CN1205464C - 检测光纤缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

在用于检测要测量光纤缺陷的缺陷检测方法中，激光束从光纤光轴横向方向照射到光纤上以检查透过光纤内部并且散射的前向散射光线光强度分布，和根据光强度分布模式检测要测量光纤的缺陷，光强度分布模式服从于具有弱平滑度的平滑过程和具有强平滑度的平滑过程分别形成第一和第二模式，根据第一和第二模式之间的差或比值形成判断模式，通过评价判断模式幅度检测要测量光纤的缺陷。光强度分布模式服从于傅立叶变换以形成频谱模式，通过利用双对数轴评价频谱模式，对频谱模式具有高贡献率的判断曲线被应用于频谱模式以查找频谱模式与判断曲线之间的偏差，根据该偏差的幅度检测要测量光纤的缺陷。

Description

检测光纤缺陷的方法

技术领域

本发明涉及一种缺陷检测方法，用于检查光纤的缺陷，该方法适合于在拉丝操作期间在线检查光纤。

背景技术

如果光纤有内部缺陷例如空洞，将产生不希望出现的问题例如增加光传输损耗和/或减少机械强度和/或光纤接头之间熔接不良。

为对付这些问题，在光纤拉丝设备中，在拉丝操作期间检测这种空洞缺陷。

例如，如同在日本已公开专利4-106448(1992)中所公开的或如同图9A所示，已经提出了一种系统，其中在拉丝操作期间利用激光束从横向照射所要测量的原料光纤A(此后仅称为“要测量光纤”)，通过光纤A前向散射的光线C由图象传感器D例如CCD行传感器接收，来自传感器的信号在信号处理部分E和判断处理部分F中处理，由此获得前向散射光线C的强度分布模式并且根据该模式G检测要测量光纤A的缺陷。

在信号处理部分E中，由图象传感器D所接收的散射光线C的光强度沿扫描行检测读取(由图9A中箭头a表示)，由此输出光强度分布模式G。在此情况下，直接从光源(未图示)辐射的激光束B(散射光线C具有零位移角)由图象传感器D在扫描行方向中心部分接收，由要测量光纤散射的散射光线C在传感器中心部分两侧接收，所以图9B所示的图中纵坐标表示传感器位置坐标(散射光线位移角)而横坐标表示光强度，光强度分布模式在传感器位置零坐标附近变成具有峰值的山峰模式。

在判断处理部分F中，图象传感器D捕获的光强度分布模式G与以前测量的正常(正确)光纤的光强度分布模式(基准模式)进行比较，根据某个阈值判断两个模式之间的一致或不一致，由此确定要测量光纤A是正常或不正常。在此情况下，根据将光线照射到已经通过适当方法确定没有缺陷的光纤上所获得的前向散射光线模式获得基准模式。尽管通过检查被判断为正常的多个光纤的前向散射光线的光强度分布模式并且将结果进行平均可以获得基准模式，无论任何，都使用固定基准模式。

在拉丝操作的在线测量期间，要测量光纤A可能晃动或光纤位置可能偏移或光纤外部直径改变或激光束强度改变，结果在判断处理部分F中实际处理的光强度分布模式G中加入了各种改变因素。例如，如图10A所示，模式G总的向上或向下移动，或如图10B所示，模式总的向左或向右移动，或如图10C所示，模式G的斜率改变(在这些图中，只图示了传感器零坐标位置的模式G的正和负的部分)。结果，当使用固定模式时，即使要测量光纤A自身没有不正常之处，在基准模式与测量获得的模式G之间也会有大的差别，结果可能会被判断为不正常。为避免该问题，通常考虑这种外部改变因素，对基准模式给出一定宽度(松动)，所以只要测量出模式G在基准模式的一定范围内(在阈值内)，要测量光纤A判断为正常。

可是，现在已经发现在某些情况下这种松动忽略了应当被检测的缺陷。例如，在光纤横截位置上，如果核心附近有缺陷，测量出模式与基准模式之间的差别与缺陷远离核心情况下的差别相比更小，结果该差别可能包含在阈值的松动范围内，因此测量出模式可能别判断为正常，而该模式应当被判断为不正常。因此，需要提供算法来消除如图10A、10B和10C所示的与光纤缺陷无关的改变因素，由此允许读要测量光纤A不正常之处的正确检测。

