一种基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法

文档序号:10533507阅读:433来源:国知局
一种基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法。本发明通过熔接机的端面成像装置,获得两段光纤端面的图像,运用图像处理技术提取出光纤端面区域的图像;以一定的角度步长旋转第一待熔光纤端面区域图像,计算不同旋转角度时和第二待熔光纤端面区域图像的互相关系数,互相关系数最高时对应的旋转角度即为两段光纤端面精确对准的角度。本发明提供的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,适用于多种需要进行保偏熔接的光纤,如熊猫型保偏光纤、椭圆芯型光纤、多芯光纤等,具有适用性广、精度高的特点。
【专利说明】
一种基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法
技术领域
[0001] 本发明属于光纤熔接旋转角对准领域,更具体地,涉及一种基于端面图像互相关 的光纤保偏熔接旋转角对准方法。
【背景技术】
[0002] 通常的光纤是由一个圆形的纤芯区和围绕它的包层区构成的,但熊猫型保偏光 纤、椭圆芯型光纤以及多芯光纤端面的结构更加复杂,保偏光纤在纤芯区两侧具有应力区, 多芯光纤在包层区中具有多个纤芯区,椭圆芯型光纤具有椭圆形的纤芯区。
[0003] 对于这些光纤在熔接时需要将两段光纤的端面以特定的角度进行熔接,所以端面 旋转角对准的精度直接影响到这些光纤熔接的质量,因此保证两段光纤保偏熔接时能够高 精度对准成为实际应用中一项关键技术。
[0004] 目前现有的端面旋转角对准方法分为有源对准方法和无源对准方法,有源对准方 法需要光源以及光功率计实现精确对准,设备复杂,因此适用的场景受到了限制,不适合室 外操作,无源对准方法适用的场景则更加广泛。
[0005] 利用图像处理技术进行无源对准,可以使用侧面图像或者端面图像。使用光纤侧 面图像进行对准时,通过分析处理两端光纤对准时侧面的图像得到精确的对准角度,利用 侧面图像进行对准需要在熔接机转动时才能得到不同角度侧面的图像,对熔接机实时控制 精度要求高,同时,在对准多芯光纤时,如果纤芯的数量过多,侧面的图像会十分复杂,难以 分析处理。和使用侧面图像相比,使用端面图像具有适用性广、精度高的特点。

【发明内容】

[0006] 为了解决【背景技术】中存在的问题,本发明提供了一种基于端面图像互相关的光纤 保偏熔接旋转角对准方法,利用光纤端面的图像,通过图像处理方法,对熊猫型保偏光纤、 椭圆芯型光纤、多芯光纤等光纤的旋转角进行无源对准,具有适用性广、精度高的特点。
[0007] 本发明采用的技术方案如下:一种基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对 准方法,其特征在于,包括以下步骤:
[0008] (1)获得两段光纤端面的图像:将第一待熔光纤和第二待熔光纤剥去熔接端涂覆 层,将两根光纤端面切割整齐,分别放入熔接机两端的夹具中固定,调节两段光纤端面的位 置,通过熔接机的端面成像装置,分别获得两段光纤清晰的端面图像;
[0009] (2)第一待熔光纤包层圆参数检测:将第一待熔光纤端面的彩色图像转换为灰度 图像,对灰度图像进行滤波,使图像更加平滑,减小光纤端面上切割缺口造成的影响,得到 灰度图像imgGray;以imgGray的左上方顶点为原点建立直角坐标系,第一行像素的排列方 向为x轴的正方向,第一列像素的排列方向为y轴的正方向;将imgGray转换为二值图像 imgBinary,imgBinary中非光纤端面区域的灰度值为0,光纤端面区域的灰度值为255;检测 imgBinary中光纤包层的边缘,获得边缘上所有灰度值为255的像素点,对所有的像素点进 行圆拟合,拟合出第一待熔光纤图像中包层的半径R:,圆心坐标为( Xl,yi);
[0010] (3)第二待熔光纤包层圆参数检测:对第二待熔光纤重复步骤(2),得到第二待熔 光纤包层的圆参数,第二待熔光纤包层的半径为R 2,圆心坐标为(X2,y2);
[0011] (4)提取第一待熔光纤和第二待熔光纤光纤区域的灰度值矩阵:以(X1, yi)为中心, 从imgGray中提取出像素点数量为mXn个的光纤端面区域灰度值矩阵K(m,n),以(X2,y2)为 中心,从第二待熔光纤的灰度图像中提取出像素点数量为mXn个的光纤端面区域灰度值矩 阵I(m,n),m、n分别为灰度矩阵的行数和列数,m、n为奇数且m>2Ri、m>2R2、n>2Ri、n>2R2, K(m,n)的中心
即为imgGray中包层的圆心(XI,yi),I(m,n)的中心
即为第二待熔光纤灰度图像中包层的圆心(x2,y2);
