快速傾斜鏡校正系統(tǒng)在天文儀器中的應(yīng)用研究?

高鵬飛胡中文 戴松新

(1中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)/南京天文光學(xué)技術(shù)研究所南京210042)

(2中國(guó)科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210042)

(3中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049)

快速傾斜鏡校正系統(tǒng)在天文儀器中的應(yīng)用研究?

高鵬飛1,2,3?胡中文1,2戴松新1,2

(1中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)/南京天文光學(xué)技術(shù)研究所南京210042)

(2中國(guó)科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室南京210042)

(3中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049)

在天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中,通過(guò)在望遠(yuǎn)鏡內(nèi)部增加一套圖像跟蹤、校正系統(tǒng),降低大氣湍流低頻擾動(dòng)和望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差對(duì)天文觀測(cè)產(chǎn)生的影響,從而保證光路穩(wěn)定,提高系統(tǒng)通光量和觀測(cè)效率.系統(tǒng)工作時(shí)由CCD相機(jī)將星象的圖像信號(hào)發(fā)送給控制計(jì)算機(jī),控制計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件算法計(jì)算出實(shí)時(shí)圖像與參考圖像中的星斑中心偏移量,并反饋給快速傾斜鏡控制器,從而控制傾斜鏡快速擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)光學(xué)校正過(guò)程.該系統(tǒng)目前已運(yùn)行在國(guó)家天文臺(tái)2.16 m望遠(yuǎn)鏡中,實(shí)際運(yùn)行的測(cè)試數(shù)據(jù)表明,在曝光25 ms情況下,校正平均頻率為15 Hz,系統(tǒng)基本可以消除望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的影響,大氣湍流的擾動(dòng)影響有一定改善,觀測(cè)效率提高了約15%.

大氣擾動(dòng),望遠(yuǎn)鏡,技術(shù):圖像處理,方法:觀測(cè),方法:數(shù)據(jù)分析

1 引言

快速傾斜鏡系統(tǒng)是一種作為光源目標(biāo)和接收器之間快速精確控制光束方向的反射鏡裝置,利用分辨率達(dá)納米級(jí)的壓電驅(qū)動(dòng)器或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)反射鏡,能使光束產(chǎn)生快速、小角度的偏轉(zhuǎn)變化.與傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相比,快速傾斜鏡具有運(yùn)動(dòng)慣性小、響應(yīng)速度快、角分辨率精度高的顯著優(yōu)點(diǎn),在天文望遠(yuǎn)鏡、激光通訊、激光武器、圖像穩(wěn)定系統(tǒng)和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)等精密跟蹤光束控制領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1?2].近些年,在現(xiàn)代天文儀器領(lǐng)域中,快速傾斜鏡理論研究日趨成熟,實(shí)際應(yīng)用也越來(lái)越多,在國(guó)外的麥哲倫巨型望遠(yuǎn)鏡(GMT)次鏡中的超大型拼接式快速傾斜鏡系統(tǒng)、紅外光學(xué)望遠(yuǎn)鏡陣列(IOTA)跟星系統(tǒng)、4.2 m的威廉·赫歇耳望遠(yuǎn)鏡(WHT)激光導(dǎo)星系統(tǒng)、30 m望遠(yuǎn)鏡(TMT)的窄視場(chǎng)紅外自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng),以及國(guó)內(nèi)興隆觀測(cè)站的2.16 m望遠(yuǎn)鏡和建設(shè)中的中國(guó)SONG(Stellar Observations Network Group)望遠(yuǎn)鏡等眾多天文望遠(yuǎn)鏡中,該系統(tǒng)都得到了應(yīng)用.在天文觀測(cè)中,由于大氣湍流擾動(dòng)和望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的影響,使得觀測(cè)目標(biāo)能量不集中,影響觀測(cè)效果[3–6],所以需要增加圖像跟蹤、校正系統(tǒng)來(lái)保持光路穩(wěn)定,提高系統(tǒng)通光量,改善觀測(cè)效率.針對(duì)這一問(wèn)題,本文主要研究和介紹了快速傾斜鏡校正系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)2.16 m望遠(yuǎn)鏡中的初步應(yīng)用情況.

