LAMOST光纖單元閉環(huán)運(yùn)行方式研究*

劉力力，劉志剛

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系，安徽合肥 230027)

0 引言

國(guó)家大科學(xué)工程LAMOST(Large sky Area Multi－Object fiber Spectroscopy Telescope)是一臺(tái)兼?zhèn)浯笠晥?chǎng)和大口徑的臥式中星儀式反射施密特天文望遠(yuǎn)鏡。LAMOST要求能夠?qū)χ睆?．75 m球冠狀焦面板上的4 000個(gè)光纖定位單元，進(jìn)行快速精確定位，分別對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)4 000個(gè)星體目標(biāo)進(jìn)行同時(shí)觀察，定位精度要求達(dá)到40μm。每根光纖及其控制機(jī)構(gòu)組成一個(gè)光纖定位單元［1］，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為光纖單元，其原理圖見(jiàn)圖1。

圖1 光纖單元結(jié)構(gòu)示意圖

在現(xiàn)有的開(kāi)環(huán)運(yùn)行方式下，為了保證精度，需要對(duì)4 000個(gè)光纖單元分別標(biāo)定，建立中心軸、偏心軸的運(yùn)轉(zhuǎn)脈沖數(shù)與中心軸、偏心軸實(shí)際轉(zhuǎn)角的關(guān)系［2］。光纖單元的定位精度完全依賴于標(biāo)定精度，標(biāo)定誤差及其他影響因素將會(huì)對(duì)光纖定位單元造成長(zhǎng)期的定位誤差。為了使光纖單元能夠保持高精度穩(wěn)定運(yùn)行，可以使用閉環(huán)運(yùn)行方式。

1 光纖單元閉環(huán)運(yùn)行方式

所謂閉環(huán)運(yùn)行方式，就是在光纖單元運(yùn)轉(zhuǎn)完成之后，檢測(cè)光纖單元的實(shí)際位置并反饋給控制系統(tǒng)，如果其與目標(biāo)位置偏差較大，則再次運(yùn)轉(zhuǎn)光纖單元，直到達(dá)到精度要求為止，如圖2。

圖2 閉環(huán)運(yùn)行方式流程圖

對(duì)于光纖單元觀測(cè)范圍內(nèi)的任一目標(biāo)點(diǎn)(x，y)，以光纖單元中心軸與偏心軸的運(yùn)轉(zhuǎn)角表示，記作(Δα，Δβ)。在光纖單元沒(méi)有標(biāo)定的前提下，以理論脈沖控制光纖單元運(yùn)轉(zhuǎn)到達(dá)點(diǎn)(x1，y1)，此時(shí)兩軸的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)角為(Δα1，Δβ1)。令:

偏差為:

以該偏差作為運(yùn)轉(zhuǎn)角，進(jìn)行第二次運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)點(diǎn)(x2，y2)，偏差為:

同理，第k次運(yùn)轉(zhuǎn)后到達(dá)點(diǎn)(xk，yk)，偏差為:

對(duì)于式(4)，若|mi|＜1，|ni|＜1，當(dāng) k→∞時(shí)

式(5)表明，經(jīng)過(guò)足夠多次的運(yùn)行后，光纖單元將到達(dá)目標(biāo)位置。而實(shí)際上，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)獲知，|mi|＜0．3，|ni|＜0．3，只需經(jīng)過(guò)三、四次運(yùn)轉(zhuǎn)，光纖單元即能以精度要求到達(dá)目標(biāo)位置。

2 基于面陣CCD的光纖位置檢測(cè)

閉環(huán)運(yùn)行方式中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是光纖位置檢測(cè)，需要在短時(shí)間內(nèi)精確的檢測(cè)出4 000根光纖的位置。結(jié)合LAMOST現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定使用基于面陣CCD的光纖位置檢測(cè)方法。

2．1 面陣CCD的重復(fù)精度

要想得到精確的測(cè)量結(jié)果，作為測(cè)量工具的面陣CCD必須有較高的精度。這里以面陣CCD的重復(fù)性作為其精度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量時(shí)，保證面陣CCD和待測(cè)量物的位置不變并進(jìn)行多次曝光，提取待測(cè)量物的位置，通過(guò)比較不同照片中同一目標(biāo)物的位置來(lái)評(píng)估面陣CCD的重復(fù)精度，如圖3所示。

圖3 面陣CCD重復(fù)精度(像素pix)

測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)528個(gè)目標(biāo)物進(jìn)行10次曝光測(cè)量，計(jì)算每次曝光中目標(biāo)物位置與其平均位置的偏差，結(jié)果如圖3。平均偏差值為0．0315 pix，方差為0．0355 pix。實(shí)驗(yàn)所用的CCD規(guī)格為4 k×4 k，視場(chǎng)大小約為1 m×1 m，則由CCD帶來(lái)的測(cè)量誤差約為9μm。遠(yuǎn)小于要求的40μm精度。這說(shuō)明用面陣CCD進(jìn)行測(cè)量光纖位置是可行的。