[0012] (5)计算第一待熔光纤不同旋转角度M寸的互相关系数Re:以角度步长0将灰度值 矩阵K(m,n)绕矩阵中心
进行插值逆时针旋转,旋转角度为P时的灰度值矩阵为 K/,P = aX0,a为整数,使矩阵K/和K(m,n)的中心重合,然后将K/中越过矩阵K(m,n)边线 的像素位置去掉,对K/中缺少的像素位置以背景灰度值backgroundVal进行填充,得到元 素数量为mXn的灰度值矩阵Kp(m,n),所述背景灰度值backgroundVal指imgGray左上角顶 点像素的灰度值,计算第一待熔光纤旋转角度为M寸的灰度值矩阵Ke(m,n)和第二待熔光纤 灰度值矩阵I(m,n)的互相关系数Re,则Re为旋转角度为M寸的互相关系数,不同旋转角度卵寸 的互相关系数Re组成互相关系数向量R;
[0013] (6)第一待熔光纤和第二待熔光纤对准:互相关系数向量R中最大的元素对应的角 度匕为第一待熔光纤和第二待熔光纤端面旋转角精确对准时的角度,将得到的旋转角 度输入熔接机,使第一待熔光纤旋转角度,旋转方向和端面图像旋转的方向一致,完 成第一待熔光纤和第二待熔光纤旋转角精确对准。
[0014] 进一步的,所述步骤(1)中待熔光纤需进行保偏熔接,例如熊猫型保偏光纤、椭圆 芯型光纤、多芯光纤等。
[0015] 进一步的,所述步骤(2)中图像二值化转换所用的阈值为1:11 =匕3〇1^1'〇1111(1\^11+1^,1 <10,backgroundVal为imgGray背景灰度值;k的取值范围为1到10,当k取值过大时,二 值图像imgBi nary中会出现纤芯区域,当k取值过小时,二值图像imgB inary中包层区域无法 提取出来。
[0016] 进一步的,所述步骤(2)中光纤包层的边缘检测采用Canny算子方法,包层边缘像 素点圆拟合采用霍夫算法。
[0017] 进一步的,所述步骤(5)中的插值方法为双线性插值法。
[0018] 进一步的,所述步骤(5)中的旋转角度步长0的取值范围为0.05°到5°。
[0019]进一步的,所述步骤(5)中的逆时针旋转角度0的取值范围为0°到360°。
[0020] 进一步的,所述步骤(5)中计算Ke(m,n)和I(m,n)的互相关系数Re,可以基于以下两 个公式中的任一公式: I-
[0023] 其中心(1,」)、1(1,」)分别1({!(111,11)和1(111,11)表示中第1行第」列元素的大小,
[0024] 总体而言,与现有技术相比,本发明能够取得以下有益效果:
[0025] (1)本发明提供的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,属于无 源对准方法,相比采用有源对准方法,无需光源、光功率计等设备,节约成本;
[0026] (2)本发明提供的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,无需获 取光纤复杂的端面结构特征,流程简洁,适用光纤类型更加广泛,如熊猫型保偏光纤,椭圆 芯型光纤,多芯光纤等;
[0027] (3)本发明提供的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,由于旋 转角度步长可以调节,对准精度高,对准误差优于0.2° ;
[0028] (4)本发明提供的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,可单步 获取两个光纤端面图像,直接由图像处理技术得到不同旋转角度时的相关系数,相比采用 侧面对准多步获取光纤侧面图像的方法,无需对熔接机进行实时控制,速度快,精度高;
[0029] (5)本发明提供的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,在熔接 相同种类光纤时,由于直接将两端光纤的端面图像进行互相关运算,相比于自相关端面图 像旋转角对准方法,减少了运算量,提高了旋转角对准的速度。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的方法流程图;
[0031] 图2为第一待熔光纤端面灰度图像;
[0032]图3为第一待熔光纤端面二值图像;
[0033]图4为第一待熔光纤端面拟合的包层边缘图像;
[0034]图5为第二待熔光纤端面拟合的包层边缘图像;
[0035] 图6a为提取出的第一待熔光纤端面灰度矩阵图像;
[0036] 图6b为提取出的第二待熔光纤端面灰度矩阵图像;
[0037]图7为互相关系数Re与0的相关曲线;
[0038]图8为第一待熔光纤旋转193.4°时光纤端面灰度图像。
【具体实施方式】
[0039]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并 不用于限定本发明。
