一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪

摘要

本发明公开了一种基于图像处理的光纤‑波导自动对准耦合仪，属于光纤通信和光纤传感技术领域，包括图像采集模块、图像处理与控制模块、运动执行模块和人机交互模块。运动执行模块包括带尾纤衬块、Y波导元件、六维电动位移台、电机控制板、两套手动位移台等；图像处理与控制模块包括处理器、存储模块、通信接口和显示模块。图像采集模块采集到清晰成像的侧面图像和端面图像，经图像处理与控制模块处理后，运动执行模块对清晰成像的侧面图像提取边缘特征直线并计算相对偏差，消除偏差实现初通光，确定输出点位置，控制输出光点的最大灰度值，实现光纤‑Y波导的自动对准耦合。本发明具有体积小，成本低，人机交互友好，运算速度快的优点，避免了人工对准的长时间操作。

权利要求

1.一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，包括图像采集模块、图像处理与控制模块、运动执行模块和人机交互模块；

图像采集模块包括白光光源、激光器及光纤转换器、两组显微镜-CMOS相机；

激光器通过裸光纤转接器将红光直接耦合进入带尾纤衬块；带尾纤衬块与Y波导元件相对，进行耦合；第一组显微镜-CMOS相机垂直固定在光纤-波导耦合点上方，白光光源加持在第一组显微镜-CMOS相机的侧方，对耦合点处同轴照明；第二组显微镜-CMOS相机水平固定在Y波导元件的输出端后方；

运动执行模块包括带尾纤衬块、Y波导元件、六维电动位移台、电机控制板和两套手动位移台；

带尾纤衬块被衬块夹具所夹持，固定在六维电动位移台上；处理器向电机控制板发送指令，使六维电动位移台实现六维方向的空间位姿调整；Y波导元件作为对准材料，固定在波导架上；第一组显微镜-CMOS相机固定在第一手动位移台上，第二组显微镜-CMOS相机固定在第二手动位移台上，通过手动调节来实现相机的对焦；

图像处理与控制模块包括处理器、存储模块、通信接口和显示模块；

通信接口包括RS232串口和USB接口，RS232串口连接电机控制板和六维电动位移台，用来发送指令控制六维电动位移台，处理器通过USB接口分别连接两组显微镜-CMOS相机，用来向处理器传输图像；显示模块通过LCD接口与触摸屏连接；

处理器分析两组显微镜-CMOS相机传输的图像中带尾纤衬块与Y波导元件的位姿关系及耦合输出光强，向电机控制板发送指令来搜索最大耦合点；

人机交互模块包括触摸屏，鼠标和键盘；

通过触摸屏上打开自动耦合软件，来实现光纤-Y波导的自动对准耦合；

其特征在于，所述的光纤-Y波导的自动对准耦合过程，具体步骤如下：

步骤一、将待对准耦合的带尾纤衬块与Y波导元件分别固定夹持，并粗调两者至合适的相对位置；

步骤二、打开自动对准软件并运行，两组显微镜-CMOS相机分别采集图像并呈现；

步骤三、分别手动调节两套手动位移台，使两组显微镜-CMOS相机的侧面图像和端面图像都达到最清晰；

第一组显微镜-CMOS相机对应侧面图像；第二组显微镜-CMOS相机对应端面图像；

步骤四、针对清晰成像的侧面图像，自动提取带尾纤衬块与Y波导元件的边缘特征直线并标注；

所提取的边缘特征直线分别为带尾纤衬块的横纵向边缘及角点位置，Y波导元件的纵向边缘和Y波导元件通道的直线位置；

步骤五、根据边缘特征直线计算带尾纤衬块横向下边缘与波导通道的角度偏差、衬块角点位置到波导通道的横纵向距离偏差，并移动带尾纤衬块至预定位置；

步骤六、当带尾纤衬块到达预定位置后实现初通光，在端面图像上出现Y波导元件尾端的两个输出光点；

步骤七、系统自动检测两个输出光点的中心位置并标注，判断输出图像上标注框是否将输出光点完整的包含进去，如果是，则固定输出端位置；否则，对带尾纤衬块进行微调直至到达正确位置；

处理器自动对两个输出光点进行灰度重心的计算；

公式为：

其中f(i，j)为图像中(i，j)像素点的灰度值；

所求出的灰度重心即为输出光点的中心位置，固定选择此中心位置的预定大小邻域，并标注出来，作为输出点的位置进行统计处理；

步骤八、确定了输出端位置后，系统自动调节端面图像的曝光时间，控制输出光点的图像最大值，并计算输出光功率；

系统根据输出端的光强检测反馈，对端面图像自动调节曝光时间，将输出光点图像最大值控制在50-150之间；此时系统自动检测图像中只余两个暗淡的小光点，提取小光点图像邻域每个像素点的红色通道值记为pij，进行加和得到P＝∑i，jpij作为输出光功率；

步骤九、系统按照逐轴迭代拟合的自动搜索算法搜索最大耦合点，找到使输出光功率达到最大的带尾纤衬块位置。

2.如权利要求1所述的一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，其特征在于，所述的步骤四中，所提取的边缘特征直线分别为带尾纤衬块的横纵向边缘及角点位置，Y波导元件的纵向边缘和Y波导元件通道的直线位置。

3.如权利要求1所述的一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，其特征在于，所述的步骤四具体提取过程为：第一组显微镜-CMOS相机采集图像传递给处理器，处理器将彩色图像转换为灰度图，并滤波降噪；然后利用大津法求出灰度图的分割阈值，将图像转换为二值图，分割目标物体与背景；分别采用纵向和横向的移窗法，搜索到灰度变化最剧烈的区域，即为Y波导元件和带尾纤衬块的边缘位置；设置ROI区域对其中的直线段进行提取拟合，并在图像上进行标注；

