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)模光譜巡天觀測正在深刻地改變我們對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)可以將觀測光纖精確指向觀測天體，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（英文簡稱lamost）為例，它是一架新類型的大視場兼?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)測量系統(tǒng)的性能直接影響光纖定位精度。

3、視覺測量系統(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)場通過坐標(biāo)測量儀器得到。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，激光跟蹤儀測量系統(tǒng)中還存在較大的角度誤差，在大尺度空間測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，然后通過對星觀測反向計(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)光纖定位檢測系統(tǒng)，多目標(biāo)光纖定位檢測系統(tǒng)包括光纖檢測相機(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，光纖檢測相機(jī)用于光纖定位單元的運(yùn)動(dòng)位置檢測和運(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)光纖作為測量基準(zhǔn)點(diǎn)被光纖檢測相機(jī)捕捉；每個(gè)光纖定位單元均攜帶有觀測光纖，觀測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；

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；

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圖像傳感器的相對位置。

9、本發(fā)明還提出一種上述多目標(biāo)光纖定位檢測系統(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)光纖定位檢測系統(tǒng)的焦面板上，當(dāng)望遠(yuǎn)鏡指向觀測天區(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，k是第m個(gè)天區(qū)基準(zhǔn)單元采集星像光斑的序號，n是第m個(gè)天區(qū)基準(zhǔn)單元內(nèi)基準(zhǔn)光纖的序號；

12、步驟（3）打開光纖檢測相機(jī)，調(diào)整鏡頭對焦環(huán)使其焦點(diǎn)對準(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，光纖檢測相機(jī)捕捉到標(biāo)定板的離焦圖像標(biāo)定出光纖檢測相機(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^測光纖和基準(zhǔn)光纖的尖端形成光點(diǎn)，光纖檢測相機(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)定后的光纖檢測相機(jī)測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)測量儀器在測量光纖位置中會(huì)存在的各種裝配誤差，這導(dǎo)致了測量精度難以滿足設(shè)計(jì)要求。本發(fā)明提出的天區(qū)基準(zhǔn)單元是通過對星觀測反向計(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，這是目前坐標(biāo)測量儀器難以達(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量基準(zhǔn)點(diǎn)，用于標(biāo)定光纖檢測相機(jī)，保證了望遠(yuǎn)鏡焦面光纖系統(tǒng)的觀測性能。

技術(shù)特征：

1.一種多目標(biāo)光纖定位檢測系統(tǒng)，其特征在于，多目標(biāo)光纖定位檢測系統(tǒng)包括光纖檢測相機(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，通過對星觀測反向計(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