[0040] 本发明的流程如图1所示,包括以下步骤:
[0041] 将第一待熔光纤和第二待熔光纤剥去熔接端涂覆层,将两根光纤端面切割整齐, 分别放入熔接机两端的夹具中固定,调节两段光纤端面的位置,通过熔接机的端面成像装 置,分别获得两段光纤清晰的端面图像。
[0042] 将第一待熔光纤端面的彩色图像转换为灰度图像,对灰度图像进行滤波,使图像 更加平滑,减小光纤端面上切割缺口造成的影响,本实施例采用中值滤波法,得到imgGray, 如图2所示;以imgGray的左上方顶点为原点建立直角坐标系,第一行像素的排列方向为x轴 的正方向,第一列像素的排列方向为y轴的正方向;将imgGray转换为二值图像imgBinary, 图像二值化转换所用的阈值为th = backgroundVal+k,10,backgroundVal为imgGray 中左上角顶点像素的灰度值,backgroundVal的值为8,取k= 10,当k= 10时二值图像 imgBinary中可以提取出包层区域又不会提取出纤芯区域,得到阈值th = 18,使用th = 18将 imgGray转换为二值图像imgBinarydmgBinary如图3所示,imgBinary中非光纤端面区域的 灰度值为〇,光纤端面区域的灰度值为255;使用Canny算子方法检测imgBinary中光纤包层 的边缘,获得边缘上所有灰度值为255的像素点,对所有的像素点采用霍夫算法进行圆拟 合,拟合出第一待熔光纤图像中包层的半径办为80个像素,圆心坐标( X1,yi)为(159,98),如 图4所示。
[0043]对第二待熔光纤重复上述步骤,得到第二待熔光纤包层的圆参数,第二待熔光纤 包层的半径R2为79个像素,圆心坐标(X2,y2)为(148,103),如图5所示。
[0044]以(X1,yi)为中心,从imgGray中提取出像素点数量为173X 173个的光纤端面区域 灰度值矩阵K (173,17 3 ),如图6a所示。以(X2,y2)为中心,从第二待熔光纤的灰度图像中提取 出像素点数量为173X 173个的光纤端面区域灰度值矩阵1(173,173),如图6b所示。K(173, 173)的中心(87,87)即为imgGray中包层的圆心( X1,yi),1(173,173)的中心(87,87)即为第 二待熔光纤灰度图像中包层的圆心(x 2,y2)。
[0045]以角度步长0.1°将灰度值矩阵K(173,173)绕矩阵中心(87,87)进行双线性插值逆时 针旋转,从〇. 1°旋转至360°。旋转角度为卵寸的灰度值矩阵为K/,P=a X 0,a为整数,使矩阵K/ 和K(173,173)的中心重合,然后将K/中越过矩阵K(173,173)边线的像素位置去掉,对K/中缺 少的像素位置以背景灰度值8进行填充,得到元素数量为173X 173的灰度值矩阵Ke( 173, 173),所述背景灰度值指imgGray左上角顶点像素的灰度值,计算第一待熔光纤旋转角度为0 时的灰度值矩阵Ke(173,173)和第二待熔光纤灰度值矩阵1(173,173)的互相关系数Re,计算是 采用的公式为
,其中Ke( i,j)、I (i,j)分别 Ke(m,n)和I(m,n)表示中第i行第j列元素的大小

。则Re为旋转角度为0时的互相关系数,Re与旋转角度0的关系曲线 如图7所示,不同旋转角度卵寸的互相关系数Re组成互相关系数向量R。
[0046]互相关系数向量R中最大的元素对应的角度193.4°,此时R193.4具有最高值0.984, 则193.4°即为第一待熔光纤和第二待熔光纤端面旋转角精确对准时的角度,将得到的旋转 角度193.4°输入熔接机,使第一待熔光纤旋转角度193.4°,旋转方向和端面图像旋转的方 向一致,旋转后的图像如图8所示,完成第一待熔光纤和第二待熔光纤旋转角精确对准。 [0047]由此,本发明通过采集光纤端面图像,利用图像处理技术,能够快速、高精度的对 熊猫型保偏光纤,椭圆芯型光纤,多芯光纤等进行旋转角度对准,具有适用性广、精度高的 特点。
[0048]本发明提供的光纤保偏熔接对准方法,本领域的技术人员容易理解,以上所述仅 为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的 任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,其特征在于,包括以下 步骤: (1) 获得两段光纤端面的图像:通过熔接机的端面成像装置,分别获得第一待熔光纤和 第二待熔光纤的清晰的端面图像; (2) 第一待熔光纤包层圆参数检测:将第一待熔光纤端面的彩色图像转换为灰度图像, 对灰度图像进行滤波,使图像更加平滑,减小光纤端面上切割缺口造成的影响,得到灰度图 