由于新近有关数字信号处理能力包括图象处理的软件和/或硬件开发，基准电平可以改变以消除与光纤缺陷无关的改变因素。可是，因为要求为减少光纤制造成本而增加拉丝速度并且要求减少检测缺陷的测量周期，即使使用能够以高精度有效判断的高精确处理，如果这种处理具有长的处理时间，这种处理也变得没有意义。因此，需要提供一种算法，其中图象处理所需要的计算负担减少并且可以实现高速处理。

另外，如果由于光纤晃动在在线测量期间有沿光纤截面方向的折射率分布或测量照射激光束强度分布的本地误差，这种误差以放大的比例被检测。因此，需要提供不受这种本地误差影响的算法。

发明内容

按照本发明的第一方面，在检测光纤缺陷的缺陷检测方法中，激光束从与光纤轴相交的方向照射在要被测量的光纤上以检查透过光纤内部并且散射的前向散射光线的光强度分布，并且根据光强度分布模式检测要测量光纤的缺陷，该方法特征在于该光强度分布模式服从具有弱平滑度的平滑过程和具有强平滑度的平滑过程以分别形成第一和第二模式，和根据第一和第二模式之间的差别形成判断模式，通过评价判断模式的幅度检测要测量光纤的缺陷。

按照本发明的第二方面，在检测光纤缺陷的缺陷检测方法中，激光束从与光纤轴相交的方向照射在要被测量的光纤上以检查透过光纤内部并且散射的前向散射光线的光强度分布，并且根据光强度分布模式检测要测量光纤的缺陷，该方法特征在于该光强度分布模式服从具有弱平滑度的平滑过程和具有强平滑度的平滑过程以分别形成第一和第二模式，和通过将第二模式除以第一模式形成判断模式，通过评价判断模式的幅度检测要测量光纤的缺陷。

按照本发明的第三方面，在检测光纤缺陷的缺陷检测方法中，形成与第一和第二模式相关的一个改变阈值模式，并且通过比较该阈值模式与判断模式评价判断模式的幅度。

按照本发明的第四方面，在检测光纤缺陷的缺陷检测方法中，在平滑过程中使用移动平均法。

按照本发明的第五方面，在检测光纤缺陷的缺陷检测方法中，激光束从与光纤轴相交的方向照射在要被测量的光纤上以检查透过光纤内部并且散射的前向散射光线的光强度分布，并且根据光强度分布模式检测要测量光纤的缺陷，该方法特征在于该光强度分布模式服从傅立叶变换以形成一个傅立叶变换模式，通过利用双对数轴评价该傅立叶变换模式，并且具有对傅立叶变换模式高贡献率的判断曲线应用于傅立叶变换模式以寻找傅立叶变换模式与判断曲线之间的偏差，并且根据偏差幅度检测要测量光纤的缺陷。

按照本发明的第六方面，在检测光纤缺陷的缺陷检测方法中，激光束从光纤轴横向照射在要测量光纤上以检查透过光纤内部并且散射的前向散射光线的光强度分布，并且根据光强度分布模式检测要测量光纤的缺陷，该方法特征在于该光强度分布模式服从具有弱平滑度的平滑过程和具有强平滑度的平滑过程以分别形成第一和第二模式，在该模式中设置第一和第二模式之间差最大或将第二模式除以第一模式所获得数值最大的区域，并且通过对模式的该区域部分使用傅立叶变换测量光纤缺陷。

附图说明

图1是表示检查装置第一例子的示意图，该设备使用了按照本发明的光纤缺陷检测方法；

图2是表示图1的图象传感器所观察的散射光线光强度分布模式的示意图，其中图2A表示正常光纤的模式，而图2B表示不正常光纤的模式；

图3是表示图1检查装置的检测方法流程的流程图；

图4A到4C是解释图3检查方法的模式判断的示意图；

图5是表示表示检查装置第二例子的示意图，该设备使用了按照本发明的光纤缺陷检测方法；

图6是解释当在缺陷检测方法中使用傅立叶变换时流程的流程图；

图7是解释在图6的傅立叶变换方法中模式判断的示意图；

图8是表示检查装置第二例子的示意图，该设备使用了按照本发明的光纤缺陷检测方法；

图9A是表示常规光纤缺陷检查装置例子的示意图，图9B是表示图9A装置所观察的散射光线状态的示意图；和

图10A到10C是表示与图9A和9B有关问题的示意图。

具体实施方式

(第一实施例)

