CN103900538B - Ccd探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法 - Google Patents

Ccd探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法。该方法详细介绍了用于全自动天体测量仪器终端上CCD探测器的选取、CCD探测器的安装与使用、CCD探测器的自动调焦原理及方法以及利用CCD探测器拍摄的图像进行恒星位置精确测量。本发明在天体测量望远镜上使用CCD探测器进行恒星位置的测量工作，提高了观测效率、结构简单、使用方便，可在天体测量望远镜上推广和应用。

Description

CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法
技术领域
本发明涉及天文观测领域，特别是天体测量中天文时间纬度的测量工作。
背景技术
天体测量是天文观测方法，通过测量来归算获取天体的高精度位置等信息，这些将用于地球自转参数(ERP)的研究、大地测量等方面的研究。探测器是观测仪器中的重要设备之一，由望远镜采集到的光子，只有通过探测器记录后才可以被客观地采集和利用。我国传统的天体测量仪器的记录终端，基本上都是在焦平面上，被测星通过光栅，由光电倍增管接收，经过交、直流放大器，再饱和放大，通过计数器记录星过某点的时刻完成的。虽然后来采用光子计数，但只是提高了信噪比，提高了观测的极限星等，观测效率仍然比较低，观测周期长，不适合于大量星像数据的天体测量观测。
传统仪器的测时方法在测时测纬过程中，关键是要确定星过某点的精确时刻T1，传统的方法是以原子钟产生的秒脉冲为基准，采用光子计数或者交流放大的光电装置来记录一颗星象多次的时间信息，通过对所有的时间信息取平均的方式来获取精确的T1。该方法由于光电转换损耗大，量子效率只有26％，最后获取到的电信号比较模糊、不清晰，另外这种方法需要专门的设备来来记录星像的时刻，而且需要在后期进行处理才可以得到最终的结果，效率低、系统庞大、复杂、需要专门的维护。
发明内容
本发明提供了CCD(电荷耦合器件)探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法。CCD探测器以其灵敏、快捷、方便、实时、精确等优点受到天文工作者的青睐，而且成为装备光学天文望远镜的主要成像工具之一，但是在天体测量的工作中，国内仍然处于空白的状态。为实现恒星位置的高效率、精确测量，该发明由控制系统、GPS系统、CCD探测器、自动调焦系统和上位机组成。
GPS同控制器相连，接受GPS的秒脉冲信号以及时间信息，做为CCD探测器开始曝光的时刻。控制器同CCD探测器相连，提供0.5s时长的曝光脉冲和图像下载信号。上位机同控制器相连，由控制器向上位机发送曝光请求，并向上位机提供CCD探测器的开始曝光时刻信息。上位机同CCD探测器相连，用于下载CCD探测器生成的图像，并把控制器提供的CCD探测器开始曝光时刻信息作为文件头，保存在fit格式的图像里面。
优选的，上述CCD探测器作为全自动天体测量仪器终端的方法具有以下特点：
由GPS提供精度优于10ns的秒脉冲信号，精确的控制CCD的曝光时刻。
优选的，上述使CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法具有以下特点：
由控制器根据GPS的秒脉冲前沿，产生时长0.5s的曝光脉冲信号。
优选的，上述CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法具有以下特点：
由GPS向控制器提供曝光的时间信息，并由控制器发送至上位机。
优选的，上CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法具有以下特点：
由控制器向上位机发送请求曝光指令。
优选的，上述CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法具有以下特点：
由上位机根据控制器的请求指令，发送曝光指令，并进入数据接受程序，等待CCD曝光后形成的图像数据。此时控制控制器开始采集GPS秒脉冲信号，为CCD曝光做准备。
优选的，上述CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法具有以下特点：
在CCD接受到外部曝光触发信号后，开始曝光。即CCD采用外部控制的方式进行曝光。
优选的，上述CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法具有以下特点：
在CCD的0.5秒时长的曝光结束后，由控制器向CCD发送下载信号。此时，上位机开始接受CCD的图像数据。
优选的，上述CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法具有以下特点：
在上位机接收完图像数据后，把由控制器发送来的曝光时间信息作为头文件同图像数据保存成fit格式文件，存储在上位机。
优选的，上述CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法具有以下特点：
在获取到的图像数据后，上位机自动的对其进行归算，得到恒星位置等信息。
附图说明
图1是本发明总体的流程图
图2是本发明的系统组成图
图3是本发明的自动调焦的结构图
图4是本发明的CCD探测器控制流程图
具体实施方式
图1为本发明的总的操作步骤：首先是CCD探测器的选择，其次是CCD探测器的安装和控制，然后是终端的自动调焦，最后是观测星象的数据处理。
CCD探测器的选择：不同的天体测量仪器根据不同的需求，所选择的CCD探测器也会不同。针对焦距为F的天体测量仪器，按照公式C＝L/F*206265，可以在指定比例尺C的前提下，获取CCD像素单元尺寸大小L。
例如，由于地球自转的速度为15角秒/S，及星象在CCD感光板上1秒钟拉长的距离为15角秒，曝光时间为0.5秒，则最后星象在面板上的拉长距离为7.5角秒。在数据处理中星象的位置计算精确度为1/20像元，即最后计算的精度优于C/20角秒。望远镜的焦距为2000mm，比例尺为1.2，则最后的位置精度优于0.06角秒。根据上述公式可以得知需要选择的CCD像素单元的尺寸为：12μm。一个CCD像素单元在图像中的存储空间为2Byte，CCD的下载速度为5M/s，为了可以在短时间内获取到星象数据，提高观测效率，面板的总的像素单元个数为1K*1K，最终生成的图像大小为2M，可以在0.5s内完成图像的下载。
下面结合附图2-4对本发明进一步的说明：
图2是CCD作为天体测量仪器终端方法的结构图，本部分包含有CCD探测器、控制系统、GPS系统和上位机系统组成。
GPS系统同控制系统相连，接受GPS系统提供的秒脉冲信号以及时间信息，为CCD探测器的曝光提供时间基准；控制系统同CCD探测器相连，提供0.5s时长的曝光脉冲和0.1s时长的图像下载信号；上位机同控制系统相连，由控制系统向上位机发送曝光请求，并向上位机提供CCD探测器的开始曝光时刻信息；上位机同CCD探测器相连，用于下载CCD探测器生成的图像，并把控制器提供的CCD探测器开始曝光时刻信息作为文件头，保存在fit格式的图像里面。
图3是自动调焦的流程图，首先在焦前位置进行0.5s的曝光，得到图片1，然后调整调焦电机，在焦后位置进行0.5s的曝光，得到图片2；对图片1和图片2中同一颗星象，计算得到星象的直径分别为L1和L2，与两个位置和理想角点之差d1、d2，它们之间的关系为计算得知需要调整的幅度，控制调焦电机完成自动调焦。
图4是CCD作为全自动天体测量仪器终端方法的操作流程图，在正式观测之前，首先要自动调焦；然后由控制系统向上位机发送请求曝光的命令”EXPO”；然后上位机在收到“EXPO”的请求命令后，向控制系统发送曝光指令并同时调用上位机中的数据接受程序，等待接受来自CCD探测器的数据；控制系统得到曝光指令后，检测GPS系统的秒脉冲信号，在秒脉冲的前沿到来时，控制系统产生一个0.5s的脉冲信号，发送至CCD探测器；CCD探测器收到外部曝光信号后，打开快门开始曝光；在0.5s曝光结束后，控制系统产生一个0.1s的脉冲信号，允许CCD探测器把生成的图像上传至上位机中。最后再对得到的数据进程处理和归算，得到恒星位置的信息。

