本發(fā)明涉及光纖定位技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于中心開孔型四象限探測器的實(shí)時(shí)光纖定位裝置及定位方法。

背景技術(shù)：

上世紀(jì)80年代以來，光纖技術(shù)逐漸滲透進(jìn)天文觀測當(dāng)中，天文學(xué)進(jìn)入“多波段、大樣本、高信息量”時(shí)代，大規(guī)模的多目標(biāo)光纖光譜巡天成為天文觀測的突破口，其目的是獲取數(shù)以十萬、百萬甚至千萬計(jì)天體的光譜，可以得到成像巡天所不能提供的更加豐富的天體信息。

國際上配有多目標(biāo)光纖光譜儀望遠(yuǎn)鏡或巡天計(jì)劃主要有澳大利亞的英澳天文臺(tái)(aao)的2df、aaω、6df，美國sdss、歐空局的gaia、日本sabura等。國內(nèi)多目標(biāo)光纖光譜儀望遠(yuǎn)鏡有l(wèi)amost望遠(yuǎn)鏡。其中sdss巡天項(xiàng)目在星系形成和演化方面取得了舉世矚目的成就，我國的lamost也正開展一期銀河系內(nèi)的恒星巡天觀測。

在多目標(biāo)光纖光譜巡天當(dāng)中，光纖定位系統(tǒng)占有十分重要的地位,光纖定位的數(shù)量以及精確度直接影響到巡天觀測的效率以及質(zhì)量。英澳天文臺(tái)2df項(xiàng)目光纖定采用磁扣定位方式，磁扣定位是將光路通過小棱鏡轉(zhuǎn)90°進(jìn)入光纖入射端，在棱鏡下方放置一塊小磁石,通過機(jī)械手臂將其吸附在鐵基焦面基板上,光纖則躺在焦面基板上將入射光引到光譜儀中。美國的sdss數(shù)字巡天計(jì)劃其采用的光纖定位方式為通過鋁板鉆孔的孔板法方式進(jìn)行光纖定位在一塊直徑約500毫米的鋁板上按預(yù)先設(shè)定的坐標(biāo)打孔,其打孔坐標(biāo)是根據(jù)待觀測的天區(qū)天體坐標(biāo)經(jīng)過換算到焦面板上而定的。lamost的4000根光纖采用的定位方式是雙回轉(zhuǎn)式并行可控光纖定位系統(tǒng)，在定位過程中,光纖一方面隨偏心支架作中心回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),另一方面又在偏心支架上繞偏心回轉(zhuǎn)軸作偏心回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中的光纖接收端面相對(duì)于望遠(yuǎn)鏡光軸不產(chǎn)生偏斜，且始終在望遠(yuǎn)鏡焦面上運(yùn)動(dòng)，不會(huì)離焦。

總體來講，目前的光纖定位系統(tǒng)均沒有成功的實(shí)現(xiàn)光纖的實(shí)時(shí)閉環(huán)監(jiān)測和反饋，無法滿足更高精度光纖定位的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種通過對(duì)四象限探測器中心開孔，實(shí)現(xiàn)光纖連接并傳輸光斑信號(hào)的基于中心開孔型四象限探測器的實(shí)時(shí)光纖定位裝置及定位方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于中心開孔型四象限探測器的實(shí)時(shí)光纖定位裝置，包括：

從望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收的星象光斑；

會(huì)聚透鏡：用于對(duì)星象光斑進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚后的激光照射到中心開孔型四象限探測器上形成光斑；

中心開孔型四象限探測器：中心開設(shè)有小孔，用于確定光斑中心位置，之后將光斑中心位置發(fā)送給光電位置接收器；

光電位置接收器：用于接收中心開孔型四象限探測器發(fā)來的光斑中心位置，之后將光斑中心位置發(fā)送給控制平臺(tái)；

控制平臺(tái)：用于根據(jù)光斑中心位置調(diào)整光纖的位置；

光纖：光纖一端插在中心開孔型四象限探測器的中心小孔內(nèi)，另一端接光譜儀。

進(jìn)一步，所述中心開孔型四象限探測器通過式(1)確定光斑中心位置

式(1)中，為m的平均值，為n的平均值，為p的平均值，x0和y0是光斑中心坐標(biāo)的瞬時(shí)值，σ²為二維高斯函數(shù)的方差；在此過程中，限定光斑中心點(diǎn)的位置在區(qū)域內(nèi)，其中r為中心開孔型四象限探測器的中心小孔的半徑。

