利用散斑图像处理技术检测和定位环境扰动的多光纤二维阵列装置

摘要

一种利用多模光纤阵列检测分布方式扰动和定位(区域识别)扰动的系统，具体地说，本发明涉及有4×3(12)条多模光纤的二维阵列基散斑图形检测系统，用于检测多个区域中的扰动，所述多模光纤被电荷耦合器件(CCD)摄像机并行成像，并利用常规的图像处理硬件分析其散斑图形以测定扰动。

说明书

技术领域

一种利用多模光纤阵列检测分布方式扰动和定位(区域识别)扰动的系统。具体地说，本发明涉及有4×3(12)条多模光纤的二维阵列基散斑图形检测系统，用于检测多个区域中的扰动，所述多模光纤是由CCD(电荷耦合器件)进行并行成像，并利用常规的图像处理硬件分析其散斑图形以测定扰动。

背景技术

研究人员已尝试各种类型的环境扰动测量，这些扰动包括但不限于：位移，振动，压力，应力，应变，温度，侵入和声波等。散斑图形原理及其在检测环境扰动中的应用是众所周知的。分析多模光纤输出的散斑图形变化可用于获得有关光纤扰动的信息。在至今报告的所有情况中，利用单根多模光纤并分析单个散斑图形进行扰动检测。虽然光纤的分布检测能力可以覆盖很大的检测区域，但只能检测一个区域。所以，扰动的定位始终是个问题。

众所周知，多模光纤的输出散斑强度分布是受光纤扰动的影响，这种分布可用于检测。换句话说，若光纤状态因外来扰动而发生变化，则输出的散斑图形也发生变化。虽然预测散斑分布是困难的，但可以研究扰动因素与散斑强度分布之间的近似关系，从而可以测定光纤的扰动。

当多模光纤的输出投射到屏幕(例如，毛玻璃板)上时，可以观察到均匀的圆图形。若光是相干的，则该图形是十分颗粒状的，它是由具有平滑强度分布的大量不同强度散斑组成。这些散斑分布随时间的变化很慢，但总的圆图形强度基本保持恒定。这个图形对于光纤扰动(包括但不限于：位移，振动，压力，应力，应变，温度，侵入，声波等)非常敏感，该扰动产生各种模式的光程变化。若传输相干光的光纤受到扰动，则看到的散斑强度分布随扰动而变化，其中一些散斑变亮，另一些散斑变暗，而有些散斑没有发生变化。然而，由于总强度保持恒定，因此它不是强度调制传感器。

以前形式系统的使用如以下所述。多模光纤保持在分布方式检测的环境中，即，可以不加区分地同样检测光纤长度上扰动的变化。如上所述，光纤可以检测各种类型的环境扰动。CCD摄像机可以检测光纤纤芯末端在毛玻璃板上产生的散斑图形。CCD摄像机有安排成二维阵列形式的(电荷耦合)光电传感器阵列。每个光电检测单元仅检测图像帧中的一个像素。利用计算机中保留的图像采集硬件，可以俘获形成在CCD上的图像。通过散斑图形的图像处理，可以检测扰动的幅度。典型的图像处理要求是区分当前的散斑图像和早期存储的以前图像或参照图像。按照这种方法可以测量扰动的幅度。

以上检测扰动的方法似乎是很好的，除非我们认识到当前标准摄像机能够获得二维方向的768×574个图像。在实验研究这种散斑图像处理技术时，我们发现，由于没有实时处理硬件，这种实时散斑图像处理所描述的图像信息是非常大。后来，人们确认(Kulchin等人，Optical Eng.V.36，No.5，1997)，电视标准图像中包含普通多模光纤形成散斑图形的多余信息。可以按照如下公式计算散斑的平均大小(Svelto，1982)：

                       散斑的平均大小＝2R(λ/D)，

其中D是光源(光纤纤芯)的直径，R是光源与记录平面之间的距离，而λ是激光二极管的波长。

可以按照以下公式计算光纤在平面上形成的光场直径，该平面与光纤输出端之间的距离为R(1983，Synder & Love)：

                   光场直径＝2·NA·R，

其中NA是光纤的数值孔径。因此，可以按照以下公式计算散斑图形中明散斑和暗散斑的总数：

                   明散斑和暗散斑的总数＝(NA²·D²)/λ²

若利用参数为NA＝0.2和D＝50μm的标准多模光纤和激光二极管(λ＝0.6328μm)，则在圆图形中这种散斑的数目≈252。具有756×582个像素的标准CCD摄像机能够容易地检测影响散斑分布的扰动。最新的流水线或并行图像处理硬件允许实时的图像帧运算。这构成开发该装置的基础，借助于多模光纤阵列，该装置有更宽广的检测能力。

