一种基于图像识别技术自动完成光纤纤芯中轴线寻迹的方法与流程

本发明涉及光纤布拉格光栅寻迹技术领域，尤其涉及一种基于图像识别技术自动完成光纤纤芯中轴线寻迹的方法。

背景技术：

目前，光栅轨迹的准直通常采用定点且拉动光纤法和两点法。前者是将光纤固定在精密加工的d-型玻璃套管中，其中，d-型玻璃套管位置固定，将入射激光束准直到d-型玻璃内的纤芯中，通过拉动光纤，在纤芯中形成光栅结构。该方法已经实现了50毫米长的光纤光栅。然而，入射光束需从d-型抛光面的法线入射，并且所用d-型玻璃套管的内径必须要与光纤外径完全匹配，不同外径的光纤需要采用不同内径的d-型玻璃套管等因素，从而导致该方法的灵活性较差且成本较高。后者，两点法是线性准直光纤法，将光纤的两端固定在三维位移平台上，通过准直光栅的起点和终点，得到线性光栅轨迹。然而，由于光纤存在一定的重力，且在轴向存在一定的应力、扭曲和尺寸不均匀性等因素，同时位移平台的平整度和移动直线度是有限的等原因，所以两点固定法得到光纤的实际轨迹是非线性的，通过上述的两点(起点和终点)准直法必然与光纤实际轨迹发生偏离，导致光栅耦合效率低，甚至无法制备出光纤光栅，重复性差等劣势。

技术实现要素：

发明目的：针对现有光栅轨迹的准直存在灵活性差、成本高和重复性差的问题，本发明提出一种基于图像识别技术自动完成光纤纤芯中轴线寻迹的方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于图像识别技术自动完成光纤纤芯中轴线寻迹的方法，所述方法具体包括如下步骤：

s1：对飞秒激光直写光纤光栅制备装置中的可见光成像光路进行准直；

s2：通过所述飞秒激光直写光纤光栅制备装置中的计算机，打开ccd相机配套的成像软件，开启所述飞秒激光直写光纤光栅制备装置的实时捕捉影像模式；

s3：通过所述飞秒激光直写光纤光栅制备装置，得到聚焦在光纤中轴线上的成像图片和成像图片对应的特征曲线；

s4：根据所述成像图片和特征曲线，获取光纤中心轴线轨迹坐标，得到光纤上待刻光纤光栅长度的中心轴线轨迹。

进一步地讲，在所述步骤s1中，所述准直后的可见光成像光路，具体为：

可见光光束经过所述飞秒激光直写光纤光栅制备装置中的聚焦透镜后，进入二向色镜中，通过所述二向色镜的高透，垂直入射所述ccd相机的成像芯片中心。

进一步地讲，在所述步骤s3中，得到聚焦在光纤中轴线上的成像图片和成像图片对应的特征曲线，具体如下：

s3.1：调整所述飞秒激光直写光纤光栅制备装置中三维位移平台的x轴、y轴和z轴位置，在所述成像软件中得到光纤的成像图片；

s3.2：根据所述光纤的成像图片，在所述光纤的成像图片上做一条横穿光纤且垂直光纤轴向的参考线，同时通过图像处理软件，获得沿参考线的强度分布曲线；

s3.3：调节所述三维位移平台的y轴位置，完成所述光纤在三维位移平台中xy平面内y轴中心位置的准直，得到所述光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标；

s3.4：将所述三维位移平台的y轴移至光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标处，调节所述三维位移平台的z轴位置，完成所述光纤在三维位移平台中xz平面内z轴中心位置的准直，得到所述光纤在xz平面内z轴的中心位置坐标；

s3.5：将所述三维位移平台的y轴移至光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标处，所述三维位移平台的z轴移至光纤在xz平面内z轴的中心位置坐标处，重复步骤s3.1和步骤s3.2，获得所述位置的成像图片和沿参考线的强度分布曲线，即为所述聚焦在光纤中轴线上的成像图片和成像图片对应的特征曲线。

进一步地讲，在所述步骤s3.1中，调整所述飞秒激光直写光纤光栅制备装置中三维位移平台的x轴、y轴和z轴位置，具体为：

任意设置所述三维位移平台的移动步长和速度，同时左右移动所述三维位移平台的x轴，前后移动所述三维位移平台的y轴，直至在所述飞秒激光直写光纤光栅制备装置的待刻光纤光栅的起点位置位于聚焦透镜的正下方，再上下移动所述三维位移平台的z轴。