2 系統(tǒng)組成及其工作原理

2.1 系統(tǒng)硬件組成

圖1為快速傾斜鏡校正系統(tǒng)構(gòu)成圖,系統(tǒng)主要由3大部分組成:CCD相機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、Tip-tilt傾斜鏡(傾斜鏡通過(guò)定制鏡架固定在Tip-tilt偏擺平臺(tái)上,工作時(shí)傾斜鏡隨著Tip-tilt偏擺平臺(tái)快速傾斜、擺動(dòng),兩者簡(jiǎn)稱Tip-tilt傾斜鏡)及其控制器.鑒于實(shí)際觀測(cè)需求,CCD相機(jī)需滿足圖像采集高幀率、高分辨率及快速、長(zhǎng)距傳輸?shù)臈l件,本系統(tǒng)選用了德國(guó)AVT公司生產(chǎn)的一款高幀率、VGA(Video Graphics Array)分辨率、高性能的千兆網(wǎng)接口機(jī)器視覺(jué)工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)GE680.該CCD相機(jī)可以提供最高205幀的、尺寸為640 pixel×480 pixel的灰度圖像,且支持長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸.系統(tǒng)中的偏擺平臺(tái)及其控制器選用了德國(guó)PI公司的壓電偏擺鏡系統(tǒng),該壓電陶瓷偏擺平臺(tái)擁有20 nrad的分辨率、亞毫秒級(jí)的響應(yīng)速度,并且具有較好的線性特性和穩(wěn)定性.在工作狀態(tài)下,可以實(shí)現(xiàn)兩維坐標(biāo)軸(相互垂直)的獨(dú)立擺動(dòng),閉環(huán)下擺動(dòng)角度范圍為0–2 mrad,開(kāi)環(huán)時(shí)為0–3.5 mrad.

2.2 系統(tǒng)工作原理

天文望遠(yuǎn)鏡在觀測(cè)天體目標(biāo)時(shí),光路中的一部分光被CCD相機(jī)獲取,用于采集實(shí)時(shí)的星象圖像.采集的圖像經(jīng)以太網(wǎng)通信傳輸至控制計(jì)算機(jī),控制軟件即獲取到圖像.觀測(cè)人員在觀測(cè)過(guò)程中首先需要通過(guò)控制調(diào)整天文望遠(yuǎn)鏡,使被觀測(cè)天體目標(biāo)光斑恰巧落在光瞳中心位置,保存此時(shí)的圖像作為參考圖像.在校正系統(tǒng)工作過(guò)程中,控制軟件通過(guò)實(shí)時(shí)算法計(jì)算出后續(xù)實(shí)時(shí)圖像與參考圖像的星斑中心偏移量,進(jìn)而得出Tip-tilt控制器控制量,最終控制Tip-tilt傾斜鏡快速擺動(dòng),使星象的光斑中心始終穩(wěn)定在參考點(diǎn)附近,即光斑始終落在光瞳中央,達(dá)到穩(wěn)定光路、提高光學(xué)質(zhì)量和觀測(cè)效率的目的.另外,由于Tip-tilt傾斜鏡的擺動(dòng)范圍有限,當(dāng)觀測(cè)目標(biāo)超出校正范圍時(shí),仍需觀測(cè)人員通過(guò)控制調(diào)整天文望遠(yuǎn)鏡重新對(duì)準(zhǔn)被觀測(cè)天體,重復(fù)上述過(guò)程實(shí)現(xiàn)校正.

3 軟件及算法設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能及其原理流程圖

軟件及算法設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心部分,系統(tǒng)軟件程序基于MFC的C/C++語(yǔ)言編寫(xiě),編寫(xiě)平臺(tái)為Visual Studio 2010,軟件界面為對(duì)話框模式.

