CN112284333A - 一种多功能天文经纬仪ccd照相机靶面偏转改正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法，包括以下步骤：采用转轴观测模式对恒星进行观测，生成“子午观测纲要”文件，对CCD主相机采集到的图像进行处理，生成“主相机各图像平均值”和“主相机每幅图像数据值”文件；根据“子午观测纲要”文件生成“近赤道星图像数据”文件；计算CCD照相机实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ；对“主相机各图像平均值”文件中所有的x’、y’数据进行主相机偏转角修正，生成“已做偏转角改正的主相机各图像平均值”文件。本发明在数据处理过程中直接对CCD主相机靶面的偏转误差进行修正。

Description

一种多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法

技术领域

本发明属于天体测量仪器与数据处理方法领域，具体地说，涉及一种多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法。

背景技术

多功能天文经纬仪是一台口径为30cm的小型天文望远镜，通过在观测被测星时实时测定和消除仪器的各种误差，从而得到高精度的天文经纬度测量结果。主光路采用RC系统，终端是一台固定不动的2/3英寸的CCD照相机(简称主相机)，用于采集恒星和人造星的影像信息。为了从恒星像的实际量度坐标(x′，y′)求得其赤道坐标(α，δ)，我们需要一个理想坐标系(x，y)进行过度。理想坐标系(x，y)的平面与主光轴垂直，纵轴y为赤经圈的投影，取赤纬增加的方向为正；横轴x垂直于y轴，取赤经增加的方向为正；其原点o对应于赤道坐标为(α₀，δ₀)点，恒星像在理想坐标系中的点(x，y)与其赤道坐标(α，δ)为一一对应的关系。而实际量度坐标(x′，y′)与理想坐标(x，y)之间存在许多的差异，比如两坐标系的原点可能不同、坐标轴彼此不平行，理想坐标系两轴是严格正交，而实际量度坐标系两轴可能不正交等。CCD装配误差等产生的影响使得实际量度坐标系与理想坐标系之间存在一个小的偏转角θ(如图1所示)，即两个坐标系的坐标轴彼此不平行的影响。

对于实际量度坐标系相对于理想坐标系有微小偏转的影响，如果通过对CCD照相机进行精调来减少和消除其影响，不但费时费力，而且难度也较大。即使完成了调试校正，在仪器长期运行观测的过程中，CCD靶面也会发生微小偏转。

因此，有必要提供一种新的多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法。

发明内容

有鉴于此，本发明根据多功能天文经纬仪的结构特点和观测方式，提供了一种用CCD主相机的恒星像图像数据，求解出CCD主相机靶面实际量度坐标系相对于理想坐标系的偏转角θ，并在数据处理的过程中进行修正的方法。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法，包括以下步骤：

步骤1、采用转轴观测模式对恒星进行观测，生成“子午观测纲要”文件，观测结束以后通过对CCD主相机采集到的图像进行处理，生成两个文件，“主相机各图像平均值”文件和“主相机每幅图像数据值”文件；

步骤2、根据“子午观测纲要”文件，筛选出满足预置天顶距范围为20°～30°的被测星，即近赤道星，再用这些被测星序号与“主相机每幅图像数据值”文件中的星序号相对比，找出序号相同的星，这些星便是当天观测到的满足条件的近赤道星；根据星序号，在“主相机每幅图像数据值”文件中，将满足条件的近赤道星的转轴前和转轴后的每幅恒星像的x’、y’数据提取出来，单独生成一个“近赤道星图像数据”文件；

步骤3、计算CCD照相机实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ；

步骤4、对“主相机各图像平均值”文件中所有的x’、y’数据进行主相机偏转角修正，然后生成“已做偏转角改正的主相机各图像平均值”文件。

可选地，所述的采用转轴观测模式对恒星进行观测具体为：用多功能天文经纬仪每天晚上进行3～4个小时的观测，累计观测90～120颗恒星，采用转轴观测模式，当第i颗被测星星像通过视场中垂线之前16秒钟开始连续露光，用终端CCD主相机先得到50幅，用于作另一种误差修正的人造星像，再得到100幅恒星像，随后将多功能天文经纬仪上盘及其以上部分，绕方位轴旋转180°，同时将镜筒随着高度轴旋转预置天顶距两倍的角度，再次指向被测星开始连续露光，也得到100幅恒星像，最后再采集50幅人造星像，转轴前或转轴后，第i颗星的每幅恒星像在CCD主相机上得到的点像的实际量度坐标值为(x′_j，y_j′)，j表示第j幅恒星像，将100幅恒星像在CCD主相机上得到的点像叠加在一起则是按一定轨迹排列的100个点。

可选地，所述的“子午观测纲要”文件包含内容依次为：观测序号、观测时间、转轴前预置天顶距、转轴前预置方位、转轴后预置天顶距、转轴后预置方位、星号、星等、光谱型代号。

可选地，所述的“主相机各图像平均值”文件分别给出每颗被测星转轴前和转轴后的恒星像与人造星像的多幅图像的量度坐标数据x’、y’的平均值，包含内容依次为：序号，星号，转轴前人造星像量度坐标数据x’、y’各自的平均值，转轴后人造星像量度坐标数据x’、y’的各自平均值，转轴前恒星像量度坐标数据x’、y’各自的平均值，转轴后恒星像量度坐标数据x’、y’各自的平均值；所述的“主相机每幅图像数据值”文件分别给出每颗被测星转轴前、后的恒星像与人造星像的每一幅图像的量度坐标x’、y’的数据，所包含内容依次为：序号、星号、转轴标志、图像序号、x’坐标数据、y’坐标数据。