Spillman等人(Applied Optics，V.28，No.15，1989)主张利用统计模传感器(SMS)，它包括但不限于，侵入检测，结构振动检测，和声检测。在他们的传感器中，所有的图像(利用128×128光电二极管阵列)处理是在电子线路中发生的。仅在存储新像素到帧缓冲器之前，消除旧的像素数据，且旧的像素数据和新的像素数据都传输到运算电路。运算电路找出旧像素与新像素之差的绝对值。然后，累积整个帧中像素差的绝对值并进行归一化，得到出单个值。这单个值代表发生在俘获帧之间一段时间内发生的散斑图形变化量。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种能够同时检测多个区域中扰动的系统。

本发明的另一个目的是提供一种用于检测和定位环境扰动的多光纤二维阵列系统。

本发明的另一个目的是提供一种利用散斑图像处理技术检测扰动的多光纤二维阵列系统。

本发明的另一个目的是提供这样一种系统，其中检测模块包括：多光纤转接器(MFA)，漫射玻璃板和透镜组合，检测模块可以单独作为一个单元以及用作检测和定位分布方式扰动的检测系统。

本发明涉及一种利用多光纤二维阵列检测和定位(区域识别)分布方式扰动的系统，所述系统包括：一个或多个光源，一组多模光纤，多光纤转接器(MFA)，漫射玻璃板，透镜组合，电荷耦合器件(CCD)摄像机，和图像处理硬件。更具体地说，该系统的新颖性是利用由多光纤转接器(MFA)，漫射玻璃板和透镜组合构成的检测模块，检测模块可以单独作为一个单元以及用作检测和定位分布方式扰动的检测系统。

所以，本发明提供一种利用多模光纤二维阵列检测和定位(区域识别)分布方式扰动的系统，所述系统包括：源模块，一条或条个多模光纤，和接收机单元；接收机单元是由检测模块，电荷耦合器件(CCD)摄像机和图像处理单元构成。

在本发明的一个实施例中，该系统可用于检测选自各种参数的扰动，它包括但不限于：位移，振动，压力，应力，应变，侵入和声波。

在本发明的另一个实施例中，源模块包括：具有标准耦合光路和光纤引出线的12个激光二极管。

在本发明的另一个实施例中，激光二极管发射波长为0.6328μm的相干单色光。

在本发明的另一个实施例中，利用固定直径在50至125μm之间和数值孔径(NA)＝0.2的12条多模光纤。

在本发明的另一个实施例中，每个区域使用一条或多条多模光纤。

在本发明的另一个实施例中，使多模光纤穿过需要进行扰动检测的区域。

在本发明的一个实施例中，利用与多模光纤有相同技术规格的光纤引出线(多段光纤)，引导多模光纤的光信号到检测模块。

在本发明的一个实施例中，检测模块包括：多光纤转接器(MFA)，毛玻璃板和透镜组合。

在本发明的另一个实施例中，MFA有容纳12条多模光纤的装置。

在本发明的另一个实施例中，利用FC连接器的箍，使光纤固定到MFA上。

在本发明的另一个实施例中，光纤安排成MFA中的4×3阵列形式。

在本发明的另一个实施例中，光纤的抛光面在转接器的另一端是可见的。

在本发明的一个实施例中，MFA的另一端是有开孔的垂直平表面，用于发射从来自每个区域中12条多模光纤的光。

在本发明的另一个实施例中，开孔中心之间的距离为5mm。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板是这样放置的，每条光纤输出端产生的散斑图像形成在玻璃板上。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板放置在散斑图形的直径变成5mm处。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板放置在离数值孔径(NA)＝0.2的多模光纤末端为12.5mm处。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板是圆形玻璃板，其直径为32mm和厚度为2mm。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板是由硼硅酸盐冕玻璃制成，具体地说，它是由BK7光学玻璃制成。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板中的气泡和杂质是很低的，且其横截面小于0.029mm²/100cm³。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板平行度是1’弧度量级，其表面质量优于λ/2。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板的毛面是利用细颗粒金刚砂研磨成的。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板的毛面放置成面向摄像机的物镜。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板可以容纳形成的所有12个散斑图像。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板上形成的12个散斑图像直径为5mm，且这些图像在空间中按直线排列成正好互相接触，即，形成的散斑图形图像互相不重叠。

