中心开孔型四象限探测器光纤定位闭环控制方法
发布时间：2021-03-02 01:12
光纤定位技术是多目标光纤光谱望远镜中的关键技术,光纤定位精度是影响望远镜观测效率的重要因素,随着光谱巡天项目的开展,光纤定位单元的小型化、高密度化、集成化和高精度定位要求成为普遍趋势,这对光纤定位系统提出了更高技术要求和挑战。光纤定位技术也期望实现高精度的实时监测和反馈系统,形成有效的闭环控制。基于此提出了一种中心开孔型四象限探测器光纤定位技术,并利用二维高斯模型对中心开孔型四象限探测器定位算法进行了设计,该算法对单元光斑束腰单次标定,可实现高精度的多次实时光斑位置确定和光纤位置调整。利用光纤光谱仪望远镜原理搭建了模拟实验对此装置和算法的性能进行了模拟,应用此闭环控制方法,在四象限探测器零点偏置直径为4 mm、光纤截面积达到1 000μm2情况下,绝对定位误差可以控制在6μm之内,相对误差可控制在0.15%范围内,可以有效提高望远镜星象和光纤的耦合效率。
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
四象限探测器焦面结构示意图Fig.1Schematicdiagramofthefocalplanestructureofthe4-Qdetector
UBO+1/2UHUAO+UBO+UCO+UDO+UH=1√2πσ∫∞0exp[(yy)22σ2]dy(8)在公式(8)中，有束腰半径σ和偏移量坐标(x，y)三个变量，通过定准(可利用四个象限的电压值数据进行比对验证定准)实现偏移量置零可以解得束腰半径σ。束腰半径对于单个单元是一个常量，因此同一个单元的偏移量坐标(x，y)可近似地采用恒定的σ进行计算。2中心开孔型四象限探测器中心定位模拟实验2.1实验装置设计实验中使用如图3所示的系统，以模拟中心开孔型四象限探测器与光纤的耦合体在实际天文观测中的性能。氦氖激光器在实验中常用来模拟星光，此实验中使用的激光器波长为632.8nm。鉴于实验中所用激光器功率远超实际星光辐照功率，实验中使用由扩束镜、准直透镜、光阑、会聚透镜组成的光学系统来模拟望远镜成像系统。图3基于中心开孔型四象限探测器的实验系统Fig.3Experimentalsystembasedoncenter-drilled4-Qdetector实验中使用的四象限探测器采样频率为2.5kHz，四象限探测器单象限取样电压范围为(1V，1V)，四象限探测器零点偏置范围为(2mm，2mm)，四象限探测器测量单位为mm，以VR-L表示四象限探测器右半焦面与左半焦面的电压之差，VT-B表示四象限探测器上半焦面与下半焦面的电压之差，VSUM表示四象限探测器整个焦面的电压之和，(X,Y)为实际的光斑中心坐标位置。由中心开孔型四象限探测器定位原理可以得到：VR=1/2(VSUM+VRL)VT=1/2(VSUM+VTB)(9)式中：VR表示右半焦面的电压值；VT表示上半焦面的电压
验系统，即可采集到如表3所示的实验数据，利用中心开孔型四象限探测器的高斯中心定位算法可得到光斑中心偏移量。由于实验中采用的是未打孔的四象限探测器，模拟中心开孔型四象限探测器需要对采样数据进行预处理。表3中心开孔型四象限探测器模拟采样数据Tab.3Center-opening4-Qdetectorsimulationsamp-lingdataNo.VR-LVT-BVSUM/VX/mmY/mmD00010.0030.0040.6520.0170.021D00020.0030.0040.6500.0200.022D00030.0020.0020.6500.0140.015………………D20000.0010.0040.6480.0070.022图4中，在焦面上黑色区域内即为中心开孔区域，即X2+Y2≤R2(10)区域内的采样数据在实际的中心开孔型四象限探测器之中无法得到需要剔除，其中R表示圆孔半径大校天文观测中所用光纤芯径通常在几十微米至几百微米之间，比如LAMOST中通常使用320μm的光纤，最粗的光纤达440μm[14]。本模拟装置中四象限探测器的零点偏置直径为4mm，据此，取光纤截面积在1000μm2范围内进行计算，得到绝对误差，计算数据如表4所示，其中(X’,Y’)为计算得到的理论中心坐标值，R2=0时即为高斯拟合的未开孔四象限探测器中心结果，Er(X)、Er(Y)为实验定位绝对误差，光斑实际中心位置坐标为(0.0150,0.0201)，单位为mm。表4中心开孔型四象限探测器模拟结果Tab.4Simulationresultsofthecenter-drilled4-QdetectorR2/μm2VL/VSUMVT/VSUMX"/mmY"/mmEr(X)/mmEr(Y)/mm00.501880.497380.01450.02010.000502000.501880.497360.01450.02010.000503000.501890.497320.01460.02040.00040.00034000.501930.497320.01500.020600.0005
