UA44216C2

UA44216C2 - Спосіб безконтактного вимірювання в режимі реального часу фізичного параметра оптичного волокна

Info

Publication number: UA44216C2
Application number: UA93003893A
Authority: UA
Inventors: Леслі Джеймс Баттон; Джеральд Бенджамін Дотсон; Фредерік Філіп Фішер; Патрік Шіу Кей Лі; Реймонд Карл Логу
Original assignee: Корнінг Інкорпорейтед; Корнинг Инкорпорейтед
Priority date: 1991-12-31
Filing date: 1993-04-22
Publication date: 2002-02-15
Also published as: EP0549914B1; EP0549914A3; AU661879B2; CA2083969A1; JP3433238B2; TW218919B; EP0549914A2; DE69219575T2; DE69219575D1; ES2100262T3; AU3041292A; JPH05264398A

Abstract

Запропонований спосіб виміру параметрів прозорих волокон з високою точністю шляхом підсвічування нитки лазерним променем і визначення середньої просторової частоти інтерференційної картини при використанні дискретного перетворення Фур'є. Запропонований також спосіб вимірювання діаметру, не чутливий до еліптичності волокна, шляхом визначення діаметру в двох рознесених одне від одного положеннях. Запропонований спосіб виявлення дефектів шляхом детектування характеристичного піку в спектрі просторової частоти з виділеними двома піками, котрі переміщуються у протилежних напрямах тоді, коли розмір дефекту збільшується.

Description

Изобретение относится к области исследования материалов с помощью оптических средств, в частности, к способу измерения диаметра оптического волокна и внфіявления дефектов в нем, и может бьіть использовано при изготовлений и контроле качества оптических волокон.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ измерения диаметра оптического волокна и вьявления дефектов в нем (патент США Ме4067651, МКИ? (с01М21/00; с0189/02; 501811/04, 1976Гг.), включающий направление пучка излучения на волокно, вьіявление в результате зтого интерференционной картиньії, определение характеристики интерференционной картиньі! - количества интерференционньїх полос в ней, и использование характеристики интерференционной картиньь для определения диаметра волокна и вьіявления дефектов в нем.

Чтобьї получить отчетливую интерференционную картину для освещения, используєтся источник света с достаточной пространственной когерентностью и монохроматичностью. В практической реализации в качестве источника света предпочтительно использование лазера, например НеМе-лазера, из-за стабильности его длинь! волньі. Интерференционная картина получаєтся при наложений света, отраженного от поверхности оптического (прозрачного) волокна, и света, преломляемого материалом волокна. В случає оптического волокна, содержащего сердцевину и оболочку, указанная интерференционная картина функционально зависит от длинь! волньї падающего света, показателей преломления и диаметров как сердцевиньі, так и оболочки оптического волокна. Однако, согласно Умаїкіп5, если отношение диаметра сердцевиньі к диаметру оболочки не слишком велико (менее 0,5) и если интерференционную картину анализируют при достаточно больших углах (более ж 507), то интерференционная картина зависит почти исключительно от диаметра и показателя преломления оболочки.

В соответствии с зтим, если известна величина показателя преломления (п) указанной оболочки, то наружньй диаметр (й) оптического волокна можно получить путем анализа указанной интерференционной картинь. В известном способе для определения диаметра оптического волокна подсчитьмувают количество полньїх и неполньїх интерференционньїх полос (М) между двумя углами (ба и 65) с последующим расчетом величинь 4 при использованиий следующих уравнений:

КВ) г вів буду вів 1 Зв сов ВУД НЕО.

ВВ з ків ВУ ри я 1 дп сов (ВМО г ах МАВ. ВК Це. где А - длина волньї источника излучения.

На практике для постоянньїх значений показателя преломления и длиньії волньії калибруют систему и определяют змпирическую константу, при умножений которой на количество интерференционньїх полос получают диаметр оптического волокна.

При использованиий метода подсчета интерференционньїх полос для детекторов, имеющих угловой фактор 80", достигнута точность определения со среднеквадратической погрешностью порядка 0,2мкм. (Термин "точность определения" в данном описаний используют в значений 1 воспроизводимости результатов измерения диаметра волокна. Например, точность определения составляет 0,2мкм, если при многократньїх измерениях волокна, имеющего постоянньій диаметр, получают разброс результатов, для которьїх величина стандартного отклонения о составляет не более 0,2мкм). Для оптического волокна с диаметром 125мкм зто соответствует погрешности менее 0,290.

Хотя и достигнута довольно вьсокая степень точности результатов измерений, для удовлетворения требований, предьявляемьх Кк оптическим волокнам повьішенного качества, необходимо обеспечение повьішенной степени точности таких замеров.

Так, например, при установке оптико-волоконньїх систем злектросвязи в непосредственной близости к абоненту бьістро возрастаєт потребность в данной области в волоконньіїх кабелях и их сростков. Указаннье волоконнье кабели и сростки должнь бьть простьі в изготовлений и иметь очень низкий козффициент оптических потерь. Вообще говоря, в процессе изготовления одномодового оптического волокна надлежащий контроль его диаметра является решающим фактором для удовлетворения зтих двух требований. В частности, желательно, чтобь! погрешность результатов измерений диаметра оптических волокон составлял примерно 0,2 или менее микрон. Если задана зта величина, то предпочтительно, чтобьії система, измеряющая и/или регулирующая диаметр оптического волокна, имела точность с погрешностью 0,02 микрон или менее. Зта точность на порядок превьшаєт возможности методов, основанньх на счете интерференционньїх полос, используемьїх до настоящего момента.

Уравнения 1 - З основаньї на предположении, что оптическое волокно имеет круглое сечение. В практической реализации такие оптические волокна не являются идеально кругльми, а имеют тенденцию к принятию, по крайней мере некоторьїх овальньїх зллиптических характеристик. Такое отклонение от круглости может привести к перерасчету или недорасчету среднего диаметра оптического волокна на 195. Зти погрешности в результатах измерения диаметра оптического волокна ограничивают уровень регулирования технологического процесса и степени однородности изделия, которую можно достигнуть. В частности, необходимо задавать определенное значение среднего диаметра оптического волокна в процессе его вьтяжки из формьі. 195 погрешности в результате измерения диаметра оптических волокон рассматриваются как грубне ошибки относительно степени однородности, ожидаємой для таких световодньйх волокон.

В соответствия с вьшеуказанньм имеется необходимость в создании способа измерения диаметра волоконного световода, которьй не реагирует на зллиптическую характеристику, то есть любого метода, которьй позволяет определять с вьісокой точностью средний диаметр оптического волокна с отклонением от круглости.

Более того, имеется также потребность создания способа, которьій позволит определять степень зллиптичности светового волокна, и тем самьм модифицировать и/или управлять технологическим процессом, например вьтяжкой оптического волокна, сводя к минимуму отклонение от круглости.

Способность обнаруживать дефекть!ї, типа провалов или пустот, например воздушньїх пор, в световодньх волокнах являєтся центральньм моментом для получения вьісококачественньїх волокон и при разработке технологии изготовления, сводящей к минимуму возникновение таких дефектов. Указаннье проваль и пустоть обьічно возникают в центре оптического волокна (пустотьї, возникающие у центра), хотя их можно обнаружить в любой плоскости сечения волокна (пустоть! вне центра).

До настоящего времени такие внутренние дефекть! вніявляли в процессе вьітягивания световодного волокна из формь! как неотьемлемой части методов, используемьх для определения размера диаметра световода. В частности, если световодное волокно вьітягивают при или близко к требуемому размеру его диаметра, можно предсказать расположение каждой интерференционной полосьі в интерферограмме МУУаїКіп5. С учетом зтого факта пустоть! вніявляли путем анализа пути следования с пропуском интерференционньїх полос заранее с протяженностью заранее установленной пользователем, например две пропущенньїх интерференционньх полосьї в любой серии.

Хотя зтот способ біл довольно зффективен, однако при практической его реализации сталкивались с рядом проблем.

Во-первьїх, небольшие пустоть! приводят к потере только нескольких интерференционньх полос, и, таким образом, их можно легко пропустить. В соответствии с зтим оптическое волокно можно считать пригодньім для использования, когда фактически оно содержит пустотьі. Кроме того, указаннье пустотьь имеют тенденцию возникать вначале в виде небольших пустот, постепенно увеличиваясь, а затем уменьшаясь в размере.

Неспособность указанного метода вьявлять небольшие пустотьй означаеєт невозможность наблюдения длительности существования такой пустоть. В соответствии с зтим длинньюе отрезки оптического волокна на любой стороне его поверхности, где обнаружена пустота, должньі! бить удаленьії для устранения полностью такого дефекта.

Во-вторьїх, хотя детектор для вьявления пустот может пропускать небольшие проваль), снижение количества интерференционньх полос, обусловленньїх таким дефектом, вьіявляєтся всей системой управления технологическим процессом и интерпретируется ею как уменьшение диаметра волокна. Ответной реакцией на зто, как правило, являєтся ненадлежащее увеличениє диаметра оптического волокна. Мсходя из вьшеуказанного, такое оптическое волокно не только нельзя вьіпускать в продажу из-за наличия небольших пустот, но также из-за того, что его диаметр может не соответствовать номиналу.

В-третьих, даже если провал становится достаточно большим для его обнаружения, что тем самьм препятствует отправке некачественного изделия заказчику, полученньй результат измерения диаметра настолько груб, что система контроля нарушается в значительной степени и требует продолжительного времени для восстановления ее устойчивого функционирования.

ЕР-А-0218151 относится к способу измерения и устройству для определения диаметра неподвижньх или движущихся тонких проводов, волокон, струй жидкости и т.п. бесконтактньм путем. Согласно изобретению применяеєется дифракция Фраунгофера при освещениий обьекта, подлежащего измерению, параллельньм монохроматическим когерентньм светом. Согласно )изобретению, последовательная смена локальньх интенсивностей в интересующей области дифракционной картинь! подвергаєтся оцифровке и сохранению. Для предполагаемого увеличения точности измерения осуществляется дополнительная обработка сигнала. Затем результирующая последовательная смена гармонических сигналов в зависимости от расстояния до недифрагированного пуска подвергается преобразованию Фурье с целью получения его частотного спектра.

Зная длину волньї дифрагирующего света, частотнье даннье, полученнье из операции преобразования Фурье, можно предположительно использовать для получения дискретной мерьй диаметра обьекта, подлежащего измерению. В заявке излагаєтся, что описанное в ней изобретение позволяет реализовать времена измерения, меньшие одной секундьі, и определять диаметрь от З до 1000 микрон с точностью приблизительно 0,190 ж 0,1 микрон.

В ЕР-А-0069355 описан процесс испьтания оптических волокон или заготовок, из которьїх создают оптические волокна, на предмет дефектов, в особенности относящихся к пределу прочности волокна при растяжений. В основном, способ, отвечающий изложенному изобретению, предположительно предусматриваєт сравнение пространственной частоть! испьиітуемого обьекта с пространственной частотой контрольного обьекта, не содержащего дефектов. Для снижения интенсивности областей максимумов от контрольного обьекта используется фильтр, в результате чего отклонения в картине пространственной частоть! испьітуемого обьекта указьівают положение дефектов в испьітуемом волокне.

С учетом вьишеописанного предшествующего уровня техники, в основу настоящего изобретения положена задача создания усовершенствованного способа для измерения диаметров оптических волокон или, более конкретно, измерения диаметров любьх прозрачньїх нитей. В частности, настоящее изобретение повьішаєт точность результатов таких измерений и обеспечивает замерьі диаметров в реальном масштабе времени со среднеквадратической погрешностью (КМ5) по крайней мере 0,02 микрон и предпочтительно на уровне 0,001 микрон.

Другой задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является создание способа, которьй зффективен с точки зрения расчетньїх данньїх, что позволяет бьстро вьіполнять вьісокоточнье измерения диаметров, например градиентного волокна. В количественном вьражении задачей настоящего изобретения является осуществление измерений диаметров с вьішеуказанной точностью при скорости, по крайней мере, примерно 500 замеров в сек. и предпочтительно до 1000 и более замеров в секунду.

Еще одной задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является создание способа измерения среднего диаметра оптического волокна, или, более конкретно, любой световодной нити, которьй практически не реагирует на отклонения от круглости оптического волокна, и, в частности, практически нечувствителен к его зллиптичности, а также прост и не дорогостоящий при практической их реализации.

Другой задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является создание простого и не дорогостоящего способа для характеристики некруглости сечения оптического волокна (прозрачной нити) и, в частности, его зллиптичности.

Еще одной задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является сознание улучшенного способа вьіявления дефектов в оптических волокнах, или, в частности, в любой прозрачной нити.

Улучшенньй способ позволяет 1) обнаружить небольшие дефектьї, 2) проследить длительность существования дефектов, и 3) определить месторасположение любого дефекта в плоскости поперечного сечения оптического волокна.

Еще одной задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является создание способа, в основу которого положень! параметрьї, отличающиеся от используемьїх при измерений диаметра оптического волокна, что не позволяет обьединять в системе управления всего технологического процесса операции регулирования диаметра и вніявления дефектов, то есть, позволяет устранить недостатки известньїх технических решений, где одну и ту же характеристику (количество пропущенньїх интерференционньх полос) использовали для вьіполнения обеих функций.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения диаметра оптического волокна, согласно изобретению, диаметр измеряєется путем определения точной величиньії пространственной частоть интерферограммь! Умаїкіп5, а не путем подсчета интерференционньїх полос в такой интерферограмме. Под анализируемой частотой имеется в виду среднее количество циклов возникновения интерференционньх полос на пространственньй градус. Зта средняя величина лежит в диапазоне пространственного квантования датчика, используемого для детектирования картиньї интерференционньїх полос, например в интервале между известньіми угловьїми положениями 6: и 6. первого и последнего злемента изобретения детектора.

Сразу же после определения среднюю пространственную частоту преобразуют в величину для измерения диаметра, в частности, среднее значение М в уравненийи З можно получить путем умножения средней частоть! од на б, - 65. Значение диаметра оптического волокна можно затем получить из уравнения З на основе известной длиньї волньї падающего света и известного показателя преломления оболочки оптического волокна. Более конкретно, можно рассчитать (или определить змпирическим путем) константу преобразования (К), которая при умножений ее на среднюю частоту од дает диаметр волокна. В соответствии с указанньмми методиками термин "средняя пространственная частота интерференционной картинь" используют в данном описаний для обозначения частотной характеристики интерферограммь), которую можно преобразовать в меру величинь! диаметра оптического волокна, при зтом погрешность результатов измерения диаметра зависит от точности определения величинь указанной частоть!.

Например, при 6а - 507, 65 - 707, А - 0,63З3мкм и п - 1,457, расчетное значение К составляет 40,242. В соответствий с зтим, средняя пространственная частота З3,10бциклов/градус соответствует диаметру оптического волокна 125мкм. (Вьішеуказаннье численнье значения используют в данном описаний в качестве типичньх расчетов и далее упоминаются как "типичное волокно", "типичнье параметрь", "типичнье расчеть"м и тому подобное. Однако следует понимать, что зти величиньї и расчеть! предназначеньі только для иллюстративной цели, и их не в коей мере не нужно рассматривать как ограничение обьема предлагаємого изобретения.)

