一种线面转换光纤传像束线列阵端辅助排列方法.pdf

本发明公开了一种线面转换光纤传像束线列阵端辅助排列方法，该发明用于线面转换型光纤传像束获取超长线列阵探测器的光电系统中，通过在光纤传像束线列阵端配件上开等间距矩形槽的方法，辅助排列光纤传像束。使用该发明后能够有效避免在光纤传像束线列阵端排列过程中级间重叠不均，端翘，散片，级断裂，级间未重叠等情况的发生，为整个光电系统的实现奠定坚实基础。

1.  一种线面转换光纤传像束线列阵端辅助排列方法，其特征在于：在光纤传像束线列阵入瞳配件上开有若干等间距矩形槽，光纤束入瞳偶级放置于槽内，奇级放在槽外，奇级与偶级有部分重叠；所述的矩形槽的具体尺寸参数确定如下：
矩形槽个数N：   N＝E；                       (1)
矩形槽长度L：   L＝n*Φ±2.5*Φ；            (2)
矩形槽高度H：   H＝(m*Φ+Φ)±Φ；           (3)
槽间距D：       D＝(L+n*Φ-40*Φ-5*Φ)±5Φ；(4)
公式中：E为入瞳偶级数量；n为奇级子层数量；m为偶级子层数量；Φ为光纤直径。

一种线面转换光纤传像束线列阵端辅助排列方法
技术领域
本发明属于光纤传像束制作工艺技术领域，具体是指一种线面转换光纤传像束线列阵端辅助排列方法。
背景技术
线列阵探测器是扫描成像系统中的关键部件，超长线列阵可以扩大扫描范围，提高系统分辨率。6000元以上超长线列阵探测器目前受限于工艺无法做到，采用异型光纤传像束构成的光电成像系统可以解决这个问题(专利号：200410089452.8，“推帚式超高分辨率红外焦平面传像束变换光电成像系统”)。该光电系统的示意图如图1所示，主要原理就是利用特殊排列的光纤传像束(即一端为线列阵排列，另外一端为面阵排列，如图1所示)将线目标转换成为面目标，面目标成像于面阵探测器之后再经过相关的图像处理算法恢复出线目标。光纤传像束是实现该系统的关键部件，其制作质量的优劣直接影响到目标图像恢复质量的优劣，一根排列不好的光纤传像束可能直接导致目标图像不能恢复。而目前国内制作这种特殊排列光纤传像束工艺水平还不能实现自动化精密排列，只能通过人工操作。这时，光纤传像束的排列质量就很难量化控制，可能某一次排列可以排列好，但大多数时候排列出来后效果并不好。为了叙述方便，我们先对光纤传像束进行介绍并对其各部分进行定义。我们所讨论的光纤传像束是一端呈线列阵排列，另一端呈面阵排列的特殊排列光纤束。线列阵端称为光纤束入瞳，面阵端称为光纤束出瞳。光纤束入瞳排列如图2所示，它是由K级子光纤线列阵分级错位呈品字型排列而成，上面各级子光纤线列阵称为光纤束入瞳第x奇级，简称入瞳奇级或奇级，其中x代表是第几个奇级。下面各级子光纤线列阵称为光纤束入瞳第y偶级，简称入瞳偶级或偶级，其中y代表是第几个偶级。光纤束入瞳奇级或偶级均由m层光纤，每层n根光纤，以紧密六角型形式叠加而成(见图2中的局部放大图)。每一层称为光纤束入瞳第x奇级/y偶级第z子层(其中z为范围在1～m中的值)。光纤传像束入瞳与出瞳排列好后分别装入相应的金属配件中，以起到固定和保护作用。分别称为光纤束入瞳配件和光纤束出瞳配件。下面再对光纤传像束在制作过程中可能出现的现象进行描述并进行定义。在人工排列光纤传像束出，容易出现级间重叠不均，端翘，散片，级断裂，级间未重叠等情况。