在本发明的另一个实施例中，散斑图像图形覆盖的视场(FOV)为20×15mm。

在本发明的另一个实施例中，透镜组合是多单元透镜。

在本发明的另一个实施例中，多单元透镜在CCD阵列上形成所有12个散斑图形图像的单个统一图像。

在本发明的另一个实施例中，多单元透镜的光学缩减因子为0.3。

在本发明的另一个实施例中，多单元透镜的工作距离为95mm。

在本发明的另一个实施例中，CCD摄像机同时检测所有12个区域的扰动。

在本发明的另一个实施例中，每个散斑对应于视场中一个区域。

在本发明的另一个实施例中，CCD摄像机的检测面积为6.4mm×4.8mm，有756×582个检测单元，和每个像素大小为8.6×8.3μm。

在本发明的一个实施例中，CCD摄像机的分辨率(在图像采集之后)为768×574个像素。

在本发明的另一个实施例中，图像处理单元数字化CCD摄像机的输出。

在本发明的另一个实施例中，分辨率为768×574像素中近似正方形像素的数字化提供各个191×191正方的散斑图形，它覆盖每个区域的圆散斑图形。

在本发明的另一个实施例中，物平面上的空间分辨率是26μm(分辨率为768×574)。

在本发明的另一个实施例中，各个颗粒的平均直径为≈300μm(每个散斑图形为5mm)。

此外，本发明提供一种用于检测环境扰动的多光纤二维阵列基系统，环境扰动包括但不限于：位移，振动，压力，应力，应变，温度，侵入和声波；所述系统包括：源模块，其中源模块是由一组激光二极管(LD)构成，分别馈送光到要求区域检测的范围内遍布的光纤，源模块连接到接收单元，接收单元是由检测模块，捕获散斑图像的标准CCD摄像机，和图像处理单元构成，利用需要进行扰动检测区域中遍布的一条或多条多模光纤分析来自不同区域的环境扰动。

在本发明的一个实施例中，源模块包括：波长为0.6328μm的12个激光二极管，和用于发射光进入每个区域光纤的常规发射装置。

在本发明的另一个实施例中，多模光纤的直径为125μm，其纤芯为50μm，和NA＝0.2，适用于在另一端(接收端)形成散斑图形。

在本发明的另一个实施例中，检测模块包括：多光纤转接器(MFA)，可以容纳对应于各个相关区域的光纤；放置在合适距离处的漫射玻璃板，散斑图像形成在该玻璃板上；和透镜组合，把玻璃板上形成的散斑图成像到CCD平面上。

在本发明的另一个实施例中，多光纤转接器(MFA)有放置4×3阵列形式的12条多模光纤的多个装置，其抛光面在转接器的另一端是可见的。

在本发明的另一个实施例中，圆形毛玻璃板放置在离光纤照射面合适的距离处，所述玻璃板是由硼硅酸盐冕玻璃制成，具体地说，它是由BK7玻璃制成，BK7玻璃有非常低的气泡和杂质，其横截面＜0.029mm²/100cm³，它是相对坚硬的玻璃，因此不容易被划伤。

在本发明的另一个实施例中，透镜组合的缩减因子为0.3，它把玻璃板上形成的12个散斑图形成像到CCD摄像机。

在本发明的一个实施例中，标准C型镜头座CCD摄像机是1/2”CCD摄像机，用于俘获由12个散斑图形组成的图像。

在本发明的另一个实施例中，图像处理单元提取扰动幅度和完成区域识别。

在本发明的另一个实施例中，源模块包括：有标准耦合光路和光纤引出线的12个激光二极管，用于发射单色光进入12条多模光纤。

在本发明的另一个实施例中，从源模块引出的光纤进入到扰动区域的范围，而光纤的另一端利用标准SMA连接器连接到接收单元。

在本发明的另一个实施例中，利用与多模光纤有相同技术规格的12段光纤(12条光纤引出线)引导光信号到检测模块，利用FC连接器的箍使光纤固定到多光纤转接器(MFA)，而MFA的另一端是有开孔的垂直平表面，用于发射来自扰动区域中12条多模光纤的光。

在本发明的另一个实施例中，形成的散斑图形是在每条光纤为中心的锥形空间，放置在合适距离处的毛玻璃板能够容纳在空间中按直线排列时正好互相接触的所有散斑，利用放置在合适距离处具有合适透镜的1/2”CCD摄像机，能够检测玻璃板上形成的图像，CCD摄像机的视频输出可以直接与计算机中保留的图像处理单元连接以便作进一步分析。

在本发明的另一个实施例中，多模光纤放置成其中心间隔为5mm以利用标准连接器，以及在空间发散之后的合适距离处形成12个散斑图形紧密接触组成的统一图像，设计的中心间隔保持在5mm，因此，在放置毛玻璃板的距离处没有两个散斑图形互相重叠，在距离为R平面处的光纤形成的光场直径为2·NA·R，其中NA是光纤的数值孔径。