对于Y波导元件的通道所在，通过两根电极条的位置来确定；处理方法类似于边缘直线的提取，不同的是灰度分割阈值根据电极及附近小区域的灰度值计算所得，分割电极与铌酸锂基底；提取拟合处两根电极条的直线方程，取其中间位置的直线作为Y波导输入端的位置直线，并标注在图像中。

4.如权利要求1所述的一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，其特征在于，所述的步骤五具体为：首先，根据简单的点到直线距离公式，或直线距离公式分别求出：带尾纤衬块横向下边缘与波导通道的角度差、衬块角点位置到Y波导元件通道的纵向偏差和横向偏差；

带尾纤衬块横向下边缘是指带尾纤衬块中光纤纤芯所在位置；

然后，根据每个像素点的大小将图像上用像素值所表示的距离转换为实际空间距离，根据六维电动位移台的最小步距，结合各偏差距离，相除得到消除偏差对应的电机运行步数；

最后，处理器发送指令给电机控制板控制六维电动位移台实现平移和旋转操作，消除偏差的同时带尾纤衬块与Y波导元件到达预定位置；

在消除偏差的过程中，按照先消除角度偏差，然后消除纵向距离偏差，最后消除横向距离偏差的顺序进行；在消除距离的过程中，在六维电动位移台的每一轴移动之后重新处理侧面耦合图像，拟合带尾纤衬块和Y波导元件的特征直线，再次计算相对偏差，运行六维电动位移台消除偏差。

5.如权利要求1所述的一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，其特征在于，所述的步骤九具体步骤如下：步骤901、确定搜索轴向并激活，设定六维电动位移台的移动距离L以及步距ΔL；

步骤902、控制六维电动位移台在此轴向反向移动距离L，记此时所在位置x＝-L；

步骤903、正向移动步距ΔL，记此时所在位置x＝x+ΔL,第二组显微镜-CMOS相机实时采集Y波导元件的末端输出图像，并传输至处理器，系统自动处理图像，统计提取输出点处红色通道作为输出光功率进行反馈并保存在序列Seq(x)中；

步骤904、验证x是否大于L，如果是，进入步骤905进行曲线拟合；否则，返回步骤903；

步骤905、区间(-L,L)扫描结束以后，搜索到序列Seq(x)中最大值位置，并提取最大值位置左右各三组数据及最大值处数据作为待处理数据组(xi,yi)，使用最小二乘法来对这七组数据进行二次函数拟合；

设定拟合函数为：

其中(a1，a2，a3)为待拟合二次函数的各级系数；将待处理数据组(xi,yi)带入最小二乘法求解公式中得到相应二次函数的系数组(a1，a2，a3)；

步骤906、得到二次曲线后，计算得到曲线极值点位置，代替实际测量数据最大值位置作为所求的最大值处，移动带尾纤衬块至此最大值处；

步骤907、验证步距ΔL是否达到预定精度阈值，如果是，则以步距ΔL/5对区间(-ΔL,ΔL)进行扫描遍历，搜索到输出光功率最大的位置并移动带尾纤衬块至此最大位置处；进入步骤909；否则，进入步骤908；

步骤908、步距ΔL大于预定精度阈值，将扫描参数L和ΔL均减半，返回步骤902，再次以减半后的步距ΔL扫描减半后的区间(-L,L)并选取数据组进行二次曲线拟合，找到最大位置；

步骤909、当遍历法扫描结束，该轴向的最大耦合位置搜索结束；转换并激活六维电动位移台的下一个轴向，重复上述步骤，直至每个轴向的最大耦合位置都搜索完毕，此时带尾纤衬块所在的位置即是所求的最大耦合位置，自动搜索结束。

说明书

一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪

技术领域

[0001] 本发明属于光纤通信和光纤传感技术领域，涉及一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪。

背景技术

[0002] 21世纪，光电子器件的研发和使用在通信、传感等领域已成为各国竞相发展的战略技术。在光纤通信方面，集成光电子器件由于性能稳定、集成程度高、处理速度快和可靠性高等特点，使其成为支撑下一代光纤通信快速发展的关键器件。波导器件是集成光电子器件的重要基础性部件，光纤与波导的低损耗连接封装技术是集成光电子技术的关键技术。

[0003] 在光纤传感方面，光纤陀螺是一个重要应用，它已成为惯性技术研究领域的主流陀螺，在军事、航空和诸多民用领域都有着较高的应用价值。目前的高精度光纤陀螺普遍采用高双折射光纤环和Y波导器件直接耦合方案。保偏光纤与Y波导耦合点所带来的损耗和噪声是制约光纤陀螺测量精度提高的主要因素。

[0004] 光纤与光波导器件的耦合损耗，主要有模场失配损耗，菲涅尔反射损耗，传输损耗以及对准偏差损耗。

[0005] 现有的光纤与波导的对准耦合技术，主要分为有源主动对准方式和无源被动对准方式。有源主动对准方式，一般采用在输入光纤处引入光源，在波导输出端或输出光纤末端使用光功率计检测输出，反馈引导各自由度的调节使得耦合功率达到最优，实现高精度的姿态调整。这种方式精度较高，但是一般在初通光阶段采用人工对准，对准速度慢；目前针对反馈调节细对准的算法有爬山法，多项式拟合法，单纯形法，汉密尔顿算法，质心法，遗传法等，可有效搜索最大耦合位置，但是都受限于光功率计较低的反馈实时性及较大的数据波动性，各有优劣。

