CN111766696A - 一种地平式光电望远镜图像旋转的消除方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于天文观测技术领域，提供了一种地平式光电望远镜图像旋转的消除方法及装置，本申请提供的消除装置将成像相机安装在转动的平台上，当大望远镜的方位俯仰轴发生变化时，记录方位，俯仰进行位置速度，计算出引导转动转台运动跟踪位置和速度进行消除。消旋的位置和速度在不同的工况下不能简单的用统一的公式进行描述，否则会造成很大的误差。本发明中考虑到观测望远镜与观测目标之间的关系及其造成的速度奇点的影响，列出了在主焦点地平式望远镜消旋控制的公式。消考虑了计算中引起的误差，可直接应用到此类望远镜中，具有一定的普适性。

Description

一种地平式光电望远镜图像旋转的消除方法及装置
技术领域
本发明涉及天文观测技术领域，提供了一种地平式光电望远镜图像旋转的消除方法及装置。
背景技术
大口径大视场光电望远镜图像旋转的消除在天文观测中具有重要意义。在主焦点式地平式大视场望远镜进行天文观测时，视场中有多颗观测目标。由于地平式望远镜跟踪观测中心目标时，望远镜的方位和俯仰运动均是非线性的，并且地球自转的运动，若地平式望远镜相机进行长时间曝光，在成像的大视场中距观测中心一定距离的其他目标会绕视场中心进行一定程度的旋转，因而在视场中产生星点图像划线现象，不能进行正确的目标点提取，亦不能进行正确的天文定位。因此需要对该图像旋转进行消除，保证观测目标的准确性。将图像旋转进行消除的方式主要有：根据图像旋转在图像处理上进行旋转，但该种方法会造成时间延迟及计算误差；根据光学跟踪轨迹进行光学消除，但光学消除组成结构较为复杂；转动成像终端消除，此种方法需要计算由于地球自转造成的旋转运动并将其作为运动部件的引导信息进行控制补偿。
故有必要提出一种新的技术方案，以解决上述技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种地平式光电望远镜图像旋转的消除方法及装置，以更好的消除由于地球自转时视场中星点图像产生的围绕中心点旋转而造成的拉线和旋转现象。
本发明实施例的第一方面提供了一种地平式光电望远镜图像旋转的消除方法，所述消除方法包括：
获取当前时刻地平式望远镜的安装位置信息，根据公式(1)-(4)计算当前时刻所述地平式望远镜的时角H(Tk)和赤纬信息delta(Tk)，所述安装位置信息包括地理纬度、方位以及俯仰角；
sin(delta(t))＝sin(LA(t))sin(EL(t))-cos(LA(t))cos(EL(t))cos(AZ(t)) (1)
cos(delta(t))sin(H(t))＝sin(H(t))sin(AZ(t)) (2)
sin(delta(Tk))＝sin(LA(Tk))sin(EL(Tk))-cos(LA(Tk))cos(EL(Tk))cos(AZ(Tk)) (3)
cos(delta(Tk))sin(H(Tk))＝sin(H(Tk))sin(AZ(Tk)) (4)
根据所述时角H(Tk)和赤纬信息delta(Tk)，计算当前时刻的像旋位置值θ(Tk)和消旋速度ω(Tk)；
Figure BDA0002538706180000021
Figure BDA0002538706180000022
具体地，在某一观测初始时刻Tk0观测某一天区中某一固定的星点，同时考虑消旋系统的中心编码器位置，保证整个观测过程中消旋转台可以工作在正常范围内。具体为:
θ0∝(EL(Tk0),AZ(Tk0),Tk0,Δθ0)
其中，Δθ0为消旋系统中心点与初始标定值之间的差值。需要保证该差值要小于一定的Err0，Err0是根据实际测试设置的一个具有一定容限的误差比较值。
当分母tan(LA(Tk))cos(delta(Tk))-sin(delta(Tk))cos(H(Tk))＝0，θ(Tk)为一个较大的奇异点值，该点是不正确的值。需要寻找出该点后对其进行处理，保证计算出的数据正确。具体如下：
a)：判定Err(θ(Tk))＝θ(Tk+1)-θ(Tk)，若|Err(θ(Tk))|>ε1,记录这些点θ(Tk1)和θ(Tk2)。
b)：若Err(θ(Tk))<0；则(θ(Tk1～kn))‘＝(θ(Tk1～k2))+π；
(θ(Tk2～kend))‘＝(θ(Tk1～kend))+2π；
c)：若Err(θ(Tk))>0；则(θ(Tk1～kn))‘＝(θ(Tk1～k2))-π；
(θ(Tk2～kend))‘＝(θ(Tk1～kend))-2π；