在本发明的另一个实施例中，玻璃板放置在利用以上公式计算的每个散斑图形直径变成5mm的距离处，这个距离对于NA＝0.2的多模光纤为12.5mm。

在本发明的另一个实施例中，毛玻璃板是由直径为32mm和厚度为2mm的BK7玻璃制成，毛玻璃板的平行度为1’弧度量级，其表面质量优于λ/2，漫射面是利用细颗粒金刚砂研磨成的，并放置成面向摄像机物镜。

在本发明的另一个实施例中，CCD摄像机有多单元摄像机物镜，设计成与毛玻璃板的工作距离为95mm的1/2”CCD视场保持在20×15mm，以及1/2”CCD摄像机的光学缩减因子为0.3。

在本发明的另一个实施例中，要求的CCD摄像机分辨率是标准的768×574像素(在图像采集之后)，因为可以利用2R(λ/D)计算散斑的平均大小，其中D是光源(光纤纤芯)的直径，而R是光源与记录平面之间的距离，光场直径为2·NA·R，可以利用公式NA²·D²/λ²计算单个图形中明散斑和暗散斑的总数；若标准多模光纤的光学参数NA＝0.2，D＝50μm，和使用激光二极管(λ＝0.6328m)，则在单个圆图形中这种散斑的数目约为252。

在本发明的另一个实施例中，该系统的空间分辨率为26μm(视场20×15mm的分辨率为768×574)，而各个颗粒的平均直径为300μm(每个圆散斑图形的直径为5mm)，利用标准CCD摄像机可以容易地分辨。

在本发明的一个实施例中，分辨率为768×574的数字化图像对正方形中每个散斑图形提供12段191×191个像素，图像中的每段对于于一个区域，识别和测量散斑幅度以及处理扰动量化的散斑图形取决于用户的应用和要求。

在本发明的另一个实施例中，具有以上分辨率的标准CCD摄像机可以同时容易地检测12个区域的扰动，其中每个散斑对应于视场中的一个区域。

在本发明的另一个实施例中，三个这种装置可以与图像处理系统一起使用，使三个同时摄像机的视频信号数字化，从而使区域数目增大3倍。

在本发明的另一个实施例中，检测单元：多模光纤安排成最小为4×3形式，可以利用标准CCD摄像机采集12个区域的图像。

在本发明的另一个实施例中，分辨率是由光纤区的长度和布局确定的。

在本发明的另一个实施例中，该系统允许标准CCD摄像机作图像采集并允许并行和同时检测至少12个不同区域的扰动。

在本发明的一个实施例中，该系统允许同时检测许多不同的环境扰动参数，非常适合于利用单个装置监测和控制各种多路复用扰动因素。

在本发明的另一个实施例中，4×3条多模光纤的总视场为20×14mm，而12个圆散斑图形中每个散斑图形的分辨率为191×191个像素。

在本发明的另一个实施例中，此处给出的阵列单元数目为4×3＝12，通过进一步减小标准连接器物理限制的间隔和适当改变玻璃板的间隔，可以增大阵列单元的数目。

在本发明的另一个实施例中，可以同时利用多个检测模块以进一步增大区域的数目，通常利用三个这种检测模块获得三个同时视频信道可以实现区域数目的增大。

已经给出散斑图形检测环境扰动的原理，现在我们提供概要的系统设计，可以利用多光纤的二维阵列，使多模光纤具有分布检测能力。单根多模光纤可以在整个CCD图像上给出圆散斑图形，但是，如上所述，容纳单个散斑图形不需要整个图像。所以，此处给出的设计利用多模光纤的二维阵列(4×3＝12)，使散斑图像成像在毛玻璃板上。CCD摄像机对所有散斑图形的相关视场成像，数字化后成为单个768×574像素图像。按照这种方法，12个散斑图形形成在CCD阵列上，可以并行检测12个不同区域中不同多模光纤的检测扰动。分区制使(并行)检测扰动中增加一维，它有独立的分布检测能力。检测环境扰动的每个区域在计算机散斑图像上是可见的，其分辨率为191×191像素。借助于各种配置，这种分辨率足以检测导致12(4×3)个散斑图形变化的扰动。通过减小光纤的间隔，可以容易地增强这种方案。

源模块包括：12个激光二极管(LD)，馈送12条多模光纤用作场(区域)传感器。光纤在场中的分布是这样的，它可以检测不同区域中所要求的扰动。利用标准的SMA连接器，所有光纤的接收端终止于接收单元。接收单元引导每个区域光纤的光到由多光纤转接器(MFA)构成的检测模块。这个转接器有孔间隔(5mm)的12个开孔(4×3)，用于接受FC连接器的标准箍，来自所有这些连接器的光是从转接器的另一个表面上并行地得到的。检测模块还遮盖合适距离(12.5mm)处厚度为2mm的毛玻璃板，毛玻璃板的毛面上有准备成像的12条多模光纤的散斑图形。在此距离处，所有的图形是相同的直径(5mm)，它们之间正好互相接触形成20×15mm的视场。

