基于图像处理的光子晶体光纤截面结构重建及色散研究

摘要

随着光子晶体光纤的发展和研究，拥有特殊结构和灵活性特性的光子晶体光纤应用越来越广泛，精确测量光子晶体光纤的性能成为了研究重点。针对实际光子晶体光纤由于结构不规则难以进行数值分析的缺点，本文基于图像处理算法对光子晶体光纤扫描电镜截面图像进行处理，并在此基础上提取出光纤的几何结构作为测量其特性的模型，然后在COMSOL Mutilphysics软件上利用重建的几何结构模型结合光子晶体光纤的有限元数值分析方法对其色散数值模拟，提高了光子晶体光纤光学特性的评价准确真实性。
　　本文的主要工作是利用图像处理算法对光子晶体光纤进行几何结构重建，实现精确建模的关键是对光纤截面图像的识别和精确提取。首先对PCF截面图像采用中值滤波和阈值分割等图像处理方法进行伪信息预处理，选用经典Canny算子检测寻找其边缘，然后利用改进亚像素算法筛选出精确的边缘信息，精确定位PCF截面图像的结构边缘;其次利用基于RANSAC算法改进的最小二乘法对图像的特征点进行拟合操作，即用随机抽样法对已提取的图像特征点筛选，剔除几何结构模型中误差较大的特征点后，再使用最小二乘法对筛选后的特征点进行拟合操作，对提取的几何特征拟合出最优几何—椭圆;最后在基于霍夫曼变换的基础上，引入了同心圆椭圆检测算法，利用上述算法能够对截面结构进行很好的识别及提取，建立起最优光纤模型。
　　利用已经得到了PCF截面的重构模型，在COMSOL Mutilphysics软件平台上结合光子晶体光纤的有限元数值分析法进行色散数值模拟，并对计算结果进行误差分析。用这种方法，本文重建了一种实际光子晶体光纤产品的扫描电镜截面图像的结构和分析了其色散性质，数据计算结果符合产品参数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光子晶体光纤简介

1．2 光子晶体色散光纤特性

1．3 光子晶体光纤的研究背景

1．4 PCF截面图像结构几何重建的研究

1．5 论文的研究工作和结构安排

第二章 光子晶体光纤截面图像的预处理算法

2．1 图像处理中的基本概念

2．2 PCF图像预处理

2．2．1 图像放大原理

2．2．2 中值滤波去噪

2．2．3 Otus算法二值化

2．2．4 预处理流程图

2．3 本章小结

第三章 PCF截面图像亚像素级边缘检测

3．1 基于Canny算子的边缘图像提取

3．1．1 平滑图像边缘

3．1．2 Canny边缘算子及实现步骤

3．1．3 边缘跟踪标记

3．2 PCF截面图像亚像素级边缘提取

3．2．1 Zernike矩的不变性

3．2．2 改进的Zernike矩的亚像素边缘提取原理

3．2．3 7×7模板设计

3．3 实验结果和分析

3．3．1 实验步骤流程图

3．3．2 实验结果及分析

3．4 本章小结

第四章 改进的基于Hough变换的椭圆检测算法

4．1 Hough变换原理

4．2 改进的基于Hough变换的同心圆椭圆检测算法

4．2．1 RANSAC算法原理

4．2．2 改进的最小二乘拟合算法

4．2．3 改进的基于Hough变换的椭圆检测原理

4．2．4 椭圆检测算法的步骤

4．3 实验结果与分析

4．4 本章小结

第五章 PCF截面图像几何结构重建及色散特性模拟

5．1 光子晶体光纤数值计算分析理论

5．1．1 数值分析方法概述

5．1．2 有限元法的基本计算步骤

5．1．3 有限元分析软件Comsol Multiphysics

5．2 光子晶体光纤的数值模拟的COMSOL实现

5．2．1 模拟实现及后处理

5．2．2 色散特性

5．2．3 误差分析

5．3 本章小结

第六章 总结和展望

参考文献

发表论文情况和参加科研情况说明

致谢