间的偏差阈值，或差值的平均数值大于Im0达到阈值时判定存在内部缺陷，若不存在内部缺陷，则进入线径缺陷的判定；当像元数量超出允许范围[Q1,Q2]时，即可判定待检测光纤的当前区域存在线径缺陷；当既不存在线径缺陷，也不存在内部缺陷，即可判定光纤不存在明显的缺陷；
对于阴影测量法，在参考阶段，首先需要记录在无光纤的情况下，CCD接收光束直接照射的情况下的光强分布I0，再记录在已知线径作为参考光纤在检测系统中，CCD接收的光强分布Ic；通过I0–Ic可获得光纤插入后形成的阴影区域的光强变化；对阴影区域的判断标准为：无光纤与有光纤两种情况下CCD所接收的光强分布的差值，在差值中，阴影区域对应的数值应为正数，考虑到仍有噪声的存在，计算差值中小于0的序列位置，在计算相邻位置之间的间隔数，获得最大间隔减即阴影区域所覆盖的像元数量；通过已知的线径误差允许范围极值分别利用检测系统测量计算的到对应的阴影区域的像元数量，计算出在光纤线径误差允许范围内所对应的像元数量的范围[P1，P2]；在检测阶段，同样利用待检测光纤计算阴影区域的像元数量Pn，通过与误差允许的范围[P1，P2]比较，即可判断光纤是否存在线径缺陷。
6.根据权利要求1所述的在线光纤缺陷快速检测的方法，其特征在于：所述步骤D中，计算处理程序在单线程下处理一次CCD回传数据所需花费的时间，再根据检测速度要求，调整多线程数量处理CCD回传数据；在单线程中系统处理的时间轴分布中，数据传输依赖硬件，每次传输的时间几乎一致，令Tccd为CCD的积分时间，Tsys为检测系统完成一次数据处理判断所花的时间，检测系统中在完成处理判断后应剩余时间Tres＝Tccd–Tsys＞0；
对于单线程，当处理时间超过Tsys积分时间Tccd，能选择放弃本次数据的处理；
在双线程中，如果将CCD积分结果的次数按照121212…的顺序分别进入线程1和线程2中分别进行处理，此时系统中有2倍积分时间，即2Tccd的时间来实现对数据的处理与判断。
7.根据权利要求1所述的在线光纤缺陷快速检测的方法，其特征在于：所述步骤E中，根据设计需求及CCD性能，调整器件位置，使得CCD能够接收足够进行分辨的光强，以此达到对缺陷检测足够的分辨率；
在阴影测量法的光路中，通过将CCD位置向光路后方移动，使得CCD所接收到的阴影区域的宽度增加，提高检测系统的分辨率，或通过移动第三凸透镜、凹透镜改变检测系统的分辨率；
在前向散射法的光路中，在经第二凸透镜后，形成的散射图样的双光束干涉区域位于近光轴区域，为减少干扰光，CCD应位于第二凸透镜的焦平面前后，但需要确保第二凸透镜汇聚的光应落在CCD受光面之外。
8.根据权利要求1所述的在线光纤缺陷快速检测的方法，其特征在于：所述步骤F中，将检测系统启动一段时间达到稳定后，测量得到误差允许范围内的标准光纤在检测系统中的结果，将此作为参考，通过飞线轮带动待检测光纤移动，测量得到的结果，通过阈值法比较待光纤检测结果是否在参考结果允许的范围内，判断是否存在光纤缺陷。
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