同时根据tan函数的特性，即当消旋角增加时过Nπ/2时，其中N为自然数，计算出的数值是重复且不连续的，但是消旋角度是连续的，因此需要进行处理，再考虑到星点赤纬位置及望远镜的地理安装纬度之间的关系，需要将消旋位置值做如下处理：
若LA(Tk)>delta(Tk)，则θ(Tk)＝θ(Tk)-π/2-θ0；
若LA(Tk)<delta(Tk)，则，θ(Tk)＝θ(Tk)+3π/2-θ0；
将有A、B、C计算所得的θ(Tk)进行微分处理即：
ω’(Tk)＝θ(Tk+1)-θ(Tk)可获得的消旋速度，该消旋速度与θ(Tk)是一致的，可以通过(6)式直接计算，亦可以通过微分获得实时的速度；
通过所述像旋位位置和所述消旋速度生成消旋转台引导位置和引导速度，以对图旋转进行消除。
通过所述像旋位位置和所述消旋速度生成消旋转台引导位置和引导速度，以对图旋转进行消除。
可选地，所述通过所述像旋位位置和所述消旋速度生成消旋转台引导位置和引导速度，以对图旋转进行消除，包括
将计算后的消旋位置和速度生成消旋转台引导位置和速度信息，规划消旋转台的运动路径和轨迹；
根据地平式大望远镜的跟踪架当前的方位俯仰位置实时计算出消旋转台的运动路径，补偿由于地球自转造成的图像旋转现象。
本发明实施例的第二方面提供了一种地平式光电望远镜图像旋转的消除装置，所消除装置在对图像旋转现象进行消旋时运行上述第一方面任一项提供的消除方法。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果：本申请提供的消除装置将成像相机安装在转动的平台上，当大望远镜的方位俯仰轴发生变化时，记录方位，俯仰进行位置速度，计算出引导转动转台运动跟踪位置和速度进行消除。消旋的位置和速度在不同的工况下不能简单的用统一的公式进行描述，否则会造成很大的误差。本发明中考虑到观测望远镜与观测目标之间的关系及其造成的速度奇点的影响，列出了在主焦点地平式望远镜消旋控制的公式。消考虑了计算中引起的误差，可直接应用到此类望远镜中，具有一定的普适性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方法，下面将实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。
图1为本发明实施例提供的地平式光电望远镜图像旋转的消除方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的消旋控制组成示意图；
图3为本发明实施例提供的消旋控制框图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明提供的实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本发明。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
实施例一：
图1示出了本申请提供的一种地平式光电望远镜图像旋转的消除方法的流程示意图，包括：
步骤S11：获取当前时刻地平式望远镜的安装位置信息，根据公式(1)-(4)计算当前时刻所述地平式望远镜的时角H(Tk)和赤纬信息delta(Tk)，所述安装位置信息包括地理纬度、方位以及俯仰角。
具体地，上述公式(1)-(4)分别表示为：
sin(delta(t))＝sin(LA(t))sin(EL(t))-cos(LA(t))cos(EL(t))cos(AZ(t)) (1)
cos(delta(t))sin(H(t))＝sin(H(t))sin(AZ(t)) (2)
sin(delta(Tk))＝sin(LA(Tk))sin(EL(Tk))-cos(LA(Tk))cos(EL(Tk))cos(AZ(Tk)) (3)
cos(delta(Tk))sin(H(Tk))＝sin(H(Tk))sin(AZ(Tk)) (4)
步骤S12：根据所述时角H(Tk)和赤纬信息delta(Tk)，计算当前时刻的像旋位置值θ(Tk)和消旋速度ω(Tk)。
具体地，像旋位置值θ(Tk)和消旋速度ω(Tk)的计算过程可以表示为：
Figure BDA0002538706180000061
Figure BDA0002538706180000062
步骤S13：通过所述像旋位位置和所述消旋速度生成消旋转台引导位置和引导速度，以对图旋转进行消除。
具体地，将计算后的消旋位置和速度生成消旋转台引导位置和速度信息，规划消旋转台的运动路径和轨迹，根据地平式大望远镜的跟踪架当前的方位俯仰位置实时计算出消旋转台的运动路径，补偿由于地球自转造成的图像旋转现象。