图1是执行按照本发明的光纤缺陷检测方法的装置的示意图。在图1中，安装了光源12以便在拉丝操作期间激光束2可以从光纤轴横向照射到光纤1上，而图象传感器13与光源12正对且在它们之间插入要测量光纤1。从光源12辐射的激光束2透过要测量光纤1的内部并且散射以便前向散射光线(此后称为“散射光线”)由图象传感器13接收。顺便地，激光束2具有大于要测量光纤1直径的光线宽度并且从光源12连续辐射。

图象传感器13可以是CCD行传感器和，如图1所示，它设计得具有大水平宽度，以便当沿水平方向扫描时，光纤1散射出的散射光线的光强度分布(水平方向中)可以由传感器检测。尽管图象传感器13可以安装在与来自光源12的入射激光束的光轴正对的位置上，它也可以安置在与该位置成适当角度的(光线接收角度)范围内。当来自图象传感器13的信号绘图成为图象时，该图象具有表示水平位置的横坐标(散射光线3的位移角)和表示光强度的纵坐标，可以观察到如图2A或2B所示的山峰型模式4。如果要测量光纤正常，如图2A所示，模式4在水平方向上对称(相对左右)，如果不正常，如图2B所示，可以观察到具有一定不均匀的模式4。

由图1的图象传感器13捕获的散射光线3的模式4被A/D转换器14采样并且转换为数字信号和该数字信号被输入给个人计算机(PC)15。

执行本发明光纤缺陷检测方法的处理输入数字信号的软件程序存储在图1的PC15中。图3是表示软件程序的流程图。无论何时完成图象传感器13的一行扫描，执行图3所示的一系列处理。顺便地，根据要测量光纤的拉丝速度将图象传感器一行扫描时间选择为适当值，以便在预定周期可以检查高速移动的要测量光纤1的一部分。

接着，参照获得图4所示模式的例子解释图3的软件程序过程。顺便地，图4A到4C表示图象传感器13所捕获的实际模式的半边。在本发明中，可以单独处理这半边或处理如图2A和2B所示的整个模式。

(1)读入输入到PC15的数字信号，获得如图4A所示的光强度分布模式4。尽管该模式4包括由要测量光纤1产生的不正常，但不能这样确定不正常的位置。

(2)读入模式4被复制成为两个相同模式4(数据拷贝)。

(3)复制模式(模式4之一)服从移动平均过程，将有效范围缩窄到构成模式4的分量，其它模式服从移动平均过程将有效范围展宽到构成模式4的分量，由此获得第一模式5(此后称为“模式A(x)”)和第二模式6(此后称为“模式B(x)”)，如图4B所示。顺便地，移动平均是平滑过程之一并且由下列公式(1)表示。在此情况下，缩窄和展宽有效范围到该分量意味着减少或增加公式(1)中的“n”。另外，在公式(1)中，f(x)和f(i)表示水平方向上分量点x和i上的光强度。

公式(1)

$f\left(x\right)=\frac{1}{2n+1}\underset{i=x-n}{\overset{x+n}{\mathrm{\Σ}}}f\left(i\right)$

(4)模式A(x)和模式B(x)之间的差被确定，由此获得图4c所示的判断模式7(此后称为判断模式C(x))。

判断模式C(x)＝|模式A(x)-模式B(x)|

在上面的项目(4)过程中，判断模式C(x)可以通过理想、公式获得：

判断模式C(x)＝|模式A(x)/模式B(x)|

尽管后者减少了形成判断模式C(x)的负担，可以根据系统的处理能力选择前者或后者。

(5)与过程(4)平行，复制模式B(x)，和通过将模式N(x)乘以B(x)计算改变阈值模式8(此后称为“阈值模式L(x)”)。阈值模式L(x)与模式B(x)中的变化成正比。模式N(x)是按照光源12和图象传感器13的安装位置和测量系统的条件凭经验寻找的，可以使用所找到的模式作为在线测量中正常条件下测量偏差的期望平均值。

(6)判断模式C(x)与阈值模式L(x)进行比较，以便如果判断模式C(x)的至少一部分超过阈值模式L(x)，判断为“不正常”被输出。如果判断模式C(x)不超过阈值模式L(x)，判断结果为“正常”被输出。

(7)重复从项目1到项目6的过程，由此以在线方式在拉丝操作期间检测要测量光纤的缺陷。

PC15可以要求各种功能，例如记录功能用于记录来自图象传感器13所接收的记录数据，显示功能用于显示图象传感器13捕获的模式4等，告警功能用于通知操作人员检测到“不正常”，和功能用语如果检测到告警就自动停止拉丝，以及功能用于处理数字信号。

