本發(fā)明涉及精密光學(xué)望遠(yuǎn)鏡儀器領(lǐng)域，特別涉及一種多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)及其天文標(biāo)定、應(yīng)用方法。

背景技術(shù)：

1、大規(guī)模光譜巡天觀測(cè)正在深刻地改變我們對(duì)宇宙和星系形成與演化的理解，海量光譜數(shù)據(jù)有力推動(dòng)了在暗物質(zhì)、暗能量等領(lǐng)域的突破發(fā)現(xiàn)，凸顯了大規(guī)模光譜巡天的重要性。多目標(biāo)光纖光譜望遠(yuǎn)鏡的焦面光纖系統(tǒng)可以將觀測(cè)光纖精確指向觀測(cè)天體，然后光纖將來自遙遠(yuǎn)天體的星光送入光譜儀進(jìn)行光譜分析。光纖定位精度直接決定了光纖接收星光的光通量大小。

2、以郭守敬望遠(yuǎn)鏡（英文簡(jiǎn)稱lamost）為例，它是一架新類型的大視場(chǎng)兼?zhèn)浯罂趶酵h(yuǎn)鏡。lamost采用了并行可控的光纖定位技術(shù)，直徑為1.75米的焦面板上放置4000根光纖，可同時(shí)獲得4000個(gè)天體的光譜。為了保證觀測(cè)光纖的精準(zhǔn)定位，光纖定位系統(tǒng)采用初始盲動(dòng)和多次位置補(bǔ)償?shù)姆绞酵瓿晒饫w定位。光纖初始盲動(dòng)后相機(jī)拍照測(cè)量得到光纖的實(shí)際位置，然后將定位誤差反饋給上位機(jī)作為下一輪補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)的步數(shù)。因此，相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的性能直接影響光纖定位精度。

3、視覺測(cè)量系統(tǒng)的首先和最重要的一步是相機(jī)標(biāo)定。標(biāo)定精度越高，視覺測(cè)量系統(tǒng)的精度也越高。目前主流方法是在焦面板上安裝大量的基準(zhǔn)光纖作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)來標(biāo)定相機(jī)，而基準(zhǔn)光纖的坐標(biāo)通常是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境或者望遠(yuǎn)鏡現(xiàn)場(chǎng)通過坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器得到。例如，lamost采用的基準(zhǔn)光纖單元，其頂部可以激光跟蹤儀的靶球，通過激光跟蹤儀測(cè)量靶球的三維坐標(biāo)獲得基準(zhǔn)光纖的坐標(biāo)。理論上，認(rèn)為靶球和基準(zhǔn)光纖頂部的靶球座中心是重合的，那么靶球的坐標(biāo)可以近似為基準(zhǔn)光纖的坐標(biāo)。然而，基準(zhǔn)光纖和靶球座會(huì)存在一定的裝配誤差，并且難以補(bǔ)償。此外，激光跟蹤儀測(cè)量系統(tǒng)中還存在較大的角度誤差，在大尺度空間測(cè)量中難以滿足精度要求，這些因素都導(dǎo)致難以在焦面布置高精度基準(zhǔn)光纖。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)及其天文標(biāo)定、應(yīng)用方法。進(jìn)一步設(shè)計(jì)一種天區(qū)基準(zhǔn)單元，然后通過對(duì)星觀測(cè)反向計(jì)算得到基準(zhǔn)光纖在天區(qū)坐標(biāo)系下的精確坐標(biāo)。

2、本發(fā)明提出一種多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)，多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)包括光纖檢測(cè)相機(jī)，焦面板，多個(gè)光纖定位單元以及多個(gè)天區(qū)基準(zhǔn)單元；所述天區(qū)基準(zhǔn)單元包括ccd圖像傳感器、基準(zhǔn)光纖、恒溫模塊、光源模塊、硬件主板、單元盒、單元支撐桿；ccd圖像傳感器安裝在單元盒內(nèi)；基準(zhǔn)光纖安裝在ccd圖像傳感器的周圍，且基準(zhǔn)光纖的尖端與ccd圖像傳感器的平面重合；光源模塊為基準(zhǔn)光纖提供入射光；恒溫模塊為ccd圖像傳感器提供恒定環(huán)境溫度；硬件主板用于控制ccd圖像傳感器、光源模塊以及恒溫模塊的工作模式；單元盒連接到單元支撐桿；