其中，级间重叠不均是指光纤束入瞳奇级和偶级之间重叠部分长度相差过大，如图3(a)所示，光纤束入瞳第1奇级与第1偶级之间重叠部分为A，入瞳第2奇级与第1偶级重叠部分为B，两者之间相差过大，这种现象称为级间重叠不均。当出现级间重叠不均现象时，一方面重叠过大部分浪费了光纤像元数，另一方面线目标恢复起来算法将更复杂。如图3(b)所示，在排列光纤束的时候，会因为光纤束奇级或偶级受力不均而引起奇级一端出现翘起，使得与相应的偶级重叠部分间距过大，这种现象称为端翘。出现这种情况时，光纤传像束入瞳奇级各级间或偶级各级之间并不在同一条直线上，这就可能引起所恢复的线目标出现变形，影响成像质量。如图3(c)所示，光纤束入瞳某一奇级最后一个或几个子层因在排列过程中受力过大导致该子层脱离其它子层，这种现象称为散片。当出现这种情况时，光纤束入瞳与出瞳光纤之间的对应关系被打乱，进而导致无法定位光纤坐标位置，所以几乎不可能恢复出线目标图像。如图3(d)所示，光纤束入瞳中某一级可能光纤制作者操作时用力不当造成该级一些子层直接发生断裂，这种现象称为级断裂。当发生这种情况时，同样会造成光纤束入瞳和出瞳光纤对错关系错乱，以至于很难恢复出线目标图像。如图3(e)所示，奇级和偶级之间没有重叠，这种现象称为经间未重叠。当发生这种情况时，会使得恢复出的线目标图像不完整。为了在对系统信噪比影响不大的情况下提高系统图像处理速度，减少处理的数据量，我们可以通过减少光纤传像束入瞳奇级和偶级中子层的数量来实现。当子层数少的时候，由于光纤束入瞳高度方向上更薄，使得制作光纤束时更难以控制，上述的级间重叠不均，端翘，散片，级断裂，级间未重叠等情况更容易发生。所以，如何在现有的光纤传像束制作工艺基础上制作出满足系统要求的光纤束将是实现超长线列阵探测器获取系统的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种线面转换光纤传像束线列阵端光纤辅助排列的方法来避免在光纤束制作过程中线列阵端级间重叠不均，端翘，散片，级断裂，级间未重叠等情况的发生，以保证目标经光纤传像束后能通过相关图像处理算法恢复出原始图像。
在根据系统要求，设计出光纤传像束入瞳排列方式(包括光纤束入瞳奇级和偶级的数量，奇级和偶级的子层数量，奇级和偶级各子层光纤元数，奇级和偶级之间的重叠光纤元数范围)，光纤传像束出瞳排列方式(包括面阵长度方向和宽度方向的光纤元数)以及光纤束入瞳和出瞳光纤之间的对应关系。为了避免在光纤传像束制作过程中上述情况的发生，我们在光纤传像束入瞳配件上精密地开若干等间距矩形槽，矩形槽的具体结构参数确定方法如下：
设光纤束入瞳奇级数量为O，奇级子层数量为O_m，奇级子层光纤元数为O_mn；入瞳偶级数量为E，偶级子层数量为E_m，偶级子层光纤元数为E_mn；光纤直径为Φ；一般情况下，奇级子层数量与偶级子层数量相等，奇级子层光纤元数与偶级子层光纤元数相等，所以，令m＝O_m＝E_m，n＝O_mn＝E_mn，矩形槽个数为N，长度为L，高度为H，槽间距为D，则(长度单位均为mm)：
N＝E                            (1)
L＝n*Φ±2.5*Φ                 (2)
H＝(m*Φ+Φ)±Φ                (3)