像imgGray;以imgGray的左上方顶点为原点建立直角坐标系,第一行像素的排列方向为X轴 的正方向,第一列像素的排列方向为y轴的正方向;将imgGray转换为二值图像imgBinary, imgBinary中非光纤端面区域的灰度值为0,光纤端面区域的灰度值为255;检测imgBinary 中光纤包层的边缘,获得边缘上所有灰度值为255的像素点,对所有的像素点进行圆拟合, 拟合出第一待熔光纤图像中包层的半径R 1,圆心坐标为(X1,yi); (3) 第二待熔光纤包层圆参数检测:对第二待熔光纤重复步骤(2),得到第二待熔光纤 包层的圆参数,第二待熔光纤包层的半径为R 2,圆心坐标为(x2,y2); (4) 提取第一待熔光纤和第二待熔光纤光纤区域的灰度值矩阵:以(X1,yi)为中心,从 imgGray中提取出像素点数量为mXn个的光纤端面区域灰度值矩阵K(m,n),以(X2,y2)为中 心,从第二待熔光纤的灰度图像中提取出像素点数量为mXn个的光纤端面区域灰度值矩阵 1(111,11),111、11分别为灰度矩阵的行数和列数,111、11为奇数且111>21?1、111>21? 2、11>21?1、11>21?2,1( (m,n)的中Φ为imgGray中包层的圆心(xi,yi),I(m,n)的中即为第二待熔光纤灰度图像中包层的圆心(X2,y2); (5) 计算第一待熔光纤不同旋转角度β时的互相关系数Re:以角度步长Θ将灰度值矩阵K (m,n)绕矩阵中往行插值逆时针旋转,旋转角度为β时的灰度值矩阵为K/,β = aX0,a为整数,使矩阵K/和K(m,n)的中心重合,然后将K/中越过矩阵K(m,n)边线的像素 位置去掉,对Kf/中缺少的像素位置以背景灰度值backgroundVal进行填充,得到元素数量 为mXn的灰度值矩阵Kfs(m,n),所述背景灰度值backgroundVal指imgGray左上角顶点像素 的灰度值,计算第一待熔光纤旋转角度为β时的灰度值矩阵K e(m,n)和第二待熔光纤灰度值 矩阵I(m,n)的互相关系数Re,则Re为旋转角度为β时的互相关系数,不同旋转角度β时的互相 关系数Re组成互相关系数向量R; (6) 第一待熔光纤和第二待熔光纤对准:互相关系数向量R中最大的元素对应的角度 Kax即为第一待熔光纤和第二待熔光纤端面旋转角精确对准时的角度,将得到的旋转角度 Pmax输入熔接机,使第一待熔光纤旋转角度旋转方向和端面图像旋转的方向一致,完成 第一待熔光纤和第二待熔光纤旋转角精确对准。2. 如权利要求1所述的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,其特征 在于,步骤(1)中所述的待熔光纤需进行保偏熔接,包括但不限于熊猫型保偏光纤、椭圆芯 型光纤和多芯光纤。3. 如权利要求1所述的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,其特征 在于,步骤(2)中所述的图像二值化转换所用的阈值为th = backgroundVal + k, backgroundVal为imgGray背景灰度值;k的取值范围为1到IO。4. 如权利要求1所述的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,其特征 在于,步骤(2)中光纤包层的边缘检测采用Canny算子方法,包层边缘像素点圆拟合采用霍 夫算法。5. 如权利要求1所述的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,其特征 在于,步骤(5)中的插值方法为双线性插值法。6. 如权利要求1所述的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,其特征 在于,步骤(5)中所述的固定角度步长Θ的取值范围为0.05°到5°。7. 如权利要求1所述的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,其特征 在于,步骤(5)中所述的逆时针旋转角度β的取值范围为0°到360°。8. 如权利要求1所述的基于端面图像互相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法,其特征 在于,步骤(5)所述的计算Ke(m,n)和I(m,n)的互相关系数Re,基于以下两个公式中的任一公
【文档编号】G02B6/255GK105891955SQ201610514615
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】唐明, 沈力, 甘霖, 董卓然, 李博睿
【申请人】华中科技大学
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