LAMOST光纤位置检测与观测规划中相关问题的研究

发布时间：2020-04-06 15:39

【摘要】： “大天区面积多目标光纤光谱望远镜”项目(Large Sky Area Multi-object Optical Spectroscopic Telescope，LAMOST)，是我国天文学家提出的一种大口径兼备大视场的反射式施密特光学望远镜，是我国正在进行的一项大型科学工程项目。根据其总体设计，需要在直径为1.75米的焦面板上精确定位有4000根光纤。 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系邢晓正教授开创性提出基于分区思想的并行可控式双回转光纤定位方案。该方案在技术上具有很多优点：定位快速、可实时补偿温度及大气折射等引起的误差、光纤端部可直接对准星像、观测无盲区、4000个定位单元具有相同的组件，加工可靠性高。要实现上面的这些优点，关键在于系统的准确定位以及高效率观测，前者保证了LAMOST可以观测到星像，后者保证了LAMOST的星像观测效率。 为了检验系统的定位准确性，需要对光纤端部的几何位置进行检测。传统的位置测量方法如三坐标测量机、经纬仪对以及三维激光跟踪仪，并不适合于众多目标点的非接触实时检测。根据LAMOST焦面系统光纤位置检测中视场较大，光纤目标离散分布等特点，提出了分区摄影测量的方法。对这样大视场内的众多光纤位置进行检测，目前没有前人经验可以借鉴，因此十分有必要对其中涉及的问题进行系统的研究。本文针对检测系统构建所涉及的关键技术及存在的问题，从理论、方法和实验上对CCD检测系统的检测稳定性、检测系统的模型建模方法、摄像机成像参数的局部标定方法和全局标定方法、视场的覆盖方法以及空间坐标检测算法等方面进行了深入的研究和探讨，这部分研究为最终LAMOST光纤位置检测的实现提供了一条可行的思路。 在星像观测规划的研究中，将星像分配映射到构造的网络上，提出了应用网络算法进行星像分配优化的方法，提高了观测效率。针对算法的具体实现以及在LAMOST天区覆盖问题中的应用进行了详细研究，为最终LAMOST观测规划的实现作了比较充分的准备。 论文的主要内容包括： 1．通过实验来评定CCD检测系统在不同条件下的测量稳定性，实验包括静止光纤的位置测量与光纤处于不同位置时的距离测量。寻找影响测量稳定性的因素，采取相应措施减少测量误差，并对测量误差进行分析。 2．从摄像机的简单三角几何成像模型—针孔模型出发建立了符合实际情况的摄像机非线性成像模型。在此模型的基础上，分析了影响检测误差的相关因素，尤其是检测误差与图像构形结构参数之间的关系，为参数的选取提供了参考。 3．讨论了摄像机参数的标定方法，根据其内参数不易变动，，而空间姿态不断变化的特点，通过传统的局部标定方法标定摄像机内参数，基于全局标定方法求解摄像机空间姿态。这种方法在一定程度上减轻了劳动强度，减少了坐标转换，保证了摄像机在标定状态和检测状态间的一致性。 4．详细讨论了目标点空间坐标计算过程中涉及到的同名像点匹配与测量误差处理问题，提出空间坐标比较的方法来解决同名像点匹配，并通过光线束平差法，整体的同时求解摄像机空间姿态与目标点空间坐标，这将有利于测量误差的消除。 5．在所研究的理论和方法的基础上，构建了由高精度科学级CCD摄像机为主体的空间坐标检测系统，进行了全局标定实验和坐标检测实验。测量结果表明这套检测系统的标定误差可达0.015mm，600mm×600mm视场内光纤位置的检测误差不大于0.03mm。 6．在现有LAMOST焦面观测规划基础上将网络流算法应用于其中，详细阐述了算法的实现步骤，提高了观测效率与光纤利用率，最后基于最小费用流算法探讨了LAMOST天区覆盖问题。 本文对LAMOST焦面光纤定位系统研制中的两个重要问题：离散目标的位置检测及星像观测规划，从理论上和实践上进行了深入的研究和探讨。测量不同条件下的光纤位置和光纤间距离，通过实验数据全面的分析了影响测量稳定性的相关因素；提出基于分区思想的摄影测量方法，构建了CCD坐标检测系统；提出应用网络算法进行星像分配优化的方法，并对它进行实现。这些研究将为最终LAMOST焦面光纤定位系统的研制提供宝贵的实践经验与可靠的理论基础。
【图文】：

式即采用了直接拼接法{37]，将10片2无x4k的芯片拼接在一起成为一个大视场的成像系统，该望远镜焦平面尺寸162mm，相机靶面大小12侃 x16cTn，可一次观测3平方度的天区，成像系统如图1一3所示。图1一3:口本Bisei天区观测中心的l米天文望远镜成像系统显示图通过光学系统分光的方法进行光学拼接同样可以达到增大成像视场的目的，长春光学精密机械与物理研究所采用单心球透镜将视场光路分割为9个独立的部分郎}，并通过9个CCD摄像机独立成像，最终实现了较大视场的检测，光路原理如图1一4所示.

本文编号：2616703