本申请提供的消除装置将成像相机安装在转动的平台上，当大望远镜的方位俯仰轴发生变化时，记录方位，俯仰进行位置速度，计算出引导转动转台运动跟踪位置和速度进行消除。消旋的位置和速度在不同的工况下不能简单的用统一的公式进行描述，否则会造成很大的误差。本发明中考虑到观测望远镜与观测目标之间的关系及其造成的速度奇点的影响，列出了在主焦点地平式望远镜消旋控制的公式。消考虑了计算中引起的误差，可直接应用到此类望远镜中，具有一定的普适性。
实施例二：
下面结合具体过程对本申请提供的地平式光电望远镜图像旋转的消除方法进行说明：
本发明的目的在于解决主焦点地平式大视场望远镜长时间曝光跟踪观测目标时，消除由于地球自转时视场中星点图像产生的围绕中心点旋转而造成的拉线和旋转现象。
具体的解决步骤如下：
根据目前地平式望远镜的安装的地理纬度，方位，俯仰值计算出时角和赤纬信息。
sin(delta(t))＝sin(LA(t))sin(EL(t))-cos(LA(t))cos(EL(t))cos(AZ(t)) (1)
cos(delta(t))sin(H(t))＝sin(H(t))sin(AZ(t)) (2)
在计算机中离散化实现时：
sin(delta(Tk))＝sin(LA(Tk))sin(EL(Tk))-cos(LA(Tk))cos(EL(Tk))cos(AZ(Tk)) (3)
cos(delta(Tk))sin(H(Tk))＝sin(H(Tk))sin(AZ(Tk)) (4)
其中，Tk为k时刻的时间，Tk随着计算机中的采样时刻增加。delta(Tk)该时刻的赤纬，LA(Tk)为当地安装望远镜的地理纬度。EL(Tk)为望远镜的当时刻的俯仰轴位置。AZ(Tk)为望远镜当时刻的方位位置值。H(Tk)为此时刻的时角。通过式(3)可以通过望远镜在此时刻的方位角，俯仰角及当地纬度计算出此时刻的时角，并通过式(4)计算出此时刻的赤纬。
然后，根据时角和赤纬计算出视场的像消旋位置和旋转速度。
Figure BDA0002538706180000071
通过式(5)可以获得
Figure BDA0002538706180000072
另外，消旋的速度值如下所示：
Figure BDA0002538706180000081
其中，θ(Tk)此时刻的像旋位置值，θ0为像旋的初始位置，ω0为地球自转速度。
在求解像消旋位置值时，本发明考虑了以下问题，具体如下：
A.该初始位置需要综合观测时望远镜观测的具体目标进行标定，同时需要考虑到消旋转台运行时的反馈元件的中心点。具体为在某一观测初始时刻Tk0观测某一天区中某一固定的星点，同时考虑消旋系统的中心编码器位置，保证整个观测过程中消旋转台可以工作在正常范围内。具体为:
θ0∝(EL(Tk0),AZ(Tk0),Tk0,Δθ0)
其中，Δθ0为消旋系统中心点与初始标定值之间的差值。需要保证该差值要小于一定的Err0，Err0是根据实际测试设置的一个具有一定容限的误差比较值。
C.当分母tan(LA(Tk))cos(delta(Tk))-sin(delta(Tk))cos(H(Tk))＝0，θ(Tk)为一个较大的奇异点值，该点是不正确的值。需要寻找出该点后对其进行处理，保证计算出的数据正确。具体如下：
a)：判定Err(θ(Tk))＝θ(Tk+1)-θ(Tk)，若|Err(θ(Tk))|>ε1,记录这些点θ(Tk1)和θ(Tk2)。
b)：若Err(θ(Tk))<0；则(θ(Tk1～kn))‘＝(θ(Tk1～k2))+π；
(θ(Tk2～kend))‘＝(θ(Tk1～kend))+2π；
c)：若Err(θ(Tk))>0；则(θ(Tk1～kn))‘＝(θ(Tk1～k2))-π；
(θ(Tk2～kend))‘＝(θ(Tk1～kend))-2π；
D.同时根据tan函数的特性，即当消旋角增加时过Nπ/2时，其中N为自然数，计算出的数值是重复且不连续的，但是消旋角度是连续的，因此需要进行处理，再考虑到星点赤纬位置及望远镜的地理安装纬度之间的关系，需要将消旋位置值做如下处理：
若LA(Tk)>delta(Tk)，则θ(Tk)＝θ(Tk)-π/2-θ0；
若LA(Tk)<delta(Tk)，则，θ(Tk)＝θ(Tk)+3π/2-θ0；
E.将有A、B、C计算所得的θ(Tk)进行微分处理即：
ω’(Tk)＝θ(Tk+1)-θ(Tk)可获得的消旋速度，该消旋速度与θ(Tk)是一致的，可以通过(6)式直接计算，亦可以通过微分获得实时的速度。
将计算后的消旋位置和速度生成消旋转台引导位置和速度信息，规划消旋转台的运动路径和轨迹。根据地平式大望远镜的跟踪架当前的方位俯仰位置实时计算出消旋转台的运动路径，补偿由于地球自转造成的图像旋转现象。
