一种基于光纤拉锥装置及智能视觉监控系统

1.本发明涉及光纤器件制造技术领域，尤其是一种基于光纤拉锥装置及智能视觉监控系统。


背景技术：

2.电加热式火焰刷微纳光纤制备法是制备微纳光纤的主要技术，该技术利用电加热火焰刷技术，在玻璃材料的预制棒上形成微小的火焰刷，通过火焰的高温加热将纤维材料熔化，并通过在位移台上叠加同向和反向的速度，利用表面张力和拉伸力的作用形成微细的光纤。假设加热头是“区域均匀热源”，根据玻璃材料的温度特性，单模光纤软化温度约为1665℃，退火温度为1140℃，被拉伸的光纤腰区温度要在退火温度之上，并且越靠近软化温度，越容易拉伸。
3.但拉伸过程中由于夹持光纤位移台的移动产生的拉伸力和挤压力，或由于光纤腰区的长度变化，或环境中的气流影响等因素导致光纤腰区的空间位置相对于初始位置发生变化，而陶瓷加热头内壁的空间有限，脆弱细小的腰区与加热头内壁接触或将因高温导致熔断或因机械力导致断裂，对于光纤耦合器结构的拉锥还或将导致耦合结构被破坏。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例，在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明所要解决的技术问题在于光纤位移台在拉伸过程中，光纤腰区会逐渐靠近陶瓷加热头，从而因高温导致熔断或因机械力导致断裂，造成经济损失。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于光纤拉锥装置，包括，微纳光纤拉锥台、电加热台、陶瓷加热头、深度摄像机、智能终端、电动螺杆和电动导轨；其中，所述电加热台、深度摄像机、电动螺杆和电动导轨均通过导线与所述智能终端电性连接。
8.作为本发明所述基于光纤拉锥装置的一种优选方案，其中：所述微纳光纤拉锥台共设置有两个，两个所述微纳光纤拉锥台分别设置在所述电动导轨的左右两侧，且微纳光纤拉锥台为火焰刷原理制备微纳光纤的主要装置，所述电加热台设置在所述电动导轨的中部，且位于所述微纳光纤拉锥台的右侧。
9.作为本发明所述基于光纤拉锥装置的一种优选方案，其中：所述电动螺杆的外表面螺纹连接有升降板，且所述电加热台固定安装在升降板的后端；所述陶瓷加热头安装在所述电加热台后侧的中部，且位于两个所述微纳光纤拉锥台的正中间处，所述深度摄像机设置有两个，两个所述深度摄像机固定安装在所述陶瓷加热头左右两侧的悬臂上，且两个所述深度摄像机的摄像端分别对准所述陶瓷加热头的左右两侧。
10.本发明的有益效果为：通过设置的深度摄像机能够实时监控到光纤腰区与陶瓷加热头之间的距离，再通过智能终端显示出监测到的画面供工作人员观察，极大减少拉锥过程中加热头与腰区接触导致的熔断或机械断裂的情况发生，有效的提高微纳光纤及其拓展结构拉锥的成功率，减少科研或工程应用的时间和经济成本。
11.鉴于上述和/或现有技术中所存在的问题，提出了本发明的第二个实施方案。
12.因此，本发明所要解决的问题时如何精准且有效地监测出光纤腰区与陶瓷加热头之间的距离。
13.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种智能视觉监控系统，包括应用了上一实施方案中的基于光纤拉锥装置，还包括深度图像采集模块、智能图像分析模块和加热头自动矫正模块；所述深度图像采集模块，通过深度图像采集设备采集所述陶瓷加热头左右侧面加热凹槽与被拉锥的微纳光纤腰区的深度图像并传入智能终端；所述智能图像分析模块，通过采集到的深度图像3d实时重建所述陶瓷加热头内部微纳光纤腰区与加热内壁的模型，并计算腰区各单元长度距内壁的距离；所述加热头自动矫正模块，当腰区某一单元长度距内壁距离小于安全阈值时，通过程序微调加热装置所在导轨和螺旋使内壁远离腰区至大于距离安全阈值，以避免拉锥过程中加热头与腰区接触导致的熔断或机械断裂的情况。
14.作为本发明所述智能视觉监控系统的一种优选方案，其中：所述深度图像采集模块，在电加热式火焰刷微纳光纤拉锥装置拉锥过程开始信号传入后开始工作；其中，在每个图像采集周期开始前，根据具体需求，调整采集参数，如分辨率、帧率、曝光时间，以避免图像畸变，再通过架设在所述电加热台侧面远端的两台深度图像采集设备周期性采集加热凹槽与被拉锥的微纳光纤腰区的深度图像并传入所述智能终端内。
15.作为本发明所述智能视觉监控系统的一种优选方案，其中：所述智能图像分析模块，在接收到深度图像采集模块传入图像后，通过图像对齐、点云生成及配准、泊松重建等步骤3d重建基于两张深度图像的所述陶瓷加热头内部微纳光纤腰区与加热内壁的模型，再使用支持向量机算法进行加热头与光纤腰区的对象分割并建立三维坐标系。
16.作为本发明所述智能视觉监控系统的一种优选方案，其中：所述加热头自动矫正模块，在接收到所述智能图像分析模块的移动信号之后将信号分解成前后和上下两个部分，通过控制所述电动导轨实现所述电加热台的前后移动，通过控制所述电动螺杆实现所述电加热台的上下移动，至小于安全阈值的腰区单元距加热头内壁的距离大于等于安全阈值。
