CN101241370A - 全日面导行方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全日面导行方法，包括：获取太阳像在电荷耦合器件(CCD)面阵上的投影；根据加权平均算法得到投影的质心；将投影的质心与CCD面阵的标准质心进行比较，得到质心偏移量；根据质心偏移量生成脉冲信号，将标准质心与投影质心调整到重合的位置上。本发明还提供了一种全日面导行系统，用于通过加权平均的质心算法获取太阳像在CCD面阵上的投影质心，并将投影质心与CCD面阵的标准质心进行比较，以得到质心偏移量，再根据质心偏移量生成脉冲信号将标准质心和投影质心调整到重合的位置上，从而实现对太阳的全日面跟踪。本发明的导行精度较高，并且，本发明不需要光路，因此实现简单，便于移植。

Description

全日面导行方法和系统

技术领域

本发明涉及导行技术，尤其涉及一种全日面导行方法和系统。

背景技术

在茫茫宇宙中，太阳与人类的生活息息相关，这种联系并不仅仅表现在科学的层面上，而且覆盖了人类社会政治、经济、军事、人文等各个方面。对于天文观测而言，太阳是唯一的一颗可以被精细观测的恒星；对于基础科学而言，太阳巨大的高温等离子体环境，提供了地球上无法模拟的巨大的磁流体动力学实验室。随着人类高科技和航天技术的飞速发展，日地空间环境的异常变化对人类的影响也越来越大，而太阳活动是日地空间环境的主导因素，因此，太阳物理研究为空间天气学研究提供了理论基础。太阳提供了一个唯一的行星系统，太阳和太阳系的研究对于宇宙中生命起源、人类地外可居住性研究的重要性越来越被重视。因此，太阳物理研究对人类社会有着十分重要的意义，而对太阳的跟踪观测是太阳物理研究的重要组成部分。

现有技术中通过导行系统实现对太阳的跟踪观测，现有的导行系统中存在一种通过四象限法进行导行的方法，该方法在太阳像的四周均匀设置四个硅光电池，当太阳像偏移时，由于硅光电池接收到的信号会产生不平衡，导行系统根据产生的不平衡量调整望远镜的观测方位，从而使偏移的太阳像回到正确位置。采用四象限法进行太阳导行的精度有限，而且容易失控。

现有的导行系统中还存在一种采用光栅钢带码盘和小电荷耦合器件(CCDCharge Coupled Device)配合局部太阳像光路的导行方法，该方法为现有技术中相对比较先进的一种导行方法，但是该方法需要额外进行光路设计，从而使得该导行方法的复杂度较高，而且该导行方法在实现上的成本也比较高。

综上所述，现有的导行方法实现太阳导行时的复杂度较高，成本较高，导行精度有限。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种全日面导行方法和系统，以解决现有技术的导行方法复杂度较高，成本较高和导行精度有限的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供了一种全日面导行方法，包括：

获取太阳像在CCD面阵上的投影；

根据加权平均算法得到所述投影的质心；

将所述投影的质心与所述CCD面阵的标准质心进行比较，得到质心偏移量；

根据所述质心偏移量生成脉冲信号，将所述标准质心与所述投影质心调整到重合的位置上。

所述获取太阳像在CCD面阵上的投影为：获取望远镜镜筒终端中的CCD相机对太阳进行拍照所得到的太阳像，并将所获取的太阳像投影在所述CCD面阵上。

所述根据加权平均算法得到的投影质心为：

            X＝∑xf(x，y)/∑f(x，y)，

            Y＝∑yf(x，y)/∑f(x，y)，

其中，X表示所述投影质心在CCD面阵中所处位置的横坐标，Y表示所述投影质心在CCD面阵中所处位置的纵坐标，x表示所述CCD面阵中被投影覆盖的像元点的横坐标，y表示所述CCD面阵中被投影覆盖的像元点的纵坐标，f(x，y)表示所述CCD面阵中对应横坐标和纵坐标分别为x、y的像元点的像素值。