圆形玻璃板上形成的散斑图像覆盖20×15mm的图像，其中12(4×3)个散斑图形互相接触，且每个散斑图形的直径为5mm。具有多单元透镜的透镜组合能够把所有的散斑图形作为单个统一图像成像到标准CCD摄像机的CCD阵列上。摄像机的透镜组合要求工作距离95mm的光学缩减因子为0.3，它适用于1/2”CCD阵列。监测器上观察到的CCD图像是完全的模拟形式。利用保留在计算机上的图像处理硬件/软件，数字化这个摄像机的输出，便于作进一步的处理和分析。使用的数字化是分辨率为768×574像素的近似正方形像素，它可以提供每个散斑图形为191×191正方形，该正方形覆盖每个区域的圆散斑图形。计算机中分辨率为768×574的数字化图像对于各个或组合图像处理有所有需要的区域图像(图像中的12段)。

该系统中的摄像机利用显微透镜对毛玻璃板上形成的散斑图形成像，毛玻璃板仅仅覆盖多条多模光纤的散斑阵列。毛玻璃板上散斑图像区域的视场FOV是20×15mm。利用这种装置，物平面上的空间分辨率是26μm(分辨率为768×574)，而各个颗粒的平均直径约为300μm(每个散斑图形的直径为5mm)，在此情况下它是容易分辨的。

如上所述，使用的摄像机是由1/2”CCD阵列构成，它的检测面积是6.4mm×4.8mm，有756×582个检测单元，和每个像素大小为8.6×8.3μm。利用导致光学缩减因子为0.3的显微透镜，在计算机或TV监视器上可以观察到12个散斑图形。此外，利用图像采集硬件/软件，数字化该图像成合适的大小，例如，768×574，对每个散斑图形提供191×191个像素，便于作进一步的处理。利用对应于每条多模光纤的每个散斑图形，因此，可以识别每个受扰动的散斑，根据要求通过并行或按序分析所有的图形，可以定位每个扰动。然而，这种定位的分辨率是受识别哪条光纤受到扰动的范围限制。

传感器的特性和可以使用的场合如以下所述：

a)一种用于检测分布方式环境扰动(它包括但不限于：位移，振动，压力，应力，应变，温度，侵入，声波等)的系统，还可利用散斑图像处理技术，在容易识别的多个区域中进行检测。

b)一种请求保护的系统，其中检测单元是安排成最小为4×3形式的多模光纤，可以利用标准CCD摄像机对12个区域进行图像采集。

c)一种利用多模光纤阵列检测分布方式扰动的系统，该系统可以定位(区域识别)扰动，其分辨率是由光纤区长度和布局确定。

d)一种可以利用标准CCD摄像机进行图像采集的系统，并可以并行和同时进行至少12个不同区域的环境检测。

e)一种可以同时检测许多不同环境扰动参数的系统，它非常适合于利用单个装置监测和控制各种多路复用扰动因素。

f)一种具有4×3条多模光纤和总视场为20×14mm的系统。

g)一种对于12个圆散斑图形中的每个图形具有分辨率为191×191个像素的系统。

h)此处给出的阵列单元数目为4×3＝12。通过进一步减小标准连接器物理限制的间隔和适当改变玻璃板的间隔，可以增大阵列单元的数目。

i)可以同时利用多个检测模块以增大区域数目。利用三个这种检测模块通常获得三个同时视频信道，可以实现区域数目的增大。

附图说明

在以下说明书的附图中，

图1表示系统的整体方框图。

图2表示检测模块及其不同部分的顶视图，侧视图和剖面图。

图3表示多光纤转接器(MFA)的设计。

图4表示描述12根多模光纤的12个圆形散斑的图像帧。

在以下给出的例子中对本发明作详细的描述，这些例子是为了便于说明，而绝不应当看成是对本发明的限制。

例1

在实验测试中，利用12条多模光纤的二维阵列，并把它插入到MFA。所用光纤的技术规格是：NA＝0.2，50/125μ，紧包缓冲层光纤，0.9mm。激光二极管(λ＝0.6328μm)用于照射所有12条光纤。形成的图像投射到毛玻璃板上。如图1所示，利用具有上述技术规格的4×3多模光纤传感器的二维阵列，摄像机，以及有图像处理系统的计算机装置。利用平均绝对散斑强度变化方法，检测振动或动态状态，其中从当前状态的散斑图形中减去初始状态的散斑图形。这种检测技术检测更新的散斑图形与参照散斑图形之间的平均绝对散斑强度变化，从而确定环境扰动因素。然后，对减去图形的总强度积分，它可用于推导出外来扰动。Kun Pan等人(Applied Optics，V.33，No.10，1994)已报告利用这个方法确定亚微米位移和温度测量结果。

