一种基于端面图像自相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法技术

本发明专利技术公开了一种基于端面图像自相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法。本发明专利技术通过熔接机的端面成像装置，获得两段光纤端面的图像，使用边缘检测和圆拟合方法提取出光纤端面区域的图像；通过计算不同角度时的自相关系数，并比较水平截线上的频率分量，完成两段光纤端面旋转角对准。本发明专利技术提供的基于端面图像自相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法，适用于需要进行保偏熔接的光纤，如熊猫型保偏光纤、多芯光纤等，对于不同种类的两段光纤也可以进行熔接，具有适用性广、精度高的特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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自相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法。
技术介绍
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，但熊猫型保偏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。保偏光纤以及多芯光纤在应用中需要将两段光纤的端面以特定的角度进行熔接，端面旋转角对准的精度直接影响到光纤熔接的质量，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。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更加广泛。利用图像处理技术进行无源对准可以利用端面图像以及侧面图像：当使用侧面图像进行对准时，需要转动光纤，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；使用端面图像进行对准，相比使用侧面图像，具有适用性广、精度高的优点。对于端面成像对准方法，可以对两段光纤端面的图像进行互相关，通过相关系数进行对准，但是互相关对准方法仅适合于两段相同种类的光纤进行对准。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种基于端面图像自相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法，以解决现有技术对熔接机实时控制精度要求高，难以实现对多芯光纤对准的技术问题。本专利技术采用的技术方案如下：一种基于端面图像自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：剥去第一待熔光纤和第二待熔光纤的熔接端涂覆层，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；(2)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grayScaleImg，以grayScaleImg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grayScaleImg转换为二值图像binaryImg，binaryImg中非光纤端面部分的灰度值为0，光纤端面区域的灰度值为255；检测binaryImg中光纤包层的边缘，对包层边缘上所有的像素点进行圆拟合，拟合出的包层圆半径为R，圆心坐标为(x1,y1)；以(x1,y1)为中心，从grayScaleImg中提取出像素点数量为m×n个的光纤端面区域灰度值矩阵K(m,n)，m、n分别为灰度值矩阵的行数和列数，m、n为奇数且m＞2R、n＞2R，K(m,n)的中心即为grayScaleImg中包层的圆心(x1,y1)；(3)计算第一待熔光纤不同旋转角度β时的自相关系数Rβ；以角度步长θ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β时的灰度值矩阵为Kβ′，β＝a×θ，a为整数，使矩阵Kβ′和K(m,n)的中心重合，然后将Kβ′中越过矩阵K(m,n)边线的像素位置去掉，对Kβ′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m×n的灰度值矩阵Kβ(m,n)，所述背景灰度值指grayScaleImg左上角顶点像素的灰度值；将Kβ(m,n)进行上下翻转得到flipKβ(m,n)，计算灰度值矩阵Kβ(m,n)和flipKβ(m,n)的自相关系数Rβ，则Rβ为角度为β时第一待熔光纤的自相关系数，不同旋转角度β时的自相关系数Rβ组成自相关系数向量R；(4)获得第一待熔接光纤的旋转角度；对得到的自相关系数向量R中的元素进行归一化，归一化后自相关系数的最小值为0，最大值为1；由于光纤端面的径向对称轴和grayScaleImg中x轴平行时的自相关系数比其他旋转角度高，所以自相关系数与角度β的曲线具有N个峰值，其中第一个峰值对应的角度为β1，第二个峰值对应的角度为β2，提取出Kβ1(m,n)与Kβ2(m,n)中第行，第1到第列的灰度值，得到灰度值向量对灰度值向量进行快速傅里叶变换，得到各个频率分量的模值组成的向量计算中直流分量freqDataβ1(