基于光纖環(huán)輸出光斑旋轉(zhuǎn)的位移傳感器圖像處理方法

朱倩薇+雍萬飛+馬軍山

摘要：光纖傳感器以其耐水、耐高溫、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)備受青睞，通過介紹基于光纖環(huán)輸出光斑旋轉(zhuǎn)的位移傳感器的原理與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提出了一種基于質(zhì)心計(jì)算的圖像處理方法，該方法能更加精確地測(cè)量光斑旋轉(zhuǎn)角度。該方法通過以旋轉(zhuǎn)軸為中心，對(duì)每一個(gè)光斑分別跟蹤求取質(zhì)心坐標(biāo)，得到每個(gè)光斑對(duì)應(yīng)的角度，并計(jì)算角度旋轉(zhuǎn)變化的值，從而得出該位移傳感器隨位移線性變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法更加準(zhǔn)確且有效。

關(guān)鍵詞：

光纖傳感； 光斑旋轉(zhuǎn)； 圖像處理； 旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算

中圖分類號(hào)： TP 212.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.06.003

Abstract：Fiber optic sensors are popular with the advantages of water resistance，high temperature resistance and electromagnetic interference.This paper introduces the principle and experimental phenomenon of the displacement sensor experiment based on the rotation of the spot，and puts forward a more accurate method for measuring the rotation angle of the spot.In this method，the coordinate of the center of gravity is obtained by tracking the rotation of each spot with the rotation axis as the center，and the corresponding angle of each spot is obtained.The value of the rotation angle is calculated to obtain the linear relationship of the displacement sensor.The experimental results show that the method is more accurate and effective.

Keywords：

optical fiber sensing； spot rotation； image processing； rotation angle calculation

引言

近年來，傳感器朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。其中，光纖傳感器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)光源要求低，測(cè)量范圍大等[1]獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而廣受青睞。

基于光纖環(huán)輸出光斑旋轉(zhuǎn)的位移傳感器主要原理：當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，光纖末端輸出一定形狀的光斑，當(dāng)外加的條件改變光纖幾何形狀或者折射率分布時(shí)，例如彎曲光纖或者扭曲光纖，光纖內(nèi)原來的光能量分布狀態(tài)被打破，光又會(huì)根據(jù)新的條件重新進(jìn)行能量分布，光纖輸出端的光斑隨之發(fā)生改變，通過CCD探測(cè)出光纖輸出端的光斑圖形變化就可以測(cè)量出光纖外加的信號(hào)[2]。

為了精確獲得圖像旋轉(zhuǎn)角度，有研究者提出了一種基于形態(tài)學(xué)和霍夫變換的傾斜檢測(cè)方法[3]，但對(duì)于無規(guī)則形狀的光斑適用性比較差。另外有研究者提出了一種基于孤立圖像特征質(zhì)心相對(duì)位置不變性的旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量方法[4]，但由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化性同樣也無法適用。因此，本文提出了一種新的方法，通過對(duì)之前方法的改進(jìn)，大大減小了誤差，提高了傳感器的精確度。

1光纖光斑圖像傳感器的實(shí)驗(yàn)裝置

傳感器實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示[5]，激光器（DHHN250P）發(fā)出632.8 nm的激光，經(jīng)過聚焦透鏡耦合進(jìn)單模傳感光纖（SMF28（TM））中，激光先通過光纖環(huán)1（光纖環(huán)1為單模光纖繞制的一定半徑的單圈光纖環(huán)，改變激光在光纖中傳輸模式，可起空間濾波作用）。將光纖從微彎型光纖傳感器中穿過，用CCD接收光纖輸出端的激光光斑，最終將光斑圖像傳到PC里進(jìn)行觀察、采集及儲(chǔ)存。當(dāng)微彎型光纖傳感器中的壓縮齒形板（產(chǎn)生位移d）擠壓光纖時(shí)，輸出光斑發(fā)生旋轉(zhuǎn)，用CCD采集對(duì)應(yīng)的光斑圖像，再通過MATLAB計(jì)算光斑的旋轉(zhuǎn)角度θ，可實(shí)現(xiàn)利用光斑角度θ來測(cè)量位移d的目的。

