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LAMOST光纤位置检测与观测规划中相关问题的研究

作　者: 金熠
导　师: 邢晓正；翟超
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: LAMOST 检测稳定性 分区摄影测量 标定 网络算法
分类号: P111.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 170次
引　用: 4次
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内容摘要


“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。

全文目录


中文摘要  4-6
英文摘要  6-14
第一章 绪论  14-28
  §1.1 LAMOST项目简介  14-17
    §1.1.1 LAMOST的基本结构  14-15
    §1.1.2 LAMOST焦面光纤定位系统  15-17
  §1.2 离散目标的位置检测  17-25
    §1.2.1 位置检测方法简介  17-18
    §1.2.2 摄影测量方法基础  18-21
    §1.2.3 大视场的目标位置检测  21-23
    §1.2.4 基于分区思想的目标位置检测系统的关键技术  23-25
  §1.3 LAMOST观测规划  25-26
  §1.4 本文的研究内容及行文安排  26-28
第二章 光纤位置检测稳定性分析  28-78
  §2.1 LAMOST中试系统中光纤位置检测的稳定性  28-30
  §2.2 目标光纤固定座  30-31
  §2.3 CCD检测系统硬件构成  31-34
    §2.3.1 光源  32
    §2.3.2 CCD摄像机与采集卡  32-34
    §2.3.3 光学镜头  34
  §2.4 静止光纤的坐标检测稳定性  34-45
    §2.4.1 物像缩放比的确定  34-35
    §2.4.2 多幅平均  35-37
    §2.4.3 质心法阈值的选取  37-38
    §2.4.4 光斑状态的影响  38-40
    §2.4.5 参考光纤的选取  40-42
    §2.4.6 物距的影响  42-43
    §2.4.7 光纤坐标检测稳定性讨论  43-45
  §2.5 光纤间距离的检测稳定性  45-66
    §2.5.1 光学像差的修正  46-47
    §2.5.2 坐标测量误差的影响  47-48
    §2.5.3 光纤扭转的影响  48-50
    §2.5.4 光斑状态的影响  50-56
    §2.5.5 定变焦镜头的比较  56-58
    §2.5.6 视场大小的影响  58-62
    §2.5.7 偏移实验  62-64
    §2.5.8 光纤间距离检测稳定性讨论  64-66
  §2.6 光纤位置检测误差分析  66-78
    §2.6.1 静止光纤的坐标检测误差分析  67-68
    §2.6.2 质心法误差分析  68-72
    §2.6.3 检测视场大小对检测误差的影响  72
    §2.6.4 成像光斑状态对检测误差的影响  72-78
第三章 CCD检测模型建模与分析  78-96
  §3.1 摄像机成像模型  78-83
    §3.1.1 常用坐标系  78-81
    §3.1.2 线性成像模型  81-82
    §3.1.3 非线性成像模型  82-83
  §3.2 摄影成像的误差估算  83-88
    §3.2.1 正直检测的误差估算  83-85
    §3.2.2 交向检测的误差估算  85-88
  §3.3 摄像机标定方法简介  88-89
  §3.4 摄像机标定方法  89-92
    §3.4.1 线性成像模型参数的求解  89-91
    §3.4.2 畸变系数的求解  91-92
    §3.4.3 非线性优化方法  92
  §3.5 摄像机标定结果及误差评价  92-96
    §3.5.1 试验过程  93
    §3.5.2 标定与误差评价  93-96
第四章 CCD检测系统软硬件设计  96-108
  §4.1 系统的硬件设计与实现  96-103
    §4.1.1 系统的总体结构  96-97
    §4.1.2 多目标测量板  97-99
    §4.1.3 测量系统  99
    §4.1.4 CCD运动机构  99-102
    §4.1.5 控制主机  102
    §4.1.6 照明系统  102-103
  §4.2 系统的软件设计与实现  103-108
    §4.2.1 图像采集模块  103-105
    §4.2.2 数据处理模块  105-108
第五章 检测实验与数据处  108-132
  §5.1 摄像机空间姿态的标定  108-115
    §5.1.1 标定方法的比较  108-109
    §5.1.2 测量平差基础  109-111
    §5.1.3 摄像机空间姿态标定算法  111-112
    §5.1.4 摄像机空间姿态标定实验与误差评价  112-115
  §5.2 同名像点匹配  115-116
  §5.3 空间坐标求解  116-122
    §5.3.1 前方交会解法  116-118
    §5.3.2 光线束平差法  118-122
  §5.4 检测实验与误差评价  122-132
    §5.4.1 视场覆盖方案  122-125
    §5.4.2 实验结果与误差评价  125-127
    §5.4.3 系统检测误差分析  127-132
第六章 LAMOST观测规划研究  132-156
  §6.1 LAMOST观测规划基础  132-138
    §6.1.1 LAMOST观测规划数学模型  132-133
    §6.1.2 星像的产生  133-134
    §6.1.3 焦面单元布置的实现  134
    §6.1.4 星像的分配  134-135
    §6.1.5 干涉处理  135
    §6.1.6 LAMOST焦面系统观测效率  135-138
  §6.2 网络优化  138-141
    §6.2.1 图与网络  138-139
    §6.2.2 网络的数据结构  139-141
  §6.3 LAMOST星像分配的网络流模型  141-145
    §6.3.1 LAMOST星像分配的最大流模型  141-142
    §6.3.2 LAMOST星像分配的最小费用流模型  142-144
    §6.3.3 网络的数据结构  144-145
  §6.4 最大流模型的求解及系统观测效率  145-150
    §6.4.1 最大流算法  145-146
    §6.4.2 最大流模型系统观测效率  146-150
  §6.5 最小费用流模型的求解及系统观测效率  150-151
    §6.5.1 最小费用流算法  150-151
    §6.5.2 最小费用流模型系统观测效率  151
  §6.6 关于LAMOST天区覆盖问题的讨论  151-156
    §6.6.1 焦面板位置已知时问题的求解  153-154
    §6.6.2 焦面板位置的优化  154-156
第七章 总结与展望  156-166
  §7.1 论文工作总结  156-162
  §7.2 论文的主要创新点  162-163
  §7.3 论文工作展望  163-166
参考文献  166-174
攻读学位期间发表的学术论文目录  174-176
致谢  176

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中图分类: > 天文学、地球科学 > 天文学 > 天文观测设备与观测资料 > 天文仪器 > 天文光学望远镜
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