进一步地讲，在所述步骤s3.2中，所述沿参考线的强度分布曲线中的离散峰为折射率跳变界面，峰值幅度大小与光纤中相邻材料之间折射率的差值大小相关。

进一步地讲，在所述步骤s3.3中，得到所述光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标，具体如下：

s3.3.1：根据所述光纤的纤芯直径大小，获取三维位移平台中y轴的第一个移动步长大小，具体为：

dy0＝2*dcore

其中：dy0为三维位移平台中y轴的第一个移动步长大小，dcore为光纤的纤芯直径大小；

s3.3.2：根据所述三维位移平台中y轴的第一个移动步长大小，将所述y轴向任意方向移动dy0，同时重复步骤s3.2，得到沿参考线的强度分布曲线；

s3.3.3：根据所述飞秒激光直写光纤光栅制备装置中飞秒激光中心波长的大小，设置三维位移平台中y轴的第二个移动步长大小，并将所述三维位移平台中y轴的第二个移动步长大小标记为dy1；

s3.3.4：根据所述y轴移动第一个移动步长大小时的方向，向所述方向的反方向移动dy1，同时重复步骤s3.2，得到沿参考线的强度分布曲线；

s3.3.5：重复步骤s3.3.4操作m-y次，将所有所述沿参考线的强度分布曲线进行比较，当纤芯位置的峰值大小和包层界面位置的峰值大小相接近时，所述强度分布曲线对应的y轴坐标即为光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标。

进一步地讲，在所述步骤s3.4中，得到所述光纤在xz平面内z轴的中心位置坐标，具体如下：

s3.4.1：将所述三维位移平台的y轴移至光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标处，同时通过所述光纤的纤芯直径大小，设置三维位移平台中z轴的第一个移动步长大小，具体为：

dz0＝dcore

其中：dz0为三维位移平台中z轴的第一个移动步长大小，dcore为光纤的纤芯直径大小；

s3.4.2：根据所述三维位移平台中z轴的第一个移动步长大小，将所述z轴向任意方向移动dz0；

s3.4.3：判断所述光纤位置是否位于聚焦透镜的聚焦范围内，若位于，则根据z轴移动第一个移动步长大小时的方向，向所述方向的反方向移动2dz0，若不位于，则所述z轴保持不动；

s3.4.4：重复步骤s3.2，得到沿参考线的强度分布曲线；

s3.4.5：根据所述飞秒激光直写光纤光栅制备装置中飞秒激光中心波长的大小，设置三维位移平台中z轴的第二个移动步长大小，并将所述三维位移平台中z轴的第二个移动步长大小标记为dz1；

s3.4.6：根据所述光纤位置判断后y轴移动的方向，向所述方向的反方向移动dz1，同时重复步骤s3.2，得到沿参考线的强度分布曲线；

s3.4.7：重复步骤s3.4.6操作m-z次，将所有所述沿参考线的强度分布曲线进行比较，当纤芯位置的峰值大小和包层界面位置的峰值大小均由大变小时，直至消失的临界点所在的强度分布曲线对应的z轴坐标，即为所述光纤在xz平面内z轴的中心位置坐标。

进一步地讲，所述m-y的大小和m-z的大小，具体为：

其中：m-y为重复步骤s3.3.4操作的次数，m-z为重复步骤s3.4.6操作的次数，dy0为三维位移平台中y轴的第一个移动步长大小，dy1为三维位移平台中y轴的第二个移动步长大小，n为非零的自然数，dz0为三维位移平台中z轴的第一个移动步长大小，dz1为三维位移平台中z轴的第二个移动步长大小。

进一步地讲，在所述步骤s4中，得到所述光纤上待刻光纤光栅长度的中心轴线轨迹，具体如下：

s4.1：调整所述三维位移平台中的x轴，得到光纤光栅起点位置的光纤成像图片，同时重复步骤s3.2-步骤s3.5，得到所述光纤光栅起点位置的中心轴线坐标，并将所述中心轴线坐标进行保存；

s4.2：设置所述三维位移平台中x轴的移动步长为dx，并将所述x轴向正方向移动dx，同时重复步骤s4.2，得到所述位置的中心轴线坐标，并将所述中心轴线坐标进行保存；

s4.3：重复步骤s4.2，直至所述x轴位置到达光纤终点；

s4.4：根据得到的所有所述中心轴线坐标，通过二项式拟合公式进行拟合，得到所述光纤上待刻光纤光栅长度的中心轴线轨迹。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明根据光纤轨迹的非线性特性，采用非线性寻迹准直法，即采用等间距插值法，将光纤非线性轨迹曲线分成离散的n段，并分别对n段进行准直，当n取值较大时，准直所得的曲线将逼近实际的轨迹，从而提高了光纤光栅制备的效率和可重复性，同时也降低了投入成本。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明的成像图片和强度分布曲线图；

