摘要
大规模光谱巡天望远镜可以直接观测宇宙中的各种天体并获取这些天体产生的丰富光谱信息,这对于天文与天体物理学的研究至关重要。大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(LAMOST)作为具有代表性的大视场、大口径、多目标光纤光谱望远镜，已经运行观测12年。其海量的光谱数据产出极大地推动了我国天文学的发展。LAMOST最初采用了开环定位方式进行光纤定位，为进一步提高光纤定位单元的定位精度和单元运行可靠性，目前望远镜正在开展闭环系统升级改造项目。针对LAMOST闭环光纤定位系统的建设需求，本文提出了一种新型的LAMOST光纤位置检测基准框架方案。设计基准光纤作为公共基准点,并计算图像的物像转换关系，同时保证系统精度。与传统摄影测量使用的基准点不同，本文提出的基准光纤可以在超长距离(20米)条件下实现微米级精度的检测。 目前本领域的关键技术问题是如何实现更高精度的光纤定位。与目前世界上最新建成的暗能量光谱仪巡天项目(DESI)中的光纤闭环控制系统相比，LAMOST的焦面尺寸更大且相机距离光纤更远。其中DESI的焦面直径为0.9米,相机与光纤的距离为12.25米，LAMOST的焦面直径为1.75米，相机与光纤的距离为20米。因此在LAMOST中实现高精度光纤检测是一项更为困难的挑战。本文研究了基准光纤的结构、数量与分布的设计和基准光纤的检测算法，以提高光纤定位的精度。LAMOST闭环控制系统升级改造项目要求光纤检测精度达到20微米，并且光纤定位精度达到40微米。为了确保LAMOST的光纤检测和定位精度满足望远镜巡天观测的需求，本文主要开展了以下研究工作: (1)提出了一种利用基准光纤来修正相机检测误差和提高光纤定位精度的方案，并设计了一种符合精度要求且易于实现和验证的基准光纤结构。基准光纤一方面可以为光纤定位中多次拍摄的图片提供基准，从而降低每次拍摄时的系统误差。另一方面，可以根据基准光纤来计算相机拍摄图片的物像转换关系，将工作光纤的坐标从像素坐标系转换到焦面坐标系。为避免引入不必要的光纤检测误差，基准光纤设计成与现有工作光纤相似的芯径和照明方式。基准光纤单元在焦面的位置可以被激光跟踪仪精确测量。通过在望远镜现场进行实测，结果表明该方案能够满足预期的精度要求。 (2)提出了一种基于维诺图面积标准差的基准光纤分布算法。基准光纤作为一种参考基准，需覆盖整个被测区域，其数量和分布对光纤位置检测系统的精度影响很大。基准光纤需要与工作光纤共用安装位置，因此基准光纤的数量受到限制。为了在数量受限的情况下获得均匀的分布，本文利用维诺图的特性对基准光纤的分布进行了量化分析。然后结合粒子群算法进行迭代计算，得到了最终的基准光纤分布方案，且与已有算法对比表现出了更好的效果。本文提出的分布算法可以用较少的基准光纤实现光纤检测，并为高精度的光纤位置检测与定位奠定了基础。 （3）提出了一种识别、编码与解码基准光纤的算法。基准光纤是图像处理中需要首先定位的关键点，因为它和工作光纤在图像中具有相似的形态特征，需要将它们进行区分。为此，本文提出了一种使用同心圆遍历和K-means聚类相结合的算法来实现基准光纤和工作光纤的准确区分。此外，本文设计了一种基准光纤图像识别的编码算法，这种算法为每个基准光纤单元分配唯一的编码。同时,本文还设计了一种基准光纤图像识别的解码算法，可以准确地匹配计算每个基准光纤在焦面坐标系中的位置编码。这些算法具有较高的精度和速度，能够满足快速识别基准光纤的需求。 （4）为LAMOST光纤定位升级改造项目设计并搭建了基于基准光纤的闭环光纤定位系统，并提出了一种快速匹配大规模工作光纤的算法。该系统简化了原有的开环定位方式，不再需要对单元电机进行查表来计算脉冲。该系统采用相机实时检测光纤位置并修正定位误差，提高了定位精度和观测效率。此外，该系统不再需要在每年夏季占用大量的维护时间在焦面前架设相机以进行单元标定等繁琐操作。 本文针对光谱巡天望远镜核心技术之一的光纤定位技术中光纤位置高精度检测相关问题开展研究，并在LAMOST光纤定位系统中提出并实现了基于基准光纤的闭环光纤定位方案。本文研究内容主要围绕基准光纤的设计、数量与分布,同时还介绍了闭环定位系统的实现。通过在LAMOST现场进行实验，切实检验了方案的可行性。相关研究结果对保证光纤定位精度、提高光谱获取效率以及目前已经开始预研和立项工作的LAMOST二期项目中万根光纤定位、高密度、小型化的光纤定位系统具有重要意义。
NETL