基于对称性评估的保偏光纤偏振轴检测技术
发布时间：2021-08-12 10:05
提出一种基于端面图像对称性特征的偏振轴检测算法。该算法利用图像极坐标变换来实现图像的对称性检测,使用金字塔搜索法快速寻找最优对称轴,确定偏振轴向。所提算法利用图像的全局性特征而不依赖于应力区边缘点位置实现精确定位,对图像清晰度要求显著降低。实验结果表明,所提算法具有较高的准确性和精确性（±0.1°）,其稳健性大幅增强,且算法速度提升了近1.5倍。
【文章来源】：光学学报. 2019,39(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图２光纤旋转时端面的前后蠕动现象Ｆｉｇ．２Ｆｒｏｎｔ－ｂａｃｋｃｒｅｅｐｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｅｎｄｆａｃｅｄｕｒｉｎｇ
ｘｅｌ，角度分辨率约为０．０８°。上述分析可知，受图像采集系统物理分辨率限制，过大的αθ和αρ增加了数据处理量，却对精度的提高意义不大。因此，统一取αθ＝１０，αρ＝１。３．３图像对称性评估３．２节已经通过坐标变换，将镜像对称检测问题简化为平移对称性检测问题。变换坐标后的图像（假设为Ｍ行Ｎ列），每一行代表一个角度方向。接下来，通过以下三步计算图像关于某一轴向的对称性。第一步，图像割补。如图５所示，以θ＝ｌ（ｌ＝０，１，…，（Ｍ／２－１），表示某一轴向）为界，将图像分成两个等大的子图像ｆ（１）ｌ和ｆ（２）ｌ（上角标１和２用以区分两个子图像）。ｆ（２）ｌ由一次图像割补运算得到。ｆ（１）ｌ（ｉ，ｊ）＝ｇ（ｌ＋ｉ，ｊ），（６）ｆ（２）ｌ（ｉ，ｊ）＝ｇ（ｌ＋ｉ＋Ｍ／２，ｊ），ｉｆｉ＜（Ｍ／２－ｌ）ｇ（ｌ＋ｉ－Ｍ／２，ｊ），ｉｆｉ≥（Ｍ／２－ｌ）｛，（７）式中：ｉ＝０，１，…，Ｍ／２－１；ｊ＝０，１，…，Ｎ－１。第二步，翻转变换。将ｆ（２）ｌ做一次水平翻转变换，得到ｆ～（２）ｌ：ｆ～（２）ｌ（ｉ，ｊ）＝ｆ（２）ｌ（Ｍ／２－ｉ，ｊ）＝ｇ（ｌ－ｉ＋Ｍ，ｊ），ｉｆｉ＜（Ｍ／２－ｌ）ｇ（ｌ－ｉ，ｊ），ｉｆｉ≥（Ｍ／２－ｌ）｛。（８）第三步，对比评估。定义图像关于
为验证本文算法的准确性，对同一种型号的熊猫型保偏光纤（细径为８０μｍ）多次采集端面图像（图７），统计其平均尺寸大小和灰度特征，结果如表１所示。然后，在ＭＡＴＬＡＢ软件中编写程序，制作不同偏振轴角度的标准图像用于实验测试，图像的大小均为Ｄ×Ｄ（其中Ｄ＝７２０ｐｉｘｅｌ）。相机在采集图像时往往会受到噪声（主要包括高斯噪声、椒盐噪声和乘性噪声）、光纤端面表面杂质、离焦模糊等因素的干扰，为模拟这些因素对算法图７实际的光纤端面Ｆｉｇ．７Ａｃｔｕａｌｉｍａｇｅｏｆｆｉｂｅｒｅｎｄｆａｃｅ的影响，设计Ａ～Ｆ共６组，参数如表２所示。实验中，除Ａ组为理想状态外，Ｂ～Ｆ组均包含噪声（方差分别为：高斯噪声０．００１、椒盐噪声０．０００１、乘性噪声０．００１）和离焦模糊。根据成像系统的点扩散模型，离焦模糊可等价为一个低通滤波器，模糊圆半径Ｒ越大，低通滤波器的截止频率越小，离焦模糊现象越严重［２１］。Ｃ～Ｆ组的杂质点由高斯分布函数模拟生成，其中心位置随机分布于光纤端面上。应力区与非应力区的灰度差则反映了图像的对比度。表１光纤端面尺寸Ｔａｂｌｅ１ＳｉｚｅｏｆｆｉｂｅｒｅｎｄｆａｃｅＰａｒａｍｅｔｅｒＤｉａｍｅｔｅｒｏｒｌｅｎｇｔｈ／ｐｉｘｅｌＰａｒａｍｅｔｅｒＤｉａｍｅｔｅｒｏｒｌｅｎｇｔｈ／ｐｉｘｅｌＤｉａｍｅｔｅｒｏｆｆｉｂｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ（Ｄ）７２０Ｃｅｎｔｅｒｄｉｓｔａｎｃｅ（Ｌ）３２２Ｌｅｎｇｔｈｏｆｌｏｎｇａｘｉｓ（２