微彎型光纖傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示，微彎結(jié)構(gòu)由一對(duì)機(jī)械周期為Λ的齒形板組成，傳感光纖從齒形板中間穿過，施壓于上齒形板使上齒形板產(chǎn)生位移d，擠壓光纖使其產(chǎn)生周期性的彎曲。為了產(chǎn)生可直觀測(cè)量的位移變化，可移動(dòng)齒形板固定在一個(gè)微位移平臺(tái)上，且平臺(tái)的最小位移量為10 μm。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

調(diào)節(jié)光纖圈的大小，使得輸出光斑變?yōu)閮蓚€(gè)完全分開且完整的光斑，然后壓縮可移動(dòng)齒形板使其擠壓光纖，每移動(dòng)一定位移之后，記錄下對(duì)應(yīng)的輸出光斑圖像。圖3為上齒形板在0.05～0.30 mm每移動(dòng)0.5 mm所得到的圖像。

由圖3可以看出，低階模兩光斑形狀類似為半圓形，隨著光纖環(huán)的受壓，兩光斑繞其中心點(diǎn)開始同方向旋轉(zhuǎn)。雖然光斑的大小和形狀會(huì)在旋轉(zhuǎn)過程中有略微的變化，但從整體上看，光斑會(huì)繞著某一中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。下面我們對(duì)該圖像進(jìn)行處理[6]，探索光斑旋轉(zhuǎn)角度與光纖受壓位移的具體關(guān)系。

3圖像預(yù)處理

為了探索光斑旋轉(zhuǎn)角度隨光纖受壓位移變化的關(guān)系，采用形狀或灰度的模板匹配方法對(duì)兩個(gè)光斑進(jìn)行分別追蹤，求得它們的旋轉(zhuǎn)角度，即可推算出光斑旋轉(zhuǎn)角度隨光纖受壓位移變化的關(guān)系。但由于光斑在旋轉(zhuǎn)過程中形狀會(huì)發(fā)生變化，模板匹配方法很顯然無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康腫78]，因此我們采用了將兩個(gè)光斑作為一個(gè)整體考慮的方式。在圖像處理之前，需要先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，圖像預(yù)處理主要包含圖像濾波、基于Ostu方法的圖像二值化、圖像邊緣平滑等步驟。圖像濾波的目的是去除CCD采集的圖像中的噪聲，圖像二值化的目的是將光斑與背景分離，本文采取的二值化方法為Ostu閾值分割方法，在得到二值化圖像之后對(duì)邊緣進(jìn)行開運(yùn)算處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像邊緣的平滑處理，預(yù)處理過程如圖4所示。endprint

4圖像處理

對(duì)光纖位移傳感器每間隔0.01 mm位移所采集的19張圖片分別經(jīng)過相同的預(yù)處理操作之后，我們對(duì)這19張圖片進(jìn)行疊加操作，得到如圖5所示的結(jié)果。其中環(huán)形光斑中顏色較深的部分表示圖片重合較多的部分，顏色較淺的部分表示光斑重合部分比較少的部分，光斑相疊加結(jié)果與單模光纖在無任何彎曲和應(yīng)力作用下輸出的完整單模光斑相似，與之相比，兩光斑相疊加的結(jié)果的中心部分是沒有能量分布的，因此，兩個(gè)光斑是繞著某個(gè)固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的，這個(gè)固定點(diǎn)就是這兩個(gè)光斑的旋轉(zhuǎn)中心，其中心坐標(biāo)（x，y）為（681，597）。

求取旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)之后，我們可以通過求取兩光斑的質(zhì)心坐標(biāo)，然后根據(jù)三角形函數(shù)關(guān)系，可以得到兩個(gè)光斑的角度。

