基于端面成像的保偏光纤主轴对准方法

何春 房乐楠 孙智慧

摘要：为实现保偏光纤快速准确的主轴对准，本文介绍了一种基于光纤端面成像系统的保偏光纤主轴对准方法。首先通过光纤端面成像系统采集熊猫型保偏光纤端面图像。然后采用一种基于分数阶次微积分模板的边缘检测方法提取应力圆，并确定圆心。最后根据两个应力圆的圆心确定保偏光纤应力区相对于水平方向的角度，通过驱动旋转机构驱动两个方向的光纤，实现保偏光纤主轴快速对准。

关键词：保偏光纤;主轴对准;分数阶次微积分;圆检测

1 引言

偏振保持光纤（简称保偏光纤）就是指能够使在其中传输的光保持其偏振态特性的光纤。保偏光纤是在单模光纤纤芯的两侧加上足够的应力，使光纤在截面上两互相垂直方向上产生大的传播常数差，即高的双折射。该类光纤已广泛应用于航空、航天和高速光通信系统等诸多领域。

应力型保偏光纤在包层结构中加有应力区，两柱状应力区中心连线方向为保偏光纤的主轴。在熔接保偏光纤时，连接点主轴对准角偏差是影响保偏光纤连接点消光比性能的最主要因素。因此，保偏光纤熔接必须进行主轴对准消除角偏差，以使熔接后的光纤仍保持良好的偏振特性。

常用的主轴对准方式是以光纤侧面成像为基础的对准方法。该类对准方法以爱立信公司的透镜效应侧视法（POL）和藤仓公司的侧面投影对轴系统（PAS）为主要代表。本文介绍了一种基于光纤端面成像系统的保偏光纤主轴对准方法，可实现熊猫型保偏光纤主轴快速对准。

2 基于端面成像的保偏光纤主轴对准方法

2.1 基于分数阶次微积分模板的边缘检测方法

边缘检测作为图像预处理中的关键一步，常用的边缘检测方法大多是使用整数阶次微分。通常一阶导数利用梯度算法而二阶导数利用拉普拉斯算子来检测边缘。文献提供了一种基于分数阶次微积分模板的边缘检测方法，文中提出了全新的复数模板。用于计算分数阶次导数的X方向卷积模板是：

边缘检测结果如图1所示为边缘检测结果。

2.2 基于Hough变换的圆检测算法

Hough变换是图像处理中常用的一种检测几何直线和曲线的方法。Hough变换的原理就是利用图像全局特征将边缘像素连接起来组成区域封闭边界，它将图像空间转换到参数空间，在参数空间对点进行描述，达到检测图像边缘的目的。

假设所检测圆的满足以下公式：

其中（a，b）表示圆心坐标，r表示圆半径。

变换至（a，b，r）三维参数空间后圆上所有的点 相应地转换为在三维参数空间中的所有圆锥面 并相交于一点（a，b，r），而此点在参数坐标空间中的坐标即为轮廓圆的三个参数。

图2所示为熊猫型保偏光纤应力区检测结果，图中数据为圆心所在坐标。

2.3 基本方法

首先通过光纤端面成像系统采集熊猫型保偏光纤端面图像。对获取的图像进行平滑处理来抑制噪声，再利用边缘检测算子进行边缘检测，最后利用Hough变换进行熊猫型保偏光纤应力区的检测以及应力区中心坐标的检测。确定两个应力区中心坐标后可以计算出保偏光纤应力区相对于水平方向的角度，依次驱动左右两侧旋转马达，将保偏光纤应力区旋轉到水平位置，实现保偏光纤主轴对准。

2.4 实验数据

依次检测两向保偏光纤应力区的圆心位置，即可判断保偏光纤应力区相对于水平方向的角度，表1所示为两向保偏光纤应力区的圆心坐标。

3 结论

本文介绍了一种基于光纤端面成像系统的保偏光纤主轴对准方法。从实验结果可以看出，本文方法可以精确实现保偏光纤主轴对准，精度要求完全满足生产研究需求。

参考文献

[1]任广军，姚建铨，王鹏，等.保偏光纤激光器的实验研究[J].中国激光，2007，34（9）：1208-1211.

[2]朱桂英，张瑞林.基于Hough变换的圆检测方法[J].计算机工程与设计，2008，29（6）：1462-1464.