17.本发明的有益效果为：
18.1、采用的深度摄影技术，能够提供场景中物体的准确三维位置和距离信息，可以实现对微小物体的准确定位和距离测量，为后续的处理和分析提供基础，解决了rgb摄影技术复杂背景分割、目标检测能力弱的缺点，可以区分腰区和加热头内壁之间的距离和空间关系，从而更好地进行微纳光纤腰区的检测、跟踪和分割。
19.2、采用的3d重建技术，可以提供准确的三维结构信息，将复杂的数据转化为直观且易于理解的三维模型，这有助于数据的可视化呈现和深入分析，相对于传统的测量和建模方法，3d重建技术具有非接触性和非破坏性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
21.图1为本发明的光纤拉锥装置整体结构图；
22.图2为本发明的智能视觉监控系统流程图；
23.图3为本发明微纳光纤腰区与加热内壁的三维坐标系模型图。
24.图中：1、微纳光纤拉锥台；2、智能电加热台、3、陶瓷加热头；4、深度摄像机；5、智能终端；6、电动螺杆；7、电动导轨
具体实施方式
25.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
26.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
27.其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
28.再其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
29.实施例1
30.参照图1，本实施例提供了一种基于光纤拉锥装置，包括微纳光纤拉锥台1、电加热台2、陶瓷加热头3、深度摄像机4、智能终端5、电动螺杆6和电动导轨7，其中，电加热台2、深度摄像机4、电动螺杆6和电动导轨7均通过导线与智能终端5电性连接，智能终端5能够控制电动螺杆6和电动导轨7的运转，以及，采集电加热台2和深度摄像机4传输的数据。
31.具体的，微纳光纤拉锥台1共设置有两个，两个微纳光纤拉锥台1分别设置在电动导轨7的左右两侧，且微纳光纤拉锥台1为火焰刷原理制备微纳光纤的主要装置，电加热台2设置在电动导轨7的中部，且位于微纳光纤拉锥台1的右侧，微纳光纤拉锥台1和电加热台2均能够在电动导轨7上进行移动，电动导轨7为现有技术具体结构不再赘述。
32.进一步的，陶瓷加热头3安装在电加热台2后侧的中部，且位于两个微纳光纤拉锥台1的正中间处，深度摄像机4设置有两个，两个深度摄像机4固定安装在陶瓷加热头3左右两侧的悬臂上，且两个深度摄像机4的摄像端分别对准陶瓷加热头3的左右两侧。
33.其中，电动螺杆6运转时，能够带动升降板上下移动，升降板能够带动后端的电加热台2上下移动，同时，设置在电加热台2两侧的陶瓷加热头3和深度摄像机4能够跟随电加热台2上下移动，深度摄像机4的摄像端对准陶瓷加热头3，从而能够实时监测到陶瓷加热头3处的画面。
34.本实施例工作原理为：电加热式火焰刷微纳光纤拉锥台1拉锥过程开始信号传入深度摄像机4后，深度摄像机4开始自动设置采集参数，调整深度摄像机4的采集模式为连续采集模式，设置采集频率为一个火焰刷周期一次，自动调整其分辨率、曝光时间、曝光增益和深度探测范围，使得深度摄像头4能够清晰、正确、完整地采集到陶瓷加热头3和微纳光纤8的深度信息的同时节约计算资源和存储空间。然后将左右深度摄像头4采集的两张深度图像传输至智能终端5。
35.实施例2
36.参照图1～3，为本发明第二个实施例，该实施例提供了一种智能视觉监控系统，包括应用了实施例1中的基于光纤拉锥装置，还包括深度图像采集模块、智能图像分析模块和加热头自动矫正模块。
37.具体的，深度图像采集模块在电加热式火焰刷微纳光纤拉锥台1拉锥过程开始信号传入后开始工作，在每个图像采集周期开始前，根据具体需求，调整采集参数，如分辨率、帧率、曝光时间，以避免图像畸变，通过架设在加热台侧面远端的两台深度图像采集设备周期性采集加热凹槽与被拉锥的微纳光纤腰区的深度图像并传入智能终端。
38.其中，在火焰刷拉锥过程中，腰区长度lw的变化可以表示为：
39.lw＝l0 αx
40.式中，l0表示前一次“火焰刷”扫描的腰区长度,x表示腰区被拉长的长度,常数α是“火焰刷”过程中控制腰区形貌变化的参数；由此得知，微纳光纤腰区长度变化是以火焰刷过程为周期的，即腰区位置的矫正需以一个火焰刷过程时间作为单位时长，故将一火焰刷周期即一个同向火焰刷和反向拉锥时间和作为深度图像采集模块的图像采集周期。
41.在距上一个图像采集模块一个图像采集周期时长之后，智能图像分析模块检查是否有拉锥结束信号输入，如未发现拉锥结束信号输入，则输出信号至智能终端5重新开始上述过程，如有拉锥结束信号输入则退出整个系统，完成智能视觉监测及矫正过程。