Как будет показано далее в описаний, в соответствии с предлагаемьм изобретением среднее значение пространственной частотьї интерференционной картиньї можно определить с очень вьісокой точностью даже в присутствий шума, например с погрешностью результатов по крайней мере 25 Х 10циклов/градус при отношений сигнал-шум более чем примерно 80:1. Для вьішеуказанной константь! преобразования зта степень точность при определенийи пространственной частоть! соответствует погрешности 0,001мкм результатов замера диаметра, что хорошо согласуется с требуемьми 0,02мкм, необходимьми в производстве известньїх оптических волокон.

Для сравнения, при использований вьїходного сигнала детектора, определяющего количество интерференционньїх полос, а не пространственную частоту, нельзя обеспечить такую вьсокую точность результатов измерения. Погрешность в счете интерференционньмх полос вьтекаєт главньмм образом из ошибок при детектированиий интерференционньїх полос на входе-вьіїходе из углового диапазона указанного детектора, обусловленньїх наряду с другими факторами шумом в сигнале. В частности, отсчет на каждом терминале углового диапазона может бьть прерван на 1/4 интерференционной полосьі. Поскольку общее количество вьіявленньіїх интерференционньїх полос составляєет примерно менее 200, указанная погрешность результатов соответствует точности только около 0,2595, которая, в случає, когда оптическое волокно имеет диаметр примерно 125мкм, соответствует точности только 0,3мМкм.

Таким образом, исходя из вьішеуказанного, предлагаемьй способ действительно реализовьваєт в качестве основь! модель Умаїкіп5, но иньім способом, чем которьйй использовали в известньїх технических решениях. В то время как традиционньй метод основан на подсчете количества интерференционньх полос, и следовательно, в нем сталкиваются с трудностями наличия шума и неполньїх интерференционньїх полос на входе-внходе углового диапазона детектора, в методе предлагаемого изобретения используют всю информацию по интерференционной картине для определения средней пространственной частоть! 0 полной интерферограммь!.

Зто среднее значение действительно зависит в некоторой степени от результатов измерений на терминалах детектора, но в гораздо меньшей степени, чем в способе со счетом интерференционньїх полос. Именно зто различие в совокупности с другими аспектами обработки сигналов в соответствии с предлагаємьм изобретением, обсуждаємьми далее в описаний, позволяет обеспечить требуемоеє увеличение точности измерения размера диаметра.

Зффективность предлагаемого изобретения, таким образом, зависит от его способности определять с вьісокой точностью среднюю величину пространственной частоть! д интерферограммь! поля дальней зонь. В соответствии с предлагаемьм изобретением, среднюю пространственную частоту вьчисляют путем определения частотного компонента интерференционной картиньї, коториій имеет максимальную спектральную плотность мощности. На основе математической модели можно продемонстрировать, что зтот расчет включаєт оценку по способу максимального правдоподобия пространственной частоть! интерферограммь! при условии, что удалена частотная модуляция исходного сигнала (см. ниже).

В зависимости от контекста, частотная составляющая интерференционной картиньій с максимальной спектральной плотностью мощности обозначаєется в данном описаний как "ОО-спектральная линия" (то есть спектральная линия наружного диаметра и/или "самая яркая спектральная линия" частотьї интерферограммь!.

Вьявляемая частотная составляющая, разумеется, не относится к компоненту, имеющему, как правило, большую мощность, а относится скорее всего к составляющей, соответствующей синусоидальному изменению частотьї интерференционной картиньі в зависимости от 9. Аналогично, отсутствие частотной составляющей вьїзвано наличием дефектов в волокне (см. ниже).

Зффективность предлагаемого изобретения, таким образом, зависит от его способности определять расположение (частоту) ОО-спектральной линии с овьісокой точностью. Для определения частотньх составляющих интерференционной картиньй поля дальней зоньй можно использовать способ бьстрого преобразования Фурье (ЕЕТ), и расположение пиков такого спектра можно затем использовать для расчета диаметра оптического волокна. Необходимо указать, что само преобразование Фурье нельзя использовать для вьявления местоположения максимального пика с достаточной точностью при среднеквадратической (КМ5) погрешности результатов измерения диаметра оптического волокна менее 0 2мкм. (Следует иметь в виду, что в некоторьїхх вариантах осуществления настоящего изобретения, как будет подробно рассмотрено ниже, бьістрое преобразованиеє Фурье используют для проведения первоначального анализа системь! интерференционньх полос. Однако способ бьістрого преобразования Фурье не используют для определения расположения О0- линии, на оснований которой получают размер диаметра оптического волокна.)

Бьістрое преобразование Фурье осуществляют путем задания множества истинньїх значений в опорной точке

М, например амплитудьй интерферограммь поля дальней зоньії при равноразнесенньїх в опорной точке М значениях 9, с последующим преобразованиеєм зтих значений во множество величин (козффициентов) со сложной размерностью М при М равноразнесенньїх пространственньїх частотах. Величиньї М козффициентов соответствуют спектральной плотности мощности при различньїх частотах. Шаг между указанньмми частотами (А) равен І/МАєЯ, где б 09 означаєт интервал между точками исходньїх данньїх. Первье М/2 козффициенть и вторье М/2 козффициенть! имеют взаймосвязь друг с другом в том, что они содержат зеркальнье изображения относительно друг друга по максимальной частоте сигнала, то есть половине частоть! дискретизации.

Недостаток способа бьстрого преобразования Фурье можно видеть при расчете изменения диаметра оптического волокна, соответствующего переходу с одной линии ЕЕТ-спектра к прилегающей линии. Допуская, что детектор с 20" угловьім фактором поделен на равнье сегменть! М (злементь! изображения), шаг между соседними линиями РЕТ-спектра (АД) составляет 0,05циклов/градусє. (ДГ - МАО - ІМ(20"/М)) - 0О,О5циклов/градус). Используя вьишеуказанную константу преобразования 40,242, переход с одной линии к следующей линии соответствует изменению диаметра примерно на 2мкм.

Как показьіваєт зтот расчет, ЕЕТ спектр слишком груб, чтобьі получить требуемую точность, по крайней мере 0,02мкм. Можно обеспечить некоторое повьішение точности путем увеличения углового диапазона детектора, но даже в случає детектора с 30" фактором Ді составляеєт 0,0125циклов/градусє. Более того, константа преобразования К несколько вьіше в детекторах с большим диапазоном, то есть если детектор с 807 фактором лежит в диапазоне от 6" до 86", расчетное значение К составляеєт 45,4996 при Х - 0,63Змкм и п о - 1,457. В соответствии с зтим, даже если интерференционную картину вьібирают в пределах большего углового диапазона, при использований метода бьістрого преобразования Фурье пока можно только постигнуть уровня точности порядка 0,54мкм, что более, чем в 25 раз превьішаєет допустимьй.

Именно зто не позволяет достигнуть такой степени точности при использований метода бьстрого преобразования Фурье (ЕЕТ), которую можно обеспечить согласно настоящему изобретению.

Для преодоления недостатков способа РЕТ в настоящем изобретении используют результать! расчетов способа дискретного преобразования Фурье на тонкой сетке с определением расположения ОО-линийи с очень вьісокой точностью. При использованиий указанного способа в совокупности с другими аспектами по снижению ошибок, стандартнье отклонения, при измерениях диаметра, вьшполненньх согласно предлагаемому изобретению, практически равньі! теоретическому нижнему пределу таких погрешностей (граница Сгатег-Ваб).

Приближение к такому нижнему пределу свидетельствуеєт о том, что, хотя, возможно, имеются другие способь! определения наружньх диаметров оптических волокон на основе интерферограммь поля в дальней зоне с вьісокой точностью измерений, ни один из таких способов, если нет стандартной погрешности, не обладаєт такой повьішенной точностью результатов измерения по сравнению с предлагаемьм методом.

Вообще говоря, дискретное преобразование Фурье осуществляют путем задания множества значений М координат хХ (КАЄ), где К : 0, 1, 2, ... М-І) с последующим преобразованием указанньїх величин в комплексное число С() при заданной пространственной частоте ї в соответствии со следующим уравнением:

МА

СО, х (кабре во о)

Кг (См. А.М.Оррепнеїт и АЛМУ.5сНагег, Оівсгесге-Тіте Зідпа! Ргосевззіпо, Ргепіїсе-НаїЇ, Епдіємооа-Сійв, Мем Уегвеу, 1989, стр. 45).

Обработка данньїх способом дискретного преобразования Фурье (О5ЕТ) отличаєтся от обработки в условиях бьістрого преобразования Фурье в том, что ОБЕТ осуществляют с временной привязкой, при зтом получают только один козффициент Фурье, в то время как в случає ЕЕТ получают все множество козффициентов Фурье. В результате зтого ОБЕТ гораздо более зффективен с точки зрения обработки данньїх по сравнению с ЕЕТ, как можно видеть из того, что для О5ЕТ обьічно необходим М/2 козффициент для формирования неизбьточньх козффициентов М/2, полученньїх на основе только одного ЕЕТ. Именно позтому в большинстве случаев предпочтительно использование бьістрого преобразования Фурье.

Хотя дискретньіе преобразования Фурье не зффективнь с расчетной точки зрения, они имеют преимущество по сравнению с ЕЕТ в том, что частоту, при которой определяют указанньій козффициент, может вьібирать сам пользователь. В противоположность зтому, в случае обработки методом ЕЕТ частоть! фиксировань! при значений

К/МАеЄ : 0, 1, 2, .... М-1. Именно зто преимущество обработки с помощью О5ЕТ и используют в предлагаемом изобретений для достижения заданной вьсокой степени точности при определениий размера диаметра оптических волокон.

Предлагаемьй способ на основе использования О5ЕТ можно реализовать различньми средствами с определением координат (расположения) ОО-линии.

Один способ заключается в расчете козффициентов на достаточно мелкой расчетной сетке, так что, просто преобразуя частоту, соответствующую самому большому козффициенту, в диаметр оптического волокна, будет достигнута погрешность в пределах 0,02мкм. Указанная расчетная сетка может доходить до минимально допустимой частоть! дискретизации. В случає использования константь! преобразования 40,242 частотньй шаг, достигающий указанной цели, составляет примерно 0,0005циклов/градус. В соответствии с зтим, для охвата диапазона угловой частоть 6,4циклов/градус необходимо вьіполнение 12,800 дискретньїх преобразований Фурье (О5ЕТ). Оценка такого множества О5ЕТ чрезвьчайно затруднена с точки зрения обработки численньїх данньмх.

Однако, ввиду того, что постоянно увеличиваєется бьістродействие цифровьїх ЗВМ, при желаниий можно использовать зтот метод.

В предпочтительном варианте предлагаємьй способ заключается в сокращений количества О5ЕТ, которье необходимо вьіполнять, путем ограничения диапазона, в пределах которого используют мелкую расчетную сетку относительно частот, где, как ожидают, будет обнаружена спектральная линия наружного диаметра волокна.

Предпочтительньй способ обнаружения указанньїх частот заключаеєется в вьіполнений ЕРЕТ на исходньх данньх с последующим использованием частотьї самого большого козффициента, определенного в результате такого преобразования в виде точки в центре мелкой сетки, по которой рассчитьвают О5ЕТ. При практической реализации указанньй способ, как установлено, позволяет использовать мелкую сетку очень небольшого размера, например из 11 О5ЕТ в сумме.

Кроме получения информации о месторасположений указанной мелкой сетки, исходное даннье РЕТ можно таюке использовать для проверки уровня мощности источника света, например путем сложения амплитуд спектральньїх линий РЕТ и/или анализе амплитуд ОС-линии и/или ОЮО-линии. Кроме того, как рассматриваєтся далее в описаний, исходнье даннье РЕТ можно использовать для вьіявления дефектов, например пустот, если они имеются в оптическом волокне.

Кроме расчетньїх данньїх, для О5ЕТ, полученньїх на мелкой сетке, используемьхх для повьішения точности результатов измерения наружного диаметра волокна, используют множество других методов повьшения точности замеров в соответствии с некоторьіми предпочтительньіми вариантами осуществления предлагаємого изобретения. В частности, для увеличения отношения сигнал-шум вьіполняют низкочастотное фильтрованиє и субдискредизацию данньхх исходной интерференционной картинь». (В том виде, как используют в данном описаний, признак "отношение сигнал-шум" означает сигнал со среднеквадратической погрешностью, поделенньй на шум со среднеквадратической погрешностью).

Более того, злементь! модуляции частотьї интерферограммь! по плоскости углового диапазона детектора, предсказьвающей модель МУУаїкіп5, а также создаваемой системой линз, используемьх для проекции интерференционной картинь! в указанном детекторе, отбрасьівают из исходньїх данньх, в результате чего ОБЕТ вьіполняют по чистому синусоидальному сигналу.

Кроме того, для минимизации смещения положения ОО пика, обусловленного финитной взвешивающей функцией (отсечением) интерферограммь!, используемой в анализе, при зтом амплитудь главньх и отсеченньх точек данньїх сжимают взвешивающей функцией.

И, наконец, аппроксимацию по параболе осуществляют в области самой яркой линии О5ЕТ на мелкой сетке, что обеспечиваєт даже более лучшее приближение ОО-линии.

Каждьй из зтих повьішающих точность злементов настоящего изобретения подробно рассматривают далее в описаний в разделе, описьівающем предпочтительнье варианть! осуществления предлагаемого изобретения.

В совокупности с использованием сетки для О5ЕТ с найбольшим количеством линий в предпочтительньмх вариантах изобретения можно использовать другие средства, повьшающие зффективность расчетов предлагаемого метода. В частности, операции частотной демодуляции, коррекций финитной взвешивающей функции и О5ЕТ на мелкой сетке обьеединяют и осуществляют автономно, в результате чего спектр вьісокого разрешения можно получить просто умножением значений данньїх (предпочтительно после низкочастотной фильтрации) на предварительно рассчитанную матрицу.

Более того, сжатие информации при обработке в реальном масштабе времени обеспечивают путем замень значений данньїх на множество инверсньх О5ЕТ, накладьшваємьх на заданнье ЕРТ-козффициенть, определенньїх в первоначальном анализе данньїх, ту операцию обратного преобразования вьіполняют автономно и обьединяют с другими автономньїми операциями, в частности частотной демодуляцией, коррекцией финитной взвешивающей функции и О5ЕТ на мелкой сетке, с получением очень небольшой, предварительно рассчитанной матрицьі, которая при умножениий на заданнье козффициентьь для ЕЕТ дает требуемьй линейчатьй спектр О5ЕТ на мелкой сетке.

Фактически, как установлено, при практической реализации необходим расчет только 15 комплексньх козффициентов для ЕЕТ, что позволяет определять спектр О5ЕТ на мелкой сетке, содержащий, например 11 спектральньїх линий, и все, что необходимо для обработки в реальном масштабе времени, то следует перемножить комплексную матрицу из 165 злементов (то есть матрица 11 х 15) на комплексньій вектор, содержащий 15 РЕТ козффициентов. Именно зто сжатие при попьітке осуществления оперативньїх расчетов на

ЗВМ позволяет реализовать предлагаємьй метод измерений в реальном масштабе времени, используя обьічно доступнье комплектующие компьютернье средства, например на вариантном оптическом волокне с очень вьісоким бьістродействием, например 500Гц, но одновременно поддерживая точность измерения по крайней мере 0,02мкм.

