9.4 基于分数傅里叶变换的光纤端面检测仪在线视频

同学们好

本次介绍的是基于分数傅里叶变换的

光纤端面检测仪

大家上次课已经了解了分数傅里叶变换

处理牛顿环的原理

也通过牛顿环实验体会到了

分数傅里叶变换处理的优势

那么 牛顿环有什么样的应用呢

其实 除了牛顿环实验所测量的

平凸透镜外

还有很多元件都具有球形表面

小到眼镜

大到天文望远镜

甚至到生物眼球

这些球面被测件经过干涉测量

都能形成牛顿环条纹图

这里介绍一种针对光纤连接器的测量应用

它也是一种球面元件

我们针对光纤连接器

正在开发一款基于分数傅里叶变换的

光纤端面检测仪

首先介绍光纤连接器

随着5G和光纤通信技术的广泛应用

光纤连接器已经成为光纤通信中

一个不可缺少的器件

常被用来实现光纤与光纤间的精密对接

我国每年连接器的产量

占全球的80%以上

光纤连接器的出厂指标包括

光纤端面几何形状测试

插入损耗

回波损耗等

其中几何形状测试是非常重要的测试指标

它可以解释其它指标的好坏的具体原因

光纤连接器端面的几何形状测试指标

主要包括3个

曲率半径 顶点偏移 光纤高度

如左图所示

光纤连接器表面的剖面是一个球面

球面曲率半径是需要测量的重要指标之一

这里可以看到黑色的纤芯部分

它和虚线处的理想位置的偏差

称作顶点偏移

光纤高度则是反映纤芯的凸起或凹陷量

理想情况下

黑色纤芯的周围白色的陶瓷

应该处于同一个球面上

但因为研磨工艺

经常会出现凸起或凹陷的情况

导致两者不在一个球面上

这三个指标的好坏

都会影响光纤传输的质量

利用干涉法对光纤连接器表面进行观测

可以形成牛顿环干涉条纹

如右图所示

分析牛顿环条纹的疏密程度可以得到

光纤连接器的曲率半径

牛顿环的环心也是需要测量的重要指标

它和暗斑中心的位置差就是顶点偏移

这两个指标

都可以通过分数傅里叶变换进行测量

这种测量光纤连接器端面几何形状的设备

叫做光纤端面检测仪

光纤端面检测仪价格较贵

进口设备每台35万左右

国产设备每台也在15万左右

光纤端面检测仪价格较贵的原因在于

它们大都采用硬件移相器来进行

多幅干涉条纹分析

移相器的核心是压电陶瓷

通过电压控制机械位移实现相移

生成多幅干涉条纹图像

进行方程组联立求解

可获得被测件物理参数

这种方法叫做相移干涉法

光纤端面检测要求高精度的移相器

世界上最好的移相器

为德国PI公司所生产

价格5万元

国内也有仿制PI公司的移相器

也需要1万元左右

除了成本因素外

这种基于多幅干涉条纹分析的方法

很容易若受到外界干扰

在相移产生多幅条纹图的过程中

只要有一幅条纹图受到影响

整个测试就会失败

这是相移法的固有缺陷

在生产条件较为恶劣的工厂车间

其表现较差

因此 业内希望采用基于

单幅干涉条纹分析技术的光纤端面检测仪

但这种设备目前只有

美国Norland公司可以实现

它是光纤端面检测领域的龙头企业

它在2012年推出了CC6000

首次实现了基于单幅干涉条纹分析的

光纤端面检测

价格为18万元

较基于相移法的光纤端面检测仪

便宜了一半

市场销量非常好

为什么只有Norland公司

可以实现这种基于单幅干涉条纹分析的

光纤端面检测仪呢

而其它公司无法实现

因为光纤端面检测所形成的

牛顿环干涉条纹

属于一种闭合无载波干涉条纹

近二十年来

学术界和业界针对这种

闭合无载波干涉条纹

进行了大量的研究

如何从这类条纹中提取信息

是一个极具挑战性的任务

光学期刊Optics and Lasers in Engineering

2012年第50卷的编者按中

时任主编普拉莫德教授对这个问题进行了

专门的分析和讨论

经过推测

美国Norland公司的CC6000

也没有真正解决好这个问题

这种干涉条纹在傅里叶域非常复杂

它是由一对复共轭信号叠加而成

无法直接用傅里叶变换分析