3、其中，光纖檢測(cè)相機(jī)用于光纖定位單元的運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知；焦面板上加工有陣列分布的孔，用于安裝光纖定位單元和天區(qū)基準(zhǔn)單元；天區(qū)基準(zhǔn)單元通過觀測(cè)天區(qū)的星像得到基準(zhǔn)光纖在天區(qū)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置；基準(zhǔn)光纖作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)被光纖檢測(cè)相機(jī)捕捉；每個(gè)光纖定位單元均攜帶有觀測(cè)光纖，觀測(cè)光纖定位在焦面指定位置用于接收目標(biāo)天體的星光；單元支撐桿插入焦面板的孔中。

4、本發(fā)明還提出一種上述多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)的天文標(biāo)定方法，所述方法包括以下步驟：

5、步驟（1）從多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)中取下待標(biāo)定天區(qū)基準(zhǔn)單元的單元盒，然后將一塊刻蝕多個(gè)可透光針孔的玻璃掩膜板平行放在ccd圖像傳感器的正上方；

6、步驟（2）單元盒被固定在萬能工具顯微鏡的工作臺(tái)上，用一個(gè)遠(yuǎn)心平行光源垂直向下照射玻璃掩膜板，平行光穿過針孔后形成多個(gè)圓形光斑被ccd圖像傳感器接收到，采用質(zhì)心算法處理光斑圖像得到各個(gè)光斑中心的像素坐標(biāo)；結(jié)合像素元的物理尺寸，將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以毫米單位的ccd圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，其中，是針孔的序號(hào)；

7、步驟（3）打開萬能工具顯微鏡的光源，移走遠(yuǎn)心平行光源；將顯微鏡探頭逐個(gè)對(duì)準(zhǔn)玻璃掩膜板上的針孔和基準(zhǔn)光纖，分別得到工具顯微鏡坐標(biāo)系下各個(gè)針孔的坐標(biāo)和基準(zhǔn)光纖尖端的坐標(biāo)，其中，是基準(zhǔn)光纖的序號(hào)；

8、步驟（4）根據(jù)針孔在工具顯微鏡坐標(biāo)系和ccd圖像坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)和，計(jì)算得到ccd圖像坐標(biāo)系和工具顯微鏡坐標(biāo)系的變換矩陣；再將各個(gè)基準(zhǔn)光纖尖端的坐標(biāo)乘以矩陣獲得其在ccd圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，標(biāo)定得到基準(zhǔn)光纖和ccd圖像傳感器的相對(duì)位置。

9、本發(fā)明還提出一種上述多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用方法，所述方法包括以下步驟：

10、步驟（1）一定數(shù)量的天區(qū)基準(zhǔn)單元被均勻安裝在多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)的焦面板上，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡指向觀測(cè)天區(qū)，天體星像經(jīng)望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)射入天區(qū)基準(zhǔn)單元的ccd圖像傳感器上，ccd圖像傳感器采集到天體星像光斑后上傳主控計(jì)算機(jī)；

11、步驟（2）主控計(jì)算機(jī)對(duì)第m個(gè)天區(qū)基準(zhǔn)單元采集到的星像光斑進(jìn)行處理和分析，分別得到星像光斑的質(zhì)心在ccd圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)和天區(qū)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，計(jì)算ccd圖像坐標(biāo)系和天區(qū)坐標(biāo)系的變換矩陣，然后，基于二維坐標(biāo)變換計(jì)算出基準(zhǔn)光纖在天區(qū)坐標(biāo)系下的二維坐標(biāo)，其中m是天區(qū)基準(zhǔn)單元的序號(hào)，k是第m個(gè)天區(qū)基準(zhǔn)單元采集星像光斑的序號(hào)，n是第m個(gè)天區(qū)基準(zhǔn)單元內(nèi)基準(zhǔn)光纖的序號(hào)；

12、步驟（3）打開光纖檢測(cè)相機(jī)，調(diào)整鏡頭對(duì)焦環(huán)使其焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡的焦面，直到焦面圖像的清晰度達(dá)到最高，然后，一塊標(biāo)定板被放在鏡頭景深外靠近光纖檢測(cè)相機(jī)一側(cè)的位置，標(biāo)定板占據(jù)整個(gè)圖像幅面，光纖檢測(cè)相機(jī)捕捉到標(biāo)定板的離焦圖像標(biāo)定出光纖檢測(cè)相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，得到像差系數(shù)、主點(diǎn)坐標(biāo)和等效焦距；