图3是本发明聚焦到光纤纤芯中心时的成像图像强度分布曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

参考图1，本实施例提供了一种基于图像识别技术自动完成光纤纤芯中轴线寻迹的方法，在本实施例中以带有涂敷层的商用石英单模光纤为例进行说明，该方法具体包括如下步骤：

步骤s1：对飞秒激光直写光纤光栅制备装置中的可见光成像光路进行准直，其中准直后的可见光成像光路，具体为：

可见光光束经过飞秒激光直写光纤光栅制备装置中的聚焦透镜后，将会进入二向色镜中，通过该二向色镜的高透后，可以垂直入射ccd相机的成像芯片中心。

步骤s2：可见光成像光路准直后，通过飞秒激光直写光纤光栅制备装置中的计算机，打开ccd相机配套的成像软件，开启该飞秒激光直写光纤光栅制备装置的实时捕捉影像模式。

步骤s3：通过启动了实时捕捉影像模式的飞秒激光直写光纤光栅制备装置，得到聚焦在光纤中轴线上的成像图片和该成像图片对应的特征曲线，具体如下：

步骤s3.1：调整飞秒激光直写光纤光栅制备装置中三维位移平台的x轴、y轴和z轴位置，其中三维位移平台的移动步长和速度可以任意进行设置。在本实施例中，左右移动三维位移平台的x轴，前后移动三维位移平台的y轴，直至将直至在飞秒激光直写光纤光栅制备装置的待刻光纤光栅的起点位置位于聚焦透镜的正下方，之后再上下移动所述三维位移平台的z轴。从而即可通过成像软件得到光纤的成像图片。参考图2(a)，该成像图片中，能够清晰可辨别出光纤的纤芯、包层和涂敷层。其中可见商用石英玻璃单模光纤有两层涂敷层，分别为涂敷层1和涂敷层2。

步骤s3.2：根据步骤s3.1中得到的光纤成像图片，通过ccd成像软件或其他图像处理软件，譬如：matlab、origin和photoshop，在该光纤成像图片上做一条横穿光纤且垂直光纤轴向的参考线，得到沿该参考线的强度分布曲线。参考图2(b)，在该沿参考线的强度分布曲线中，其中的离散峰表示折射率跳变界面，其峰值幅度表示光纤中相邻材料之间折射率的差值，且差值越大，峰值幅度越大。同时位于曲线中心位置的小峰表示纤芯与包层之间的界面，位于该小峰两侧的较大峰，即包层和涂敷层1之间的界面，也可以说是图2(b)中b1和b2之间。与此紧挨的是涂敷层1和涂敷层2界面之间的强度峰，即图2(b)中c1和c2。最外面的两个为涂敷层2与折射率匹配液之间界面的强度峰。

步骤s3.3：调节三维位移平台的y轴位置，完成光纤在三维位移平台中xy平面内y轴中心位置的准直，进而得到所述光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标，具体如下：

步骤s3.3.1：根据光纤的纤芯直径大小dcore，设置三维位移平台中y轴的第一个移动步长大小dy0为光纤的纤芯直径大小dcore的两倍大小，具体为：

dy0＝2*dcore

其中：dy0为三维位移平台中y轴的第一个移动步长大小，dcore为光纤的纤芯直径大小。

步骤s3.3.2：根据步骤s3.3.1得到的三维位移平台中y轴的第一个移动步长大小dy0，将该y轴向任意方向移动dy0，其是为了将纤芯移出成像图片的中心位置处，其中三维位移平台中y轴的第一个移动步长大小dy0的实际值大小，可以根据实际情况进行调整。同时重复步骤s3.2，从而得到该位置处对应的沿参考线的强度分布曲线。

步骤s3.3.3：根据飞秒激光直写光纤光栅制备装置中飞秒激光中心波长的大小，设置三维位移平台中y轴的第二个移动步长大小，并将三维位移平台中y轴的第二个移动步长大小标记为dy1，其中三维位移平台中y轴的第二个移动步长大小dy1的实际取值在0.5-飞秒激光中心波长的范围内，也可以根据实际情况进行选择。

步骤s3.3.4：根据步骤s3.3.2中y轴移动第一个移动步长大小时的方向，向该方向的反方向移动dy1，同时重复步骤s3.2，从而得到该位置对应的沿参考线的强度分布曲线。