(第二实施例)

按照第一实施例的光纤缺陷检测方法，尽管描述了图象传感器13获得的光强度分布模式4被转换为数字信号并且该数字信号由软件程序和PC(个人计算机)15组合进行计算和处理的例子，在本发明的第二实施例中，不利用软件，也可以只使用硬件执行该处理。在此情况下，可以构成如图5所示的检查装置。图5所示的检查装置包括一个信号处理部分16和一个判断处理部分17与图9的检查装置类似，和判断处理部分17具有信号复制功能，平滑处理功能，判断模式形成功能，阈值产生功能和模式判断功能。顺便地，实际上，除了这些功能之外，该设备可以包括告警，记录部分和一个监视器，类似于图9。

信号处理部分16工作以定时方式在水平方向将图象传感器13的扫描行扫描为所接收散射光线3的光强度分布，以便只通过一个行扫描获得图2所示的模式。

判断处理部分17的信号拷贝功能工作以分路或将信号处理部分输出的模式4分成两个模式以形成两个相同模式4。为此目的，分路电路可以使用。

平滑处理功能工作对信号复制功能所获得的两个模式4进行平滑处理。更具体地，类似于第一实施例，一个模式4服从具有弱平滑度的平滑过程以形成模式A(x)，而另一个模式4服从具有强平滑度的平滑过程以形成模式B(x)3可以使用集成电路作为进行平滑处理的电路，可以根据电路的时间常数设置平滑度程度。

判断模式产生功能工作通过查找平滑处理功能所获得的模式A(x)、B(x)的差或比值以获得与第一实施例的判断模式C(X)相同的判断模式。

阈值产生功能工作通过将另一个模式(对应第一实施例中的N(x))乘以具有强平滑度的模式B(x)获得阈值模式L(x)。

模式判断功能工作将判断模式C(x)与阈值模式L(x)进行比较，以便如果判断模式C(x)的至少一部分超过阈值模式L(x)，输出“不正常”，反之输出“正常”。

(第三实施例)

按照本发明的光纤缺陷检测方法可以由图8所示的光系统执行。更具体地，由要测量光纤1散射的散射光线3被半透光反射镜18分路或分成两个，而分出的光束穿过两个散射平板19、20由两个不同图象传感器13(13a，13b)所观察。在此情况下，两个散射平板19、20具有不同的散射率，以便一个变成弱散射度而另一个变成强散射度，结果类似于第一实施例的模式A(x)可以根据前者透过并由图象传感器13所接收的散射光线3而获得，而类似于第一实施例的模式B(x)可以根据透过前者并且由图象传感器13所接收散射光线3而获得。两个图象传感器13a、13b所获得的模式A(x)、B(x)自结合第一实施例所解释的数字处理系统或由结合第二实施例所解释的模拟处理系统处理，以查找判断模式C(x)和L(x)，通过比较这些两个模式可以判断要测量光纤正常或不正常。

(第四实施例)

在上述说明中，尽管解释了在光纤缺陷检测方法中使用平滑处理的例子，在本发明中可以使用傅立叶变换。在此情况下，尽管从获得散射光线3的光强度分布模式4到输入数字信号给PC15的过程与第一实施例相同，但是使用了处理信号的软件程序，如图6所示。

现在，将解释图6所示的软件程序所执行的处理的流程。

(1)读入模式4服从傅立叶变换以获得傅立叶变换模式9，而傅立叶变换模式9由图7所示的双对数曲线评价。

(2)在图7中画出了具有包含在低频区域中基点的基准线(判断曲线)10。尽管画图方法按照图象传感器13的安装位置和该系统的其它结构元件有轻微不同，穿过低频区域(例如，10Hz点)稳定点并且具有斜率-1的直线可以使用。

(3)针对基准线10的傅立叶变换模式9的平方和被查找(查找偏差)。在此情况下，有效范围设置在频率区域内，例如可以将低于基准点的更低频率一侧作为无效范围忽略。另外，针对最大频率(取决于利用傅立叶变换所使用的日期号码)，在大于(最大频率)/2的更高频带，由于会出现不稳定条件，这种更高频带也可以忽略。