在本申请中，利用实时图像处理设备，该设备具有产生两个帧之间绝对差之和的处理能力。此处，两个帧是当前帧和当前帧之前的一帧。结果表明，不同光纤中的扰动是以压力形式加到各个多模光纤传感器上。在没有压力的条件下，对于所有的情况，图像差几乎呈现黑图形。在受压力的光纤传感器情况下，每个散斑的积分值展示非零值的高扰动。由于传感器的阵列结构，扰动光纤的定位是可能的。

例2

所建议的系统也可用于侵入检测的安全系统。虽然检测闯入者是这种系统的基本要求，但闯入者的定位或大致的区域识别是同样重要的。

例3

利用多个这种检测模块(通常是3个)，每个检测模块有一个视频信道，由于这些信道的同时采集在许多图像处理系统中是可行的，因此，可以实现进一步的定位(即，更多的分区)。

本发明的优点

可以同时使用多个检测模块以增大区域的数目。

利用三个同时视频信道，就可以同时运行三个检测模块，从而使区域数目增大到36个。

此处给出的阵列单元数目是4×3＝12m，通过减小标准连接器的物理限制间隔和适当地改变玻璃板的间隔，可以进一步增大单元数目。

对于足以确定扰动力的12个圆散斑图形中的每个图形，该装置给出191×191的像素分辨率。

该装置可以同时检测许多不同的环境扰动参数。

该装置适合于利用单个装置监测和控制各种多路复用扰动因素。

该装置可以利用标准CCD摄像机作图像采集，还可以并行和同时检测至少12个区域的环境扰动。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.一种利用多模光纤的二维阵列检测和定位(区域识别)分布方式扰动的系统，其特征是，利用检测模块中的二维多光纤转接器(MFA)，其中所述系统包括：源模块，穿过需要进行扰动检测的区域中一条或多条多模光纤，和接收模块；该接收模块是由检测模块，电荷耦合器件(CCD)摄像机和图像处理单元构成。