[0006] 无源被动对准方式采用半导体加工工艺在波导芯片上加工U型槽或V型槽，直接将光纤与波导耦合封装起来，这种方式对准速度快，不需要精密昂贵的仪器和对准工艺，但是U型槽的定位精度和器件的装配精度严重影响器件耦合效率，同时芯片制造工艺复杂，耦合损耗高，因此在实际应用中一般还是采用有源主动对准的方式。

[0007] 数字图像处理是指借助数字计算机处理数字图像，以改善图示信息便于人们解释或机器理解。一幅数字图像是在空间坐标和亮度上都离散化的图像f(x,y)，它可以用一个二维整数数组来表示。数字图像处理技术具有丰富的内容，它可以如通过滤波来减小噪声，可以通过阈值分割、二值化操作从背景提取目标物体，也可以通过边缘检测、特征提取等来识别目标特征及边界区域。数字图像处理具有处理精度高、再现性好、成本低和适用面广等特点，广泛地应用在各种各样的技术领域中。

[0008] 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统主要有硬件体系和软件程序。硬件体系的核心是微处理器，还有存储器，各类接口、测控电路等组成部分。ARM微处理器一般都具有体积小、功耗低、成本低、性能高、速度快的特点，其内部硬件资源的性能较高，可以加载实时操作系统，能够运行界面和应用程序，具有高速的处理和计算能力，完全能够胜任一般的数字图像采集和处理需求，非常适合应用于图像处理系统。

发明内容

[0009] 本发明为了实现光纤与波导的位姿调整，搜索到最大耦合点，实现光纤-波导的快速、高效的自动对准耦合，提出一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪。

[0010] 所述的光纤-波导自动对准耦合仪，包括图像采集模块、图像处理与控制模块、运动执行模块和人机交互模块。

[0011] 图像采集模块包括白光光源、激光器及光纤转接器、两组显微镜-CMOS相机；

[0012] 激光器通过裸光纤转接器将红光直接耦合进入带尾纤衬块；带尾纤衬块与Y波导元件相对，进行耦合；第一组显微镜-CMOS相机垂直固定在光纤-波导耦合点上方，白光光源加持在第一组显微镜-CMOS相机的侧方，对耦合点处同轴照明。第二组显微镜-CMOS相机水平固定在Y波导元件的输出端后方。

[0013] 运动执行模块包括带尾纤衬块、Y波导元件、六维电动位移台、电机控制板、两套手动位移台等；

[0014] 带尾纤衬块被衬块夹具所夹持，固定在六维电动位移台上；处理器向电机控制板发送指令，使六维电动位移台实现六维方向的空间位姿调整。Y波导元件作为对准材料，固定在波导架上。第一组显微镜-CMOS相机固定在第一手动位移台上，第二组显微镜-CMOS相机固定在第二手动位移台上，通过手动调节来实现相机的对焦。

[0015] 图像处理与控制模块包括处理器、存储模块、通信接口和显示模块。

[0016] 通信接口包括RS232串口和USB接口，RS232串口连接电机控制板和六维电动位移台，用来发送指令控制六维电动位移台，处理器通过USB接口分别连接两组显微镜-CMOS相机，用来向处理器传输图像；显示模块通过LCD接口与触摸屏连接；

[0017] 处理器分析两组显微镜-CMOS相机传输的图像中带尾纤衬块与Y波导元件的位姿关系及耦合输出光强，向电机控制板发送指令来搜索最大耦合点；

[0018] 人机交互模块包括触摸屏，鼠标和键盘。

[0019] 通过触摸屏上打开自动耦合软件，来实现光纤-Y波导的自动对准耦合。

[0020] 光纤-Y波导的自动对准耦合过程，具体步骤如下：

[0021] 步骤一、将待对准耦合的带尾纤衬块与Y波导元件分别固定夹持，并粗调两者至合适的相对位置；

[0022] 步骤二、打开自动对准软件并运行，两组显微镜-CMOS相机分别采集图像并呈现；

[0023] 步骤三、分别手动调节两套手动位移台，使两组显微镜-CMOS相机的侧面图像和端面图像都达到最清晰；

[0024] 第一组显微镜-CMOS相机对应侧面图像；第二组显微镜-CMOS相机对应端面图像；

[0025] 步骤四、针对清晰成像的侧面图像，自动提取带尾纤衬块与Y波导元件的边缘特征直线并标注；

[0026] 所提取的边缘特征直线分别为带尾纤衬块的横纵向边缘及角点位置，Y波导元件的纵向边缘和Y波导元件通道的直线位置。

[0027] 具体提取过程为：第一组显微镜-CMOS相机采集图像传递给处理器，处理器将彩色图像转换为灰度图，并滤波降噪；然后利用大津法求出灰度图的分割阈值，将图像转换为二值图，分割目标物体与背景；分别采用纵向和横向的移窗法，搜索到灰度变化最剧烈的区域，即为 Y波导元件和带尾纤衬块的边缘位置；设置ROI区域对其中的直线段进行提取拟合，并在图像上进行标注。

[0028] 对于Y波导元件的通道所在，通过两根电极条的位置来确定。处理方法类似于边缘直线的提取，不同的是灰度分割阈值根据电极及附近小区域的灰度值计算所得，分割电极与铌酸锂基底；提取拟合处两根电极条的直线方程，取其中间位置的直线作为Y波导输入端的位置直线，并标注在图像中。