D＝(L+n*Φ-40*Φ-5*Φ)±5Φ     (4)
按照上面公式(1)～(4)开好矩形槽后，光纤束入瞳偶级能正好放置于槽内，奇级放在槽外，奇级与偶级有部分重叠。这样，槽外奇级在排列的时候与槽内的偶级不会相互影响，并且保证了奇级与偶级之间有一定的重叠量，且重叠量均匀，从而避免了在排列时由于操作人员用力不均或用力过大等原因引起的级间重叠不均，端翘，散片，级断裂，级间未重叠等情况的发生。
本发明具有如下特点和技术效果：
1.大幅度提高了线面转换型光纤传像束入瞳端排列精度，并简化了排列时手工操作难度。
2.有效避免了光纤传像束入瞳排列时级间重叠不均，端翘，散片，级断裂，级间未重叠等情况的发生。
3.避免了光纤传像束中大面积断丝情况的发生。
4.大大降低了恢复线目标图像时图像处理算法的复杂度。
附图说明
图1是获得超长线列阵探测器的光纤传像束系统的示意图。
图2是光纤传像束入瞳端排列示意图，图中光纤束入瞳由K＝(E+O)级子光纤线列阵分级错位呈品字型排列而成，奇级及偶级均由m个子层叠加而成，每一个子层由n元光纤紧密排列而成，即每一奇级或偶级呈m×n排列。
图3光纤传像束入瞳排列时可能出现的情况示意图，其中(a)为级间重叠不均，(b)为端翘，(c)为散片，(d)为级断裂，(e)为级间未重叠。
图4是实验中光纤束开槽尺寸图。
图5是利用本发明所述方法制成的光纤束入瞳端局部特写。
具体实施方式
下面以本发明在一个基于线面转换光纤传像束系统的项目中的应用为例，对本发明的具体实施方式作详细说明：
项目中光纤传像束排列要求如下：光纤束入瞳奇偶级各20级，奇偶级之间错位重叠呈品字型排列，奇级或偶级子层均为4层，每个子层由n＝210元光纤紧密排列而成。光纤束出瞳呈210×160元排列。
为了使光纤束入瞳偶级均能置于入瞳配件上所开的槽内，我们需要开槽的数量为N＝20个；由于偶级均由4个子层光纤叠加而成，光纤直径为Φ＝20μm＝0.02mm，，为了保证各入瞳偶级能放入所开的槽中，开槽的高度为H＝(m*Φ+Φ)＝0.1mm，误差为±Φ，即±0.02mm，这就保证所开矩形槽至少能放入含4个子层的偶级光纤，最大误差也不会超过两层光纤。这样即使是在最大误差的情况下，奇偶两级重叠部分间隙最多为两层光纤厚度，即0.04mm，在可接受范围内；矩形槽长度为L＝n*Φ＝210*0.02＝4.2mm，误差为±0.05mm，这样就保证各入瞳偶级的210×4元光纤即使存在光纤间距误差时也能放入槽内，且误差大小不超过2元光纤；槽与槽之间的间距为D＝L+n*Φ-40*Φ-5*Φ＝7.5mm，误差为±0.1mm，这就保证了槽外奇级与槽内偶级重叠部分长度在20～26元光纤长度之间，使得各级之间重叠量比较均匀，同时不会出现级间未重叠情况。图4是光纤束配件开槽尺寸图。
本项目中我们共采用了两种方法制作光纤传像束，方法一是配件上不开槽，直接手工粘接各级成光纤束线列端；方法二就是利用本发明中的方法，在光纤束入瞳配件上开槽来辅助排列光纤传像束线列阵端。实验结果表明，方法一制成的光纤传像束出现级间重叠不均，端翘，级断裂，级间未重叠等现象。方法二所制成的光纤束如图5所示。从图中可以看出，经开槽后排列的光纤传像束入瞳端相对于使用传统方法排成的光纤束入瞳在质量上有了极大的提升，均未出现级间重叠不均，端翘，散片，级断裂，级间未重叠等情况。