所述将投影的质心与CCD面阵的标准质心进行比较得到质心偏移量为：

将所述投影质心的横坐标与所述标准质心的横坐标相减，得到所述投影在赤经方向上的质心偏移量；

将所述投影质心的纵坐标与所述标准质心的纵坐标相减，得到所述投影在赤纬方向上的质心偏移量。

所述获取太阳像在电荷耦合器件CCD面阵上的投影之前，该方法还包括：在望远镜开启时，控制望远镜镜筒终端中的CCD相机对准太阳进行拍照，从而得到所述望远镜开启后的第一幅太阳像，并根据加权平均算法计算所述第一幅太阳像在CCD面阵上的投影的质心，进而得到所述CCD面阵的标准质心。

所述根据质心偏移量生成脉冲信号将标准质心与投影质心调整到重合的位置上为：根据所述投影在赤经方向和赤纬方向上的质心偏移量生成脉冲信号，并根据所述脉冲信号将所述标准质心和投影质心调整到重合的位置上。

本发明还提供了一种全日面导行系统，包括：投影获取模块、质心计算模块、质心偏移量获取模块和质心调整模块；其中，

所述投影获取模块，用于获取太阳像在CCD面阵上的投影提供给所述质心计算模块；

所述质心计算模块，用于根据加权平均算法得到所述投影的质心；

所述质心偏移量获取模块，用于将所述投影的质心与所述CCD面阵的标准质心进行比较，得到质心偏移量提供给所述质心调整模块；

所述质心调整模块，用于根据所述质心偏移量生成脉冲信号，将所述标准质心与所述投影质心调整到重合的位置上。

本发明提供的全日面导行方法和系统，通过加权平均的质心算法获取太阳像在CCD面阵上的投影质心，并将投影质心与CCD面阵的标准质心进行比较，以得到质心偏移量，再根据质心偏移量生成脉冲信号将标准质心和投影质心调整到重合的位置上，从而实现对太阳的全日面跟踪；本发明的导行精度较高；并且，本发明不需要进行光路设计，实现简单；另外，本发明的全日面导行系统可以方便的移植到望远镜上，无需对望远镜进行过多改造，因此实现成本也较低。

附图说明

图1为本发明一种全日面导行方法的流程图；

图2为本发明实施例的太阳像在CCD面阵上的投影示意图；

图3为本发明实施例的太阳像在CCD面阵上的投影的另一示意图；

图4为本发明一种全日面导行系统的组成结构示意图；

图5为本发明实施例的导行测试结果在赤经方向上的跟踪精度示意图；

图6为本发明实施例的导行测试结果在赤纬方向上的跟踪精度示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细阐述。

本发明提供一种全日面导行方法，该方法应用于望远镜中，用于实现望远镜对太阳的全日面跟踪。本发明所提供的一种全日面导行方法，如图1所示，主要包括以下步骤：

步骤101，望远镜获取太阳像在CCD面阵上的投影。

在望远镜的镜筒终端设置有CCD相机，由CCD相机对太阳进行拍照，从而获得太阳像，获得的太阳像会在CCD面阵上形成投影。本发明实施例中的太阳像在CCD面阵上的投影示意图，如图2所示，图中包括多个小方格的矩形表示CCD面阵，每个小方格分别代表CCD面阵的一个像元点，阴影部分表示太阳像在CCD面阵上的投影。在实际应用中，CCD面阵的大小可根据需要进行选择，但需保证所选的CCD面阵大于太阳像的投影面积大小。例如：本发明的实施例中选择2029×2044的CCD面阵，即表示所选的CCD面阵包括2029×2044个像元，且横坐标方向上的像元个数为2029，若用x表示横坐标，则x可取的最大值为2029；纵坐标方向上的像元个数为2044，若用y表示纵坐标，则y可取的最大值为2044。CCD面阵中的每个像元分别用横坐标值和纵坐标值进行唯一标识。

步骤102，望远镜根据加权平均算法得到投影的质心。

由图2所示的示意图可以看出，在太阳像的投影边缘存在一些投影没有完全覆盖的像元，本发明的实施例对投影没有完全覆盖的像元的处理方法为：将左上角被投影覆盖的小方格视为完全被投影覆盖，将左上角不被投影覆盖的小方格视为不被投影覆盖。经过上述处理之后，得到的投影示意图如图3所示，从图3中可以得到投影所覆盖的像元信息。