1)与其他非直流频率分量的模值的比值ratioβ1，计算中直流分量freqDataβ2(1)和其他非直流频率分量模值的比值ratioβ2；取ratioβ1和ratioβ2中较大的值对应的角度为β1max，当第一待熔光纤的旋转角度为β1max时光纤端面的径向对称轴和grayScaleImg中的x轴平行，且径向对称轴上灰度值的频率分量中高频成分较多，β1max为第一待熔光纤端面对准时的旋转角度；(5)获得第二待熔光纤的旋转角度；对第二待熔光纤重复步骤(2)-(4)，得到第二待熔光纤对应的旋转角度β2max；(6)旋转第一待熔光纤和第二待熔光纤使旋转角对准；将得到的旋转角度β1max和β2max输入熔接机，分别使第一待熔光纤和第二待熔光纤旋转β1max和β2max，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。进一步的，所述步骤(1)中待熔光纤需进行保偏熔接且至少具有一个对称轴，例如熊猫型保偏光纤、多芯光纤等。进一步的，所述步骤(2)中图像二值化转换所用的阈值为th＝backgroundVal+k，1≤k≤10，backgroundVal为grayScaleImg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binaryImg中会出现纤芯区域，当k取值过小时，二值图像binaryImg中包层区域无法提取出来。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。进一步的，所述步骤(3)中固定角度步长θ的取值范围为0.05°到5°。进一步的，所述步骤(3)中逆时针旋转角度β的范围为0°到360°。进一步的，所述步骤(3)中计算Kβ(m,n)和flipKβ(m,n)的相关系数Rβ，可以基于以下两个公式中的任一公式：或者 R β = 20 log 10 ( 255 1 m n Σ i = 1 m Σ j = 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于端面图像自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)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grayScaleImg，以grayScaleImg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grayScaleImg转换为二值图像binaryImg，binaryImg中非光纤端面部分的灰度值为0，光纤端面区域的灰度值为255；检测binaryImg中光纤包层的边缘，对包层边缘上所有的像素点进行圆拟合，拟合出的包层圆半径为R，圆心坐标为(x1,y1)；以(x1,y1)为中心，从grayScaleImg中提取出像素点数量为m×n个的光纤端面区域灰度值矩阵K(m,n)，m、n分别为灰度值矩阵的行数和列数，m、n为奇数且m＞2R、n＞2R，K(m,n)的中心即为grayScaleImg中包层的圆心(x1,y1)；(3)计算第一待熔光纤不同旋转角度β时的自相关系数Rβ：以角度步长θ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β时的灰度值矩阵为Kβ′，β＝a×θ，a为整数，使矩阵Kβ′和K(m,n)的中心重合，然后将Kβ′中越过矩阵K(m,n)边线的像素位置去掉，对Kβ′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m×n的灰度值矩阵Kβ(m,n)，所述背景灰度值指grayScaleImg左上角顶点像素的灰度值；将Kβ(m,n)进行上下翻转得到flipKβ(m,n)，计算灰度值矩阵Kβ(m,n)和flipKβ(m,n)的自相关系数Rβ，则Rβ为角度为β时第一待熔光纤的自相关系数，不同旋转角度β时的自相关系数Rβ组成自相关系数向量R；(4)获得第一待熔接光纤的旋转角度：对得到的自相关系数向量R中的元素进行归一化，归一化后自相关系数的最小值为0，最大值为1；由于光纤端面的径向对称轴和grayScaleImg中x轴平行时的自相关系数比其他旋转角度高，所以自相关系数与角度β的曲线具有N个峰值，其中第一个峰值对应的角度为β1，第二个峰值对应的角度为β2，提取出Kβ1(m,n)与Kβ2(m,n)中第行，第1到第列的灰度值，得到灰度值向量对灰度值向量进行快速傅里叶变换，得到各个频率分量的模值组成的向量计算中直流分量freqDataβ1(1)与其他非直流频率分量的模值的比值ratioβ1，计算中直流分量freqDataβ2(1)和其他非直流频率分量模值的比值ratioβ2，ratioβ1和ratioβ2中较大的值对应的角度为β1max，当第一待熔光纤的旋转角度为β1max时光纤端面的径向对称轴和grayScaleImg中的x轴平行，其径向对称轴上灰度值的频率分量中高频成分较多，β1max为第一待熔光纤端面对准时的旋转角度；(5)获得第二待熔光纤的旋转角度：对第二待熔光纤重复步骤(2)‑(4)，得到第二待熔光纤对应的旋转角度β2max；(6)第一待熔光纤和第二待熔光纤对准：将得到的旋转角度β1max和β2max输入熔接机，分别使第一待熔光纤和第二待熔光纤旋转β1max和β2max，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。...