42.进一步的，智能图像分析模块用以接收所述深度图像采集模块传入图像，而后通过图像对齐、点云生成及配准、泊松重建等步骤3d重建基于两张深度图像的陶瓷加热头内部微纳光纤腰区与加热内壁的模型，再使用支持向量机算法进行加热头模型与光纤腰区模型的对象分割并建立三维坐标系。并计算腰区每个单元长度法向距加热头内壁的距离，当存在小于安全阈值的腰区单元，则输出相反方向的移动信号给所述加热头自动矫正模块。
43.当智能终端5接收到深度图像采集模块传入的左右两张加热头与微纳光纤腰区的深度图像后，智能图像分析模块采用sift算法和ransac算法进行图像对齐。
44.其中，sift算法：
45.通过在不同尺度下对深度摄像机4拍摄的加热头左右两张深度图像使用高斯差分金字塔，检测出其具有局部极值的图像位置，这些位置可能对应于加热头与微纳光纤深度图像的关键特征点，然后通过对尺度空间极值点进行精确定位，使用尺度空间的曲率信息来排除两张深度图像低对比度的点和边缘响应点，以及利用特征点的稳定性和重复性进行筛选，通过计算梯度直方图为每个关键点分配一个主方向，用于后续的旋转不变性。在筛选出的加热头和微纳光纤腰区图像关键点的邻域内，根据梯度方向和尺度信息构建一个局部描述子，用于描述关键点周围的图像结构，这些描述子通常基于梯度直方图或局部图像块的统计特征；
46.ransac算法：
47.将从所述深度图像的局部描述子数据集中随机选择一小部分样本，构建一个假设的加热头区域左右深度图像对齐模型，使用选定的样本拟合模型，根据拟合模型计算其他样本的预测值。根据预测值和实际观测值之间的差异，将与模型拟合误差小于给定阈值的样本视为目标加热头区域的内点，并将其加入内点集合。通过评估内点的数量来度量模型的准确性和可靠性。如果内点数量超过预定义的阈值，表明该加热头区域左右深度图像对齐模型是一个合格的深度图像对齐模型，如果未超过则迭代重复以上步骤。
48.进一步的，当得到合格的深度图像对齐模型后，使用三角化的方法将所述匹配的特征点转化为三维空间的点，生成初始的稀疏点云，然后使用semi-global matching(sgm)算法生成稠密的点云模型，填补原始加热头周围区域点云间的空隙。
49.对于原始加热头和微纳光纤腰区深度图像中的每个像素，sgm算法通过计算所述深度图像像素之间的匹配代价(像素灰度差异或其他相似性度量)来计算视差，然后将计算得到的视差值通过已知的相机参数和三角测量方法转换为加热头和微纳光纤腰区深度模型像素的深度值或三维坐标。根据视差与深度之间的关系，可以将每个像素的视差映射到对应的三维坐标，通过将所有像素的三维坐标结合起来，形成表示加热头和微纳光纤腰区及周围场景几何结构的稠密点云数据。
50.进一步的，当得到具有加热头和微纳光纤腰区及周围场景所有像素的三维坐标的稠密点云数据后，使用支持向量机算法进行加热头模型与光纤腰区模型的对象分割，并建立坐标系并计算腰区每个单元长度法向距加热头内壁的距离，当存在小于安全阈值的腰区单元，则输出相反方向的移动信号给加热头自动矫正模块。
51.更进一步的，支持向量机算法将所述加热头和微纳光纤腰区模型点云坐标数据作为特征通过核函数映射到高维空间，以便在非线性情况下找到更好的超平面。通过求解优化问题，使用支持向量机的目标函数和约束条件进行求解，找到将所述加热头和微纳光纤腰区模型点云坐标数据模型样本点分为不同类别的决策边界，然后选择离决策边界最近的训练样本点作为支持向量，建立支持向量分类器，并对新的未标记加热头和微纳光纤腰区模型点云数据进行对象分割。将每个点的特征输入到分类器中，根据分类器的输出分类出光纤腰区模型和加热头内壁模型。
52.基于点云坐标数据计算腰区模型法向距离加热头内壁模型的距离。将加热头加热区域内壁视为一个圆柱形区域，横截面直径约为1-2mm，微纳光纤的直径约为2-6um，故将拉锥安全阈值设置为100-200um，当存在小于安全阈值的腰区单元，则输出相反方向坐标的移动信号给智能终端5。
53.优选的，加热头自动矫正模块在接收到所述智能图像分析模块的移动信号之后将信号分解成前后方向和垂直方向两个部分，通过控制导轨实现加热头的前后移动，通过控制螺旋实现加热头的垂直移动，至小于安全阈值的腰区单元距加热头内壁的距离大于等于安全阈值。
54.重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本技术的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力
等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
55.此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或与实现本发明不相关的那些特征)。
56.应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
57.应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。