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学相干域偏振测量技术及其在高精度光纤陀螺器件测量中的应用[J]. 杨军,苑勇贵,喻张俊,李寒阳,侯长波,张浩亮,苑立波. 光学学报. 2018(03)
[2]端面成像熊猫保偏光纤的偏振轴检测方法及精度分析[J]. 黄怀波,冯迪,翁晓泉,赵正琪,宋凝芳. 光电子·激光. 2015(07)
[3]高准确度熊猫保偏光纤自动定轴技术[J]. 刘振华,冯迪,黄怀波,杨德伟,宋凝芳. 光子学报. 2015(02)
[4]Panda型保偏光纤偏振轴检测技术[J]. 刘振华,冯迪,杨德伟,宋凝芳. 红外与激光工程. 2014(10)
[5]细径保偏光纤自动对轴的仿真与实验[J]. 荣伟彬,张伟,王乐锋,曹阳,赵磊,孙立宁. 中国激光. 2013(12)
[6]一种新型的基于磁性液体的光纤Sagnac磁场传感器[J]. 祖鹏,向望华,白扬博,金永兴. 光学学报. 2011(08)
[7]分布式保偏光纤偏振耦合应力传感系统的实现[J]. 陈信伟,张红霞,贾大功,刘铁根,张以谟. 中国激光. 2010(06)
[8]基于图像处理的保偏光纤偏振轴高精度检测法[J]. 王睿,李燕杰,张春熹. 光电子.激光. 2010(04)
[9]对轴误差对光纤陀螺输出的影响[J]. 杨学礼,王学锋,张蔚,徐鹏. 光子学报. 2009(07)
[10]Panda型保偏光纤偏振轴图像识别算法[J]. 游建民,陶林. 中国图象图形学报. 2008(02)
博士论文
[1]基于图像技术的自动调焦方法研究[D]. 黄德天.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
本文编号：3338114
【文章来源】：光学学报. 2019,39(02)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图２光纤旋转时端面的前后蠕动现象Ｆｉｇ．２Ｆｒｏｎｔ－ｂａｃｋｃｒｅｅｐｉｎｇｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｏｆｅｎｄｆａｃｅｄｕｒｉｎｇ
ｘｅｌ，角度分辨率约为０．０８°。上述分析可知，受图像采集系统物理分辨率限制，过大的αθ和αρ增加了数据处理量，却对精度的提高意义不大。因此，统一取αθ＝１０，αρ＝１。３．３图像对称性评估３．２节已经通过坐标变换，将镜像对称检测问题简化为平移对称性检测问题。变换坐标后的图像（假设为Ｍ行Ｎ列），每一行代表一个角度方向。接下来，通过以下三步计算图像关于某一轴向的对称性。第一步，图像割补。如图５所示，以θ＝ｌ（ｌ＝０，１，…，（Ｍ／２－１），表示某一轴向）为界，将图像分成两个等大的子图像ｆ（１）ｌ和ｆ（２）ｌ（上角标１和２用以区分两个子图像）。ｆ（２）ｌ由一次图像割补运算得到。ｆ（１）ｌ（ｉ，ｊ）＝ｇ（ｌ＋ｉ，ｊ），（６）ｆ（２）ｌ（ｉ，ｊ）＝ｇ（ｌ＋ｉ＋Ｍ／２，ｊ），ｉｆｉ＜（Ｍ／２－ｌ）ｇ（ｌ＋ｉ－Ｍ／２，ｊ），ｉｆｉ≥（Ｍ／２－ｌ）｛，（７）式中：ｉ＝０，１，…，Ｍ／２－１；ｊ＝０，１，…，Ｎ－１。第二步，翻转变换。将ｆ（２）ｌ做一次水平翻转变换，得到ｆ～（２）ｌ：ｆ～（２）ｌ（ｉ，ｊ）＝ｆ（２）ｌ（Ｍ／２－ｉ，ｊ）＝ｇ（ｌ－ｉ＋Ｍ，ｊ），ｉｆｉ＜（Ｍ／２－ｌ）ｇ（ｌ－ｉ，ｊ），ｉｆｉ≥（Ｍ／２－ｌ）｛。（８）第三步，对比评估。定义图像关于