需要指出的是，本发明中对投影没有完全覆盖的像元的处理不仅仅包括上述的方法，还包括其他处理方法，例如：将左上角被投影覆盖的小方格视为不被投影覆盖，将左上角不被投影覆盖的小方格视为完全被投影覆盖。

根据图3所示投影所覆盖的像元信息，采用加权平均的算法计算出投影的质心，加权平均算法的公式为：

        X＝∑xf(x，y)/∑f(x，y)                    (1)

        Y＝∑yf(x，y)/∑f(x，y)                    (2)

上述公式(1)、(2)中，X表示投影质心在CCD面阵中所处位置的横坐标，Y表示投影质心在CCD面阵中所处位置的纵坐标，x表示CCD面阵中被投影覆盖的像元点的横坐标，y表示CCD面阵中被投影覆盖的像元点的纵坐标，f(x，y)表示CCD面阵中对应横坐标和纵坐标分别为x、y的像元点的像素值，∑xf(x，y)表示CCD面阵中被投影覆盖的像元点横坐标与像素值之积的加权和，∑f(x，y)表示CCD面阵中被投影覆盖的像元点像素值的加权和，∑yf(x，y)表示CCD面阵中被投影覆盖的像元点纵坐标与像素值之积的加权和。

步骤103，望远镜将投影的质心与CCD面阵的标准质心进行比较，得到质心偏移量。

在望远镜开启的时候，需要由工作人员手工控制望远镜镜筒终端中的CCD相机对准太阳进行拍照，从而得到望远镜开启后的第一幅太阳像，望远镜根据上述公式(1)、(2)计算第一幅太阳像在CCD面阵上的投影的质心，得到的质心即为CCD面阵的标准质心。望远镜将步骤102中得到的投影质心与CCD面阵的标准质心进行比较，从而得到质心偏移量，计算质心偏移量的公式为：

                OffsetX＝X-X₀                    (3)

            OffsetY＝Y-Y₀                    (4)

上述公式(3)、(4)中，X表示投影质心在CCD面阵中所处位置的横坐标，Y表示投影质心在CCD面阵中所处位置的纵坐标，X₀表示标准质心在CCD面阵中所处位置的横坐标，Y₀表示标准质心在CCD面阵中所处位置的纵坐标，OffsetX表示投影在横坐标方向的质心偏移量，是对所拍的太阳像与CCD面阵中的标准质心所对应太阳像在赤经(RA，Right Ascension)方向上偏差的描述，OffsetY表示投影在纵坐标方向的质心偏移量，是对所拍的太阳像与CCD面阵中的标准质心所对应太阳像在赤纬(DEC，Declination)方向上偏差的描述。

例如：经过公式(1)、(2)的加权算法得到的投影质心为(1020，1025)，将(1010，1020)和标准质心(1015，1022)带入上述公式(3)、(4)中计算得到的质心偏移量即为(5，3)，这表明投影质心相对于标准质心在RA方向上偏移了5个像元点的位置，在DEC方向上偏移了3个像元点的位置。

步骤104，望远镜根据得到的质心偏移量生成脉冲信号，将标准质心与投影质心调整到重合的位置上。

望远镜根据得到的质心偏移量生成脉冲信号，并将生成的脉冲信号输出给电机，由电机对望远镜的方位进行调整，最终将标准质心与投影质心调整到重合的位置上。

为实现上述本发明的全日面导行方法，本发明还提供了一种全日面导行系统，如图4所示，该系统包括：投影获取模块10、质心计算模块20、质心偏移量获取模块30和质心调整模块40。投影获取模块10，用于获取太阳像在CCD面阵上的投影，并将该投影提供给质心计算模块20。质心计算模块20，连接投影获取模块10，用于根据加权平均算法得到投影的质心。质心偏移量获取模块30，连接质心计算模块20，用于将投影的质心与CCD面阵的标准质心进行比较，得到质心偏移量提供给质心调整模块40。质心调整模块40，用于根据质心偏移量生成脉冲信号，将标准质心与投影质心调整到重合的位置上。