[0029] 步骤五、根据边缘特征直线计算带尾纤衬块横向下边缘与波导通道的角度差、衬块角点位置到波导通道的横纵向距离偏差，并移动带尾纤衬块至预定位置；

[0030] 首先，根据简单的点到直线距离公式，或直线距离公式分别求出：带尾纤衬块横向下边缘与波导通道的角度差、衬块角点位置到Y波导元件通道的纵向偏差和横向偏差。

[0031] 带尾纤衬块横向下边缘是指带尾纤衬块中光纤纤芯所在位置。

[0032] 然后，根据每个像素点的大小将图像上用像素值所表示的距离转换为实际空间距离，根据六维电动位移台的最小步距，结合各偏差距离，相除即可得到消除偏差对应的电机运行步数；

[0033] 最后，处理器发送指令给电机控制板控制六维电动位移台实现平移和旋转操作，消除偏差的同时带尾纤衬块与Y波导元件到达预定位置。

[0034] 在消除偏差的过程中，按照先消除角度偏差，然后消除纵向距离偏差，最后消除横向距离偏差的顺序进行；在消除距离的过程中，在六维电动位移台的每一轴移动之后重新处理侧面耦合图像，拟合带尾纤衬块和Y波导元件的特征直线，再次计算相对偏差，运行六维电动位移台消除偏差。

[0035] 步骤六、当带尾纤衬块到达预定位置后实现初通光，在端面图像上出现Y波导元件尾端的两个输出光点；

[0036] 步骤七、系统自动检测两个输出光点的中心位置并标注，判断输出图像上标注框是否将输出光点完整的包含进去，如果是，则固定输出端位置；否则，对带尾纤衬块进行微调直至到达正确位置。

[0037] 处理器自动对两个输出光点进行灰度重心的计算；

[0038] 公式为：

[0039]

[0040] 其中f(i，j)为图像中(i，j)像素点的灰度值。

[0041] 所求出的灰度重心即为输出光点的中心位置，固定选择此中心位置的预定大小邻域，并标注出来，作为输出点的位置进行统计处理。

[0042] 步骤八、确定了输出端位置后，系统自动调节端面图像的曝光时间，控制输出光点的图像最大值，并计算输出光功率；

[0043] 系统根据输出端的光强检测反馈，对端面图像自动调节曝光时间，将输出光点图像最大值控制在50-150之间；此时系统自动检测图像中只余两个较暗淡的小光点，提取小光点图像邻域每个像素点的红色通道值记为pij，进行加和得到P＝∑i，jpij作为输出光功率。

[0044] 步骤九、系统按照逐轴迭代拟合的自动搜索算法搜索最大耦合点，找到使输出光功率达到最大的带尾纤衬块位置。

[0045] 具体步骤如下：

[0046] 步骤901、确定搜索轴向并激活，设定六维电动位移台的移动距离L以及步距△L；

[0047] 步骤902、控制六维电动位移台在此轴向反向移动距离L，记此时所在位置x＝-L；

[0048] 步骤903、正向移动步距△L，记此时所在位置x＝x+△L,第二组显微镜-CMOS相机实时采集Y波导元件的末端输出图像，并传输至处理器，系统自动处理图像，统计提取输出点处红色通道作为输出光功率进行反馈并保存在序列Seq(x)中。

[0049] 步骤904、验证x是否大于L，如果是，进入步骤905进行曲线拟合；否则，返回步骤 903；

[0050] 步骤905、区间(-L,L)扫描结束以后，搜索到序列Seq(x)中最大值位置，并提取最大值位置左右各3组数据及最大值处数据作为待处理数据组(xi,yi)，使用最小二乘法来对这7组数据进行二次函数拟合。

[0051] 设定拟合函数为：

[0052] 其中(a1，a2，a3)为待拟合二次函数的各级系数。将待处理数据组(xi,yi)带入最小二乘法求解公式中可得到相应二次函数的系数组(a1，a2，a3)。

[0053] 步骤906、得到二次曲线后，计算得到曲线极值点位置，代替实际测量数据最大值位置作为所求的最大值处，移动带尾纤衬块至此最大值处。

[0054] 步骤907、验证步距△L是否达到预定精度阈值，如果是，则以步距△L/5对区间(-△L,△L) 进行扫描遍历，搜索到输出光功率最大的位置并移动带尾纤衬块至此最大位置处。进入步骤 909；否则，进入步骤908；

[0055] 步骤908、步距△L大于预定精度阈值，将扫描参数L和△L均减半，返回步骤902，再次以减半后的步距△L扫描减半后的区间(-L,L)并选取数据组进行二次曲线拟合，找到最大位置。

[0056] 步骤909、当遍历法扫描结束，该轴向的最大耦合位置搜索结束；转换并激活六维电动位移台的下一个轴向，重复上述步骤，直至每个轴向的最大耦合位置都搜索完毕，此时带尾纤衬块所在的位置即是所求的最大耦合位置，自动搜索结束。

[0057] 本发明的优点在于：

[0058] (1)一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，选用ARM作为处理器，以触摸屏作为人机交互界面，具有体积小，成本低，人机交互友好，运算速度快的优点；

[0059] (2)一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，利用数字图像处理的方法来实现光纤-波导的初通光，快捷方便，达到亚像素的对准精度，避免了人工对准的长时间操作；

[0060] (3)一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，利用CMOS相机成像检测光强，代替光功率计，达成高实时性的输出光强反馈，闭环控制，可实现光纤-波导的自动对准耦合。