2.按照权利要求1的系统，其中该系统可用于检测选自各种参数的扰动，它包括：位移，振动，压力，应力，应变，侵入和声波。

3.按照权利要求1的系统，其中源模块包括：具有标准耦合光路和光纤引出线的12个激光二极管。

4.按照权利要求3的系统，其中激光二极管发射波长为0.6328μm的相干单色光。

5.按照权利要求1的系统，其中利用固定直径在50至125μm之间和数值孔径(NA)＝0.2的12条多模光纤。

6.按照权利要求1的系统，其中每个区域使用一条或多条多模光纤。

7.按照权利要求1的系统，其中使多模光纤穿过需要进行扰动检测的区域。

8.按照权利要求1的系统，其中利用与多模光纤有相同技术规格的光纤引出线(多段光纤)，引导多模光纤的光信号到检测模块。

9.按照权利要求1的系统，其中检测模块包括：多光纤转接器(MFA)，毛玻璃板，和透镜组合。

10.按照权利要求9的系统，其中MFA有容纳12条多模光纤的装置。

11.按照权利要求9的系统，其中利用FC连接器的箍，使光纤固定到MFA上。

12.按照权利要求9的系统，其中光纤安排成MFA中的4×3阵列形式。

13.按照权利要求9的系统，其中光纤的抛光面在转接器的另一端是可见的。

14.按照权利要求9的系统，其中MFA的另一端是有开孔的垂直平表面，用于发射来自每个区域中12条多模光纤的光。

15.按照权利要求14的系统，其中开孔中心之间的距离为5mm。

16.按照权利要求9的系统，其中玻璃板是这样放置的，每条光纤输出端产生的散斑图像形成在玻璃板上。

17.按照权利要求9的系统，其中玻璃板放置在散斑图形的直径变成5mm处。

18.按照权利要求9的系统，其中玻璃板放置在离数值孔径(NA)＝0.2的多模光纤末端为12.5mm处。

19.按照权利要求9的系统，其中玻璃板是圆形玻璃板，其直径为32mm和厚度为2mm。

20.按照权利要求9的系统，其中玻璃板是由硼硅酸盐冕玻璃制成，精确地说，它是由BK7光学玻璃制成。

21.按照权利要求9的系统，其中玻璃板中的气泡和杂质是很低的，且其横截面小于0.029mm²/100cm³。

22.按照权利要求9的系统，其中玻璃板平行度是1’弧度量级，其表面质量优于λ/2。

23.按照权利要求9的系统，其中玻璃板的毛面是利用细颗粒金刚砂研磨成的。

24.按照权利要求9的系统，其中玻璃板的毛面放置成面向摄像机的物镜。

25.按照权利要求9的系统，其中玻璃板可以容纳形成的所有12个散斑图像。

26.按照权利要求25的系统，其中玻璃板上形成的12个散斑图像的直径为5mm，且这些图像在空间中按直线排列成正好互相接触。

27.按照权利要求25的系统，其中形成的散斑图形是以每条光纤为中心的锥形。

28.按照权利要求25的系统，其中在形成的散斑图形图像互相不重叠。

29.按照权利要求25的系统，其中散斑图像图形覆盖的视场(FOV)为20×15mm。

30.按照权利要求9的系统，其中透镜组合是多单元透镜。

31.按照权利要求30的系统，其中多单元透镜在CCD阵列上形成所有12个散斑图形图像的单个统一图像。

32.按照权利要求30的系统，其中多单元透镜的光学缩减因子为0.3。

33.按照权利要求1的系统，其中CCD摄像机同时检测所有12个区域的扰动。

34.按照权利要求25的系统，其中每个散斑对应于视场中一个区域。

35.按照权利要求1的系统，其中CCD摄像机的检测面积为6.4mm×4.8mm，有756×582个检测单元，和每个像素大小为8.6×8.3μm。

36.按照权利要求1的系统，其中CCD摄像机放置在离玻璃板95mm处。

37.按照权利要求1的系统，其中CCD摄像机的分辨率(在图像采集之后)为768×574个像素。

38.按照权利要求1的系统，其中监测器上观察到的CCD图像是完全的模拟形式。

39.按照权利要求1的系统，其中图像处理单元数字化CCD摄像机的输出。

40.按照权利要求40的系统，其中分辨率为768×574像素中近似正方形像素的数字化提供各个191×191正方的散斑图形，它覆盖每个区域的圆散斑图形。

41. 按照权利要求1的系统，其中物平面上的空间分辨率是26μm(分辨率为768×574)。

42.按照权利要求1的系统，其中各个颗粒的平均直径为≈300μm(每个散板图形为5mm)。

43.一种利用多模光纤二维阵列用于检测环境扰动的多光纤二维阵列基系统，环境扰动包括但不限于：位移，振动，压力，应力，应变，温度，侵入和声波；所述系统包括：源模块，其中源模块是由一组激光二极管(LD)构成，分别馈送光到要求区域检测的范围内遍布的光纤，源模块连接到接收单元，接收单元是由特征为具有二维多光纤转接器(MFA)的检测模块，捕获散斑图像的标准CCD摄像机，和图像处理单元构成，利用需要进行扰动检测区域中遍布的一条或多条多模光纤分析来自不同区域的环境扰动。

44.按照权利要求43的系统，其中源模块包括：波长为0.6328μm的12个激光二极管，和用于发射光进入每个区域光纤的常规发射装置。

45.按照权利要求43的系统，其中多模光纤的直径是在50m至125μm的范围内，和NA＝0.2，适用于在另一端(接收端)形成散斑图形。

46.按照权利要求43的系统，其中检测模块包括：多光纤转接器(MFA)，可以容纳对应于各个相关区域的光纤；放置在合适距离处的漫射玻璃板，散斑图像形成在该玻璃板上；和透镜组合，把玻璃板上形成的散斑图成像到CCD平面上。

47.按照权利要求46的系统，其中多光纤转接器(MFA)有放置4×3阵列形式的12条多模光纤的多个装置，其抛光面在转接器的另一端是可见的。

48.按照权利要求46的系统，其中圆形毛玻璃板放置在离光纤照射面合适的距离处，所述玻璃板是由硼硅酸盐冕玻璃制成，具体地说，它是由BK7玻璃制成，BK7玻璃有非常低的气泡和杂质，其横截面＜0.029mm²/100cm³，它是相对坚硬的玻璃，因此不容易被划伤。

49.按照权利要求46的系统，其中透镜组合的缩减因子为0.3，它把玻璃板上形成的12个散斑图形成像到CCD摄像机。

50.按照权利要求46的系统，其中标准C型镜头座CCD摄像机是1/2”CCD摄像机，用于俘获由12个散斑图形组成的图像。

51.按照权利要求44的系统，其中图像处理单元提取扰动幅度和完成区域识别。

52.按照权利要求43的系统，其中源模块包括：有标准耦合光路和光纤引出线的12个激光二极管，用于发射单色光进入12条多模光纤。

53.按照权利要求43的系统，其中从源模块引出的光纤进入到扰动区域的范围，而光纤的另一端利用标准SMA连接器连接到接收单元。

54.按照权利要求43的系统，其中利用与多模光纤有相同技术规格的12段光纤(12条光纤引出线)引导光信号到检测模块，利用FC连接器的箍使光纤固定到多光纤转接器(MFA)，而MFA的另一端是有开孔的垂直平表面，用于发射来自扰动区域中12条多模光纤的光。