(4)查找偏差的平方和与|词值比较，如果平方和小于阈值，输出“正常”结果；相反，如果平方和超过阈值，输出“不正常”结果。

(5)通过重复上述过程(1)到(4)，可以执行拉丝操作期间对要测量光纤1的在线检查。

所有上述过程可以由软件程序电气实现，例如，基准线10不人工应用于图7的傅立叶变换模式。

如果在PC15中花费长时间处理傅立叶变换，该处理可以根据结合第一实施例所描述的模式A(x)和模式B(x)通过查找|A-B|或|A/B|和通过选择这些数值变成最大值的区域(例如，在图4C中模式C(x)具有最大峰值的区域)和通过利用图6的程序针对该区域执行判断方法而高速实现。尽管通过FFT(快速傅立叶变换)可以有效地计算处理傅立叶变换，在此情况下，由于处理负担相比大于移动平均，也可以通过限定或限制区域来增加处理速度。

在平滑处理中，有一种方法其中各个分量的值由周围区域数值的中心值(中间)所取代，还有一种方法其中傅立叶变换之后更高频率分量由低带通滤波器使之更小，以及还有一种方法其中各个分量的值由周围区域的平均值替代。

工业应用性

按照本发明的光纤缺陷检测方法，可以获得下列效果。

1.由于利用不需要长时间的例如移动平均处理的平滑处理作为算法，即使当拉丝速度大时，可以容易地实现在线检查。

2.由于通过道路和/或光系统可以容易的实现平滑处理，高速检查是可能的。

3.由于阈值可以被改变以消除要测量光纤中变化和激光束变化，正确检查是可能的。

4.在所述的检测方法中还使用傅立叶变换，由于不需要整个模式经傅立叶变换，所以高速检查是可能的。

Claims (8)

1.一种用于检测光纤缺陷的缺陷检测方法，其中激光束从与要被测量的光纤的轴相交的方向照射在所述光纤上，以检查透过所述光纤内部并且散射的前向散射光线的光强度分布，根据光强度分布模式检测所述要测量光纤的缺陷，其中：

所述光强度分布模式服从具有弱平滑度的平滑过程和具有强平滑度的平滑过程以分别形成第一和第二模式，和根据所述第一和第二模式之间的差形成判断模式，通过评价所述判断模式的幅度检测所述要测量光纤的缺陷。

2.按照权利要求1的光纤缺陷检测方法，其中，形成与所述第一和第二模式有关的改变阈值模式，通过比较所述改变阈值模式和所述判断模式评价所述判断模式的幅度。

3.按照权利要求1的光纤缺陷检测方法，其中移动平均方法被用于平滑处理中。

4.一种用于检测光纤缺陷的缺陷检测方法，其中激光束从与要被测量的光纤的轴相交的方向照射在所述光纤上，以检查透过所述光纤内部并且散射的前向散射光线的光强度分布，根据光强度分布模式检测所述要测量光纤的缺陷，其中：

所述光强度分布模式服从具有弱平滑度的平滑过程和具有强平滑度的平滑过程以分别形成第一和第二模式，和通过将所述第二模式除以所述第一模式形成判断模式，通过评价所述判断模式的幅度检测所述要测量光纤的缺陷。

5.按照权利要求4的光纤缺陷检测方法，其中，形成与所述第一和第二模式有关的改变阈值模式，通过比较所述改变阈值模式和所述判断模式评价所述判断模式的幅度。

6.按照权利要求4的光纤缺陷检测方法，其中移动平均方法被用于平滑处理中。

7.一种用于检测光纤缺陷的缺陷检测方法，其中激光束从与要被测量的光纤的轴相交的方向照射在所述光纤上，以检查透过所述光纤内部并且散射的前向散射光线的光强度分布，根据光强度分布模式检测所述要测量光纤的缺陷，其中：

所述光强度分布模式服从傅立叶变换以形成傅立叶变换模式，所述傅立叶变换模式通过利用双对数轴进行评价，具有对所述傅立叶变换模式高贡献率判断曲线被应用于所述傅立叶变换模式以查找所述傅立叶变换模式与判断曲线的偏差，和根据该偏差幅度检测所述要测量光纤的缺陷。

8.按照权利要求7的光纤缺陷检测方法，其中所述光强度分布模式服从具有弱平滑度的平滑过程和具有强平滑度的平滑过程以分别形成第一和第二模式，和在所述模式中设置所述第一和第二模式之间的差或通过将所述第二模式除以第一模式所获得的比值变成最大值的区域，通过对所述模式中所述区域部分地使用傅立叶变换检测所述要测量光纤的缺陷。

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