附图说明

[0061] 图1是本发明一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪的结构示意图；

[0062] 图2是本发明光纤-波导自动对准耦合仪中带尾纤衬块与Y波导元件的对准耦合点示意图；

[0063] 图3是本发明第一组显微镜-CMOS相机采集到的耦合点侧面图像；

[0064] 图3(a)是本发明手动调节相机对焦清晰时的图像；

[0065] 图3(b)是本发明对侧面图像进行自动提取边缘并标注的图像；

[0066] 图3(c)是本发明自动粗对准消除偏差后的耦合点图像；

[0067] 图4是本发明第二组显微镜-CMOS相机采集到的Y波导输出端图像；

[0068] 图4(a)是本发明手动调节相机对焦清晰时的图像；

[0069] 图4(b)是本发明粗对准结束后实现初通光时的输出光点图像；

[0070] 图4(c)是本发明自动调光后输出光点的图像；

[0071] 图5是本发明基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪的自动对准耦合流程图；

[0072] 图6是本发明按照逐轴迭代拟合的自动搜索算法自动搜索最大耦合点的方法流程图；

[0073] 图7是本发明光纤-波导自动对准耦合仪软件的操作界面；

[0074] 图8是本发明中CMOS相机检测输出光功率实验数据与理论仿真数据对比。

[0075] 图中：1-处理器；2-触摸屏；3-鼠标；4-带尾纤衬块；5-Y波导元件；6-保偏光纤环；7- 光纤转接器；8-激光器；9-六维电动位移台；10-电机控制板；11-白光光源；12-第一组显微镜-CMOS相机；13-第一手动位移台；14-第二组显微镜-CMOS相机；15-第二手动位移台；

具体实施方式

[0076] 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

[0077] 本发明一种基于图像处理的光纤-波导自动对准耦合仪，如图1所示，包括图像采集模块、图像处理与控制模块、运动执行模块和人机交互模块。

[0078] 图像采集单元包括白光光源11、激光器8及光纤转接器7、两组显微镜-CMOS相机。

[0079] 激光器8通过裸光纤转接器7将红光直接耦合进入带尾纤衬块4；带尾纤衬块4与Y波导元件5相对，进行耦合；两组CMOS相机与显微物镜相连，第一组显微镜-CMOS相机12 垂直固定在衬块-波导耦合点上方，对耦合点进行显微成像。白光光源11加持在第一组显微镜-CMOS相机12的侧方，对耦合点处同轴照明。第二组显微镜-CMOS相机14水平放置于 Y波导元件5的后方，对Y波导元件5的输出端进行显微成像。两组显微镜-CMOS相机都是经过USB接口将图像传输到处理器1进行分析处理。

[0080] 白光光源11为点光源，插入显微物镜侧方的转接筒，经过其中的半透半反镜面实现同轴打光，对带尾纤衬块4与Y波导元件5的耦合点处进行照明。

[0081] 激光器8选用650nm红光，带输出尾纤，保偏光纤环6输入端剥去涂敷层，并清洁后插入光纤转接器7中，露出陶瓷头2-3mm，用宝石刀划去，然后与激光器8的输出尾纤通过法兰直接耦合。红光经过保偏光纤环6，在耦合点处耦合进入Y波导元件5，从而在Y波导元件5的输出端能看到输出光点。

[0082] 运动执行模块包括带尾纤衬块4及衬块夹具、Y波导元件5、六维电动位移台9、电机控制板10、两套三维手动位移台以及波导固定架等。

[0083] 因为在光纤陀螺中，对于保偏光纤与Y波导直接耦合的对准精度要求较高，所以在本实施例中选择用保偏光纤环与Y波导输入端的对准耦合作为操作对象。鉴于在光纤传感方面的广泛使用，本实施例所选用来对准的光纤为熊猫型保偏光纤，图2左侧所示为带尾纤衬块4 的示意图，本发明所选用的保偏光纤环由厂家经过定轴固定在铌酸锂衬块上。用该种带尾纤衬块代替保偏光纤纤芯作为耦合对准材料，可借助衬块边缘来进行检测对准。

[0084] 图2右侧为在光纤传感方面广泛使用的Y波导元件5作为对准材料；Y波导元件5为铌酸锂基底的退火质子交换波导，其通道是经过退火质子交换所得，在铌酸锂基底表面渗透出宽度约6微米，深度约3微米的细小区域。通道区域折射率与铌酸锂基底折射率相差不到0.02，因此很难使用常规的方式观测到。如附图3(a)所示，在Y波导表面中部区域隐约可见两条细线即是Y波导通道区域，其中有一条在两条清晰的电极区域中间位置，是Y波导的输入通道，另一条是辅助观测通道。本发明所选取的Y波导元件在制作阶段已在Y波导输入和输出通道两侧镀上了表明位置和辅助观测的电极条，因此可以借助两根电极条的位置来确定Y波导输入通道的所在。在手动摆放带尾纤衬块4与Y波导元件5过程中，带尾纤衬块4用衬块夹具夹持，固定在六维电动位移台9上。

[0085] 光纤-波导的耦合实质上是三维空间的六自由度耦合，如图2所示，分别是横向位错X和 Y方向，纵向间距Z，以及分别绕X、Y轴的旋转产生的俯仰角α和偏转角β，以及保偏光纤慢轴与光波导偏振轴向的夹角θ。前五种任一自由度发生改变，都会影响到插入损耗，而θ角度改变主要影响偏振串音，这在光纤传感中非常重要。因此有必要对每个自由度进行工艺控制，确保获取最低的插入损耗，偏振串音和良好的稳定性。