Claims (7)

1.一种CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法，其中天体测量望远镜中的成像系统包括CCD探测器、自动调焦系统、GPS系统、控制系统以及上位机，其特征在于，使用CCD探测器获取星象的过程中包括以下步骤：
根据需求选择CCD探测器；
使用CCD探测器进行自动调焦，通过在两次曝光之间调整焦距的方式，归算两幅图片中同一星象的直径比例，以得到调焦系统的调整方向和调整距离；
控制系统向上位机发送请求曝光命令，上位机在收到该曝光命令后，向控制系统发送曝光指令并等待接受CCD探测器的数据；
控制系统得到曝光指令后，检测GPS系统的秒脉冲信号，在秒脉冲的前沿到来时，控制系统产生一个0.5s的脉冲信号，发送至CCD探测器；
CCD探测器收到外部曝光信号后，打开快门进行曝光；
在0.5s曝光结束后，控制系统产生一个0.1s的脉冲信号，把CCD探测器生成的图像下载到上位机；对得到的数据进程处理和归算，得到观测地点的时间和纬度信息。
2.根据权利要求1所述的CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法，其特征在于以GPS的秒脉冲为CCD探测器曝光的时间历元，GPS秒脉冲的精度优于10ns。
3.根据权利要求2所述的CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法，其特征在于秒脉冲和曝光信号之间的时间精度在1毫秒以内。
4.根据权利要求1所述的CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法，其特征在于使用比例尺来选择CCD探测器，根据公式C＝L/F*206265，得到像素单元尺寸同焦距之间的比例尺关系，针对不同的天体测量仪器选择合适的CCD探测器，其中公式中C代表比例尺，L代表CCD探测器单个像元尺寸，单位为微米，公式中F代表天体测量望远镜的焦距，单位为微米，公式中206265＝180*3600/π为弧度转换为角秒的当量。
5.根据权利要求1所述的CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法，其特征在于CCD探测器的曝光和下载通过外部触发信号来控制。
6.根据权利要求1所述的CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的方法，其特征在于CCD探测器的快门响应时间优于1ms。
7.一种CCD探测器用于天体测量望远镜精确测量恒星位置的系统，该系统包括CCD探测器、自动调焦系统、GPS系统、控制系统以及上位机，其特征在于，
GPS系统同控制系统相连，控制系统接收GPS的秒脉冲信号，为CCD探测器提供精确的开始曝光的时刻，确定观测历元，并以此为基准求取星象能量中心时刻，
控制系统同CCD探测器相连，提供0.5s时长的曝光脉冲信号和图像下载信号，
控制系统同自动调焦系统相连，精确的控制调焦电机，实现CCD探测器的自动调焦，
上位机同控制系统相连，由控制系统向上位机发送曝光请求，并向上位机提供CCD探测器的开始曝光时刻信息，
上位机同CCD探测器相连，用于下载CCD探测器生成的图像，并把控制器提供的CCD探测器开始曝光时刻信息作为文件头，保存在fit格式的图像里面，上位机通过星象处理，归算得到调焦系统的调整幅度，发送至控制系统。
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