質(zhì)心法主要包括灰度質(zhì)心法和加權(quán)灰度質(zhì)心法這兩種計(jì)算方法[5]。本文主要采取灰度質(zhì)心法，將光斑圖像的重心當(dāng)作光斑的質(zhì)心，光斑的中心可通過光斑中的每一個(gè)像素點(diǎn)的一階矩求出，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

x0=∑mi=1∑nj=1xif（xi，yj）

∑mi=1∑nj=1f（xi，yj）

（1）

y0=∑mi=1∑nj=1yjf（xi，yj）∑mi=1∑nj=1f（xi，yj）

（2）

式中：m，n分別為光斑的長(zhǎng)度和寬度；xi和yj為CCD圖像傳感器采集到的光斑在各個(gè)單元的中心點(diǎn)坐標(biāo)；f（xi，yj）為CCD圖像傳感器接收到的光能量；（x0，y0）為檢測(cè)計(jì)算出來的光斑質(zhì)心坐標(biāo)。

兩個(gè)光斑相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心的質(zhì)心坐標(biāo)是在圖4（d）所示的邊緣平滑的二值化圖像的基礎(chǔ)上計(jì)算得到的。

5計(jì)算角度

如圖6所示，經(jīng)過質(zhì)心坐標(biāo)的計(jì)算，得到兩光斑質(zhì)心A，B兩點(diǎn)坐標(biāo)，根據(jù)三角函數(shù)可以求出角度α和β的大小。為了方便比較，我們?nèi)軸的正方向?yàn)?°，從x軸正方向開始逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角度不斷增大，再次回到x軸正方向時(shí)角度為360°，依此類推。在此角度設(shè)置下，A光斑的角度為α+180°，B光斑的角度為β。

6結(jié)果分析

19張圖片的角度計(jì)算結(jié)果如圖7所示，其中擬合曲線①為A光斑的擬合結(jié)果，擬合線③為B光斑的擬合結(jié)果，擬合線②為A、B光斑取平均的擬合結(jié)果，R代表線性度擬合優(yōu)度即指回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度。度量擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量是確定系數(shù)R2，R2最大值為1。R2的值越接近1，說明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越好；反之，R2的值越小，說明回歸直線對(duì)觀測(cè)值的擬合程度越差。從結(jié)果可以看出，擬合線②的確定系數(shù)最大，為0.994，擬合程度最好。綜上所得，該光斑旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算方法不僅有效且結(jié)果精確。

7結(jié)論

本文介紹了基于光斑旋轉(zhuǎn)的位移傳感器的原理與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并提出了一種基于質(zhì)心計(jì)算的圖像處理方法，該方法能更加精確地測(cè)量光斑旋轉(zhuǎn)角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用本文方法計(jì)算光斑旋轉(zhuǎn)角度精確，并且該位移傳感器的位移與光斑的旋轉(zhuǎn)角度成良好的線性關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉瑞復(fù)，史錦珊.光纖傳感器與傳感技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：110114.

[2]王華，吳駿，查媛，等.基于光纖輸出光斑旋轉(zhuǎn)的位移傳感器[J].光學(xué)技術(shù)，2015，41（1）：8992.

[3]李曉沛，鄒亞琪，馬軍山.光纖宏彎損耗與溫度傳感的理論分析[J].光學(xué)儀器，2012，34（2）：4449.

[4]GIALLORENZIT G，BUCARO J A，DANDRIDGE A，et al.Optical fiber sensor technology[J].IEEE Journal of Quantum Electronics，1982，18（4）：626665.

[5]吳駿，查媛，王華，等.基于輸出光斑旋轉(zhuǎn)的光纖微彎位移傳感器[J].光學(xué)儀器，2016，38（2）：117120.

[6]何希平，張瓊?cè)A.基于MATLAB的圖像處理與分析[J].重慶工商大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，20（2）：2226.

[7]朱齊丹，李科，蔡成濤，等.采用改進(jìn)的尺度不變特征變換算法計(jì)算物體旋轉(zhuǎn)角度[J].光學(xué) 精密工程，2011，19（7）：16691676.

[8]焦圣喜，肖德軍，闞一凡.霍夫變換算法在圓心視覺定位中的應(yīng)用研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（14）：40894093.

（編輯：劉鐵英）endprint