请参见图2和3所示：其中消旋转台是实现消旋运动的执行部件，消转转台控制单元实现对消旋转台控制电机的位置，速度闭环控制，消旋转台位置速度引导计算单元负责由跟踪架俯仰轴伺服控制系统中的方位轴、俯仰轴的位置。跟踪架方位俯仰轴伺服控制系统负责方位、俯仰轴的位置速度控制，同时将位置信息发送给引导计算单元。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
以上实施例仅用于对本发明进行说明，而非限定；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应该理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种地平式光电望远镜图像旋转的消除方法，其特征在于，所述消除方法包括：
获取当前时刻地平式望远镜的安装位置信息，根据公式(1)-(4)计算当前时刻所述地平式望远镜的时角H(Tk)和赤纬信息delta(Tk)，所述安装位置信息包括地理纬度、方位以及俯仰角；
sin(delta(t))＝sin(LA(t))sin(EL(t))-cos(LA(t))cos(EL(t))cos(AZ(t)) (1)
cos(delta(t))sin(H(t))＝sin(H(t))sin(AZ(t)) (2)
sin(delta(Tk))＝sin(LA(Tk))sin(EL(Tk))-cos(LA(Tk))cos(EL(Tk))cos(AZ(Tk)) (3)
cos(delta(Tk))sin(H(Tk))＝sin(H(Tk))sin(AZ(Tk)) (4)
根据所述时角H(Tk)和赤纬信息delta(Tk)，计算当前时刻的像旋位置值θ(Tk)和消旋速度ω(Tk)；
Figure FDA0002538706170000011
Figure FDA0002538706170000012
具体地，在某一观测初始时刻Tk0观测某一天区中某一固定的星点，同时考虑消旋系统的中心编码器位置，保证整个观测过程中消旋转台可以工作在正常范围内；
具体为：
θ0∝(EL(Tk0)，AZ(Tk0)，Tk0，Δθ0)
其中，Δθ0为消旋系统中心点与初始标定值之间的差值；保证该差值要小于一定的Err0，Err0是根据实际测试设置的一个具有一定容限的误差比较值；
当分母tan(LA(Tk))cos(delta(Tk))-sin(delta(Tk))cos(H(Tk))＝0，θ(Tk)为一个较大的奇异点值，该点是不正确的值；需要寻找出该点后对其进行处理，保证计算出的数据正确；
具体如下：
a)：判定Err(θ(Tk))＝θ(Tk+1)-θ(Tk)，若|Err(θ(Tk))|＞ε1，记录这些点θ(Tk1)和θ(Tk2)；
b)：若Err(θ(Tk))＜0；则(θ(Tk1～k2))‘＝(θ(Tk1～k2))+π；
(θ(Tk2～kend))‘＝(θ(Tk1～kend))+2π；
c)：若Err(θ(Tk))＞0；则(θ(Tk1～k2))‘＝(θ(Tk1～k2))-π；
(θ(Tk2～kend))‘＝(θ(Tk1～kend))-2π；
同时根据tan函数的特性，即当消旋角增加时过Nπ/2时，其中N为自然数，计算出的数值是重复且不连续的，但是消旋角度是连续的，因此需要进行处理，再考虑到星点赤纬位置及望远镜的地理安装纬度之间的关系，需要将消旋位置值做如下处理：
若LA(Tk)＞delta(Tk)，则θ(Tk)＝θ(Tk)-π/2-θ0；
若LA(Tk)＜delta(Tk)，则，θ(Tk)＝θ(Tk)+3π/2-θ0；
将有A、B、C计算所得的θ(Tk)进行微分处理即：
ω′(Tk)＝θ(Tk+1)-θ(Tk)可获得的消旋速度，该消旋速度与θ(Tk)是一致的，可以通过(6)式直接计算，亦可以通过微分获得实时的速度；
通过所述像旋位位置和所述消旋速度生成消旋转台引导位置和引导速度，以对图旋转进行消除。
2.根据权利要求1所述的消除方法，其特征在于，所述通过所述像旋位位置和所述消旋速度生成消旋转台引导位置和引导速度，以对图旋转进行消除，包括
将计算后的消旋位置和速度生成消旋转台引导位置和速度信息，规划消旋转台的运动路径和轨迹；
根据地平式大望远镜的跟踪架当前的方位俯仰位置实时计算出消旋转台的运动路径，补偿由于地球自转造成的图像旋转现象。
3.一种地平式光电望远镜图像旋转的消除装置，其特征在于，所消除装置在对图像旋转现象进行消旋时运行权利要求1或2所述的消除方法。
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