【技术特征摘要】
1.一种基于端面图像自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)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grayScaleImg，以grayScaleImg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grayScaleImg转换为二值图像binaryImg，binaryImg中非光纤端面部分的灰度值为0，光纤端面区域的灰度值为255；检测binaryImg中光纤包层的边缘，对包层边缘上所有的像素点进行圆拟合，拟合出的包层圆半径为R，圆心坐标为(x1,y1)；以(x1,y1)为中心，从grayScaleImg中提取出像素点数量为m×n个的光纤端面区域灰度值矩阵K(m,n)，m、n分别为灰度值矩阵的行数和列数，m、n为奇数且m＞2R、n＞2R，K(m,n)的中心即为grayScaleImg中包层的圆心(x1,y1)；(3)计算第一待熔光纤不同旋转角度β时的自相关系数Rβ：以角度步长θ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β时的灰度值矩阵为Kβ′，β＝a×θ，a为整数，使矩阵Kβ′和K(m,n)的中心重合，然后将Kβ′中越过矩阵K(m,n)边线的像素位置去掉，对Kβ′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m×n的灰度值矩阵Kβ(m,n)，所述背景灰度值指grayScaleImg左上角顶点像素的灰度值；将Kβ(m,n)进行上下翻转得到flipKβ(m,n)，计算灰度值矩阵Kβ(m,n)和flipKβ(m,n)的自相关系数Rβ，则Rβ为角度为β时第一待熔光纤的自相关系数，不同旋转角度β时的自相关系数Rβ组成自相关系数向量R；(4)获得第一待熔接光纤的旋转角度：对得到的自相关系数向量R中的元素进行归一化，归一化后自相关系数的最小值为0，最大值为1；由于光纤端面的径向对称轴和grayScaleImg中x轴平行时的自相关系数比其他旋转角度高，所以自相关系数与角度β的曲线具有N个峰值，其中第一个峰值对应的角度为β1，第二个峰值对应的角度为β2，提取出Kβ1(m,n)与Kβ2(m,n)中第行，第1到第列的灰度值，得到灰度值向量对灰度值向量进行快速傅里叶变换，得到各个频率分量的模值组成的向量计算中直流分量freqDataβ1(1)与其他非直流频率分量的模值的比值ratioβ1，计算中直流分量freqDataβ2(1)和其他非直流频率分量模值的比值ratioβ2，ratioβ1和ratioβ2中较大的值对应的角度为β1max，当第一待熔光纤的旋转角度为β1max时光纤端面的径向对称轴和grayScaleImg中的x轴平行，其径向对称轴上灰度值的频率分量中高频成分较多，β1max为第一待熔光纤端面对准时的旋转角度；(5)获得第二待熔光纤的旋转角度：对第二待熔光纤重复步骤(2)-(4)，得到第二待熔光纤对应的旋转角度β2max；(6)第一待熔光纤和第二待熔光纤对准：将得到的旋转角度β1max和β2max输入熔接机，分别使第一待熔光纤和第二待熔光纤旋转β1max和β2max，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自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且至少具有一个对称轴，包括但不限于熊猫型保偏光纤、多芯光纤。3.如权利要求1所述的基于端面图像自相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法，其特征在于，步骤(2)中所述图像二值化转换所用的阈值为th＝backgroundVal+k，backgroundVal为grayScaleImg背景灰度值；k的取值范围为1到10。4.如权利要求1所述的基于端面图像自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自相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法，其特征在于，步骤(3)中所述的固定角度步长θ的取值范围为0.05°到5°。6.如权利要求1所述的基于端面图像自相关的光纤保偏熔接旋转角对准方法，其特征在于，步骤(3)中所述的逆时针旋转角度β的范围为0°到360°。7.如权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐明，甘霖，沈力，董卓然，李博睿，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42