步骤s3.3.5：重复步骤s3.3.4操作m-y次，将得到的所有沿参考线的强度分布曲线进行比较，当纤芯位置的峰值大小和包层界面位置的峰值大小相接近时，强度分布曲线对应的y轴坐标即为光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标。参考图2(b)，当图中b1处的峰值大小和b2处的峰值大小均接近所属强度分布曲线对应的y轴坐标时，该y轴坐标即为光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标。

在本实施例中，m-y的大小，具体为：

m-y＝2*dy0/dy1*n

其中：m-y为重复步骤s3.3.4操作的次数，dy0为三维位移平台中y轴的第一个移动步长大小，dy1为三维位移平台中y轴的第二个移动步长大小，n为非零的自然数。

步骤s3.4：将三维位移平台的y轴移至步骤s3.3.5中得到的光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标处，调节三维位移平台的z轴位置，完成光纤在三维位移平台中xz平面内z轴中心位置的准直，得到光纤在xz平面内z轴的中心位置坐标，具体如下：

步骤s3.4.1：将三维位移平台的y轴移至光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标处，同时通过光纤的纤芯直径大小，设置三维位移平台中z轴的第一个移动步长大小，具体为：

dz0＝dcore

其中：dz0为三维位移平台中z轴的第一个移动步长大小，dcore为光纤的纤芯直径大小。

步骤s3.4.2：根据步骤s3.4.1中得到的三维位移平台中z轴的第一个移动步长大小dz0，将所述z轴向任意方向移动dz0。

步骤s3.4.3：判断光纤位置是否位于聚焦透镜的聚焦范围内，若位于，则根据z轴移动第一个移动步长大小时的方向，向该方向的反方向移动2dz0。若不位于，则z轴保持不动。

步骤s3.4.4：重复步骤s3.2，得到该位置对应的沿参考线的强度分布曲线。

步骤s3.4.5：根据飞秒激光直写光纤光栅制备装置中飞秒激光中心波长的大小，设置三维位移平台中z轴的第二个移动步长大小，并将所述三维位移平台中z轴的第二个移动步长大小标记为dz1，其中三维位移平台中z轴的第二个移动步长大小dz1的实际取值在0.5-飞秒激光中心波长的范围内，也可以根据实际情况进行选择。

步骤s3.4.6：根据步骤s3.4.3中光纤位置判断后y轴移动的方向，向该方向的反方向移动dz1，同时重复步骤s3.2，得到该位置对应的沿参考线的强度分布曲线。

步骤s3.4.7：重复步骤s3.4.6操作m-z次，将得到的所有沿参考线的强度分布曲线进行比较，当纤芯位置的峰值大小和包层界面位置的峰值大小均由大变小时，直至消失的临界点所在的强度分布曲线对应的z轴坐标，即为所述光纤在xz平面内z轴的中心位置坐标。

在本实施例中，m-z的大小，具体为：

m-z＝2*dz0/dz1*n

其中：m-z为重复步骤s3.4.6操作的次数，dz0为三维位移平台中z轴的第一个移动步长大小，dz1为三维位移平台中z轴的第二个移动步长大小，n为非零的自然数。

步骤s3.5：参考图3，将三维位移平台的y轴移至步骤s3.3.5中得到的光纤在xy平面内y轴的中心位置坐标处，将三维位移平台的z轴移至步骤s3.4.7中得到的光纤在xz平面内z轴的中心位置坐标处，同时重复步骤s3.1和步骤s3.2，获得该位置处的成像图片和沿参考线的强度分布曲线。其中该位置处的成像图片和沿参考线的强度分布曲线，即为聚焦在光纤中轴线上的成像图片和成像图片对应的特征曲线。

步骤s4：根据步骤s3.5得到的成像图片和特征曲线，获取光纤中心轴线轨迹坐标，得到光纤上待刻光纤光栅长度的中心轴线轨迹，具体如下：

步骤s4.1：调整三维位移平台中的x轴，得到光纤光栅起点位置的光纤成像图片，同时重复步骤s3.2-步骤s3.5，得到所述光纤光栅起点位置的中心轴线坐标，并将得到的中心轴线坐标进行保存。

步骤s4.2：设置三维位移平台中x轴的移动步长为dx，并将x轴向正方向移动dx，同时重复步骤s4.2，得到该位置的中心轴线坐标，并将该中心轴线坐标进行保存。在本实施例中，dx的大小选择为1毫米。

步骤s4.3：重复步骤s4.2，直至x轴位置到达光纤终点。

步骤s4.4：根据得到的所有中心轴线坐标，通过二项式拟合公式进行拟合，进而得到光纤上待刻光纤光栅长度的中心轴线轨迹。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。