[0086] 当处理器1向电机控制板10发送指令，六维电动位移台9的六维位移方向根据耦合点的六个自由度所设置，每个方向相互正交，理想状况下彼此运动互不干扰。使六维电动位移台 9实现六维方向的空间位姿调整。三个转动轴向的转动轴线共交于一点，称为旋转中心。在带尾纤衬块4的固定阶段，将输出尾纤端点放置于此旋转中心处。这样做的好处是，在进行旋转操作时，将不会因为旋转臂的存在而产生额外的位移偏差。在实际装配的仪器中，由于装配精度不够高导致六维位移无法满足严格的正交要求，因此在实际的对轴操作中还是会出现较小的相互扰动现象。

[0087] 第一组显微镜-CMOS相机12固定在第一手动位移台13上，第二组显微镜-CMOS相机固定14在第二手动位移台15上，通过手动调节来实现相机的对焦。

[0088] 图像处理与控制模块包括处理器1、存储模块、通信接口、显示模块和电源模块。

[0089] 处理器1可选择使用PC或ARM处理器，在开发阶段选择PC，在实际使用中为减小体积可以选用ARM微处理器，采用Cortex-A9系列的ARM处理器作为控制器，和传统的PC 控制相比，系统体积小、成本低，使用灵活方便；完成了图像采集模块、运动执行模块以及人际交互模块的嵌入式环境下设计，系统集成度高。

[0090] 存储模块采用DDR3作为RAM内存，eMMC作为FLASH存储；通信接口包括一个 RS232串口和3个USB接口，RS232串口连接电机控制板10和六维电动位移台9，RS232 串口用于发送运动指令，电机控制板10将运动指令转化为驱使步进电机转动的相电流。3个 USB接口分别与第一组显微镜-CMOS相机12、第二组显微镜-CMOS相机14以及鼠标3连接，COMS相机采用Linux下专用驱动采集图像，传递给ARM处理器1进行图像处理；显示模块通过45pin的LCD接口与电容触摸屏2连接；电源模块采用5V电源适配器插座，使用5V直流电源供电。

[0091] 处理器1通过USB接口分别连接两组显微镜-CMOS相机，用来向处理器1传输图像；处理器1分析两组显微镜-CMOS相机传输的图像中带尾纤衬块4与Y波导元件5的位姿关系及耦合输出光强，向电机控制板10发送指令来搜索最大耦合点；

[0092] 人机交互模块包括触摸屏2，鼠标和键盘3。

[0093] 人机交互界面采用Qt开发，在触摸屏上打开自动对准耦合软件，操作界面如附图7所示，第一组显微镜-CMOS相机12和第二组显微镜-CMOS相机14开始采集图像，在软件界面上显示。观察耦合点图像及Y波导元件5的输出端图像，调节第一手动位移台13和第二手动位移台15，将两组显微镜-CMOS相机调节至正焦位置，使图像达到最清晰，并且调节方位选择合适的视场。

[0094] 光纤-Y波导的自动对准耦合过程，主要分为两个步骤，分别是针对侧面耦合点图像处理的粗对准阶段和针对端面输出图像处理的细对准阶段。如图5所示，具体步骤如下：

[0095] 步骤一、将待对准耦合的带尾纤衬块与Y波导元件分别固定夹持，并粗调两者至相对位置；

[0096] 将需要进行对准耦合的带尾纤衬块固定夹持在衬块夹具上，将衬块夹具放置于六维电动位移台的旋转中心位置；同时将需要进行对准耦合的Y波导元件固定在波导架上；粗调节带尾纤衬块与Y波导元件至合适的相对位置。

[0097] 步骤二、打开自动对准软件并运行，两组显微镜-CMOS相机分别采集图像并呈现；

[0098] 打开自动对准软件，操作界面如附图7所示，点击运行，两组显微镜-CMOS相机开始采集图像并传输呈现在操作界面中两个图像框内。

[0099] 步骤三、分别手动调节两套手动位移台，使两组显微镜-CMOS相机的侧面图像和端面图像都达到最清晰；

[0100] 第一组显微镜-CMOS相机对应的侧面图像，如图3所示。第二组显微镜-CMOS相机对应端面图像；如图4所示。

[0101] 需要注意端面图像需要正确找到Y波导输出端边缘，并调节图像两侧边缘同时到达正焦位置。

[0102] 步骤四、针对清晰成像的侧面图像，自动提取带尾纤衬块与Y波导元件的边缘特征直线并标注；

[0103] 在粗对准过程中，对于耦合点侧面的图像处理过程，核心在于带尾纤衬块与Y波导元件的特征直线的检测与提取。特征直线主要有两类，第一个是带尾纤衬块与Y波导元件的边缘直线，第二个是Y波导的波导通道位置；具体是带尾纤衬块的横纵向边缘及角点位置，Y波导元件的纵向边缘和借助两根辅助电极找出的波导通道的直线位置。

[0104] 第一组显微镜-CMOS相机对焦调整之后，点击操作界面上的“提取边缘”按钮，系统对界面左侧的侧面图像自动进行灰度化处理—阈值分割—边缘检测—直线拟合等数字图像处理的操作，提取出侧面图像中带尾纤衬块与Y波导元件的边缘特征直线并标注。

[0105] 如图3(a)所示，边缘点较为明显，与背景灰度差较大，因此提取边缘直线时使用传统的图像处理和直线提取方法，具体过程为：由第一组显微镜-CMOS相机采集到图像后传递给处理器，图像处理模块中植入的嵌入式程序首先将采集到的彩色图像转换为灰度图，使用高斯滤波对图像进行滤波降噪，消除噪声异常点的干扰；然后，利用大津法(Otsu法)求出灰度图的分割阈值，将图像转换为二值图，目标物体则与背景被清晰的分割开来；分别采用纵向和横向的移窗法，搜索到灰度变化最剧烈的区域，即为带尾纤衬块与Y波导元件的边缘位置，设置ROI区域对其中的直线段进行提取拟合，并在图像上进行标注，结果如图3(b)所示。