Так же как злементьї предлагаемого изобретения, повьшающие точность измерений, каждое из вьшеуказанньїх средств, повиишающих бьістродействиєе, подробно рассматривают в разделе, описьвающем предпочтительнье варианть! осуществления изобретения.

При практической реализации предлагаемьй способ, как установлено, представляєт собой очень устойчивую систему, позволяющую проводить измерения диаметра оптических волокон в реальном масштабе времени. Во-

первьх, как обсуждалось ранее, указанньй способ обладаєт вьісокой точностью измерений в присутствиий шума.

Во-вторьїх, указанньійй способ имеет чрезвьчайно линейнье характеристики относительно волокон с широким диапазоном размеров диаметра. То есть, самое большое отклонение между размерами диаметра, установленньми при использований предлагаемого способа на основе результатов моделирования и известньми величинами диаметра вьїходньх данньх диаметров волокон в диапазоне от 40 до 250мкм, составляет менее 0,01мкм.

В-третьих, указанньійй способ нечувствителен к аналого-дифровому квантованию, и, таким образом, зффективно используется в широком диапазоне подсветок. Фактически, даже если сигнал квантуют с помощью только 2-битового А/О преобразователя, то вьізванная зтим ошибка составляет опять менее 0,01мкм.

В-четвертьїх, указанньійй способ нечувствителен к сдвигам интерференционной картиньії по поверхности детектора. В частности, смещения порядка одного полного цикла интерференционной картинь! приводят к возникновению погрешностей менее 0,002мкм.

В-пятьїх, предлагаемьй способ не реагирует на амплитуднье модуляции интерференционной картинь,, которье могут бьіть обусловлень, например, дефектами фона в оптической системе, используемой для проекции интерференционной картиньі на поверхность детектора. Например, отбрасьшвшание 1095 части из интерференционной картиньії по плоскости интерферограммь! приводит к возникновению погрешности менее 0,00Змкм.

В соответствий с вариантами реализации, настоящее изобретение предлагаєт способ и осуществляющее его устройство для измерения диаметра оптического волокна, заключающийся в том, что: (а) направляют пучок когерентного, монохроматического излучения, например лазерньй луч, на указанное оптическое волокно, в результате чего получают интерференционную картину поля в дальней зоне (типа

Уаїкіпв); (б) используют полученную интерференционную картину для определения двух значений диаметра оптического волокна при двух пространственно-разнесенньїх положениях, причем указаннье положения вьібирают так, чтобь! кривая зависимости диаметра от угла поворота волокна с зллиптической характеристикой, определенная для одного из положений, бьіла сдвинута по фазе примерно на 90" относительно такой же кривой, определенной при другом положении, и (с) усредняют указаннье два значения с получением размера диаметра волокна, которьйй практически не реагирует на зллиптичную характеристику указанного волокна.

В случає волокна с покрьітием из кварцевого стекла установлено, что угловой шаг между положениями двух измерений в диапазоне от примерно 120" до примерно 124", например шаг примерно 123", создаєт требуемьй угол сдвига фаз между двумя измерениями диаметра.

Величина диаметра, определенная на зтапе (с), не только нечувствительна к зллиптичности волокна, но таюке имеет превосходное приближение к среднему диаметру зллиптического волокна, поскольку отношение малой к большой оси зллипса оптического волокна составляєт 0,98 и вьіше. В зтот диапазон входят все типь! встречаємьх в практике световодньїх волокон. Ниже зтого диапазона при простом усреднении двух значений имеется тенденция к получению избьточного среднего диаметра из-за наличия более коротких радиусов по мере увеличения зксцентричности зллипса.

В соответствии с другим вариантом реализации настоящее изобретение предлагаєт способ и связанноеєе с ним устройство для характеристики отклонения от круглости волокна, заключающийся в том, что: (а) направляют по крайней мере один пучок когерентного, монохроматического излучения на указанное оптическое волокно, в результате чего получают по крайней мере одну интерференционную картину поля в дальней зоне; (Б) используют полученную интерференционную картину (картиньії) для определения по крайней мере трех значений диаметра оптического волокна, причем одно значение - для каждой из по крайней мере трех пространственно-разнесенньїх положений, и (с) сравнивают опо крайней мере три значения диаметра волокна с получением показателя, свидетельствующего об отклонении от круглости волокна, например, определений козффициента, равного разнице между самой большой и самой малой величиной диаметра, поделенной на среднеєе значение диаметра.

В некоторьх предпочтительньїх вариантах осуществления предлагаемого изобретения две из систем, используемьхх для определения среднего диаметра, например лазер и два разнесенньїх по углам детектора, укладьшвают сверху одна на другую в совокупности с системой, сдвинутой относительно другой на 45". В результате зтого получают значения диаметра каждого из четьірех детекторов и сравнивают их для определения показателя отклонения от круглости.

В соответствии с другими вариантами реализации настоящего изобретения могут бьіть представлень! два способа вьявления дефектов в оптических волокнах, которне можно использовать по отдельности, но предпочтительно в совокупности друг с другом. Оба зти способа основаньй на влияниий образуемьх пустот (провалов) на интерферограмму поля дальней зоньї, и их можно использовать для обнаружения провалов, варьирующих по размеру от примерно 1 до примерно 6095 диаметра волокна. Каждьй из указанньїх способов включаєт обнаружение участка интерферограммь поля дальней зоньі, например участка, делящего между углами, например, в диапазоне 50" - 707 с последующим его анализом на наличие внутренней неоднородности.

В частности, первьій способ заключаєтся в генерации спектра пространственной частоть! детектируемой интерференционной картинь. В некоторьїх предпочтительньїх вариантах осуществления предлагаемого изобретения указанньй спектр получают при использований бьстрого преобразования Фурье. Спектр пространственной частотьь содержит линию (составляющую), соответствующую наружному диаметру оптического волокна (упоминаємого далее в описаний как "ОО линия", "ОО составляющая", "первая линия" или "первая составляющая").

В соответствии с предлагаемьм изобретением установлено, что при наличии дефекта в оптическом волокне указанньій спектр содержит вторую составляющую, частота (или частотьіь при их расщепленийи, см. далее) которой больше частотьї Ю.С. составляющей (основной составляющей) и меньше - ОО составляющей. В частности, в случае небольших возникающих в центре пустот частота второй составляющей составляет примерно Ж частотьї О0О-составляющей.

Кроме того, бьіло обнаружено, что с увеличением размера небольших пустот, расположенньїх по центру волокна, вторая составляющая расщепляется на два субкомпонента, которнише смещаются в противоположньх направлениях от исходного положения второй составляющей.

Второй способ включает определение общей мощности вьявленной интерференционной картиньі. В соответствии с изобретением бьло обнаружено, что общая мощность возрастаеєт практически линейно с увеличением размеров частотьі. Таким образом, наблюдая за изменением общей мощности во времени, можно контролировать возникновение и рост пустот в волокне. Обнаружение пустот можно осуществить путем определения порогового значения общей мощности, превьішение которого будет показьшвать на наличие дефектов. Величина порогового значения может бьіть установлена, например, змпирически путем определения общей мощности для бездефектного волокна и прибавления к зтому базовому уровню определенной величинь мощности для получения порогового значения.

Кроме зависимости от наличия пустот, общая мощность находится также в прямой пропорциональной зависимости от мощности света, падающего на волокно. Позтому при определений общей мощности могут возникать ошибки, связаннье с флуктуациями освещенности.

Однако, в соответствии с настоящим изобретением, установлено, что амплитуда (спектральная мощность)

ОО-составляющей также прямо пропорциональна мощности падающего на волокно света и по существу не зависит от наличия дефектов, имеющих размер менееє примерно 6095 от диаметра волокна. Таким образом, контролируя общую мощность (интенсивность) интерференционной картиньь и мощность О0-составляющей, можно различать изменения, связаннье с наличием пустот, от изменений, связанньїх с флуктуациями освещенности. Конкретно, путем нормализации общей мощности по мощности ОО-составляющей, можно получить показатель, инвариантньй к изменениям мощности источника излучения, но возрастающий по величине при наличии пустотьї увеличивающегося размера. Анализируя изменение нормализованной мощности во времени, можно контролировать возникновение и рост пустот в волокне, а путем установления порогового значения нормализованной мощности можно определять наличие пустот.

В некоторьїх вариантах осуществления настоящего изобретения спектрьі пространственньїх частот определяют в нескольких положениях, например под углами «ж 61,57 и - 61,5", как показано на Фиг.1, после чего осуществляют определение вторьїх составляющих в каждом спектре. Различия в частоте и/или форме и/или размере вторьїх составляющих используют затем для определения положения пустоть! по центру или вне центра волокна.

Сочетания вьішеуказанньїх способов, например, определениеє второй составляющей вместе с контролем общей мощности и определением спектров в нескольких положениях, могут бьть использовань! для перекрестного контроля работь! отдельньїх способов.

Поскольку падающий свет преломляется на волокне, свет от единственного источника не может достичь всех участков поперечного сечения волокна (следует иметь в виду, что зтот зффект наблюдается и в описанньїх вьіше известньїх методах). Вариантьї осуществления настоящего изобретения, использующие несколько источников света, падающего на волокно под различньми углами, могут уменьшить или устранить такие слепье пятна, что повьішаєт вероятность обнаружения пустот, расположенньх в волокне произвольнь!м образом.

В дальнейшем предпочтительнье варианть! осуществления настоящего изобретения поясняются примерами исполнения со ссьілками на прилагаемье чертежи, на которьх:

Фиг. 1 - принципиальная схема устройства по настоящему изобретению для определения диаметра волокна, нечувствительного к его зллиптичности;

Фиг. 2 - кривне зависимости расчетного количества интерференционньхх полос от угла поворота зллиптического волокна для детекторов с угловьім фактором 20";

Фиг. З - зависимость относительного уменьшения погрешности измерения от величинь! углового расстояния между детекторами;

Фиг. 4 - расчетная зависимость кривьїх подсчета интерференционньїх полос от угла вращения волокна, имеющего зллиптическое сечение, при использований четьірех детекторов;

Фиг. 5 - расчетная зависимость кривьїх подсчета интерференционньїх полос от угла вращения волокна, имеющего зллиптическое сечение при использований трех детекторов;

Фиг.б - типичная интерференционная картина в дальней зоне для волокна диаметром 125мкм в угловом диапазоне 507 - 707;

Фиг. 7 - типичньій частотньій спектр интерференционной картиньі! в дальней зоне для волокна диаметром 125мкм в диапазоне пространственньх частот от 2,0 до 4, Оциклов/градус;

Фиг. 8 - блок-схема обработки данньїх в реальном масштабе времени по предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 9 - блок-схема обработки данньїх в автономном режиме по предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 10 - кривая зависимости локальной пространственной частотьі, вираженной в циклах/градус, от угла рассеяния;

Фиг. 11 - график трех периодов синусоидальной кривой;

Фиг. 12 - график трех периодов частотно-модулированной синусоидальной кривой;

Фиг. 13 - кривая зависимости углового смещения от положения опорньїх точек, используемой при исключений частотной модуляции из данньїх интерференционной картинь! в дальней зоне;

Фиг. 14 и 15 - принципиальнье схемь, изображающие влияние прямоугольной и трапецеидальной вьірезающих функций, соответственно, на Фурье-преобразованиєе отсекаемого участка синусоидальной волньї!;

Фиг. 16 - зависимость величиньі! стандартного отклонения определения диаметра волокна от отношения сигнал/шум;

Фиг. 17 - частотньій спектр интерференционной картинь! по Фиг.б;

Фиг. 18 - иятерференционная картина в дальней зоне в угловом диапазоне 50" - 70" (а) и частотньйй спектр (р) волокна диаметром 125мкм без сердцевинь! с расположенной по центру пустотой диаметром 2мкм;

Фиг. 19 - иятерференционная картина в дальней зоне в угловом диапазоне 50" - 70" (а) и частотньійй спектр (р) волокна диаметром 125мкм без сердцевинь! с расположенной по центру пустотой диаметром 5мкм;

Фиг. 20 - иятерференционная картина в дальней зоне в угловом диапазоне 50" - 70" (а) и частотньійй спектр (р) волокна диаметром 125мкм без сердцевинь с расположенной по центру пустотой диаметром 20мкм;

Фиг. 21 - иятерференционная картина в дальней зоне в угловом диапазоне 507-707 (а) и частотньй спектр (Б) волокна диаметром 125мкм без сердцевинь! с расположенной по центру пустотой диаметром 40мкм;

Фиг. 22 - принципиальная схема распространения отраженного и преломленного света в волокне диаметром 125мкм без сердцевинь! с расположенньїм по центру отверстием диаметром 2мкм;

Фиг. 23 - частотньій спектр для волокна диаметром 125мкм без сердцевиньі с расположенной по центру пустотой диаметром 80мкм в угловом диапазоне от 50" до 70";

Фиг. 24 - кривая зависимости полной интенсивности интерференционной картинь! в диапазоне от 507 до 70" от диаметра пустот в волокне при постоянной интенсивности падающего света;

Фиг. 25 - кривая зависимости интенсивности ОО-линии от диаметра присутствующей в волокне пустоть! при постоянной интенсивности падающего света;

Фиг. 26 - принципиальная схема прохождения преломленньїх лучей света через сечение оптического волокна.

Изобретение поясняется следующими примерами конкретного вьіполнения:

На Фиг. 1 изображена схема устройства для определения диаметра волокна, нечувствительного к его зллиптичности. На схеме изображено: 1 - лазер; 2 - излучаемьсй пучок коллимированного когерентного монохроматического света. Направление пучка света 2 определяет центральную ось системьі (угол 07);

З - оптическое волокно; 4, 5 - оптические системь!; 6, 7 - детекторь.

Лазер 1 генерирует пучок света 2, которьій отражаєтся и преломляеєтся на поверхности волокна 3, в результате чего возникает интерференционная картина в дальней зоне в соответствии с уравнениями (1 - 3).

Оптические системьї 4 и 5 проецируют интерференционную картину в дальней зоне на левьй и правьй детекторь би 7.

В процессе изготовления волокно может смещаться на несколько мм от своего номинального положения, что может вьзвать изменениеє пространственной частотьь интерференционной картиньі и привести -к непредсказуемьм погрешностям при измерений диаметра волокна. Чтобьі свести к минимуму погрешности, вьізваннье изменением положения волокна, детектор устанавливаєтся в задней фокальной плоскости связанной с ним оптической системь!. При таком размещений детектора интерференционная картина в дальней зоне будет по существу независимой от смещения положения волокна.

Кроме смещения, волокно в процессе изготовления может бьїть наклонено до 17 от своего номинального положения, что может привести к смещению интерференционной картиньі в дальней зоне вверх или вниз от детектора. Во избежание зтого в оптическую систему можно установить цилиндровье линзьї, ориентированнье таким образом, чтобьї линия, проходящая их центр кривизньі, бьіла расположена параллельно плоскости размещения лазера и детектора и перпендикулярно осям растровьїх линз, и установленньюе так, чтобь! они направляли отклоненную интерференционную картину на детектор.