進(jìn)一步，中心開孔型四象限探測器的中心小孔的尺寸由中心開孔型四象限探測器的光敏面與光纖入射端面之間的距離、望遠(yuǎn)鏡光學(xué)性能、圓頂視寧度決定。

進(jìn)一步，通過中心開孔型四象限探測器的四個(gè)象限的余暉實(shí)時(shí)判斷光斑中心位置。

采用本發(fā)明所述的基于中心開孔型四象限探測器的實(shí)時(shí)光纖定位裝置進(jìn)行定位的方法，將中心開孔型四象限探測器中心小孔的中心與光纖的中心同軸設(shè)置，將控制平臺(tái)設(shè)置為對(duì)中心開孔型四象限探測器的數(shù)據(jù)進(jìn)行每秒一次的整合處理，實(shí)時(shí)擬合三維高斯曲面圖，并利用塊圖像缺失的分析補(bǔ)全技術(shù)，將缺失的高斯曲面進(jìn)行補(bǔ)全，以此最終確定光斑的中心位置，并實(shí)時(shí)調(diào)整中心開孔型四象限探測器的焦面角度和位置，使得中心開孔型四象限探測器的中心小孔對(duì)準(zhǔn)光斑中心位置。

有益效果：本發(fā)明公開了一種基于中心開孔型四象限探測器的實(shí)時(shí)光纖定位裝置及定位方法，通過四象限探測器中心開孔固定光纖，實(shí)現(xiàn)更精確的星象光斑與光纖的耦合定位。與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：一是首次提出基于中心開孔型四象限探測器的光纖定位裝置；二是開孔型四象限探測器中心孔能剛好地固定光纖，使星象光斑與光纖更好地耦合，并利用高斯擬合算法結(jié)合圖像處理解決了中心開孔之后四象限探測器元件的非標(biāo)性問題；三是成功實(shí)現(xiàn)了光纖的實(shí)時(shí)閉環(huán)監(jiān)測和反饋。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式中的中心開孔型四象限探測器的示意圖；

圖1(a)為星象光斑和中心開孔型四象限探測器中心無偏差余暉定準(zhǔn)的示意圖；

圖1(b)為星象光斑和中心開孔型四象限探測器中心有偏差余暉定準(zhǔn)的示意圖；

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式中的光纖定位裝置的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明具體實(shí)施方式中的雙回旋裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。

本發(fā)明具體實(shí)施方式公開了一種基于中心開孔型四象限探測器的實(shí)時(shí)光纖定位裝置，如圖2所示，包括：

從望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收的星象光斑1；

會(huì)聚透鏡2：用于對(duì)星象光斑1進(jìn)行會(huì)聚，會(huì)聚后的激光照射到中心開孔型四象限探測器3上形成光斑；

中心開孔型四象限探測器3：中心開設(shè)有小孔，用于確定光斑中心位置，之后將光斑中心位置發(fā)送給光電位置接收器5；圖1為中心開孔型四象限探測器3的示意圖，其中圖1(a)為星象光斑和中心開孔型四象限探測器3中心無偏差余暉定準(zhǔn)的示意圖，圖1(b)為星象光斑和中心開孔型四象限探測器3中心有偏差余暉定準(zhǔn)的示意圖；