軟件程序主要包含CCD相機(jī)參數(shù)設(shè)置、硬件初始化、圖像采集、降噪處理、圖像星斑中心定位算法、Tip-tilt控制器控制等功能部分.其中參數(shù)設(shè)置部分可以對(duì)CCD相機(jī)的曝光時(shí)間、增益值以及Binning模式選擇(該模式通過(guò)合并像素改變圖像分辨率,實(shí)現(xiàn)不同解析度圖像的輸出)進(jìn)行設(shè)置.軟件工作時(shí),一方面觀測(cè)人員需要通過(guò)軟件完成快速傾斜鏡校正系統(tǒng)的各項(xiàng)操作,如:參數(shù)設(shè)置、選擇參考圖像、校正開(kāi)始與停止等功能,完成校正過(guò)程;另一方面軟件后臺(tái)完成對(duì)CCD相機(jī)的參數(shù)設(shè)定、圖像讀取、保存、顯示,對(duì)Tip-tilt控制器的控制和傾斜鏡擺動(dòng)位置數(shù)據(jù)的讀取、反饋,同時(shí)完成CCD圖像的降噪處理、圖像目標(biāo)定位算法等功能.圖2是系統(tǒng)軟件程序流程圖.

圖2 程序流程圖Fig.2 The fl ow diagram of procedure

3.2 軟件圖像目標(biāo)定位算法及圖像降噪處理

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)校正過(guò)程需要計(jì)算出采集的實(shí)時(shí)圖像與參考圖像的星斑中心偏移量,因而需要進(jìn)一步通過(guò)程序算法計(jì)算出每一幀圖像星斑中心坐標(biāo).常用的圖像目標(biāo)定位算法有歸一化相位相關(guān)法、重心法、Hough變換法、高斯擬合法及圓擬合法等,歸一化相位相關(guān)法和重心法具有更高的精度和抗噪穩(wěn)定性,可以更好地滿足本系統(tǒng)對(duì)圖像處理的算法要求.對(duì)比歸一化相位相關(guān)法和重心法兩種算法,雖然重心法計(jì)算精度略差于歸一化相位相關(guān)法,但是重心法的計(jì)算速度更快[7?8],在精度要求相對(duì)可以忽略的情況下,重心法更符合本系統(tǒng)對(duì)速度的要求.傳統(tǒng)重心法的原理是以圖像灰度為權(quán)值的加權(quán)型方法,假設(shè)圖像尺寸為M×N,則星斑中心的計(jì)算公式為:

(1)–(2)式中I(i,j)代表圖像中第i行第j列像素點(diǎn)的灰度值.上述重心法計(jì)算一幅M行N列的圖像時(shí),求出星斑中心(x0,y0)需要進(jìn)行2×2×M×N次計(jì)算.但是在實(shí)際圖像中,星斑部分只占了圖像的小部分區(qū)域,大部分的計(jì)算都是無(wú)用的非星斑區(qū),顯然傳統(tǒng)重心算法存在冗余的計(jì)算量,與系統(tǒng)對(duì)速度的要求相悖.改進(jìn)的算法是,首先遍歷圖像尋找圖像中的灰度值最大值點(diǎn)(在對(duì)圖像進(jìn)行濾波降噪處理以后,圖像中灰度值最大值點(diǎn)為星斑中的點(diǎn)),然后基于該點(diǎn)選取一個(gè)K×K的窗口區(qū)(根據(jù)實(shí)際觀測(cè)情況,K取8),最后在該窗口區(qū)中運(yùn)用重心法求出星斑中心(x0,y0),改進(jìn)的重心法計(jì)算量為M×N+4K2.當(dāng)K=8,且M、N較大為幾百時(shí),可以看到,M×N+4K2?4×M×N,顯然,改進(jìn)的重心法計(jì)算量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)重心法.另外,由于改進(jìn)的重心法計(jì)算的只有窗口部分的像素點(diǎn),這將同時(shí)濾除掉圖像其他部分噪聲對(duì)于重心法計(jì)算精度的影響,提高了計(jì)算精度.

因?yàn)閳D像采集總會(huì)受到CCD的熱噪聲、讀出噪聲、A/D轉(zhuǎn)換噪聲、量化噪聲的干擾[9],星象圖像中夾雜著各種噪聲,尤其是在觀測(cè)暗星時(shí),圖像的信噪比更低,這極大地影響了上述圖像星斑中心定位算法的計(jì)算.因此,在進(jìn)行圖像目標(biāo)定位算法之前還需要進(jìn)行圖像濾波、降噪處理.分析實(shí)際采集的星象圖像,發(fā)現(xiàn)圖像中包含著大量椒鹽噪聲,有些噪點(diǎn)亮度甚至大于星斑部分像素點(diǎn)亮度,這些噪聲將影響改進(jìn)的重心法對(duì)星斑中心位置的粗定位和計(jì)算精度,因而需要采用中值濾波消除掉圖像中的椒鹽噪聲[10].

