本發(fā)明屬于光纖熔接旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于端面圖像自相關(guān)的光纖保偏熔接旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)方法。

背景技術(shù)：

通常的光纖是由一個(gè)圓形的纖芯區(qū)和圍繞它的包層區(qū)構(gòu)成，但熊貓型保偏光纖以及多芯光纖端面的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，保偏光纖在纖芯區(qū)兩側(cè)具有應(yīng)力區(qū)，多芯光纖在包層區(qū)中具有多個(gè)纖芯區(qū)。

保偏光纖以及多芯光纖在應(yīng)用中需要將兩段光纖的端面以特定的角度進(jìn)行熔接，端面旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)的精度直接影響到光纖熔接的質(zhì)量，因此保證兩段光纖保偏熔接時(shí)能夠高精度對(duì)準(zhǔn)成為實(shí)際應(yīng)用中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

目前現(xiàn)有的端面旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)方法分為有源對(duì)準(zhǔn)方法和無(wú)源對(duì)準(zhǔn)方法，有源對(duì)準(zhǔn)方法需要光源以及光功率計(jì)實(shí)現(xiàn)精確對(duì)準(zhǔn)，設(shè)備復(fù)雜，因此適用的場(chǎng)景受到了限制，不適合室外操作，無(wú)源對(duì)準(zhǔn)方法適用的場(chǎng)景更加廣泛。

利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行無(wú)源對(duì)準(zhǔn)可以利用端面圖像以及側(cè)面圖像：當(dāng)使用側(cè)面圖像進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)時(shí)，需要轉(zhuǎn)動(dòng)光纖，對(duì)熔接機(jī)實(shí)時(shí)控制精度要求高，同時(shí)，在對(duì)準(zhǔn)多芯光纖時(shí)，如果纖芯的數(shù)量過多，側(cè)面的圖像會(huì)十分復(fù)雜，難以分析處理；使用端面圖像進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，相比使用側(cè)面圖像，具有適用性廣、精度高的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于端面成像對(duì)準(zhǔn)方法，可以對(duì)兩段光纖端面的圖像進(jìn)行互相關(guān)，通過相關(guān)系數(shù)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，但是互相關(guān)對(duì)準(zhǔn)方法僅適合于兩段相同種類的光纖進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于端面圖像自相關(guān)的光纖保偏熔接旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)對(duì)熔接機(jī)實(shí)時(shí)控制精度要求高，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)多芯光纖對(duì)準(zhǔn)的技術(shù)問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：一種基于端面圖像自相關(guān)的光纖保偏熔接旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)獲得兩段光纖端面的圖像：剝?nèi)サ谝淮酃饫w和第二待熔光纖的熔接端涂覆層，將兩根光纖端面切割整齊，分別放入熔接機(jī)兩端的夾具中固定，調(diào)節(jié)兩段光纖端面的位置，通過熔接機(jī)的端面成像裝置，分別獲得兩段光纖清晰的端面圖像；

(2)包層圓參數(shù)檢測(cè)；將第一待熔光纖端面的彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，對(duì)灰度圖像進(jìn)行濾波，使圖像更加平滑，減小光纖端面上切割缺口造成的影響，得到灰度圖像grayScaleImg，以grayScaleImg的左上方頂點(diǎn)為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，第一行像素的排列方向?yàn)閤軸的正方向，第一列像素的排列方向?yàn)閥軸的正方向；將grayScaleImg轉(zhuǎn)換為二值圖像binaryImg，binaryImg中非光纖端面部分的灰度值為0，光纖端面區(qū)域的灰度值為255；檢測(cè)binaryImg中光纖包層的邊緣，對(duì)包層邊緣上所有的像素點(diǎn)進(jìn)行圓擬合，擬合出的包層圓半徑為R，圓心坐標(biāo)為(x₁,y₁)；以(x₁,y₁)為中心，從grayScaleImg中提取出像素點(diǎn)數(shù)量為m×n個(gè)的光纖端面區(qū)域灰度值矩陣K(m,n)，m、n分別為灰度值矩陣的行數(shù)和列數(shù)，m、n為奇數(shù)且m＞2R、n＞2R，K(m,n)的中心即為grayScaleImg中包層的圓心(x₁,y₁)；