2．2 背照方式檢測(cè)與前照方式檢測(cè)

根據(jù)光照條件的不同，可以分為背照方式檢測(cè)和前照方式檢測(cè)。所謂背照方式檢測(cè)，就是在黑暗條件下，在光纖所接光譜儀一端用白光照明，使用CCD拍攝光纖端面射出的光斑;而前照方式檢測(cè)則是用前照燈直接照射光纖焦面，然后直接使用CCD拍攝光纖單元。如圖4所示［3］。

圖4 兩種方式檢測(cè)示意圖

兩種方法拍攝的圖片如圖5。由圖5可看出，背照方式檢測(cè)得到的圖像只有代表光纖位置的光點(diǎn)，比較容易處理;而前照方式檢測(cè)得到的圖像則包含了光纖單元的大部分信息，包括光纖的位置、光纖單元是否損壞、光纖單元之間是否有干涉等，相應(yīng)的圖像處理算法也比較復(fù)雜。

圖5 兩種方式檢測(cè)效果圖

2．3 光纖單元匹配與光纖位置計(jì)算

從圖像中提取出的光纖位置，需要和具體的光纖單元匹配，并計(jì)算出光纖的實(shí)際位置。

目前實(shí)際運(yùn)用中采用的是多步匹配法。第一步，通過(guò)人工比對(duì)，找到4組對(duì)應(yīng)的光纖單元，依據(jù)仿射變換模型擬合出5個(gè)參數(shù)，然后用這5個(gè)參數(shù)對(duì)提取的光纖點(diǎn)做仿射變換，設(shè)置誤差閾值，進(jìn)行最小值匹配;第二步，用上一步得到的合格匹配點(diǎn)依據(jù)多項(xiàng)式模型擬合出30個(gè)參數(shù)，然后用這30個(gè)參數(shù)對(duì)提取的光纖點(diǎn)做多項(xiàng)式變換，設(shè)置誤差閾值，進(jìn)行最小值匹配;逐步減小誤差閾值，重復(fù)第二步，直到大部分光纖都匹配上。用最后一步匹配得到的30個(gè)參數(shù)對(duì)提取的光纖點(diǎn)做多項(xiàng)式變換，得到的就是光纖的實(shí)際位置［4］。

3 閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)

用20個(gè)沒(méi)有標(biāo)定過(guò)的單元進(jìn)行閉環(huán)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，使用背照方式檢測(cè)，結(jié)果如表1。

表1 20個(gè)光纖單元的閉環(huán)運(yùn)行試驗(yàn) /μm

從表1中可看出，通過(guò)光纖位置檢測(cè)反饋，多次運(yùn)行同一目標(biāo)，光纖確實(shí)逐漸接近目標(biāo)位置。并且，經(jīng)過(guò)三次運(yùn)行后，20個(gè)光纖單元中有19個(gè)達(dá)到了要求的40μm精度。另外，4 000個(gè)光纖單元運(yùn)行一次大概需要8 min，算上CCD曝光及數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，完成一次完整的閉環(huán)運(yùn)行大概需要25 min，但這仍能滿足LAMOST需要快速定位的要求。說(shuō)明光纖單元閉環(huán)運(yùn)行方式是可以用在LAMOST正式運(yùn)行中的。

4 結(jié)語(yǔ)

提出的LAMOST光纖單元閉環(huán)運(yùn)行方式，能夠克服現(xiàn)有開(kāi)環(huán)運(yùn)行方式的缺點(diǎn)，保證LAMOST光纖定位系統(tǒng)穩(wěn)定高效的運(yùn)行。今后，通過(guò)改進(jìn)光纖位置提取及匹配算法，LA－MOST光纖定位系統(tǒng)的定位精度還有進(jìn)一步提升的空間。

［1］ 邢曉正，胡紅專(zhuān)，杜華生，等．用于LAMO－ST的并行可控式光纖定位系統(tǒng)［J］．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，27(4):492－493．

［2］ 鄒林通，劉志剛，胡紅專(zhuān)，等．標(biāo)定方法應(yīng)用于LAMOST光纖定位單元的跑合測(cè)試［J］．現(xiàn)代制造工程，2007(9):100－102．

［3］ 劉志剛，吳俊峰，劉力力，等．以前照方式進(jìn)行LAMOST光纖位置檢測(cè)的光點(diǎn)提取研究［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2014(3):166－168．

［4］ 吳俊峰，劉志剛，劉力力，等．LAMOST光纖單元位置匹配問(wèn)題研究［J］．光學(xué)技術(shù)，2014(11):520－523．