13、步驟（4）打開光纖背照光源，光被傳輸?shù)接^測(cè)光纖和基準(zhǔn)光纖的尖端形成光點(diǎn)，光纖檢測(cè)相機(jī)朝向焦面板拍照得到整個(gè)焦面的光點(diǎn)圖像，采用質(zhì)心算法處理焦面圖像得到所有光點(diǎn)的像素坐標(biāo)，根據(jù)基準(zhǔn)光纖的天區(qū)坐標(biāo)和像素坐標(biāo)計(jì)算相機(jī)外參，即光纖檢測(cè)相機(jī)坐標(biāo)系和焦面坐標(biāo)系的三維空間剛體變換矩陣，接下來，望遠(yuǎn)鏡進(jìn)入觀測(cè)模式，光纖定位單元根據(jù)預(yù)先分配的目標(biāo)位置在焦面做定位運(yùn)動(dòng)，標(biāo)定后的光纖檢測(cè)相機(jī)測(cè)量出光纖定位單元每次運(yùn)動(dòng)后的坐標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)理論坐標(biāo)計(jì)算出位置誤差后送入計(jì)算機(jī)作為下一輪位置校正的電機(jī)步數(shù)，直到觀測(cè)光纖到達(dá)指定位置處。

14、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：通用的大尺度坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器在測(cè)量光纖位置中會(huì)存在的各種裝配誤差，這導(dǎo)致了測(cè)量精度難以滿足設(shè)計(jì)要求。本發(fā)明提出的天區(qū)基準(zhǔn)單元是通過對(duì)星觀測(cè)反向計(jì)算基準(zhǔn)光纖在天區(qū)坐標(biāo)系下的精確坐標(biāo)，天區(qū)星表的位置精度可以達(dá)到微米數(shù)量級(jí)，這是目前坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器難以達(dá)到的高精度。因此，天區(qū)基準(zhǔn)單元可以在焦面上建立高精度測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，用于標(biāo)定光纖檢測(cè)相機(jī)，保證了望遠(yuǎn)鏡焦面光纖系統(tǒng)的觀測(cè)性能。

技術(shù)特征：

1.一種多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)包括光纖檢測(cè)相機(jī)，焦面板，多個(gè)光纖定位單元以及多個(gè)天區(qū)基準(zhǔn)單元；所述天區(qū)基準(zhǔn)單元包括ccd圖像傳感器、基準(zhǔn)光纖、恒溫模塊、光源模塊、硬件主板、單元盒、單元支撐桿；ccd圖像傳感器安裝在單元盒內(nèi)；基準(zhǔn)光纖安裝在ccd圖像傳感器的周圍，且基準(zhǔn)光纖的尖端與ccd圖像傳感器的平面重合；光源模塊為基準(zhǔn)光纖提供入射光；恒溫模塊為ccd圖像傳感器提供恒定環(huán)境溫度；硬件主板用于控制ccd圖像傳感器、光源模塊以及恒溫模塊的工作模式；單元盒連接到單元支撐桿；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)天區(qū)基準(zhǔn)單元中的基準(zhǔn)光纖的數(shù)量大于3根，基準(zhǔn)光纖插入在單元盒頂部的孔里，采用螺釘或者膠水固定。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，ccd圖像傳感器從單元盒前面的孔中露出，單元盒的后側(cè)與單元支撐桿相連，單元盒后側(cè)加工有螺紋孔，單元支撐桿采用螺紋連接單元盒后側(cè)，單元支撐桿的長(zhǎng)度能夠調(diào)整。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，恒溫模塊采用雙層半導(dǎo)體制冷，恒溫模塊通過螺紋連接安裝在單元盒底部與ccd圖像傳感器之間。

5.一種權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)的天文標(biāo)定方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

6.一種權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多目標(biāo)光纖定位檢測(cè)系統(tǒng)及其天文標(biāo)定、應(yīng)用方法，屬于精密光學(xué)望遠(yuǎn)鏡儀器領(lǐng)域。系統(tǒng)包括光纖檢測(cè)相機(jī)、焦面板、光纖定位單元以及天區(qū)基準(zhǔn)單元；天區(qū)基準(zhǔn)單元通過觀測(cè)天區(qū)的星像得到基準(zhǔn)光纖在天區(qū)坐標(biāo)系下的位置坐標(biāo)，天區(qū)基準(zhǔn)單元包括CCD圖像傳感器、基準(zhǔn)光纖、恒溫模塊、光源模塊、硬件主板、單元盒、單元支撐桿；還提出一種天文標(biāo)定方法，將刻蝕針孔的玻璃掩膜板平行放在CCD圖像傳感器正上方，利用針孔在平行光下的投影標(biāo)定出基準(zhǔn)光纖在CCD圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。還提出一種應(yīng)用方法，通過對(duì)星觀測(cè)反向計(jì)算基準(zhǔn)光纖在天區(qū)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。本發(fā)明可在焦面板布置高精度基準(zhǔn)光纖，有效提高天文望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：翟超,張振,顧永剛,陳桂峰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/21