Как показано на Фиг. 1, центральная ось детектора б находится при угле ж 61,5", а центральная ось детектора 7 - при угле - 61,57". Подходящий угловой фактор для каждого детектора составляєт 20", то есть от ж 51,57 до ж 71,57 для детектораби от - 51,5" до - 71,57 для детектора 7.

Вьїходнье даннье с каждого детектора анализируются отдельно для определения сигнала, соответствующего диаметру волокна. Для измерения диаметра волокна и вніявления дефектов в нем в данном изобретений используют метод анализа пространственной частоть!.

После получения двух сигналов, соответствующих диаметру волокна, их значения усредняют и получают требуеємьй конечньй сигнал, соответствующий диаметру волокна и по существу независимьй от его зллиптичности.

На Фиг. 2 изображеньй кривье зависимости расчетного количества интерференционньїх полос от угла поворота зллиптического волокна для детекторов с угловьім фактором 20": 8 - кривая зависимости расчетного количества интерференционньмх полос для детектора с центральной осью при ж 607; 9 - кривая зависимости для детектора с центральной осью при - 60"; - усредненная кривая для двух детекторов. Как видно из Фиг. 2, усредненная кривая 10 результатов подсчета интерференционньїх полос для детекторов, расположенньїх при ж- 60" и - 60" (кривне 8 и 9 соответственно), по существу не зависит от угла поворота волокна. В соответствии с зтим, средний диаметр волокна, определенньй при таких положениях детекторов, будет практически нечувствительньі!м к зллиптичности волокна.

На Фиг. З представлена зависимость относительного уменьшения погрешности измерения от величинь! углового расстояния между детекторами. Вертикальная ось (относительное уменьшение погрешности) показьивает отношение двойной амплитудьі кривой подсчета интерференционньїх полос для одного детектора (кривая 8 или 9) к усредненной кривой для двух детекторов (кривая 10).

Как видно из Фиг. 3, наибольшееє уменьшение погрешности, составляющее не менее 20:1, соответствует угловому интервалу от 120" до 124". Из-за сложности интерференционной картинь!ї полная нечувствительность к зллиптичности волокна не достижима даже при оптимальном расчетном угловом расстояний между детекторами. Однако двадцатикратное уменьшение погрешности достаточно для практических целей.

Кривье подсчета интерференционньїх полос зависят от величинь! показателя преломления оболочки. В общем случає величина углового расстояния между детекторами, при которой достигается максимальное уменьшение погрешности, слабо возрастает с увеличением показателя преломления. Однако при изменений показателя преломления менее чем на 0,05 величина оптимального углового расстояния между детекторами изменяется незначительно. Таким образом, при постоянной величине углового расстояния между детекторами можно производить измерения для волокон различньїх типов в широком интервале температур с вьсокой степенью независимости от зллиптичности.

Нами бьло установлено, что угловое расстояние 123" (0 -: ж 61,57) обеспечиваєт успешное осуществление измерений для различньх одномодовьїх или многомодовьх оптических волокон в широком интервале температур.

Кривне, изображенньєе на фиг. 2 и 3, бьіли рассчитаньі для волокна, имеющего правильную зллиптическую форму. В действительности отклонение формь! волокна от правильной окружности может включать не только зллиптические составляющие. Позтому некоторая остаточная чувствительность к неправильности формь! волокна будет сохраняться даже при оптимальном расчетном угловом расстоянии между детекторами. Однако бьло обнаружено, что при величине отклонения формь волокна от окружности не более, чем на 0,2мкм, зллиптические составляющие являются основньмми. Таким образом, способ по настоящему изобретению обеспечивает прекрасное уменьшение погрешности измерений для таких волокон.

Требуемая нечувствительность к зллиптичности волокна может бьіть достигнута и при несимметричном расположениий детекторов относительно центральной оси. Зависимость величиньії фазового сдвига кривой подсчета интерференционньїх полос от углового положения детектора имеет примерно линейньй характер, то есть величина фазового сдвига изменяется примерно на 157 изменения углового положения детектора. Таким образом, требуемая величина фазового сдвига в 907 может бьть сохранена при одинаковьїх смещениях положений правого и левого детекторов, например при смещениий углового положения левого детектора с 60" до 707 при одновременном смещении положения правого детектора с - 607 до - 507. Однако предпочтительньм вариантом вьіполнения измерения является симметричное расположение детекторов.

Как вариант вьіполнения изобретения, можно использовать для осуществления способа измерения диаметра волокна, не зависящего от отклонения его от круглости, две системьі, каждая из которьїх состоит из лазера и детектора, установленнье одна на другую таким образом, чтобьї интерференционнье картинь! от двух лазеров не накладьівались друг на друга. Основньім условием, определяющим размещение зтих двух систем, является необходимость сохранения сдвига опо фазе она 907 полученньх зависимостей кривьїх подсчета интерференционньх полос от ориентации волокна.

Кроме того, что предлагаемьй способ позволяет определить средний диаметр волокна с отклонением от круглости, важньмм моментом является то, что он также позволяет оценивать степень некруглости волокна. Как видно из Фиг. 2, разница между кривьми 8 и 9 при их максимальньїх значениях, то есть при угле 457 и 135", является хорошей мерой для оценки степени некруглости волокна. При других углах зта разница менее значима, а при 0", 907 и 180" зта разница обращаєтся в нуль, что может привести к ошибочному вьіводу о круглой форме волокна.

На Ффиг. 4 изображена расчетная зависимость кривьїх подсчета интерференционньх полос от угла вращения волокна, имеющего зллиптическое сечение при использований четьірех детекторов. Позиция 11 соответствуеєт усредненному сигналу от четьірех детекторов.

На Фиг. 5 изображена расчетная зависимость кривьїх подсчета интерференционньх полос от угла вращения волокна, имеющего зллиптическое сечение при использованиий трех детекторов. Позиция 12 соответствуеєт усредненному сигналу от трех детекторов.

Предпочтительно четьіре детектора входят в состав двух систем, изображенньмх на фиг. 1 и установленньх одна на другой, причем центральная ось второй системь! сдвинута на 45" относительно центральной оси первой системьі. За счет зтого кривне подсчета интерференционньх полос второй системь! сдвинуть! по фазе на 45" по отношению к кривьїм подсчета интерференционньїх полос для первой системь! и заполняют промежутки между кривьїми, как показано на фиг. 4.

Результатьї измерения диаметра волокна с использованием четьірех детекторов могут бьіть использовань! для определения различньїх показателей отклонения от круглости волокна. Например, может бьіть использован показатель, равньій отношению разности найбольшего и найменьшего значений диаметра к среднему значению диаметра волокна. Для данньх, приведенньмх на Ффиг. 4, зтот показатель изменяется от 0,016 до 0,011, при зтом максимальная погрешность возникает при угловой ориентации волокна 20", 707, 1107 и 160". Величина погрешности составляет 3095 и является результатом недооценки степени некруглости волокна.

В общем случає степень отклонения от округлости волокна может бьіть охарактеризована при помощи трех или более детекторов. При зтом варианть! компоновки детекторов логически распадаются на два качественно разньїх типа: системь!ї с использованием нечетного количества детекторов и системь! с использованием четного количества детекторов.

Преимуществом систем с использованием нечетного количества детекторов является то, что максимальная погрешность при определениий степени некруглости волокна меньше, чем для системь! со следующим четньм числом детекторов, например погрешность для системь! с тремя детекторами меньше, чем погрешность для системь! с четьірьмя детекторами.

Как видно из фиг. 4 и 5, величина погрешности для системь! с четьірьмя детекторами изменяется от 0 до 30905, а для системь! с тремя детекторами - от 1295 до 2590.

С другой стороньї, недостатком использования системь с нечетньм количеством детекторов является проблема размещения детекторов и лазеров. Например, для системь! с тремя детекторами при использований одного лазера один из детекторов будет находиться в положении, в котором интерференционная картина не включаєет составляющую, соответствующую диаметру волокна. Таким образом, в системе с тремя детекторами необходимо использовать два или три лазера.

Из-за сложности практического размещения систем с нечетньім количеством детекторов предпочтительньіми являются системь! с четньім количеством детекторов.

Найиболее предпочтительньмм способом определения степени некруглости волокна является использование нескольких одинаковьх базисньїх блоков, изображенньїх на фиг. 1, включающих один лазер и два детектора и позволяющих производить измерения, независящие от зллиптичности волокна. Использование таких блоков позволяет наращивать количество детекторов до четьірех или более, а с другой сторонь, при вьіходе из строя одного из базисньїх блоков, любой из оставшихся блоков обеспечивает измерение диаметра волокна независимо от его зллиптичности.

Из Фиг. 4 и 5 видно, что усредненньєе сигнальі, поступающие от четьірех детекторов (Фиг. 4, кривая 11) или от трех детекторов (Фиг. 5, кривая 12) не чувствительнь! к зллиптичности волокна. Обобщая, нечувствительность результатов измерения к зллиптичности волокна может бьть достигнута путем размещения множества детекторов, например М детекторов вокруг волокна таким образом, чтобьї зависимость величиньі! диаметра от угла вращения для зллиптического волокна, определеннье для М положений, имели сдвиг по фазе 1807/М по отношению друг к другу.

Таким образом, использование вместо двух трех или большего числа детекторов позволяет количественно оценить степень некруглости волокна при сохранений возможности вьіполнять измерение диаметра волокна независимо от его зллиптичности.

Кроме использования указанньх сигналов для определения значений диаметра волокна, нечувствительньх к его зллиптичности, и оценки степени отклонения от круглости волокна, в различньїх вариантах осуществления изобретения они могут бьіть использовань! для определения и/или контроля максимального поперечного сечения волокна (ММС) в процессе его вьітяжки. Для волокна ММС определяеєется найменьшей окружностью, которая может бьїть описана вокруг зтого волокна. ММС может бьіть определено как максимальное значение диаметра, определенное для М проекций или путем расчета главной оси зллипса, аппроксимирующего форму волокна.

Практическая важность таких расчетов связана с областями применения, в которьїх волокно заключается в жесткую трубку, например в гнездах разьемов.

При оценке ММС по данньім, приведенньм на Фиг. 2, видно, что для любого данного угла вращения величина ММС соответствует найбольшему из значений кривьїх 8 и 9. Видно, что точньій расчет ММС обеспечиваєтся только для углов, равньїх 457 и 1357". Для всех других ориентации волокна значение ММС занижено, причем максимальная погрешность составляєт 5095 от величиньі разности между главной и малой осями зллипса и соответствует углам вращения 0", 907 и 180". Такая величина погрешности слишком велика по сравнению с требуемьм для контроля уровнем точности измерений. Однако величина погрешности уменьшается при увеличении количества детекторов. Так, для системь! с четьірьмя детекторами, изображенной на Ффиг. 4, максимальная погрешность определения ММС составляет всего 29905 от разности между главной и малой осями зллипса и соответствует углам 22,57, 67,57, 112,57 и 157,5".

На фиг. 6 изображена типичная интерференционная картина в дальней зоне волокна диаметром 125мкм, используемая для определения пространственной частоть! (0) ОО-линии.

На Ффиг. 7 изображен спектр пространственньїх частот для интерференционной картиньії, изображенной на

Фиг. 6, в интервале 2,0 - 4 Оциклов/градус: 13 - Ор-линия интерференционной картинь!; 14 - линия галерейкой модь. Спектр бьіл получен путем осуществления О5ЕТ расчетной интерференционной картинь! при шаге 0,01цикла/градус и включает серию пиков (линий) различной амплитудь), расположенньх при различньх пространственньх частотах.

Фиг. 8 представляеєт блок-схему последовательности операций, осуществляемьх для обеспечения точности определения положения ОО-линий не менее 5 х 10"циклов/градус, в реальном масштабе времени.

Фиг. 9 представляєт блок-схему последовательности операций, осуществляемьх автономно, с хранением полученньїх результатов для их последующего использования процессором, работающим в реальном масштабе времени.

Далее описань! более подробно указаннье стадии осуществления расчетов диаметра волокна.

Первой стадией обработки данньїх, представляющих интерференционную картину, в реальном масштабе времени является предварительная фильтрация и субдискретизация. Предварительную фильтрацию производят для: 1) увеличения отношения сигнал-шум для дискретньх данньх; и 2) устранения зффекта наложения спектров при последующей операции субдискретизации, то есть возможности ложного свертьівания более вьісокой частоть! в нужньй диапазон частот.

Субдискретизация осуществляєтся для уменьшения числа реперньїх точек, используемьх на остальньх стадиях оперативной обработки данньіїх, для сокращения времени обработки данньїх в реальном масштабе времени. использование большего, чем зто необходимо, количества отсчетов с последующим осуществлением низкочастотной фильтрации для устранения ненужньїх отсчетов позволяет значительно увеличить отношение сигнал/шум для используемьїхх данньїх. Величина отношения сигнал/шум при зтом возрастаєт пропорционально корню квадратному из скорости прореживания импульсной последовательности (например, при снижений количества отсчетов с 2048 до 256 отношение сигнал/шум возрастает в 2,8 раза).

Частоту среза низкочастотного фильтра вьібирают так, чтобьї ОО-линии, соответствующие представляющим интерес диаметрам оптического волокна, остались после фильтрации в системе данньх. Как видно из уравнения (3), частота ОО-линий является линейной функцией диаметра оптического волокна. При козффициенте пересчета, равном 40,242, частота ОО-линии для волокна диаметром 125мкм составляеєет 3,1циклов/градус. При проведений измерений для волокон диаметром до 250мкм частота среза низкочастотного фильтра должна превьішать 6,2циклов/градус.

Сущность фильтрации заключается во введений сдвига (смещения) частотьї ОО-линии. После фильтрации пик будет смещен в сторону частотьі, при которой спектр, полученньій для неотфильтрованньх данньх, имеет крутизну, равную по величине и противоположную по знаку крутизне амплитудно-частотной характеристики фильтра при частоте ОО-линии. Позтому фильтр должен вьібираться таким образом, чтобьі зто смещение бьло меньше требуемой величинь! точности определения положения ОО-линии. Для фильтра Рагк5-МесСіейПап зто смещение не должно превьішать 25 х 10 "циклов/градус.

Для достижения более вьсокого значения отношения сигнал/шум спектральная мощность минимально допустимой частоть! вьіборки или максимальной частоть! спектра сигнала для субдискретизации данньїх должна бьїть исключена. Например, для 2048 злементов изображения, определяемьх с помощью 20"-ного детектора, минимально допустимая частота вьіборки составляеєт їм - 0,5 х (2048/20) - 51 2циклов/градус. Субдискретизация данньїх до 256 точек (то есть прореживаниє в соотношениий 8:11) приводит к снижению частоть! вьіборки до б,4циклов/градусє. Таким образом, для данной вьіборки должен бьіть использован низкочастотньй фильтр с частотой отсечения, близкой к 6б,4циклов/градусє. Следует отметить, что зто значение больше величинь б,2циклов/градус, вьчисленной на оснований диаметра оптического волокна. На практике должно использоваться большее из полученньмх значений.

В качестве низкочастотньїх фильтров могут бьїть использовань! различнье цифровье фильтрь, известнье специалистам в данной области. Могут также использоваться разнье частотьї дискретизации. Нами бьло установлено, что для 2048 опорньїх точек, распределенньх по 20"-ному детектору, нормальная работа обеспечиваєется при частоте дискретизации 8 : 1 и использований фильтра Рагк5-МеоСіейПап, имеющего импульсную характеристику конечной длительности с 26 точками.