55.按照权利要求43的系统，其中形成的散斑图形是在每条光纤为中心的锥形空间，放置在合适距离处的毛玻璃板能够容纳在空间中按直线排列时正好互相接触的所有散斑，利用放置在合适距离处具有合适透镜的1/2”CCD摄像机，能够检测玻璃板上形成的图像，CCD摄像机的视频输出可以直接与计算机中保留的图像处理单元连接以便作进一步分析。

56.按照权利要求43的系统，其中多模光纤放置成其中心间隔为5mm以利用标准连接器，以及在空间发散之后的合适距离处形成12个散斑图形紧密接触组成的统一图像，设计的中心间隔保持在5mm，因此，在放置毛玻璃板的距离处没有两个散斑图形互相重叠，在距离为R平面处的光纤形成的光场直径为2·NA·R，其中NA是光纤的数值孔径。

57.按照权利要求43的系统，其中玻璃板放置在利用以上公式计算的每个散斑图形直径变成5mm的距离处，这个距离对于NA＝0.2的多模光纤为12.5mm。

58.按照权利要求46的系统，其中毛玻璃板是由直径为32mm和厚度为2mm的BK7玻璃制成，毛玻璃板的平行度为1’弧度量级，其表面质量优于λ/2，漫射面是利用细颗粒金刚砂研磨成的，并放置成面向摄像机的物镜。

59.按照权利要求43的系统，其中CCD摄像机有多单元摄像机的物镜，设计成与毛玻璃板的工作距离为95mm的1/2”CCD视场保持在20×15mm，以及1/2”CCD摄像机的光学缩减因子为0.3。

60.按照权利要求44的系统，其中要求的CCD摄像机分辨率是标准的768×574像素(在图像采集之后)，因为可以利用2R(λ/D)计算散斑的平均大小，其中D是光源(光纤纤芯)的直径，而R是光源与记录平面之间的距离，光场直径为2·NA·R，可以利用公式NA²·D²/λ²计算单个图形中明散斑和暗散斑的总数；若标准多模光纤的光学参数NA＝0.2，D＝50μm，和使用激光二极管(λ＝0.6328μm)，则在单个圆图形中这种散斑的数目约为252。

61.按照权利要求43的系统，其中该系统的空间分辨率为26μm(视场20×15mm的分辨率为768×574)，而各个颗粒的平均直径为300μm(每个圆散斑图形的直径为5mm)，利用标准CCD摄像机可以容易地分辨。

62.按照权利要求43的系统，其中分辨率为768×574的数字化图像对正方形中每个散斑图形提供12段191×191个像素，图像中的每段对于于一个区域，识别和测量散斑幅度以及处理扰动量化的散斑图形取决于用户的应用和要求。

63.按照权利要求43的系统，其中具有以上分辨率的标准CCD摄像机可以同时容易地检测12个区域的扰动，其中每个散斑对应于视场中的一个区域。

64.按照权利要求43的系统，其中三个这种装置可以与图像处理系统一起使用，使三个同时摄像机的视频信号数字化，从而使区域数目增大3倍。

65.按照权利要求43的系统，其中检测单元：多模光纤安排成最小为4×3形式，可以利用标准CCD摄像机采集12个区域的图像。

66.按照权利要求43的系统，其中分辨率是由光纤区的长度和布局确定的。

67.按照权利要求43的系统，其中该系统允许标准CCD摄像机作图像采集并允许并行和同时检测至少12个不同区域的扰动。

68.按照权利要求43的系统，其中该系统允许同时检测许多不同的环境扰动参数，非常适合于利用单个装置监测和控制各种多路复用扰动因素。

69.按照权利要求43的系统，其中4×3条多模光纤的总视场为20×14mm，而12个圆散斑图形中每个散斑图形的分辨率为191×191个像素。

70.按照权利要求43的系统，其中此处给出的阵列单元数目为4×3＝12，通过进一步减小标准连接器物理限制的间隔和适当改变玻璃板的间隔，可以增大阵列单元的数目。

71.按照权利要求43的系统，其中可以同时利用多个检测模块以进一步增大区域的数目，利用从三个这种检测模块能够获得三个同时视频信道的图像处理单元可以实现区域数目的增大。