本文编号：3058317
【文章来源】：红外与激光工程. 2020,49(06)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
四象限探测器焦面结构示意图Fig.1Schematicdiagramofthefocalplanestructureofthe4-Qdetector
UBO+1/2UHUAO+UBO+UCO+UDO+UH=1√2πσ∫∞0exp[(yy)22σ2]dy(8)在公式(8)中，有束腰半径σ和偏移量坐标(x，y)三个变量，通过定准(可利用四个象限的电压值数据进行比对验证定准)实现偏移量置零可以解得束腰半径σ。束腰半径对于单个单元是一个常量，因此同一个单元的偏移量坐标(x，y)可近似地采用恒定的σ进行计算。2中心开孔型四象限探测器中心定位模拟实验2.1实验装置设计实验中使用如图3所示的系统，以模拟中心开孔型四象限探测器与光纤的耦合体在实际天文观测中的性能。氦氖激光器在实验中常用来模拟星光，此实验中使用的激光器波长为632.8nm。鉴于实验中所用激光器功率远超实际星光辐照功率，实验中使用由扩束镜、准直透镜、光阑、会聚透镜组成的光学系统来模拟望远镜成像系统。图3基于中心开孔型四象限探测器的实验系统Fig.3Experimentalsystembasedoncenter-drilled4-Qdetector实验中使用的四象限探测器采样频率为2.5kHz，四象限探测器单象限取样电压范围为(1V，1V)，四象限探测器零点偏置范围为(2mm，2mm)，四象限探测器测量单位为mm，以VR-L表示四象限探测器右半焦面与左半焦面的电压之差，VT-B表示四象限探测器上半焦面与下半焦面的电压之差，VSUM表示四象限探测器整个焦面的电压之和，(X,Y)为实际的光斑中心坐标位置。由中心开孔型四象限探测器定位原理可以得到：VR=1/2(VSUM+VRL)VT=1/2(VSUM+VTB)(9)式中：VR表示右半焦面的电压值；VT表示上半焦面的电压
验系统，即可采集到如表3所示的实验数据，利用中心开孔型四象限探测器的高斯中心定位算法可得到光斑中心偏移量。由于实验中采用的是未打孔的四象限探测器，模拟中心开孔型四象限探测器需要对采样数据进行预处理。表3中心开孔型四象限探测器模拟采样数据Tab.3Center-opening4-Qdetectorsimulationsamp-lingdataNo.VR-LVT-BVSUM/VX/mmY/mmD00010.0030.0040.6520.0170.021D00020.0030.0040.6500.0200.022D00030.0020.0020.6500.0140.015………………D20000.0010.0040.6480.0070.022图4中，在焦面上黑色区域内即为中心开孔区域，即X2+Y2≤R2(10)区域内的采样数据在实际的中心开孔型四象限探测器之中无法得到需要剔除，其中R表示圆孔半径大校天文观测中所用光纤芯径通常在几十微米至几百微米之间，比如LAMOST中通常使用320μm的光纤，最粗的光纤达440μm[14]。本模拟装置中四象限探测器的零点偏置直径为4mm，据此，取光纤截面积在1000μm2范围内进行计算，得到绝对误差，计算数据如表4所示，其中(X’,Y’)为计算得到的理论中心坐标值，R2=0时即为高斯拟合的未开孔四象限探测器中心结果，Er(X)、Er(Y)为实验定位绝对误差，光斑实际中心位置坐标为(0.0150,0.0201)，单位为mm。表4中心开孔型四象限探测器模拟结果Tab.4Simulationresultsofthecenter-drilled4-QdetectorR2/μm2VL/VSUMVT/VSUMX"/mmY"/mmEr(X)/mmEr(Y)/mm00.501880.497380.01450.02010.000502000.501880.497360.01450.02010.000503000.501890.497320.01460.02040.00040.00034000.501930.497320.01500.020600.0005
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