Обзор характеристик фильтров Рагк5-МесСіеїПМап приведен в работах А.М.Орреппеїт апа к.мМу/.Зспатег, Оізсгеїе-

Тіте Зідпаї! Ргосезвзіпо, Ргепіїсе-НаїІ, Епдіежмооай Сів, 1989, стр. 465 - 488, и Т.МУ.Рагк5 апа С.5.Виггив5, Оідна! Рінег

Оезідп, У9.ММіІеу 5 Боп5, Мем/ Могк, 1987, стр. 89 - 106. В Таблице 1 приведен ряд козффициентов, пригодньїх для использования с данньм фильтром. Зти козффициентьй обеспечивают получение частотьї отсечения б,4циклов/градус и, как бьіло установлено на практике, обеспечивают пропускание ОО-линий для оптических волокон диаметром от 40 до 250мкм.

Следующей операцией обработки данньїх в реальном масштабе времени является осуществление бьістрого

Фурье-преобразования (БЕЕТ) отфильтрованньх субдискретизированньхх данньх для получения ряда комплексньїх козффициентов в частотной области. Методика осуществления бьістрого преобразования Фурье описана в статье Сооієу, І еміз апа УУеЇІсп, Те Раві РБошпег Тгапвіогпт апа їїз Арріїсайопе, ІВМ Незеєагсі Рарег АС 1743, 09.02.1967.

Помимо точного определения диаметра оптического волокна, даннье ЕЕТ могут бьіть использовань! также для обнаружения дефектов волокна, таких как пустотьї, и для текущего контроля работь! лазера, оптической системьї и детектора, например путем контроля полной мощности ЕЕТ-спектра и/или амплитудь линий постоянного тока и/или ОО-линии.

Третьей операцией обработки данньїх в реальном масштабе времени является определение ОЮО-линии в спектре ЕРЕТ. Для проведения поиска используют величиньї козффициентов Фурье. В результате поиска находят козффициент, имеющий найбольшую величину, отличньй от козффициента линии постоянного тока, или козффициенть, соответствующие дефектам волокна, частоть! которьїх меньше частоть!ї ОО-линии.

Если диаметр измеряемого волокна примерно известен, то поиск можно начинать вьіше той области, где предполагается присутствие ОО-линий для данного волокна, с продвижением затем в область низких частот. Для волокна с диаметром 125мкм поиск следует начинать в области вьіше З,1циклов/градус.

По другому варианту осуществления изобретения, поиск можно начинать вьіше области, соответствующей линии наийбольшего диаметра волокна, которьій может бьть определен при помощи данной системь, с последующим продвижением в область низких частот.

В обоих случаях поиск должен бьть завершен в области, соответствующей частоте ОО-линии для наийменьшего диаметра волокна, которьйй может бьіть определен при помощи данной системь!.

Требуеємьй максимум определяют путем поиска линии, амплитуда которой превьпшаєт амплитудь! как предьідущих, так и последующих соседних линий. Кроме того, искомая линия желательно должна превьшать заданное пороговое значение.

Спектрьі ЕЕТ могут включать пик в области частот вьше ОО-линии (линия 14 на Ффиг. 7), наличие или отсутствие которого определяется длиной волньї падающего света и диаметром волокна. Считается, что зта линия соответствуєт так назьіваемьм "галерейнь!м" модам, распространяющимся по поверхности волокна, а ее появление для данного волокна определяєтся величиной соотношения длиньії окружности волокна и длинь! волньі падающего света. Зта линия имеет большую частоту и меньшую амплитуду, чем ОО-линия. Позтому при правильно определенном пороговом значений во время поиска зта линия будет пропущена и будет найдена требуемая ОО-линия. На практике использование порога, составляющего номинально 0,25 от величинь типичной амплитудьї ОО-линии, позволяет успешно определять положение ОЮО-линии в присутствии линии галерейной модьї. При желаний детектор может бьіть снабжен автоматической системой регулировки усиления для сохранения постоянной ожидаемой амплитудьії ОО-линии.

После нахождения, ОО-линия и предварительно определенное число линий по обе сторонь от нее используются для дальнейшей обработки данньх. В соответствии с настоящим изобретением, исходнье даннье интерференционной картиньї не являются необходимьми для осуществления дискретной последовательности

Фурье-преобразований (О5ЕТ) по мелкой сетке (хотя при желаний зти даннье могут бьіть использовань!). Бьіло установлено, что восстановленнье даннье, полученнье путем обратной О5ЕТ вьібранньїх козффициентов ЕЕТ в области ОЮО-линии, содержат информацию, достаточную для определения положения ОО-линии с вьсокой степенью точности.

Количество козффициентов ЕРЕТ, необходимьїх для осуществления последующих стадий обработки данньмх в реальном масштабе времени, зависит от таких параметров, как расстояние между линиями ЕЕТ, вид используемой для коррекции данньїх вирезающей функции, отношение сигнал/шум для данньх, диапазон определяемьїх данной системой диаметров волокон, размер детектора и характеристическая модуляция частоть! интерференционной картиньі, учитьивающая поправку на систему линз, используемую для проецирования интерференционной картинь!ї на детектор. Как правило, следует учитьівать линии, прилегающие к ОО-линии в диапазоне «з 4/МА, где М - число опорньх точек, а Де - величина шага между точками. Таким образом, должно бьїть использовано по меньшей мере 4 линии по обе стороньі от ОО-линии.

В любом конкретном случає оптимальноеє число линий может бьть определено, например, путем моделирования данньїх интерференционной картиньії для ряда вьібранньїх диаметров оптического волокна, после чего изменяют число линий, используемьх для восстановления данньх, и определяют число линий, для которого расчетьь дают значения диаметров, достаточно близкие к вьиібранньм диаметрам волокна. Расчет интерференционньїх данньїх может производиться с использованием, например, уравнений Уоткинса или модели волнового уравнения с учетом имитационного шума, например белого гауссова шума.

В случає указанньїх вьіше типичньїх параметров волокна для осуществления стадий расчета, изображенньх на Фиг. 8 и 9, для достижения требуемой степени точности определения диаметра волокна (0,02мкм) бьіло достаточно использование 15 козффициентов ЕРЕТ, центрированньїх вокруг ОО-линии. При желаний может бьть использовано меньшее количество линий, например, хорошие результать! бьіли получень! при использований 9 линий, хотя при использований 15 линий получают более надежньсе результать.

Четвертая стадия обработки результатов в реальном масштабе времени включает умножение вьібранньх козффициентов ЕРЕТ на предварительно вьічисленную матрицу, которое включаєет: 1) операцию обратной О5ЕТ; 2) частотную демодуляцию; 3) коррекцию с использованием вьірезающей финитной функции; и 4) внічисление линий О5ЕТ по мелкой расчетной сетке.

Процедура расчета зтой матриць изображена на фиг. 9 и подробнее описана ниже. В результате умножения козффициентов РЕТ на предварительно вьічисленную матрицу получают ряд комплексньїх козффициентов, представляющих спектральную интенсивность на частотах мелкой сетки.

Число столбцов матрицьі! равно числу козффициентов РЕТ, например 15, а число строк равно числу линий

О5ЕТ на мелкой расчетной сетке, например 11. Поскольку и ЕЕТ-линии, используемье для восстановления данньіїх, и мелкая расчетная сетка, используемая для О5ЕТ, должнь! бьіть центрировань! относительно О0- линии, то значения злементов матриць изменяются при изменений положения ОО-линии. На практике составляется большая матрица, например матрица, состоящая из 100 столбцов и 500 строк, которая перекрьвала бьї диапазон изменений положения ОЮ-линии, и для вьібора столбцов и строк зтой большой матриць, используемьх на стадии умножения, производят оценочное определение положения ОЮО-линии путем осуществления стадии ЕЕТ.

Границьї интервала положений ОЮО-линии, которьій включают в матрицу, определяєтся диапазоном определяемьх данной системой диаметров волокна, например, если диапазон определяемьх диаметров составляет от 40 до 250мкм, то для приведенньїх вьіше типичньїх параметров волокна большая матрица будет включать интервал ОЮО-линий от 1 цикла/градус до б, 2циклов/градуєс.

Число столбцов большой матрицьі, необходимое для охвата указанного интервала, зависит от величинь! шага между ЕЕТ-линиями. Для детектора с угловьім фактором 20" величина шага составляет 0,05циклов/градус.

Таким образом, для охвата интервала от Іцикла/градус до 6,2циклов/градус требуется примерно 100 столбцов.

Аналогично, число рядов определяеєется величиной шага мелкой расчетной сетки. Например, для мелкой расчетной сетки с шагом 0,01циклов/градус для охвата того же интервала требуется примерно 500 строк.

Большая матрица хранится в постоянном запоминающем устройстве или в другом пригодном устройстве памяти, обеспечивающем доступ к хранящимся данньїм во время осуществления операций по обработке данньх в виде просмотровой таблиць.

Пятая и шестая стадии обработки данньїх в реальном масштабе времени включают определение положения

ОО-линиий в спектре О5ЕТ на мелкой расчетной сетке, рассчитанном на стадии умножения матриц.

Предпочтительно операция осуществляеєтся в два зтапа. На первом зтапе определяєется положение трех самьх ярких линий спектра О5ЕТ, то есть определяются три козффициента С(Ї) уравнения (4), имеющие наийбольшие значения:

Св хх кава е (4 где значения х (КАЄ) являются не исходньіми опорньіми точками, а точками, полученньмми после обработки сигнала в соответствии с Фиг. 8. Затем зти три точки аппроксимируются параболической функцией, что позволяет получить еще более точную оценку частотьі, соответствующей максимуму спектральной мощности.

Используя абсолютньюе величиньі трех найбольших козффициентов (|С(їта)!, ІС(т), ІС(ян)|), определяют козффициенть а, Б и с уравнения:

Юбфеажввсв є) после чего определяют частоту, соответствующую пику параболь, с помощью уравнения:

ВА (61

Последняя стадия обработки данньїх в реальном масштабе времени включает преобразование частоть, определенной из уравнения (6), в величину диаметра волокна. Как бьіло описано вьіше, зта стадия заключается в простом умножениий частоть! на константу пересчета К, равную, например, 40,242 для типичньїх параметров волокна, указанньїх вьиіше. На практике величину константьї предпочтительно определяют змпирически путем калибровки системь! по волокнам цилиндрической формь! с известньіми диаметрами.

На Фиг. 9 указаньй различнье компонентьї, входящие в предварительно рассчитанную матрицу, используемую для расчетов по Фиг. 8. Зта предварительно вьічисленная матрица является произведением четьірех матриц, обозначенньїх на фиг. 9 буквами А, В, Си 0.

Составление каждой из указанньїх матриц обсуждаеєтся ниже. Для простоть! описания, при обсуждений будут рассматриваться только злементь! матрицьі, используемье для какого-либо конкретного расчета, хотя на практике злементьї матриць! вьбираются из большой матриць, базирующейся на частоте ОО-линии, определенной при помощи РЕТ, как бьіло описано вьіше.

А) Обратная О5ЕТ-матрица

Обратная О5ЕТ-матрица (матрица А) предназначена для восстановления интерференционной картинь! по вьібранньм значениям козффициентов РЕТ (например, по 15 козффициентам), окружающим ОО-линию, определенную посредством РЕТ. Злементь зтой комплексной матриць представлень вьіражением вида: атт - ві127лпт (7) где т принимаеєт значения от 1 до числа опорньїх точек, используемьїх при проведений ЕРЕТ (например, 256), а п принимаєт значения от 1 до вьібранного числа линий РЕТ, использованньїх в операции восстановления (например, 15). В результате умножения матриць А на линии ЕЕТ получают ряд данньїх, содержащих существенную информацию об ОО-линии и ограниченную информацию о других отличительньїх признаках исходньх данньмх, таких как дефекть! волокна, галерейнье модь, ОС уровни и т.д.

В уравнений (7) величинь! її представляют собой значения частот (в циклах/градус) виібранньїх ЕЕТ-линий, окружающих определенную в результате РЕТ ОЮО-линию. Например, для волокна диаметром 125мМкмМ с типичньїми параметрами, указанньми вьше, и детектора с угловьм фактором 20", при использований для расчетов 15 линий, частотьі її будут расположеньі на расстояниий 0,05циклов/градус друг от друга, будут охватьіївать интервал 0,7циклов/градус (14 х 0,05) и будут центрированьї относительно частоть 3,1циклов/градус.

В) Частотная демодуляция

Матрица частотной демодуляции (матрица В) предназначена для удаления вариаций (модуляций) частоть интерференционной картиньі, охватьваемой угловьім диапазоном детектора, возникающих в результате: 1) модуляции собственной частотьї интерференционной картиньі), предсказьваемой моделью Умаїкіп5, и 2) искажений интерференционной картиньі, вьізванньїх оптической системой, используемой для проецирования картинь на детектор.

Преимуществами удаления частотньїх модуляций являются: 1) некоторое уменьшение ширинь! ОО-пика, и 2) уменьшение чувствительности способа к пропуску интерференционньїх полос. Бьло обнаружено, что определяємая величина диаметра остаєтся по существу неизменной даже при 3095 заблокированньх интерференционньїх полос. Кроме того, если не производить удаление частотьї модуляции, предсказьнваемой моделью Умаїкіпв'а, то наблюдается значительное смещение расчетного значения диаметра волокна, определяемого по положению ОЮО-линиийи, которое линейно возрастаєт с увеличением диаметра волокна.

По отношению к характеристической частотной модуляции интерференционной картиньі! модель Умаїкіпв'а предсказьшваєт, что зта картина будет иметь локальную частоту, зависимость которой от 9 описьввается вьтражением:

ЦАВУ хх |ЗНДОМЯОЇ ісов(б/2)-г в із х и я 1 в сов 8 где значения Є вніражень! в радианах.

На Фиг. 10 представлена зависимость зтой модуляции как функции 69, рассчитанной по уравнению (8) для указанньїх вьіше типичньїх характеристик волокна в угловом диапазоне от 507 до 70". Как видно на Фиг. 10, максимальная локальная частота для зтих параметров находится вблизи 60".

По настоящему изобретению, удаление влияния зтой частотной модуляции на даннье достигается путем подстановки в каждой опорной точке значения интенсивности светового потока, которая наблюдалась бь! в зтой точке при отсутствии модуляции. Зтот процесс проиллюстрирован Фиг. 11 и 12.

На Фиг. 11 изображень! три периода синусоидальной кривой, которье не подвергались частотной модуляции.

Для зтой кривой фаза синусоидальной волнь! возрастаєт на 45" для каждой из 24 опорньїх точек, изображенньмх вдоль оси х.

На фиг. 12 изображень! три периода синусоидальной кривой, подвергнутой частотной модуляции по тем же 24 опорньім точкам. Указанньюе на Фиг. 12 точки, соответствующие увеличению фазьі на 45", распределень вдоль оси Х неравномерно, что является результатом частотной модуляции. Однако, если для каждой из 24 опорньїх точек на Фиг. 12 заменить значения функции на значения функции в точках, соответствующих увеличению фазь на 45" (например, величину функции в точке З заменить на значение функции при З Х 45"), то мьї получим в результате фиг. 11.