[0106] 对于Y波导通道，由于其较难观测且与周边区域的灰度差异不大，因此借助两根电极条的位置来确定Y波导输入通道的所在。处理方法类似于边缘直线的提取，不同的是灰度分割阈值根据电极及附近小区域的灰度值计算所得，可将电极与铌酸锂基底分割开来。提取拟合处两根电极条的直线方程，取其中间位置的直线作为Y波导输入端的位置直线，并标注在图像中，如附图3(b)所示。Y波导元件输入端的位置直线贯穿整个图像，是为了表现出其与带尾纤衬块下边缘的角度偏差。

[0107] 步骤五、根据边缘特征直线计算带尾纤衬块横向下边缘与波导通道的角度差、衬块角点位置到波导通道的横纵向距离偏差，并移动带尾纤衬块至预定位置；

[0108] 处理器在检测出所有特征直线之后，对各直线段进行分析，获取带尾纤衬块与Y波导元件的边缘距离及角度偏差和光纤轴线(一般与带尾纤衬块边缘重合)与Y波导元件输入线的偏差。由距离或角度偏差计算出电机运动所需的步数，通过RS232接口传递给电机控制板，控制电机进行带尾纤衬块与Y波导元件的对准。

[0109] 具体为：

[0110] 首先，得到带尾纤衬块与Y波导元件的边缘特征直线后，根据简单的点到直线距离公式，或直线距离公式分别求出：带尾纤衬块横向下边缘与波导通道的角度差、衬块角点位置到波导通道的纵向偏差和横向偏差。

[0111] 带尾纤衬块横向下边缘是指带尾纤衬块中光纤纤芯所在位置。

[0112] 然后，根据每个像素点的大小(2.2μm×2.2μm)将图像上用像素值所表示的距离转换为实际空间距离，以及六维电动位移台的最小步距，结合各偏差距离，相除即可得到消除偏差对应的电机运行步数；

[0113] 最后，点击操作界面中的“自动对准”按钮，处理器发送指令给电机控制板控制六维电动位移台实现平移和旋转操作，消除偏差的同时带尾纤衬块到达预定位置。

[0114] 在消除偏差的过程中，选择先消除角度偏差，然后消除纵向距离偏差，最后消除横向距离偏差的顺序进行。

[0115] 在实际操作中，因为六维电动位移台的精度不够高，各轴之间存在串扰，因此当一轴移动以后另一轴向也会出现位移，偏差大小就会发生改变。因此在消除距离的过程中，会在每一轴移动之后重新处理侧面耦合图像，拟合带尾纤衬块和Y波导元件的特征直线，再次计算相对偏差，运行电动位移台消除偏差。最终让带尾纤衬块与Y波导元件处于预期的位置，如图3(c)所示，此时一般即可完成光纤-波导对准耦合的初通光步骤。

[0116] 在消除偏差的过程中，需要在沿Y波导通道的纵轴方向上预留出一定的距离，有利于下一步自动搜索过程中带尾纤衬块的移动，同时为自动对准耦合完成后滴加紫外固化胶留出空间。

[0117] 步骤六、当带尾纤衬块到达预定位置后实现初通光，在端面图像上出现Y波导元件尾端的两个输出光点；

[0118] 当带尾纤衬块到达预定位置后，光纤-波导之间的尺寸偏差已控制在较小的区域内，当侧面耦合图像观察到光纤与Y波导基本对准时，由COMS相机所采集的Y波导输出端图像中就可观测到两个输出光点，即实现了Y波导的初通光，初通光完成后由第二组显微镜-CMOS 相机采集所得的图像如图4(b)所示，在Y波导输出端的端面图像边缘上，出现两个明亮的光点，即Y波导尾端两个输出端点，经过RS232传输至处理器在触摸屏上显示。

[0119] 如果在粗对准完成后输出端未检测到输出光点，可以选择交互软件中的“电机调整”按钮，打开六维电机直接控制界面，控制电机在各个方向上进行微调节，直至找到输出光点。

[0120] 步骤七、系统自动检测两个输出光点的中心位置并标注，判断输出图像上标注框是否将输出光点完整的包含进去，如果是，则固定输出端位置；否则，对带尾纤衬块进行微调直至到达正确位置。

[0121] 处理器自动对两个输出光点进行灰度重心的计算；

[0122] 公式为：

[0123]

[0124] 其中f(i，j)为图像中(i，j)像素点的灰度值。

[0125] 所求出的灰度重心即为输出光点的中心位置，点击操作界面上的“确定区域”按钮，固定选择此中心位置的预定大小邻域，并标注出来，作为输出点的位置进行统计处理。

[0126] 步骤八、确定了输出端位置后，系统自动调节端面图像的曝光时间，控制输出光点的图像最大值，并计算输出光功率；

[0127] 确定了输出端位置后，点击操作界面上的“自动调光”按钮，系统根据输出端的光强检测反馈，对端面图像自动调节曝光时间，将输出光点图像最大值控制在50-150之间；此时系统自动检测图像中如图4(c)所示，只余两个较暗淡的小光点，提取小光点图像邻域每个像素点的红色通道值记为pij，进行加和得到P＝∑i，jpij即作为输出光功率。