4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

將該系統(tǒng)應(yīng)用到2.16 m望遠(yuǎn)鏡后,通過(guò)對(duì)天體目標(biāo)的觀測(cè),進(jìn)行校正效果對(duì)比實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為兩組,一組為關(guān)閉快速傾斜鏡校正系統(tǒng)情況下程序算法計(jì)算出的圖像星斑中心坐標(biāo)值,另一組為開(kāi)啟校正系統(tǒng)情況下的數(shù)據(jù),每采集一幀CCD相機(jī)圖像,程序?qū)⒂涗浺淮巫鴺?biāo)值.實(shí)驗(yàn)期間,觀測(cè)目標(biāo)、曝光參數(shù)等條件不變,數(shù)據(jù)為連續(xù)時(shí)間采集,由于時(shí)間相對(duì)較短(分別為10 min),氣候變化產(chǎn)生的影響忽略不計(jì).實(shí)驗(yàn)中,人工選取一幅星斑進(jìn)入光瞳位置較好的位置圖像作為參考圖像,程序計(jì)算出其星斑中心坐標(biāo)為(26.49, 29.16)(單位:pixel),該坐標(biāo)將作為分析校正效果的參考坐標(biāo).

圖3中兩幅圖分別為關(guān)閉和開(kāi)啟校正系統(tǒng)兩種情況下星斑中心坐標(biāo)在一段時(shí)間內(nèi)的分布圖,其中,CCD曝光時(shí)間為25 ms,被觀測(cè)天體為5.3 mag星,數(shù)據(jù)樣本量為10000左右,左右兩幅圖比例尺完全相同.可以看到,在不開(kāi)啟校正系統(tǒng)情況下,左圖中大部分星斑圍繞在參考點(diǎn)附近小幅度隨機(jī)分布,還有一部分大幅度遠(yuǎn)離參考點(diǎn)的擾動(dòng)星斑分布在右側(cè),前者為大氣擾動(dòng)因素造成,后者為望遠(yuǎn)鏡振動(dòng)以及跟蹤誤差因素引起.開(kāi)啟校正系統(tǒng)后,右圖中大幅度遠(yuǎn)離參考點(diǎn)的擾動(dòng)星斑消失,且圍繞參考點(diǎn)的小幅度星斑分布范圍變得更小.進(jìn)一步進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn),結(jié)果一致.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,由望遠(yuǎn)鏡振動(dòng)及跟蹤誤差產(chǎn)生的誤差在使用校正系統(tǒng)后基本可以消除,而大氣擾動(dòng)產(chǎn)生的星斑誤差影響也有一定改善.

圖3 星斑中心x、y軸坐標(biāo)在一定時(shí)間段內(nèi)的變化分布圖.左圖為關(guān)閉快速傾斜鏡校正系統(tǒng),右圖為開(kāi)啟校正系統(tǒng).Fig.3 The variations of the stellar centroid positions x and y with correction(right)and without correction(left)

將采集的星斑坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)一步做一維坐標(biāo)軸分析.由圖4、圖5可以看到,左側(cè)不開(kāi)啟校正系統(tǒng)時(shí),x、y軸坐標(biāo)分布曲線既包含高頻抖動(dòng)還包括周期性的大幅振動(dòng),開(kāi)啟校正系統(tǒng)后,曲線雖然圍繞參考坐標(biāo)仍有高頻的抖動(dòng),但周期性的大幅振動(dòng)已經(jīng)消失.x軸起伏范圍縮小了50%,y軸范圍縮小了69%,進(jìn)一步印證了上述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論.