Таким образом, в результате произведенной подстановки устраняется частотная модуляция при сохранений полного числа периодов. С другой стороньі, средние частотьі для кривьїх, изображенньіїх на Фиг. 11 и 12, одинаковь!, но кривая, приведенная на Фиг. 11, представляєт собой правильную синусоидальную функцию и легче поддается Фурье-анализу, чем кривая, представленная на Фиг. 12. Поскольку нам необходимо определить среднюю, а не локальную частоту, то анализ кривой, представленной на Фиг. 11, позволяет получить информацию, необходимую для определения диаметра волокна, несмотря на то, что зта кривая не содержит информации о локальной частоте.

Таким образом, проблема сводится к определению положения в интерференционной картине точек с равньім сдвигом по фазе, значения которьх (то есть интерполированнье значения функции в которьх) могли бь бьть подставленьі вместо значений в исходньїх опорньїх точках. Из уравнения (15) следует, что указаннье точки равного фазового сдвига не могут бьіть определень, если не известен диаметр оптического волокна й, которьй, конечно, является неизвестной величиной, подлежащей определению по данному способу. Однако нами бьло неожиданно обнаружено, что положение точек равного фазового сдвига не зависит от диаметра волокна.

Бьіло обнаружено, что точки равного фазового сдвига 4), і - 1,2, ...., М, где М - представляєт собой исходное число опорньїх точек, например 256, могут бить определеньї путем решения следующих трансцендентньх уравнений:

ВІВ « БУ) я - о(ВУ2) Те сей ДМ. хім ча где ба и 6. представляют собой угловье координатьі первой и М-ой опорньїх точек, соответственно, а величина Е|(4(1)/2| определяется виражением:

Н(ВУТУ з вин як їв я А - ко по

Зти уравнения могут бьть решень хорошо )известньми числовьми методами последовательньх приближений, например путем:

1) оценки правой части уравнения (9); 2) задания приближенного значения б, например значения углового положения исходной опорной точки; 3) вьічисления значения Е(0/2) для заданного значения 9 по уравнению (11); 4) вьічисление разности А между рассчитанньїм значением Е(0/2) и правой частью уравнения (9); 5) повторения процесса вьічисления с улучшенньіми приближенньїми значениями 6 до тех пор пока величина

А не будет достаточно мала. В качестве улучшенного приближенного значения может, например, использоваться величина разности между первоначальньм приближеннь!м значением 6 и величиной, равной

А Х (65 - 6 ад (6/2) - Е(б»/2)).

Результатьь осуществления вьішеописанной процедурьй изображень на Фиг. 13 в виде зависимости, представляющей величину отклонения реального местоположения опорньїх точек от точек, в которьїх должнь! бьїть определеньї значения интерференционньїх полос для устранения частотной модуляции. Для первьїх 128 опорньїх точек значения интерференционньїх полос должньі определяться при несколько завьішенньмх угловьх координатах (например, максимальное опережение составляет 0,0078" для точки 64), а для следующих 128 точек - при несколько заниженньйх угловьїх координатах (например, максимальное отставание составляет 0,0078" для точки 192).

График, приведенньій на Фиг. 13, позволяет в удобной форме ввести в матрицу частотной демодуляции поправки на искажения, вносимье оптической системой, используемой для проекции интерференционной картинь на детектор.

Используя стандартную технику определения траектории луча, можно построить график, аналогичньй приведенному на Фиг. 13, для конкретной системь! линз, используемой в системе для измерения параметров волокна. Таким образом, для каждой опорной точки можно рассчитать величину смещения, соответствующего действительному положению пучка света, которьій теоретически должен попадать в зту точку, например, если данная опорная точка представляет пучок света, ориентированньй под углом 55", но пучок света, ориентированньй под углом 55", в действительности попадает на фотодетектор в точке с угловой координатой 54,95", то величина смещения будет составлять 0,057. После зтого простьм суммированием смещений от линз к смещениям по Фиг. 13 получают комбинированную серию смещений, которая соответствует тем положениям, в которьїх нужно определить значения интерференционной картинь! для исключения как модуляции собственной частоть, так и искажений, вносимьїх в интерференционную картину системой линз.

После определения комбинированньх смещений, следующая операция заключаєтся в определений значений интерференционной картинь! в точках смещения. В общих чертах, зта проблема сводится к задаче интерполирования с целью определения множества значений у" во множестве точек 6 (точки смещения) по известному множеству значений у; (то есть, восстановленньх данньх, полученньїх после операции с матрицей А на Фиг. 9) во множестве точек 6; (положения исходньїх опорньх точек), где і - 1,2, ...., М, а М - число опорньх точек (например, 256).

Для определения значений в точках смещения могут бьть использованьй различнье известнье специалистам способьі интерполирования, например линейное интерполирование, интерполирование по 5іп(х)/х и т.п. Нами бьіло обнаружено, что наиболее подходящим методом определения амплитуд интерференционной картиньі в точках смещения является метод интерполирования с минимальньм нормированием, поскольку он дает значительно меньшее отклонение при определений диаметра во всем диапазоне определяемьх диаметров волокна (например, от 50 до 250мкм), чем, например, линейное интерполирование или интерполирование по зіп(ху/х. Общее описание методики интерполирования с минимальньм нормированием приводится в следующих источниках:

М.Соїоть апа Н.Е.М/еіпрегоег, "Оріїтаї! Арргохітайоп апа Егтог Вошипаз", в сборнике Оп питегїїса! арргохітайноп (А.Е.Гаподег, Еа.), Те Опімегзйу ої Мізсопвіп Ргез5, Мааізоп, 1959, рр. 117 - 190;

С.А.Міснеїїї апа ТУ. Віміїп, "А вигуєу ої Оріїта! Весомегу", в сборнике Оріїтаї! Евіїтайоп іп Арргохітайоп Тнеогу (С.А.Міснеїії, ТУ. Віміїп, Еадз.), Ріеєпит Ргевв, 1977, рр. 1 - 53;

Т.М.Раїкз5 апа н.с.ЗПпепоу, "Ап Оріїта! Несомегу Арргоасі ю Іпіегроїаноп", в сборнике Ргос. Рііпсеїюп Сопі. оп

Іп'огтайіоп Зсієпсез апа бузієтв, Рііпсеп Опімегейу, Рііпсеюп, Магсп 1988; ас.Овїкеп, Т.М.Раїкв апа Н.Му.5спіивзіег, "Мем Незиїїв іп їе Оевідп ої Оідйка! Іпіегроїаюгв", ІЄЕЕ Тгапв. АБОР,

Мо. АББР-23, Мо.3, дипе 1975, рр.301 - 309; Т.М. Раїкв апа О.Р.Коїра, "Іпіегроїайоп Міпітігіпд Махітит

Могтаїйхеєа Егтог юг Вапаїйїтнеа 5ідпа!5", ІЄЕЕ Тгапз. АБ5ОР, Мо. АР -26, Мо.4, Айдиві 1978, рр.381 - 384.

Для осуществления методики с минимальньм нормированием производят обращение матриць! для определения значения матриць! В по Фиг. 9. Строки матриць В представляют собой векторь! р, полученнье путем решения следующего матричного уравнения:

Веде ах где 9 представляєт собой матрицу размером М х М, злементь! которой определяются вьіражением:

В ех віп ик (6; - Б (13) е представляєт собой вектор, состоящий из М злементов, определяемьїх виіражением: ср відс ГК (В КВ 5114) 6; - положения исходньїх опорньїх точек, 6; - положения опорньїх точек смещения, константу К вьібирают, исходя из требуемой точности интерполирования, константу м/ вьбирают, исходя из ширинь! полось интерполируемьіїх данньх, а М - число опорньїх точек (например, 256).

На практике бьло обнаружено, что значения констант м/ - 0,5 и К - 1000 пригодньї для успешного осуществления демодуляции восстановленньмх данньх, полученньїх с помощью матриць; А по Ффиг. 9. Оказалось, что матрица я является плохо обусловленной матрицей и с трудом подвергается обращению обьічньіми способами. Однако зта матрица является также зрмитовой матрицей Теплица, то есть ее злементь! вдоль любой диагонали идентичньі, а матрица в целом симметрична относительно главной диагонали. Известнь! способь обращения таких матриц, даже в тех случаях, когда они являются плохо обусловленньми. Методика, дающая хорошие результатьі, описана в 5.Ї.Магріє, Оідйа! Зресіга! Апаїувіз м/йй Аррііїсайопв, Ргепіїсе-НаїЇ, Епдіємоса

Сів, 1987, р. 107.

С) Коррекция с использованием вирезающей финитной функции

Необходимость коррекции с вирезающей функцией проиллюстрирована на фиг. 14. В первой части Ффиг. 14 изображено Фурье-преобразование бесконечной синусоидальной волнь частоть! їо; во второй части изображено

Фурье-преобразование прямоугольной вьірезающей финитной функции; а в третьей части - Фурьєе преобразование синусоидальной волньї, изображенной в первой части, после ее усечения (вьірезания) с использованием прямоугольной вирезающей функции.

Как видно из Фиг. 14, в результате вирезания происходит уширение спектральньїх линий при 5 їо. Такое уширение приводит к увеличению среднеквадратической ошибки при определениий положения (частоть) зтих линий. Степень уширения обратно пропорциональна размеру окна вирезающей функции, то есть чем шире окно вьтрезающей функции, тем меньше степень уширения.

Поскольку хвостьї главньїх максимумов подвергнутой Фурье-преобразованию усеченной синусоидальной волньі накладьваются друг на друга, то есть смешиваются друг с другом, то операция вьрезания вьізьівает также сдвиги или смещения положений максимумов по частотнь!м осям.

На Фиг. 15 изображен способ контроля за влиянием вида вирезающей функции на частотньй спектр. На зтой

Фигуре изображено использование трапецеидальной вьрезающей функции вместо прямоугольной.

Трапецеидальная вирезающая функция используется для усечения хвостов, распространяющихся на большие расстояния от главньх максимумов преобразованной синусоидальной волнь, что сводит к минимуму вьїзь'шваеємое ими смещение положения главньх максимумов. Однако использование трапецеидальной вирезающей функции приводит к уменьшению зффективной ширинь!ї окна, что приводит к уширению полос и увеличению среднеквадратической погрешности определения положения максимумов.

Таким образом, возникает дилемма между контролем за величиной смещения и величиной среднеквадратической погрешности. Бьіло обнаружено, что для измерений диаметра волокна с использованием предпочтительньїх процедур, изображенньїх на Фиг. 8 и 9, для детектора с угловьім фактором 207 хороший компромисс между величиной смещения и среднеквадратической погрешностью достигается при использований в качестве границ вирезающей функции плавньїх косинусоидальньх кривьїх, охватьвающих первье и последние 32 точки из 256 субдискретизированньїхх опорньх точек.

В частности, бьіло установлено, что для уменьшения влияния формь! финитной вирезающей функции, в области которой производят определение данньїх интерференционной картиньі, хорошие результать! дает использование матриць С, состоящей из следующих злементов: ск В ПЕ совка і21,...3 5153 30... М се 1 ї- 53,33 6 се КО іхі 7

При желаний могут бьіть использованьії косинусоидальнье вьрезающие функции, использующие большее или меньшее количество опорньїх точек, а также другие известнье специалистам способь! отсечения данньх.

Аналогично другим аспектам настоящего изобретения, конкретнье параметрь, необходимье для использования с другими вариантами осуществления процедурь! отсечения данньх, могут бьіть определеньі путем модельньмх расчетов интерференционньх картин для волокон с заданньіми значениями диаметров. р) Дискретнье последовательности Фурье-преобразований по мелкой расчетной сетке

Злементь! О-матриць на Фиг. 9 представляют собой значения зкспоненциальньїх функций по уравнению (4), рассчитаннье для вьібранной мелкой сетки пространственньїх частот, окружающей приближенное значение частотьї ОЮ-линии, определенное путем осуществления ЕРЕТ по Фиг. 8.

Расстояние между пространственньмми частотами линий на мелкой сетке должно бьіть достаточно мальм, для того чтобьї аппроксимация параболической функцией давала точную оценку действительного положения

ОЮО-линии. Кроме того, поскольку ОО-линия в действительности может находиться по любую сторону от приближенного положения ОО-линии, определенного методом ЕРЕТ, в любой точке интервала, определяемого

ЕЕТ-линиями, то мелкая расчетная сетка пространственньїх частот, используемая для охвата зтого интервала, должна содержать достаточное число линий.

Форма ОО-пика зависит от ряда факторов, например таких, как вид вьирезающей функции, модуляции собственной частотьї, предсказьваемой моделью Умаїкіпз'а, и искажения, вносимье линзами. Позтому в общем случаеє зтот пик имеет не параболическую форму. Однако параболическая функция является хорошим приближением формь! пика в непосредственной близости к его максимальному значению.

Таким образом, операция аппроксимации параболической функцией дает хорошие результать!, если расстояние между линиями мелкой расчетной сетки пространственньїх частот достаточно мало, то есть при условийи, что линии, используемье для аппроксимации параболической функцией, тесно расположень! вблизи положения максимума пика. По мере увеличения расстояния между линиями сетки аппроксимация параболической функцией становится все более недостоверной. На практике недостоверность использования параболической функции проявляєтся как погрешность определения диаметра волокна, являющаяся периодической функцией величиньї диаметра волокна и возрастаєт по амплитуде с увеличением расстояния между линиями мелкой расчетной сетки.

Нами бьло обнаружено, что при расстояний между ЕЕТ-линиями, равном 0,05циклов/градус, хорошие результатьь получаются при расстояний между линиями мелкой расчетной сетки 0,01циклов/градус и использований 11 линий мелкой сетки, центрированньїх относительно приблизительного положения ОО-линии.

При желаний можно использовать другое расстояние между линиями мелкой сетки и другое число линий.

В соответствии с описанньми вьіше процедурами составляєтся большая матрица путем перемножения соответствующих серий мальх »матриц для интервала приближенньх значений положения ООЮО-линий,

достаточного для охвата диапазона диаметров волокон, которне будут определяться. Как указьівалось вьіше, большая матрица хранится в пригодном устройстве памяти, обеспечивающем доступ к ней при проведений расчетов в реальном масштабе времени для получения малой матриць), соответствующей ОЮО-линии, определенной методом ЕЕТ.

Бьло установлено, что процедура по настоящему изобретению позволяет производить измерения диаметра волокна с очень вьісокой степенью точности. На Фиг. 16 приведеньі! результать! испьітаний, проведенньх с использованием моделированньїх интерференционньїх картин с добавлением различного количества гауссова шума для изменения соотношения сигнал/шум. При расчете интерференционньїх картин бьли использовань! описаннье вьіше типичнье параметрь для волокон с диаметрами 123, 125 и 127мМкм.

Приведенньюе на Фиг. 16 точки соответствуют величинам стандартньхх отклонений, полученньм при проведений повторньїх измерений по моделированньм данньм, к которьїім для каждого измерения прибавлялись различнье количества случайного шума. Прямая линия представляет собой теоретический нижний предел (граница Крамера-Раос) величинь! стандартного отклонения.