(3)計(jì)算第一待熔光纖不同旋轉(zhuǎn)角度β時(shí)的自相關(guān)系數(shù)R_β；以角度步長(zhǎng)θ將灰度值矩陣K(m,n)繞矩陣中心進(jìn)行插值逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為β時(shí)的灰度值矩陣為K_β′，β＝a×θ，a為整數(shù)，使矩陣K_β′和K(m,n)的中心重合，然后將K_β′中越過矩陣K(m,n)邊線的像素位置去掉，對(duì)K_β′中缺少的像素位置以背景灰度值backgroundVal進(jìn)行填充，得到元素?cái)?shù)量為m×n的灰度值矩陣K_β(m,n)，所述背景灰度值指grayScaleImg左上角頂點(diǎn)像素的灰度值；將K_β(m,n)進(jìn)行上下翻轉(zhuǎn)得到flipK_β(m,n)，計(jì)算灰度值矩陣K_β(m,n)和flipK_β(m,n)的自相關(guān)系數(shù)R_β，則R_β為角度為β時(shí)第一待熔光纖的自相關(guān)系數(shù)，不同旋轉(zhuǎn)角度β時(shí)的自相關(guān)系數(shù)R_β組成自相關(guān)系數(shù)向量R；

(4)獲得第一待熔接光纖的旋轉(zhuǎn)角度；對(duì)得到的自相關(guān)系數(shù)向量R中的元素進(jìn)行歸一化，歸一化后自相關(guān)系數(shù)的最小值為0，最大值為1；由于光纖端面的徑向?qū)ΨQ軸和grayScaleImg中x軸平行時(shí)的自相關(guān)系數(shù)比其他旋轉(zhuǎn)角度高，所以自相關(guān)系數(shù)與角度β的曲線具有N個(gè)峰值，其中第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的角度為β1，第二個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的角度為β₂，提取出K_β1(m,n)與K_β2(m,n)中第行，第1到第列的灰度值，得到灰度值向量

對(duì)灰度值向量進(jìn)行快速傅里葉變換，得到各個(gè)頻率分量的模值組成的向量

計(jì)算中直流分量freqData_β1(1)與其他非直流頻率分量的模值的比值ratio_β1，計(jì)算中直流分量freqData_β2(1)和其他非直流頻率分量模值的比值ratio_β2；

取ratio_β1和ratio_β2中較大的值對(duì)應(yīng)的角度為β1max，當(dāng)?shù)谝淮酃饫w的旋轉(zhuǎn)角度為β1max時(shí)光纖端面的徑向?qū)ΨQ軸和grayScaleImg中的x軸平行，且徑向?qū)ΨQ軸上灰度值的頻率分量中高頻成分較多，β1max為第一待熔光纖端面對(duì)準(zhǔn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度；

(5)獲得第二待熔光纖的旋轉(zhuǎn)角度；對(duì)第二待熔光纖重復(fù)步驟(2)-(4)，得到第二待熔光纖對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度β2max；

(6)旋轉(zhuǎn)第一待熔光纖和第二待熔光纖使旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)；將得到的旋轉(zhuǎn)角度β1max和β2max輸入熔接機(jī)，分別使第一待熔光纖和第二待熔光纖旋轉(zhuǎn)β1max和β2max，旋轉(zhuǎn)方向和端面圖像旋轉(zhuǎn)的方向一致，完成第一待熔光纖和第二待熔光纖旋轉(zhuǎn)角精確對(duì)準(zhǔn)。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中待熔光纖需進(jìn)行保偏熔接且至少具有一個(gè)對(duì)稱軸，例如熊貓型保偏光纖、多芯光纖等。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中圖像二值化轉(zhuǎn)換所用的閾值為th＝backgroundVal+k，1≤k≤10，backgroundVal為grayScaleImg背景灰度值；k的取值范圍為1到10，當(dāng)k取值過大時(shí)，二值圖像binaryImg中會(huì)出現(xiàn)纖芯區(qū)域，當(dāng)k取值過小時(shí)，二值圖像binaryImg中包層區(qū)域無(wú)法提取出來(lái)。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中光纖包層的邊緣檢測(cè)采用Canny算子方法，包層邊緣像素點(diǎn)圓擬合采用霍夫算法。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中固定角度步長(zhǎng)θ的取值范圍為0.05°到5°。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度β的范圍為0°到360°。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中計(jì)算K_β(m,n)和flipK_β(m,n)的相關(guān)系數(shù)R_β，可以基于以下兩個(gè)公式中的任一公式：

或者

$R_{\mathrm{\β}}=20{\log }_{10}\left(\frac{255}{\sqrt{\frac{1}{mn}\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\underset{j=1}{\overset{n}{\Σ}}{\left(K_{\mathrm{\β}}\right(i,j)-{\mathrm{flipK}}_{\mathrm{\β}}(i,j\left)\right)}^2}}\right)$