圖4 星斑中心的x軸坐標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線.左圖為關(guān)閉快速傾斜鏡校正系統(tǒng),右圖為開(kāi)啟校正系統(tǒng).Fig.4 Temporal variation of the stellar centroid position x with correction(right)and without correction(left)

圖5 星斑中心的y軸坐標(biāo)隨時(shí)間變化的曲線.左圖為關(guān)閉快速傾斜鏡校正系統(tǒng),右圖為開(kāi)啟校正系統(tǒng).Fig.5 Temporal variation of the stellar centroid position y with correction(right)and without correction(left)

將坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)一步按坐標(biāo)位置做出概率分布直方圖,如圖6–7可以看到,望遠(yuǎn)鏡振動(dòng)和跟蹤誤差因素引起的大幅度誤差是小概率誤差,開(kāi)啟校正系統(tǒng)后,該誤差消失,并且出現(xiàn)概率在10%以上的星斑分布范圍明顯縮小,較參考點(diǎn)坐標(biāo)(26.49,29.16)誤差縮小了1 pixel左右.這同樣印證了前述實(shí)驗(yàn)分析結(jié)論,校正系統(tǒng)使得光路更加穩(wěn)定,系統(tǒng)通光量更高.

圖6 星斑中心的x軸坐標(biāo)概率分布直方圖.上圖為關(guān)閉快速傾斜鏡校正系統(tǒng),下圖為開(kāi)啟校正系統(tǒng).Fig.6 The probability distribution of the stellar centroid position x with correction(bottom)and without correction(top)of the fast-steering mirror

圖7 星斑中心的y軸坐標(biāo)概率分布直方圖.上圖為關(guān)閉快速傾斜鏡校正系統(tǒng),下圖為開(kāi)啟校正系統(tǒng).Fig.7 The probability distribution of the stellar centroid position y with correction(bottom)and without correction(top)of the fast-steering mirror

另外,根據(jù)實(shí)驗(yàn)期間收集的通光量觀測(cè)數(shù)據(jù),校正前后觀測(cè)效率提高了約15%,進(jìn)一步說(shuō)明了該校正系統(tǒng)的校正作用.

5 結(jié)論

本文對(duì)快速傾斜鏡校正系統(tǒng)在興隆2.16 m望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用做了介紹和分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,目前的校正系統(tǒng)對(duì)望遠(yuǎn)鏡振動(dòng)和跟蹤誤差有消除作用,對(duì)大氣擾動(dòng)影響有一定改善.根據(jù)觀測(cè)中校正前后通光量的數(shù)據(jù)對(duì)比,觀測(cè)效率提高了約15%,但是由于目前系統(tǒng)校正頻率較低,仍需要改進(jìn)系統(tǒng),提高校正頻率,進(jìn)一步消除大氣擾動(dòng)對(duì)觀測(cè)的影響.

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Study on the Application of Fast-steering Mirror in Astronomical Instruments

GAO Peng-fei1,2,3HU Zhong-wen1,2DAI Song-xin1,2
(1 National Astronomical Observatories/Nanjing Institute of Astronomical Optics&Technology, Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210042)
(2 Key Laboratory of Astronomical Optics&Technology,Nanjing Institute of Astronomical Optics& Technology,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210042)
(3 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

For astronomical telescopes,an image tracking and correction system is designed to correct the image motion caused by the atmosphere and by imperfect telescope tracking so as to keep the optical path stable,ensure high optical throughput, and improve astronomical observation.When the system is working,the images taken with the CCD camera are sent to the control computer.The software algorithms of the control computer calculate the error value of the star’s centroid position between the real-time image and the reference image.Then a control signal is generated for the Tip/tilt mirror to correct the stellar target positioning error.This system has been installed at the 2.16 mtelescope of National Astronomical Observatories of China. The experimental results show that the correcting frequency of this system is about 15 Hz when the exposure time is 25 ms.This system can almost eliminate the effect of telescope tracking error,and has some improvement on the impact of low-frequency atmospheric disturbance.The observational efficiency is increased by about 15%.

atmospheric effects,telescopes,techniques:image processing,methods: observational,methods:data analysis

P111;

:A

10.15940/j.cnki.0001-5245.2016.03.009

2015-04-14收到原稿,2016-01-24收到修改稿

?國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11273038)資助

?pfgao@niaot.ac.cn