Как видно из Фиг. 16, настоящеє изобретение позволяєт по существу достичь границь! Крамера-Рао, что означаєт, что никакой другой метод, разработанньй для анализа интерференционньх картин в дальней зоне, не может иметь точность большую, чем данньй метод.

Кроме испьтаний, проведенньїх на моделированньх данньх, бьіли также проведень! испьшттания метода по настоящему изобретению с использованием как неподвижньїх, так и движущихся оптических волокон. В зтом случає также бьла достигнута вьсокая точность измерений. Так, для неподвижного волокна результать повторньїх измерений не изменялись со временем в третьем десятичном знаке, то есть величина стандартного отклонения измерений не превьішала 0,001 мкм.

Следует отметить, что настоящее изобретение позволяет достичь такого очень вьісокого уровня точности при использований весьма ограниченного углового диапазона измерений, например, при использований детектора с угловьім фактором порядка 20". Такой результат обеспечивает получение ряда преимуществ. Во- первьх, облегчаєтся применение описанной вьіше методики, обеспечивающей нечувствительность измерений к зллиптичности волокна, поскольку два детектора могут бьіть разнесень на 120" без перекрьівания их диапазонов измерений. Кроме того, зто позволяет использовать участок интерференционной картиньі в интервале свьіше 50", где незначительно влияние сердцевиньі! оптического волокна. Далее, зто позволяет использовать более простую оптику, поскольку на детектор проектируется лишь небольшой угловой диапазон, в отличие от известньїх в настоящее время способов, например с использованием диапазона 80".

Обнаружение дефектов.

В вариантах настоящего изобретения, относящихся к обнаружению дефектов, используется ЕЕТ-спектр, полученньій по методике определения диаметра волокна. Как указьівалось вьіше, нами бьло обнаружено, что дефекть! вьізь'вают появление в спектре ЕРЕТ второго компонента, имеющего пространственную частоту меньше частотьї ОЮО-линии, но больше частоть! ОС-компонента.

За появлением второго компонента можно проследить путем сравнения спектра бездефектного волокна (Фиг. 17) со спектром того же волокна, имеющего по центру пустоту размером 2мкм (Фиг. 18(Б5)). Сравнение показьіваєт, что наличие дефекта приводит к появлению в спектре второго пика при частоте, равной примерно половине частотьї ОО-пика, то есть, для параметров, использованньїх при построении графиков по Фиг. 17 и 18(5), при частоте примерно 1,55циклов/градус. Методики построения зтих графиков будут подробно описань! ниже. Вкратце, значения интерференционной картиньї в дальней зоне получали путем решения скалярного волнового уравнения. Следуеєт отметить, что интерференционная картина бездефектного волокна при некоторьх частотах в области частот ниже ОО-линий имеет низкую интенсивность, что связано, например, с многократньі!м отражением лучей. Однако излучение, составляющее второй компонент спектра по настоящему изобретению, имеет значительно большую интенсивность. Позтому второй компонент спектра по настоящему изобретению может бьїть легко отличен от фона, имеющего пики низкой интенсивности.

Изменение вида второго компонента с увеличением размера пустоть! показано на Фиг. 19 (пустота размером 5мкм), Фиг. 20 (пустота размером 20мкм) и Ффиг. 21 (пустота размером 40Омкм). Как показано на зтих чертежах, увеличение размера пустоть! приводит к увеличению амплитудь! второго компонента и расщеплению его на два субкомпонента, которне смещаются на равное расстояние в противоположнье сторонь!ї от исходного положения второго компонента.

Причина такого поведения может бьть обьяснена путем рассмотрения хода луча рассеянного света в присутствии пустотьі. На Фиг. 22 изображеньі схематически три типа лучей, взаимодействующих с волокном, содержащим пустоту, а именно: главньй отраженньй луч (КЕ-луч), которьій отражаєется от внешней поверхности волокна; главньій преломленньй луч (КА-луч), которьій преломляется при входе и вьїходе из волокна; и луч, отраженньій от поверхности пустоть! (НО-луч), которьій отражаєтся от поверхности пустоть! (с показателем, равньм 1,0) и преломляется при входе и вьіходе из волокна.

НоО-луч (отраженньй от поверхности пустотьї) интерферирует как с КЕ-лучем (главньім отраженньїм лучом), так и с КА-лучем (главньм преломленньм лучом). В общих чертах, частота интерференционной картинь! в дальней зоне обратно пропорциональна расстоянию между источниками рассеяния в ближней зоне. Так, самьй вьісокочастотньійй компонент интерференционной картинь! в дальней зоне обусловлен интерференцией между

ВЕ- и ЕА-лучами и представляет собой ОЮ-линию спектра.

Для пустот малого размера расстояния КЕ/НО и КА/НО по существу равнь и составляют примерно половину расстояния КЕ/КА, которое обуславливает ОЮО-линию. Зто равенство расстояний приводит к появлению в частотном спектре в дальней зоне двух накладьвающихся пиков (и, следовательно, единого второго компонента для пустот малого размера, как видно из Фиг. 18(5)). Поскольку зти расстояния составляют половину от расстояния КЕ/КА, частота пика второго компонента в дальней зоне в два раза меньше частотьї ОО-линии.

По мере увеличения размера пустоть и смещения ее поверхности от центральной оси волокна пик, соответствующий КЕ/НО интерференции, смещается в область более низких частот, а пик, соответствующий

ЕА/НО интерференции - в область более вьісоких частот. В соответствии с зтим, в спектрах пространственньх частот наблюдаєтся расщепленньй пик (см. Фиг. 19(Б), Фиг. 20(Б) и Фиг. 21(Б)).

Следует отметить, что через волокно проходят и другие лучи, которне могут интерферировать, приводя к появлению других пиков меньшей амплитудь! в частотной области, как показано, например, на Фиг. 21(Б). Однако

НО-, ВЕ- и КА-лучи имеют найбольшую знергию излучения и позтому вносят основной вклад в частотньй спектр.

Важно отметить, что частота ОО-линии остается по существу неизменной во всех спектрах, изображенньмх на

Фиг.25(5) - Фиг.28(5). Как указьвалось вьиіше, положение ОЮ-линии используется для определения и контроля диаметра волокна. Таким образом, постоянство частоть ОО-линии являєтся важньм фактором, обуславливающим возможность определения и контроля диаметра волокна независимо от присутствия пустот, то есть, в отличие от известньїх в настоящее время методов, результатьь измерения диаметра волокна и контроль за диаметром остаются точньіми даже при наличии пустот.

Достаточно большие по размеру пустоть! будут влиять на ОО-линию. Зто влияние изображено на Фиг. 23 на примере волокна диаметром 125мкм с пустотой размером 8Омкм. Как видно из Фиг. 23, ОО-линия имеет уменьшенную интенсивность, а вьісокочастотньй субкомпонент второго компонента расположен в непосредственной близости от ОО-линии.

Существеннье изменения ОО-линии начинаются при размере пустотьї, составляющем примерно 0,6 диаметра волокна, например 75мкм для волокна диаметром 125мкм. Таким образом, поскольку пустоть! в волокне обьічно имеют при возникновении мальй размер, которьй затем постепенно увеличиваєется, имеется достаточно возможностей для обнаружения зтих пустот и внесения соответствующей корректировки в систему контроля диаметра волокна до того, как начнут проявляться значительнье изменения ОО-линии.

Следует отметить, что верхний предел размера пустотьі, при котором ОО-линия остаєтся неизменной, может бьіть несколько увеличен, если положение детектора смещается в сторону большего угла. Зто связано с тем, что при больших угловьїх координатах положения детектора главньй преломленньй луч еще может входить в волокно и вьїходить из него, не задевая пустоту. Однако при размере пустоть! свьіше 0,67 диаметра волокна преломленньй луч уже не может проходить через волокно, не задевая пустоту, независимо от того, какой угловой диапазон определяется в дальней зоне.

На Фиг. 24 проиллюстрирован второй способ обнаружения пустот в волокне. Как показано на зтом чертеже, для волокна диаметром 125мкм с размером пустот до 70мкм полная интенсивность интерференционной картинь возрастает по существу линейно с увеличением размера пустоть. Приведенная на зтом чертеже полная пространственная интенсивность представляет собой сумму интенсивностей в диапазоне от 50" до 70", то есть является результатом интегрирования интерференционньх кривьїх, таких как кривніе, изображеннье на Фигурах б, 18(а), 19(а), 20(а) и 21 (а). Полная пространственная частота может также бьіть получена путем суммирования козффициентов, полученньх в результате ЕЕТ.

Как указьшвалось вьіше, путем текущего контроля интенсивности ОО-линий можно различать влияние на полную интенсивность флуктуации в системе освещения от влияния дефектов. На Фиг. 25 показано постоянство интенсивности данного пика для волокна диаметром 125мкм при размере пустот до 70мкм. На данном графике представленьі величиньї! интенсивностей ОО-линий, приведенньїх на Фигурах 17, 18(Б), 19(рв), 20(5), 21(Б) и 23.

Поскольку флуктуации в системе освещения влияют как на полную интенсивность картиньі, так и на интенсивность ОЮ-линии, то наличие пустоть! в волокне может бьіть легко обнаружено по изменению полной интенсивности, которое не сопровождаєтся изменением интенсивности ОЮО-линии. В общих чертах, можно нормировать полную интенсивность интерференционной картинь! по интенсивности ОО-линии и использовать для поиска дефектов волокна нормированньсе значения полной интенсивности. При зтом следует отметить, что попадающее на детектор излучение из окружающей средьі! должно бьіть сведено к минимуму, поскольку такое излучение может вьізвать изменение полной интенсивности без изменения интенсивности ОЮО-линии.

Как и в случає определения второго компонента частотного спектра интерференционной картинь, способ текущего контроля полной интенсивности интерференционной картиньі может бьть использован для обнаружения пустот, диаметр которьїх не превьишает 6095 диаметра волокна. Поскольку обьічно пустоть! в волокне имеют при возникновений мальй размер, которьій затем постепенно увеличивается, то диапазон применения данной методики в общем достаточно велик для обнаружения по существу всех пустот, которье могут встретиться в оптическом волокне. В предпочтительном варианте осуществления изобретения для обнаружения дефектов методики полной интенсивности и второго компонента используются одновременно.

Спектрьї пространственньїх частот, приведеннье на Фиг. 17, 18(6), 19(5), 20(5), 21(5) и 23, относятся к пустотам, расположенньм по центру волокна. Аналогичньсе, но не идентичньсе, спектрь! пространственньх частот бьіли получень при внецентровом расположении пустот. В частности, для нецентрированной пустоть! положение второго компонента и его поведение по мере увеличения размера пустоть! будут зависеть от угла обзора.

Зтот факт может бьіть использован для определения различий между пустотами, расположенньми по центру волокна, и нецентрированньми пустотами. В частности, дифференцирование пустот по их местоположению в сечениий волокна можно осуществить путем определения интерференционной картинь! в двух или нескольких положениях, расчета спектра пространственньх частот для каждого из положений и сравнения величинь вторьх компонентов для каждого из положений. Если такое сравнение показьіваєт, что вторне компоненть! одинаковь! по величине и одинаковьм образом изменяются с течением времени, то дефект расположен по центру волокна.

С другой сторонь, если вторье компоненть! спектров для разньїх положений отличаются друг от друга, то дефект расположен не по центру волокна.

На фиг. 1 изображено два возможньїх положения для двух детекторов, а именно «ж 61,57 и - 61,5". В общем случає сравнениеє спектров для зтих двух положений позволяєт определить, расположен дефект по центру волокна или нет. В случає центрированной пустотьї возникающие вторье компоненть! будут иметь одинаковую форму и размер. Для нецентрированого дефекта вторне компоненть! будут иметь различнье конфигурации.

Однако для нецентрированного дефекта есть два азимутальньїх положения, лежащих в плоскости симметрий детекторов (плоскость 07), в которьїх вторье компонентьї для нецентрированного дефекта будут ошибочно интерпретировань как относящиеся к дефекту, расположенному по центру волокна.

Как обсуждалось вьіше, зллиптичность волокна может бьть охарактеризована путем использования нескольких комплектов лазер/детекторьі, изображенньїх на Фиг. 1. Зти комплектьї устанавливаются один на другой со смещением их центральньїх осей друг относительно друга. Например, могут бьіть использовань! два таких комплекта с центральньми осями, смещенньми на 45". Для такой конфигурации неоднозначность, связанная с проявлением зффекта плоскости симметрии, легко устраняется путем расчета спектров для одного или нескольких дополнительньїх детекторов дополнительного комплекта (комплектов). Сравнение трех или более спектров пространственньїх частот однозначно показьвваєт, расположен данньїй дефект по центру волокна или нет.

Мспользование нескольких комплектов лазер/детекторьї, изображенньїх на Фиг. 1, дает также то преимущество, что позволяет уменьшить или устранить наличие "слепьїх" пятен в волокне, в которьїх дефекть не могут бьіть обнаружень при использований одного источника излучения.

Происхождение указанньх "слепьїх" пятен проиллюстрировано на Ффиг. 26: - пучок падающего света; 16 - поверхность волокна; 17, 18 - "слепье" пятна.

Падающий свет 15 преломляется на поверхности 16 волокна 3, вследствие чего свет, направленньй на волокно из одного источника, не достигаєт областей 17 и 18. При показателе преломления, равном 1,457, которьій бьіл использован для расчета Фиг. 26, общая площадь слепьїх пятен составляєт 1695 от площади поперечного сечения волокна, а угловая протяженность каждой области относительно центра волокна составляет 80", то есть суммарная длина дуг, охватьвающих зти две области, составляєт 4495 от длинь! окружности волокна.

Поскольку свет не попадаєт в области 17 и 18, он не может отражаться от поверхности пустот, находящихся в данньїх областях, а позтому не может вьїзвать появление второго компонента в частотном спектре или увеличение полной интенсивности интерференционной картинь. Йспользование нескольких источников излучения, например, в случає использования нескольких комплектов лазер/детекторь, изображенньх на фиг. 1, направлено на решение зтой проблемь!, поскольку слепье пятна от различньїх источников излучения будут иметь разнье азимутальнье положения, благодаря чему при соответствующем вьборе числа источников излучения и их местоположения, по существу все, или, при необходимости, все области поперечного сечения волокна будут получать свет по меньшей мере от одного источника.

Графики, приведенньсе на Фиг. 6, 17, 18, 19, 20, 21 и 23, бьіли рассчитаньії на основе интерференционньх картин для волокна диаметром 125мкм без оболочки. Для расчетов использовались следующие параметрь!: баз - 507, бь - 70", А - 0,633 и п - 1,457. Спектрьї пространственньїх частот бьли полученьі путем биьстрого преобразования Фурье (ЕЕТ) расчетньїх данньїх интерференционной картинь! по методу Сооіеу, І ем/із апа Умеї!си.

При желаний для получения спектра пространственньїхх частот могут бьіть использованьї другие методь! помимо бьістрого Фурье-преобразования, например, может бить осуществлена дискретная последовательность Фурье- преобразований. Однако способ ЕТ является предпочтительньм благодаря вьісокой оскорости его осуществления, а таюже потому, что для обнаружения дефектов волокна не требуется вьсокая точность определения положения полос первого и второго компонентов спектра.