因此Norland公司退而求其次

采用硬件倾角装置进行载波调制

将闭合干涉条纹调制成开条纹

从而在傅里叶域将这对复共轭信号分离

所以它实际上是一种基于单幅有载波的

光纤端面检测仪

虽然可以实现单幅测量

但精度上不如基于相移法的

多幅条纹分析技术

正是因为即使经过载波调制

干涉条纹的复共轭信号仍然无法在

傅里叶域完全分离

其频谱旁瓣存在一定程度混叠

另外 调制解调的过程也会引入误差

这是其精度不如传统相移法的原因

我们的目标是研制一款

基于单幅无载波干涉条纹分析的

光纤端面检测仪

填补国内空白

打破美国Norland公司的技术垄断

这种新型光纤端面检测仪成本低廉

且具有更好的抗干扰能力

新型光纤端面检测仪与工程应用实践

紧密结合

可以解决光纤连接器生产厂商

对成本和测试环境方面的需求

有着较大的社会 经济效益

和广阔的应用前景

如前面所述

光纤端面检测所形成的干涉条纹为牛顿环

在空域和傅里叶域的表征非常复杂

我们首次提出牛顿环是一种二维chirp信号

并首次采用分数傅里叶变换来分析牛顿环

可以看到

牛顿环在分数傅里叶域

形成了一个冲激信号

类似于傅里叶变换处理正弦波

表征非常简洁

基于这个现象

我们于2015年提出了基于分数傅里叶变换的

牛顿环分析方法

发表在Optics and Lasers in Engineering期刊上

该方法被期刊主编普拉莫德教授所引用

如图所示

牛顿环的每一行或每一列

都是具有二次相位的信号

这种二次相位信号的表现形式

和雷达 通信领域所常用的chirp信号

数学形式一模一样

因此牛顿环是一种二维chirp信号

利用二维分数傅里叶变换

可以变成二维冲激函数

其匹配角对应球面被测件的曲率半径

其冲激函数的峰值位置对应牛顿环的环心

基于这个原理

可以完成球面元件的几何测量

牛顿环这种闭合干涉条纹

是由一对复共轭信号组成

在傅里叶域是混叠的

因此无法有效分析

而在分数傅里叶域

复共轭信号的正频率部分对应冲激信号

负频率部分对应幅度很低的宽带信号

二者可分离

这是分数傅里叶变换的优势

2015年我们提出了用分数傅里叶变换

处理牛顿环

在牛顿环实验教具上

就能达到曲率半径相对误差

0.89%的精度

但当时方法并不实用

主要体现在算法耗时

处理一幅1920*1080图像

就需要8000秒以上

这是无法应用于工程实践的

我们这几年做了大量的工作

来使得算法实用化

其中单幅图可以在1秒以内处理完

在精度上

采用最小二乘等方法进行误差修正

曲率半径和环心估计精度都有一定的提升

实用化的关键在于速度提升

如图所示

1920*1080像素的牛顿环条纹是原始图像

如果把它抽取成120*68像素的图像

其空域几乎无法辨认是牛顿环

这是由于采样率不足造成的混叠现象

也就是说

采样率如果低于2倍带宽

传统的采样定理无法满足会出现这类现象

但基于2008年我们提出的

分数傅里叶域采样定理

就可以有效回避这种混叠现象

如图所示

在分数傅里叶域信号不受影响

牛顿环所形成的冲激函数仍然存在

这是因为在分数傅里叶域

冲激信号的带宽非常小

导致采样率也会很低

如表格所示

在图像抽取过程中

被测件的曲率半径测量相对误差

始终维持在万分之一

基于牛顿环在分数傅里叶域的

能量聚集特性

分数傅里叶变换具有得天独厚的优势

抗干扰性能远强于其它同类算法

用分数傅里叶变换处理牛顿环

其抗噪声性能也远好于其它同类方法

其它方法在信噪比低于0dB的时候

就无法保持测试精度了

而分数傅里叶变换的方法

在信噪比为-25dB的时候

仍然能保证相当高的测量精度

基于这个原理

我们正在开发基于单幅无载波的

光纤端面检测原理样机

初步实现了曲率半径 顶点偏移

光纤高度的测量

指标可以和基于相移法的

光纤端面检测仪媲美

本节课就讲到这里

谢谢大家