[0128] 本实施例通过使用CMOS相机代替光功率计，作为输出光功率的检测装置，提高了反馈的实时性和耦合效率。在理论上CMOS相机和光功率计工作原理相同，都是根据光电效应，统计在一定时间内(即CMOS相机的曝光时间)入射光在传感器上产生的光电流来表征所检测光功率。但与光功率计相比，CMOS相机检测光强范围较小，所采集图像灰度值只能在0-255 之间分布。如图4(b)所示，在输出光点中心位置出现白斑表明CMOS相机过曝，因此要用 CMOS相机代替光功率计来检测输出光强，需要将检测光强降低，调节相机的曝光时间，使图像上输出点的最大值处于可检测的范围内，如附图4(c)所示，防止过曝造成检测不准确，两个明亮的输出光斑被压低为两个较暗淡的光点。

[0129] 自动调光步骤之后，系统自动检测输出光点，提取并统计输出光点的红色通道值，作为输出光功率进行反馈。对于这两个光点抽取红色通道值，进行一维轴向上的像素扫描(如沿水平方向或竖直方向)，以扫描轴向为横轴，红色通道值为纵轴，可以得到良好的类高斯线型。证明两个红点是输出端的基模，采用统计基模的能量变化表征输出端光功率的变化是可行的。

[0130] 提取两个输出光点中心位置较小邻域范围内的红色通道值并统计求和作为此时输出光功率的大小。单轴移动带尾纤衬块，记录各个点输出光强作变化趋势分析，如图8所示，展示了光纤-波导耦合点横切面上水平与竖直两个轴向上的扫描曲线，曲线的横轴为单轴移动距离，纵轴为相对耦合效率。可以看到，实验数据与按照光纤-波导耦合的理论仿真所得数据在量级和趋势上基本吻合，都表现出了良好的单峰性。因此本发明中所采取的CMOS相机代替光功率计检测输出光功率是实际可行的。

[0131] 步骤九、系统按照逐轴迭代拟合的自动搜索算法搜索最大耦合点，找到使输出光功率达到最大的带尾纤衬块位置。

[0132] 点击操作界面中的“最优点搜索”按钮，系统将自动进行最大耦合点的搜索，按照逐轴迭代拟合的自动搜索算法，找到使输出光功率达到最大的带尾纤衬块位置。最大耦合点找到后，操作界面上出现“自动耦合完成”的提示框，此时完整的光纤—波导自动对准耦合流程结束，再进一步在耦合点滴加紫外固化胶等操作。

[0133] 本发明的最大耦合点自动搜索算法，是基于各轴移动扫描曲线所表现出的单峰性进行的，耦合损耗最小的地方，即为检测输出光功率最大的位置，搜索最大耦合点，即为搜索输出光功率最大的位置。

[0134] 由于实际使用的六维电动位移台各轴电机之间存在串扰，且有一定震动，导致反馈输出光功率不稳定，所以采用逐轴迭代拟合的方法来搜索最大耦合点；在实现初通光且自动调光步骤完成，能够得到正确的光功率反馈之后，即开始最大耦合点的自动搜索。如图6所示，自动搜索算法流程如下：

[0135] 步骤901、确定搜索轴向并激活，设定六维电动位移台的移动距离L以及步距△L；

[0136] 首先确定一个搜索轴向，通电激活此轴向电机，设定搜索参数L和△L。

[0137] 步骤902、控制六维电动位移台在此轴向反向移动距离L，记此时所在位置x＝-L；

[0138] 步骤903、正向移动步距△L，记此时所在位置x＝x+△L,第二组显微镜-CMOS相机实时采集Y波导元件的末端输出图像，并传输至处理器，系统自动处理图像，统计提取输出点处红色通道作为输出光功率进行反馈并保存在序列Seq(x)中。

[0139] 步骤904、验证x是否大于L，如果是，进入步骤905进行曲线拟合；否则，返回步骤 903；

[0140] 步骤905、区间(-L,L)扫描结束以后，搜索到序列Seq(x)中最大值位置，并提取最大值位置左右各3组数据及最大值处数据作为待处理数据组(xi,yi)，使用最小二乘法来对这7组数据进行二次函数拟合。

[0141] 最小二乘法(又称最小平方法)是一种数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。

[0142] 设定拟合函数为：

[0143] 其中(a1，a2，a3)为待拟合二次函数的各级系数。

[0144] 由最小二乘原则 将待处理数据组(xi,yi)带入上述公式并对函数S(a，b，c)分别关于ak(k＝1，2，3)求偏导数并令其为零 可得欲求参数 (a1，a2，a3)，则可得拟合二次函数。

[0145] 步骤906、得到二次曲线后，计算得到曲线极值点位置，代替实际测量数据最大值位置作为所求的最大值处，移动带尾纤衬块至此最大值处。

[0146] 步骤907、验证步距△L是否达到预定精度阈值，如果是，则以步距△L/5对区间(-△L,△L) 进行扫描遍历，搜索到输出光功率最大的位置并移动带尾纤衬块至此最大位置处。进入步骤 909；否则，进入步骤908；

[0147] 步骤908、步距△L大于预定精度阈值，将扫描参数L和△L均减半，返回步骤902，再次以减半后的步距△L扫描减半后的区间(-L,L)并选取数据组进行二次曲线拟合，找到最大位置。

[0148] 步骤909、当遍历法扫描结束，该轴向的最大耦合位置搜索结束；转换轴向，通电激活六维电动位移台的下一个轴向，重复上述步骤，直至每个轴向的最大耦合位置都搜索完毕，此时带尾纤衬块所在的位置即是所求的最大耦合位置，自动搜索结束。

[0149] 每个轴向都自动搜索完毕，操作界面上弹出“自动耦合完成”的提示框，表明已找到最大耦合点。可退出程序，实施滴加紫外固化胶等粘接封装步骤，在本文中不作说明。