为验证本文算法的准确性，对同一种型号的熊猫型保偏光纤（细径为８０μｍ）多次采集端面图像（图７），统计其平均尺寸大小和灰度特征，结果如表１所示。然后，在ＭＡＴＬＡＢ软件中编写程序，制作不同偏振轴角度的标准图像用于实验测试，图像的大小均为Ｄ×Ｄ（其中Ｄ＝７２０ｐｉｘｅｌ）。相机在采集图像时往往会受到噪声（主要包括高斯噪声、椒盐噪声和乘性噪声）、光纤端面表面杂质、离焦模糊等因素的干扰，为模拟这些因素对算法图７实际的光纤端面Ｆｉｇ．７Ａｃｔｕａｌｉｍａｇｅｏｆｆｉｂｅｒｅｎｄｆａｃｅ的影响，设计Ａ～Ｆ共６组，参数如表２所示。实验中，除Ａ组为理想状态外，Ｂ～Ｆ组均包含噪声（方差分别为：高斯噪声０．００１、椒盐噪声０．０００１、乘性噪声０．００１）和离焦模糊。根据成像系统的点扩散模型，离焦模糊可等价为一个低通滤波器，模糊圆半径Ｒ越大，低通滤波器的截止频率越小，离焦模糊现象越严重［２１］。Ｃ～Ｆ组的杂质点由高斯分布函数模拟生成，其中心位置随机分布于光纤端面上。应力区与非应力区的灰度差则反映了图像的对比度。表１光纤端面尺寸Ｔａｂｌｅ１ＳｉｚｅｏｆｆｉｂｅｒｅｎｄｆａｃｅＰａｒａｍｅｔｅｒＤｉａｍｅｔｅｒｏｒｌｅｎｇｔｈ／ｐｉｘｅｌＰａｒａｍｅｔｅｒＤｉａｍｅｔｅｒｏｒｌｅｎｇｔｈ／ｐｉｘｅｌＤｉａｍｅｔｅｒｏｆｆｉｂｅｒｃｌａｄｄｉｎｇ（Ｄ）７２０Ｃｅｎｔｅｒｄｉｓｔａｎｃｅ（Ｌ）３２２Ｌｅｎｇｔｈｏｆｌｏｎｇａｘｉｓ（２
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学相干域偏振测量技术及其在高精度光纤陀螺器件测量中的应用[J]. 杨军,苑勇贵,喻张俊,李寒阳,侯长波,张浩亮,苑立波. 光学学报. 2018(03)
[2]端面成像熊猫保偏光纤的偏振轴检测方法及精度分析[J]. 黄怀波,冯迪,翁晓泉,赵正琪,宋凝芳. 光电子·激光. 2015(07)
[3]高准确度熊猫保偏光纤自动定轴技术[J]. 刘振华,冯迪,黄怀波,杨德伟,宋凝芳. 光子学报. 2015(02)
[4]Panda型保偏光纤偏振轴检测技术[J]. 刘振华,冯迪,杨德伟,宋凝芳. 红外与激光工程. 2014(10)
[5]细径保偏光纤自动对轴的仿真与实验[J]. 荣伟彬,张伟,王乐锋,曹阳,赵磊,孙立宁. 中国激光. 2013(12)
[6]一种新型的基于磁性液体的光纤Sagnac磁场传感器[J]. 祖鹏,向望华,白扬博,金永兴. 光学学报. 2011(08)
[7]分布式保偏光纤偏振耦合应力传感系统的实现[J]. 陈信伟,张红霞,贾大功,刘铁根,张以谟. 中国激光. 2010(06)
[8]基于图像处理的保偏光纤偏振轴高精度检测法[J]. 王睿,李燕杰,张春熹. 光电子.激光. 2010(04)
[9]对轴误差对光纤陀螺输出的影响[J]. 杨学礼,王学锋,张蔚,徐鹏. 光子学报. 2009(07)
[10]Panda型保偏光纤偏振轴图像识别算法[J]. 游建民,陶林. 中国图象图形学报. 2008(02)
博士论文
[1]基于图像技术的自动调焦方法研究[D]. 黄德天.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2013
本文编号：3338114
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