经过实验证明，本发明的全日面导行方法和系统具有较高的导行精度。如图5和图6所示，图5为导行测试结果在RA方向上的跟踪精度示意图，图6为导行测试结果在DEC方向上的跟踪精度示意图，图中的横坐标表示采样时间，纵坐标表示跟踪精度。该实验中的相机曝光时间为40毫秒，对太阳的跟踪时间为30分钟。从图5、图6中可以看出，本发明的全日面导行方法和系统在RA方向上的跟踪精度为0.9395″，在DEC方向上的跟踪精度为0.2134″，由此可知，本发明的全日面导行方法和系统对太阳的跟踪精度比较高。

综上所述，本发明所提供的全日面导行方法和系统，导行精度较高；并且，本发明不需要进行光路设计，实现简单；另外，本发明的全日面导行系统可以方便移植到望远镜上，无需望远镜进行过多改造，因此实现成本也较低。需要指出的是，本发明的全日面导行方法和系统不仅仅适用于望远镜中，对于需要对太阳进行跟踪的太阳能设备也是适用的。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种全日面导行方法，其特征在于，包括：

获取太阳像在电荷耦合器件CCD面阵上的投影；

根据加权平均算法得到所述投影的质心；

将所述投影的质心与所述CCD面阵的标准质心进行比较，得到质心偏移量；

根据所述质心偏移量生成脉冲信号，将所述标准质心与所述投影质心调整到重合的位置上。

2、根据权利要求1所述全日面导行方法，其特征在于，所述获取太阳像在CCD面阵上的投影为：获取望远镜镜筒终端中的CCD相机对太阳进行拍照所得到的太阳像，并将所获取的太阳像投影在所述CCD面阵上。

3、根据权利要求1或2所述全日面导行方法，其特征在于，所述根据加权平均算法得到的投影质心为：

            X＝∑xf(x，y)/∑f(x，y)，

            Y＝∑yf(x，y)/∑f(x，y)，

其中，X表示所述投影质心在CCD面阵中所处位置的横坐标，Y表示所述投影质心在CCD面阵中所处位置的纵坐标，x表示所述CCD面阵中被投影覆盖的像元点的横坐标，y表示所述CCD面阵中被投影覆盖的像元点的纵坐标，f(x，y)表示所述CCD面阵中对应横坐标和纵坐标分别为x、y的像元点的像素值。

4、根据权利要求1所述全日面导行方法，其特征在于，所述将投影的质心与CCD面阵的标准质心进行比较得到质心偏移量为：

将所述投影质心的横坐标与所述标准质心的横坐标相减，得到所述投影在赤经方向上的质心偏移量；

将所述投影质心的纵坐标与所述标准质心的纵坐标相减，得到所述投影在赤纬方向上的质心偏移量。

5、根据权利要求1或4所述全日面导行方法，其特征在于，所述获取太阳像在电荷耦合器件CCD面阵上的投影之前，该方法还包括：在望远镜开启时，控制望远镜镜筒终端中的CCD相机对准太阳进行拍照，从而得到所述望远镜开启后的第一幅太阳像，并根据加权平均算法计算所述第一幅太阳像在CCD面阵上的投影的质心，进而得到所述CCD面阵的标准质心。

6、根据权利要求1或4所述全日面导行方法，其特征在于，所述根据质心偏移量生成脉冲信号将标准质心与投影质心调整到重合的位置上为：根据所述投影在赤经方向和赤纬方向上的质心偏移量生成脉冲信号，并根据所述脉冲信号将所述标准质心和投影质心调整到重合的位置上。

7、一种全日面导行系统，其特征在于，包括：投影获取模块、质心计算模块、质心偏移量获取模块和质心调整模块；其中，

所述投影获取模块，用于获取太阳像在CCD面阵上的投影提供给所述质心计算模块；

所述质心计算模块，用于根据加权平均算法得到所述投影的质心；

所述质心偏移量获取模块，用于将所述投影的质心与所述CCD面阵的标准质心进行比较，得到质心偏移量提供给所述质心调整模块；

所述质心调整模块，用于根据所述质心偏移量生成脉冲信号，将所述标准质心与所述投影质心调整到重合的位置上。

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