光電位置接收器5：用于接收中心開孔型四象限探測器3發(fā)來的光斑中心位置，之后將光斑中心位置發(fā)送給控制平臺(tái)6；

控制平臺(tái)6：用于根據(jù)光斑中心位置調(diào)整光纖4的位置，具體過程包括：數(shù)據(jù)收集、高斯擬合、缺失塊圖像補(bǔ)全；

光纖4：光纖4一端插在中心開孔型四象限探測器3的中心小孔內(nèi)。

其中，中心開孔型四象限探測器3通過式(1)確定光斑中心位置

下面介紹一下式(1)的推導(dǎo)過程：

激光光斑的能量分布近似符合二維高斯分布，并且光斑灰度邊界模糊，因此采用基于灰度的高斯曲面擬合法確定光斑中心位置。

設(shè)中心開孔型四象限探測器3上的光斑灰度分布近似符合二維高斯函數(shù)：

式(2)中，x0，y0是光斑中心坐標(biāo)的瞬時(shí)值，σ²為二維高斯函數(shù)的方差，與離焦量、物距、焦距等有關(guān)，a為待定系數(shù)，與光斑的性質(zhì)有關(guān)。由上式可以看出，峰值所在位置即為光斑的中心。對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)：

令

原式化簡為：

m(x²+y²)+nx+py-q＝inf(x,y)(5)

利用最小二乘法原理，通過矩陣變換可得式(1)。

本具體實(shí)施方式中，高靈敏度的中心開孔型四象限探測器3可記錄x、y的數(shù)據(jù)，中心開孔型四象限探測器3獲取數(shù)據(jù)之后，傳輸給光電位置接收器5，在控制平臺(tái)進(jìn)行一系列的后期工作，主要包括兩個(gè)方面：三維高斯曲面的擬合、缺失圖像的補(bǔ)全及中心的確定。

由于中心開孔型四象限探測器3的取樣頻率為2.5khz，每秒鐘能夠產(chǎn)生2500組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，因此能夠得到較好的擬合的結(jié)果。另外一方面，考慮星斑在1秒鐘時(shí)間內(nèi)移動(dòng)距離較小，因此時(shí)間長度的影響同樣較小，因此選定定位周期為1.0秒。每秒傳輸產(chǎn)生的2500組數(shù)據(jù)進(jìn)入已經(jīng)預(yù)編程過的算法進(jìn)行三維高斯曲面擬合，得到中心圓域缺失的高斯圖像。

之后，三維高斯圖像進(jìn)入缺失圖像補(bǔ)全階段。由于高斯曲面光滑度極好，可以采用梯度法漸進(jìn)接近，從圓各邊取梯度，向前預(yù)測寬度約1微米的環(huán)狀區(qū)域，由于開孔大小較小，約在300-400微米量級(jí)，因此經(jīng)過數(shù)百次預(yù)測即可補(bǔ)全高斯圖像，運(yùn)行時(shí)間相對(duì)較少。

最后，計(jì)算機(jī)對(duì)完善后的三維高斯圖像進(jìn)行分析，在有限范圍內(nèi)取光通量最大值點(diǎn)(x0，y0)即為光斑中心位置。經(jīng)過機(jī)械裝置傳動(dòng)，實(shí)時(shí)可以進(jìn)行焦面的調(diào)整對(duì)準(zhǔn)，接收光斑信號(hào)。

機(jī)械裝置采用lamost望遠(yuǎn)鏡相似的雙回旋裝置，如圖3所示，裝置有兩個(gè)軸——中心回轉(zhuǎn)軸和偏心回轉(zhuǎn)軸，焦面隨兩軸分別旋轉(zhuǎn)可以覆蓋較大的面積，耦合后可以用于較大面積空天區(qū)域的星斑信號(hào)獲取。

本具體實(shí)施方式還公開了采用基于中心開孔型四象限探測器的實(shí)時(shí)光纖定位裝置進(jìn)行定位的方法，將中心開孔型四象限探測器3中心小孔的中心與光纖4的中心同軸設(shè)置，將控制平臺(tái)6設(shè)置為對(duì)中心開孔型四象限探測器3的數(shù)據(jù)進(jìn)行每秒一次的整合處理，實(shí)時(shí)擬合三維高斯曲面圖，并利用塊圖像缺失的分析補(bǔ)全技術(shù)，將缺失的高斯曲面進(jìn)行補(bǔ)全，以此最終確定光斑的中心位置，并實(shí)時(shí)調(diào)整中心開孔型四象限探測器3的焦面角度和位置，使得中心開孔型四象限探測器3的中心小孔對(duì)準(zhǔn)光斑中心位置。