其中K_β(i,j)、flipK_β(i,j)分別表示K_β(m,n)和flipK_β(m,n)中第i行第j列元素的灰度值大小，

進(jìn)一步的，所述步驟(4)中的自相關(guān)系數(shù)曲線的峰值個(gè)數(shù)N為偶數(shù)，由于光纖端面的徑向?qū)ΨQ軸和grayScaleImg中x軸平行時(shí)的自相關(guān)系數(shù)比其他旋轉(zhuǎn)角度高，在旋轉(zhuǎn)360°的過程中，每個(gè)對(duì)稱軸會(huì)有兩次處于水平位置，所以自相關(guān)曲線峰值的個(gè)數(shù)N為偶數(shù)，例如熊貓型保偏光纖具有4個(gè)峰值，7芯光纖具有12個(gè)峰值。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中的插值方法為雙線性插值法。

進(jìn)一步的，所述步驟(4)中使用以下公式計(jì)算ratio_β1和ratio_β2：

和

${\mathrm{ratio}}_{\mathrm{\β}2}=\frac{\underset{i=2}{\overset{\frac{n+1}{2}}{\Σ}}{\mathrm{freqData}}_{\mathrm{\β}2}\left(i\right)}{{\mathrm{freqData}}_{\mathrm{\β}2}\left(1\right)}$

其中freqData_β1(i)表示模值向量中的第i個(gè)元素，freqData_β2(i)表示模值向量中的第i個(gè)元素。

本發(fā)明的有益增益效果為：

(1)本發(fā)明提供的基于端面圖像自相關(guān)的光纖保偏熔接旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)方法，屬于無(wú)源對(duì)準(zhǔn)方法，相比采用有源對(duì)準(zhǔn)方法，無(wú)需光源、光功率計(jì)等設(shè)備，節(jié)約成本；

(2)本發(fā)明提供的基于端面圖像自相關(guān)的光纖保偏熔接旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)方法，通過計(jì)算單段光纖的自相關(guān)系數(shù)得到處于水平對(duì)稱時(shí)的位置，無(wú)需要求兩段光纖的種類一致，適用性更加廣泛；

(3)本發(fā)明提供的基于端面圖像自相關(guān)的光纖保偏熔接旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)方法，由于自相關(guān)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度步長(zhǎng)可以調(diào)節(jié)，計(jì)算水平對(duì)稱位置時(shí)的旋轉(zhuǎn)角精度高，誤差優(yōu)于0.2°；

(4)本發(fā)明提供的基于端面圖像自相關(guān)的光纖保偏熔接旋轉(zhuǎn)角對(duì)準(zhǔn)方法，可單步獲取兩個(gè)光纖端面圖像，直接由圖像處理技術(shù)得到不同旋轉(zhuǎn)角度時(shí)的自相關(guān)系數(shù)，相比采用側(cè)面對(duì)準(zhǔn)多步獲取光纖側(cè)面圖像的方法，無(wú)需對(duì)熔接機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，速度快，精度高；

附圖說明

圖1為本發(fā)明的方法流程圖；

圖2為第一待熔光纖端面灰度圖像示意圖；

圖3為第一待熔光纖端面二值圖像；

圖4為擬合出的第一待熔光纖包層邊緣；

圖5為提取出的第一待熔光纖灰度值矩陣示意圖；

圖6為第一待熔光纖自相關(guān)曲線；

圖7為第一待熔光纖處于水平對(duì)稱位置時(shí)的灰度圖像示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的流程如圖1所示，包括以下步驟：

剝?nèi)サ谝淮酃饫w和第二待熔光纖的熔接端涂覆層，將兩根光纖端面切割整齊，分別放入熔接機(jī)兩端的夾具中固定，調(diào)節(jié)兩段光纖端面的位置，通過熔接機(jī)的端面成像裝置，分別獲得兩段光纖清晰的端面圖像；

獲取熔接機(jī)中第一待熔光纖端面的彩色圖像。將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，對(duì)灰度圖像進(jìn)行濾波，使圖像更加平滑，減小光纖端面上切割缺口造成的影響，本實(shí)施例采用中值濾波法，得到grayScaleImg，如圖2所示。grayScaleImg中左上角頂點(diǎn)像素的灰度值backgroundVal為8，將backgroundVal作為背景灰度值，取k＝10，當(dāng)k＝10時(shí)二值圖像binaryImg中可以提取出包層區(qū)域又不會(huì)提取出纖芯區(qū)域，得到閾值th＝backgroundVal+k，使用閾值th＝18將grayScaleImg轉(zhuǎn)換為二值圖像binaryImg，binaryImg中非光纖端面區(qū)域的灰度值為0，光纖端面區(qū)域的灰度值為255，如圖3所示。使用Canny算子方法檢測(cè)binaryImg中包層的邊緣，使用霍夫算法對(duì)包層邊緣上所有的像素點(diǎn)進(jìn)行圓擬合，擬合出第一待熔光纖包層的半徑80個(gè)像素，圓心的位置為(159,98)，如圖4所示。以(159,98)為中心，從grayScaleImg中提取出像素點(diǎn)數(shù)量為(173,173)個(gè)的光纖端面區(qū)域灰度值矩陣K(173,173)，示意圖如圖5所示。