Описанньй вьше способ по настоящему изобретению предпочтительно осуществляєтся при помощи цифровой компьютерной системьії, оснащенной соответствующими программньми средствами для вьіполнения различньїх вьиічислительньїх операций. Программированиє может осуществляться на известньїх специалистам язьках программирования, предпочтительньм из которьїх является язьік Си как найболее пригодньй для научньїх расчетов. Могут бьть использованьії другие язьки программирования, такие как Фортран, Бейсик,

Паскаль, Ст и т.п.

Компьютерная система может включать универсальную вьчислительную машину и связаннье с ней периферийнье устройства, такие как компьютерьї и периферийнье устройства, производимье в настоящее время фирмами бідна! Едпіртепі Согрогайоп, ІВМ, Неулей-РаскКкага и т.п. По другому варианту осуществления изобретения может бьїть использована специализированная система. В частности, для обработки данньх в реальном масштабе времени по схеме, изображенной на Фиг. 8, предпочтительньмм является использование специализированной системь! с микросхемами для цифровой обработки сигналов в многозадачном режиме.

Предпочтительно процессор компьютерной системьї должен иметь следующие характеристики: скорость обработки данньїх 5ЗОмлн. операций с плавающей запятой в секунду, длина слова 32 разряда с плавающей запятой, не менее 4мегабайт оперативной памяти и не менее 40мегабайт памяти на диске для хранения большой матриць. Система должна включать устройства ввода данньїх от фотодетектора и устройство вьівода измеренного диаметра волокна как в злектронной форме для использования в процессе контроля, так и визуально для операторов системь, обслуживающего персонала и т.д. Вьїходнье даннье могут также записьіваться на диски памяти или магнитную ленту для последующего анализа и/или просмотра данньх.

Настоящее изобретение бьіло описано вьіше на примерах предпочтительньїх вариантов его осуществления, однако могут бьіть сделаньі и различнье изменения, не входящие за рамки сущности и обьема изобретения.

Например, настоящее изобретение может бьіть осуществлено при вьіполнений части операций, изображенньмх на фиг. 8 и 9, хотя при зтом не будет достигнута оптгимальная зффективность. Могут бьіть внесеньї изменения в конкретньій описанньй порядок операций, указанньй на зтих Фигурах, например операция отсечения с использованием косинусоидальной вирезающей функции может бьіть проведена до частотной демодуляции.

Вообще говоря, помимо предпочтительного способа осуществления О5ЕТ на мелкой расчетной сетке с мальм количеством линий, могут бьіть использовань! другие способьї определения точного положения средней пространственной частотьї интерференционной картиньі в дальней зоне. Например, может бьіть использован метод РЕТ с нулевьім заполнением, в котором по обе стороньї реальньхх опорньїх данньїх приписьвваєтся большое количество нулей для имитации детектора с большим угловьім диапазоном и уменьшения расстояния между линиями ЕЕТ. Также могут бьіть использованьі! методь! Фурье-преобразования со смещенньім масштабом и Фурье-преобразования с селекцией полос, описанньрєе, например, в книге ЕУ.Тауїог, Тпе бідна! Оезідп Напароок,

Магсе! Оеккег Іпс., Мем МогКк, 1983, рр. 58 - 64. Независимо от используемой методики, производится расчет козффициентов разложения в ряд Фурье для серии линий, расположенньїх достаточно близко друг к другу для того, чтобьі позволить определениє положения ОО-пика с точностью не менееє 5 х 10"циклов/градус, что обеспечивает точность определения диаметра волокна не ниже 0,02мкм. Описанньй подробно в настоящем изобретениий способ осуществления О5ЕТ по мелкой расчетной сетке позволяеєт достичь указанного результата путем использования зффективной в вьчислительном отношении методики. Альтернативнье варианть! осуществления изобретения, такие как указанньєе вьіше, также позволяют достичь зтого уровня точности, но за счет более трудоемки вьічислительньх операций.

Козффициенть для фильтра Рагк5-МеоСіеПап

РІВ с 26 отводами на)» 1-1 н(26) | - | -.13507720Е-01

Не 1-1 Н(25) | - | -13547450Е-01

Не) 1-1 Нн(24) | - | -.16699000Е-01 не |-| ноз) | - | -16727490Е-01

НО) 1-1 Н(22) | -01 -.11988860Е-01 не) 1-1 н(21) | - | -.13101290Е-01

НО 1-1 Н(20) | - | ..-.15623170Е-01 нг) | - | ние) | - | .38029570Е-01 не) | - | нив) | - | .63995060Е-01

НаИаФ 1-1 Н(7) | - | .90693700Е-01

НИ 1 - | НИЄ | - | 11479270Е500

НИгУ 1 - | Н(5) | - | .13305890Е500 низ) | -| ниє | - | 14290310Еч00 6 о 7 615 - 61.52 7?

З ц 5 2

І

ФИГ.1

62.6 о 62.5 " 524 ь 62344 / є 622 НИ я ді. и лати чи нилваатьку СЛ 62 62 й бі. | " 61.8 Є є 6І.7 й 9) зо БО 90 І2гО БО ІВО

Фиг.2 зв 36 - 34 з2 и зо 28 26 24 22 ; го Ї

ІВ

ІЄ6 й

Ій ;

І2 -

Те) в

ІЄ ІВ 20 22 24

ФИГ.З

62.7 625 у од і 4 624 В ;

КК. в2.2-4 У 62. 62 й ; м й біз ; , : 618-і ях и 4. І и "Й 61т- і о зо Єо 90 (го ІБО ІВО

ФигА4 627 -н 5 -- - 626 625 624

Ех / ХГ в2.2 вг в2 віз 617 о зо бо 90 І20 І50 Іво

ФИГ.5

Я

09 0.8 07 0.6 0.5 ба озі- ДДИКЯНКНИ 0.2 МФКНИКИ МИ, ТЕ ПИ й ШТ о 75006 775400 5ВОЮ 6200 65 7000

ФИиГ.6 о -ю -20 -30 о -5БО 31323334 35 40

ФиИГ.7

Ввод 2048 злементов изображения с детектора

Низкочастотньй фильтр с импульсной характеристикой конечной длительности (Рагк5-МеСіеппап) с расчетом вьиіходного значения для каждой восьмой точки

Бьістрое преобразование Фурье (ЕЕТ) по 256 точкам

Вьбор 15 линий ЕЕТ, центрированньх относительно пика, соответствующего диаметру волокна

Умножение вектора из 15 злементов на матрицу размером 11 х15

Предварительно рассчитанная матрица размером 11 х15

Вьібор трех самьїх ярких линий Ю5БЕТ

Оценка действительного положения пика путем аппроксимации параболической функцией

Вьвод точного значения диаметра волокна

Фиг.8

Расчет обратной матрицьї О5ЕТ для 15 линий, отобранньхх в результате ЕЕТ иясходнькх данньх

Матрица А размер 256 х 15 й

Расчет злементов матриць интерполирования с минимальньм нормированием

Матрица В размер 256 х 256

Расчет нових положений опорньмх точек для исключения частотной модуляции по модели ЖМаКкіпба и за счет искажений от линз

Расчет козффициентов косинусоидальной вирезающей функцийи

Матрица С (диагональная) размер 256 х 256

Расчет матрицьї! О5ЕТ для 11 линий мелкой расчетной сетки Я

Матрица Ю размер 11 х 256

Перемножение матриц

Предварительно рассчитанная сжатая матрица математического преобразования размером 11 х 15

Фиг.9 !

3.15 з 105 з. 3095 з.09

БО Ба БВ 62 66 7о

ФИГ.10 м о а 7

ФИГ.11

М 90» а45О" В 45 1357 ао5е/ Хаове 76574 | М вве

ІВО? 54Ое 24-Х о збо» того? во»

БаАБеЬ | 6759 2252 зІБе заг ЮзБе т ето 63ое 9902

ФигОо о0078- 28 256 -000787

ФИГ.13

ЛАД, ее. 1,1. ! «о о й ! м ж я п К-»? '

І

Фс-- ЛА. 7 ЩІ І. ! - о й !

Фиг.14 511 боОжя-о Ех ж х

АТМ ев, :: КО? - ! ! -е Л.Л -ї9 о (о

ФИГ.15 о! юд ю! е т е

Фе

Ію? й

ІбЗ -5

Ю

Ів! ю? іо! є ю"

ФИГ.16 20000

ШИ а оо зі 62

ФИГ.17

ТЛ

Щщ

М ї яв. МІ о

Фиго5

І ї

НА ії Їх

КЕ й

Фиг.22 20000

Й ук | Дела ми КІ / (919; | ЗІ 5.2

ФиИГ.23 або во ї і 360 - 340 з20 й " 200 280 й 260 , 240 220 щу. 200 у

ІВО г.

Іво Я

І40

І2го

Тео) в 0 20.0 40.0 60 во.о 00.о І20.0

ФИГгА 4.5 вна: Й 4 і й 3.5

З

2.5 2

І. 5 ї годе) 20.0 або 60.0 О.О

ФИГ.25

Claims

1. Способ бесконтактного измерения в режиме реального времени физического параметра оптического - волокна, которьій может бьіть движущимся, заключающий в себе следующие зтапь!: (а) направляют на упомянутое волокно по меньшей мере один пучок когерентного монохроматического света для формирования интерференционной картинь), которьй оотражаєтся от оповерхности волокна и преломляется, главнь!м образом, наружньім плакированньїм слоем прозрачного волокна; (б) детектируют упомянутую интерференционную картину с помощью детектора, причем картина детектируется детектором в виде амплитудньїхх значений для множества опорньх точек; (с) определяют значение средней пространственной частоть! детектированной интерференционной картинь и получают диаметр волокна из средней пространственной частотьї, осуществляя следующие зтапь!: (г) преобразуют амплитуднье значения в область пространственньх частот путем дискретного преобразования Фурье на вьіделенном множестве пространственньх частот с целью получения козффициента Фурье для каждой из заданного множества пространственньх частот, и (д) получают из козффициентов Фурье среднее значение пространственной частоть!, которое соответствует диаметру волокна, причем упомянутое значение средней пространственной частотьї является мерой диаметра нити, согласно которому указанное множество пространственньїх частот является достаточно плотньїм для получения значения диаметра с точностью, по крайней мере, 0,02 микрон.

2. Способно п. 1, согласно которому перед зтапом (ії) вбіполняют один или несколько из нижеследующих зтапов: вьіполняют бьстрое преобразование Фурье упомянутой детектированной интерференционной картинь! с целью создания множества козффициентов бьістрого преобразования Фурьє, вьіделенное подмножество упомянутьїх козффициентов бьістрого преобразования Фурье используют для получения восстановленньх амплитудньїх значений, и восстановленнье амплитудньюе значения используют для определения значения средней пространственной частоть!; и/или вьполняют частотную демодуляцию амплитудньїх значений с целью получения демодулированньх амплитудньїх значений и демодулированнье амплитуднье значения используют для определения значения средней пространственной частоть!; и/или вьполняют взвешиваниє амплитудньх значений, причем упомянутое взвешивание предпочтительно вьіполнять при помрщи косинусоидальной взвешивающей функции.

3. Способ по п.2, в котором при частотной демодуляции используют предварительно заданнье смещения положений опорньїх точек, причем упомянутье заданнье смещения предпочтительно определяют из собственной частотной модуляции интерференционной картиньії и/или включают дисторсию линзовой системь!, используемой для детектирования интерференционной картиньі, при зтом демодулированнье амплитуднье значения определяют в смещенньїх положениях опорньїх точек путем интерполяции, причем упомянутая интерполяция являєтся, предпочтительно, интерполяцией по минимальной норме.

4. Способ по одному из пп. 1, 2 или 3, согласно которому зтап (в) включает в себя умножение амплитудньмх значений на предварительно вьічисленную матрицу.

5. Способ по одному из пп. 1, 2, З или 4, согласно которому значение средней пространственной частоть определяют на зтапе (д) либо с помощью аппроксимирующей парабольй для значений, входящих в подмножество козффициентов Фурье, полученньх на зтапе (г), либо вьіделяя козффициент Фурьєе, имеющий наийбольший модуль.

6. Способ по одному излп. 1,2,3,4,5, согласно которому можно направлять на упомянутое волокно более одного пучка излучения для создания более одной интерференционной картинь, и согласно которому способ дополнительно включаєт в себя следующие зтапь!: (А) детектируют упомянутую одну или более интерференционную картину в некотором числе М положений, распределенньіїх в пространстве, где М больше или равно двум; (Б) генерируют сигнал, представляющий диаметр волокна в каждом из М положений; и (В) осуществляют одну из двух или обе нижеследующих операции: усредняют сигналь;, созданньсе на зтапе (Б) с целью создания сигнала, представляющего диаметр волокна, причем упомянутье М положений, распределеннье в пространстве, вьібирают так, чтобь! графики зависимости диаметра от угла поворота зллиптического волокна, определеннье для упомянутьх М положений, бьіли сдвинуть! по фазе относительно друг друга приблизительно на 180"/М; и/или для М большего или равного трем, сравнивают сигналь, созданньсе на зтапе (Б) для получения показателя, свидетельствующего о степени некруглости волокна.

7. Способ по одному из пп. 1,2,3,4,5 согласно которому: упомянутую интерференционную картину детектируют в двух положениях, причем упомянутье два положения предпочтительно должнь! бьіть разнесеньі на угол в диапазоне от примерно 120" до примерно 12427; для каждого из двух положений генерируют сигнал, представляющий диаметр волокна; и упомянутье сигналь! усредняют с целью создания третьего сигнала, представляющего диаметр нити, причем упомянутье два положения вьбирают так, чтобьі третий сигнал бьл практически нечувствителен к зллиптичности нити.

8. Способ по одному из пп. 1,2,3,4,5,6,7, дополнительно включающий в себя следующие зтапь!: если зто не вьполнено на предшествующем озтапе, генерируют спектр пространственньїх частот для упомянутой интерференционной картинь!; определяют первую составляющую упомянутого спектра пространственньїх частот, причем упомянутая первая составляющая соответствует наружному диаметру волокна, и определяют вторую составляющую упомянутого спектра пространственньх частот, причем пространственная частота упомянутой второй составляющей больше нуля и меньше пространственной частоть! первой составляющей, в соответствии с чем наличие второй составляющей в спектре пространственньїх частот свидетельствуєт о наличии в волокне дефекта.

9. Способ по одному из предшествующих пп.1,2,3,4,5,6,7,8 дополнительно включаєт в себя следующие зтапь!: определяют полную мощность на участке интерференционной картинь!;

вьіполняют одну из нижеследующих операций или обе:

(І) сравнивают полную мощность с заданньм порогом, в соответствии с чем превьшение пороса, свидетельствует о наличиий в волокне дефектами/или

(І) если зто не вьполнено на предшествующем зтапе, генерируют спектр пространственньїх частот для интерференционной картинь;

определяют первую составляющую упомянутого спектра пространственньїх частот, причем упомянутая первая составляющая соответствует наружному диаметру волокна;

определяют значение модуля первой составляющей;

нормализуют полную мощность по,модулю первой составляющей; и сравнивают нормализованную полную мощность с заданньм порогом, в соответствии с чем превьшение порога свидетельствует о наличий дефекта.