以固定的角度步長(zhǎng)0.1°將灰度矩陣K(m,n)繞矩陣中心(87,87)進(jìn)行雙線性插值逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為β時(shí)的灰度值矩陣為K_β′，β＝a×0.1，a為整數(shù)，β從0.1°開始，到360°，對(duì)不同角度的K_β′進(jìn)行裁剪，將K_β′中越過矩陣K(m,n)邊線的像素位置去掉，對(duì)K_β′中缺少的像素位置以背景灰度值backgroundVal進(jìn)行填充，得到K_β(173,173)。將K_β(173,173)進(jìn)行上下翻轉(zhuǎn)得到flipK_β(173,173)，K_β(173,173)中第x行的灰度值翻轉(zhuǎn)為flipK_β(173,173)中第(174-x)行的灰度值，翻轉(zhuǎn)后，采用公式計(jì)算灰度值矩陣K_β(173,173)和翻轉(zhuǎn)后的灰度值矩陣flipK_β(173,173)的自相關(guān)系數(shù)R_β，其中則R_β為角度為β時(shí)第一待熔光纖的自相關(guān)系數(shù)，不同旋轉(zhuǎn)角度β時(shí)的自相關(guān)系數(shù)R_β組成自相關(guān)系數(shù)向量R。

對(duì)得到的自相關(guān)系數(shù)向量R進(jìn)行歸一化，歸一化后自相關(guān)系數(shù)的最低值為0，最高值為1，歸一化后第一待熔光纖自相關(guān)系數(shù)R_β與旋轉(zhuǎn)角度β的關(guān)系曲線如圖6所示。由于光纖端面的徑向?qū)ΨQ軸和grayScaleImg中x軸平行時(shí)的自相關(guān)系數(shù)比其他旋轉(zhuǎn)角度高，第一待熔光纖一共具有6個(gè)徑向?qū)ΨQ軸，所以在旋轉(zhuǎn)360°的過程中，會(huì)有12次徑向?qū)ΨQ軸和grayScaleImg中的x軸平行，所以自相關(guān)系數(shù)曲線一共具有12個(gè)峰值，其中第一個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的角度為14.5°，第二個(gè)峰值對(duì)應(yīng)的角度為44.4°。提取出K_14.5(173,173)與K_44.4(173,173)中第87行，第1到第87列的像素點(diǎn)的灰度值，得到灰度值向量grayData_14.5[87]和grayData_44.4[87]，對(duì)灰度值向量進(jìn)行快速傅里葉變換，得到各個(gè)頻率分量的模值組成的向量freqData_14.5[87]和freqData_44.4[87]。計(jì)算中直流分量freqData_14.5(1)與其他非直流頻率分量的模值的比值ratio_14.5，計(jì)算中直流分量freqData_44.4(1)與其他非直流頻率分量的模值的比值ratio_44.4，使用的計(jì)算公式為計(jì)算得到ratio_14.5＝1.9847，ratio_44.4＝1.4973，ratio_14.5和ratio_44.4中較大的值對(duì)應(yīng)的角度為β1max＝14.5，當(dāng)?shù)谝淮酃饫w的旋轉(zhuǎn)角度為14.5°時(shí)光纖端面的徑向?qū)ΨQ軸和grayScaleImg中的x軸平行，且徑向?qū)ΨQ軸上灰度值的頻率分量中高頻成分較多，14.5°為第一待熔光纖的旋轉(zhuǎn)角度。

對(duì)第二待熔光纖重復(fù)上述步驟，得到第二待熔光纖的旋轉(zhuǎn)角度β2max＝1，所以第二待熔光纖端面精確對(duì)準(zhǔn)時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度為1°。

將得到的旋轉(zhuǎn)角度14.5°和1°輸入熔接機(jī)，分別使第一待熔光纖和第二待熔光纖旋轉(zhuǎn)14.5°和1°，旋轉(zhuǎn)方向和端面圖像旋轉(zhuǎn)的方向一致，旋轉(zhuǎn)后第一待熔光纖端面的圖像如圖7所示，完成兩段光纖旋轉(zhuǎn)角的精確對(duì)準(zhǔn)。

由此，本發(fā)明通過獲取光纖端面的圖像，計(jì)算光纖端面圖像的自相關(guān)系數(shù)，能夠快速、高精度的對(duì)熊貓型保偏光纖、多芯光纖等進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度對(duì)準(zhǔn)，具有適用性廣、精度高的特點(diǎn)。

本發(fā)明提供的光纖保偏熔接對(duì)準(zhǔn)方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。