可选地，所述的“近赤道星图像数据”文件包括包含内容为：序号、星号、转轴标志、图像序号、X’坐标数据、Y’坐标数据。

可选地，所述的计算CCD照相机实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ具体为：

步骤、3.1、将‘近赤道星图像数据’文件中，每颗被测星转轴前的100组x’、y’值进行一阶直线拟合，由公式

知，求偏转角θ就是求该直线与横坐标的夹角；

即，每颗被测星转轴前的100组x’、y’值进行一阶直线拟合，得到该直线与横坐标轴的夹角θ1_i，其中，θ1表示根据转轴前数据计算得到的偏转角，i表示第i颗被测星，转轴后也用同样的方法得到一个偏转角θ2_i，其中，θ2表示根据转轴后数据计算得到的偏转角，求θ1_i和θ2_i的平均值得到第i颗被测星的偏转角θ_i；

步骤3.2、为压缩随机误差的影响，取所有近赤道星求得的偏转角θ_i的平均值，即得到精确的CCD照相机实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ。

可选地，“已做偏转角改正的主相机各图像平均值”文件，包含内容依次为：序号，星号，转轴前人造星像x、y的平均值，转轴后人造星像x、y的平均值，转轴前恒星像x、y的平均值，转轴后恒星像x、y的平均值。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

本发明避免了多次拆开测微器箱体进行繁琐的调整，不进行CCD主相机靶面绕望远镜光轴的旋转调试，而是通过图像数据处理的方法测出实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ，在数据处理的过程中直接对CCD主相机靶面的偏转误差进行修正。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明CCD照相机的理想坐标系(x，y)与实际量度坐标系(x′，y′)；

图2是本发明2017-5-1对依巴谷星表中星号为47454的被观测星，在转轴前后各得到100幅恒星像，它们叠加在一起得到的点图(预置天顶距为33°32°20°)；

图3是本发明赤道星在子午方向观测时，转前或转后CCD照相机得到的100幅恒星像点像的轨迹；

图4是本发明子午观测纲要(部分数据图)；

图5是本发明主相机各图像的平均值(部分数据图)；

图6是本发明主相机每幅图像的数据值(部分数据图)，转轴标志zq表示转轴前，zh表示转轴后。转轴前，图像序号1～50为人造星像的数据，51～100为恒星像的数据。转轴后，图像序号1～100为恒星像的数据，101～150为人造星像的数据；

图7是本发明近赤道星图像的数据，满足条件的近赤道星转轴前后每幅恒星像的x、y值(部分数据)；

图8是本发明主相机各图像的平均值(已做偏转角改正)(部分数据图)；

图9是本发明CCD主相机偏转角改正流程图。

具体实施方式

以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

本发明的目的是提供一种无需精调CCD主相机，仅通过数据处理的方法，将CCD主相机靶面实际量度坐标系相对于理想坐标系的偏转进行修正的方法。

本发明多功能天文经纬仪每天晚上进行3～4个小时的观测，累计观测90～120颗恒星，采用转轴观测模式：当第i颗被测星星像通过视场中垂线之前16秒钟开始连续露光，用终端CCD主相机先得到50幅用于作另一种误差修正的人造星像，再得到100幅恒星像，随后将仪器上盘及其以上部分，绕方位轴旋转180°，同时将镜筒随着高度轴旋转预置天顶距两倍的角度，再次指向被测星开始连续露光，也得到100幅恒星像，最后再采集50幅人造星像。转轴前或转轴后，第i颗星的每幅恒星像在CCD主相机上得到的点像的实际量度坐标值为(x′_j，y_j′)，j表示第j幅恒星像，将100幅恒星像在CCD主相机上得到的点像叠加在一起则是按一定轨迹排列的100个点，如图2所示。

本发明的方法的核心是观测赤道星(δ＝0，δ为恒星视赤纬)时，星像在靶面上行走的轨迹是直线，即星径曲率改正为零，而在子午方向观测非赤道星时，在星像通过子午圈的前后，由于星径曲率改正的存在，在靶面上行走的星像轨迹向南北偏离的方向是相同的，所以必须采用赤道星的观测，才能得到干净可靠的两个坐标系之间的偏转角θ。假设θ＝0(即实际量度坐标轴平行于理想坐标轴)，对于子午方向的观测，如果被测星是赤道星，那么转轴前或转轴后分别得到的100幅恒星像叠加在一幅图上，其点像轨迹应该是一条与横坐标轴平行的直线，如图3所示。

由于CCD的装配误差，使得θ≠0，那么赤道星在子午方向观测时，转轴前或转轴后所得到的100幅恒星像叠加的点像轨迹就不再是一条平行于横坐标轴的直线，而是一条与横坐标轴的夹角为θ的斜线。故取该赤道星转轴前后各100幅恒星像y’方向的实际量度坐标变化量Δy与x’方向的实际量度坐标变化量Δx之比，即可求得偏转角θ，即

但是，在子午观测纲要中，真正的赤道星极其少，而对于非赤道星，它们的周日平行圈，即在天球上运行的轨迹是一个小圆的一段弧段，在θ＝0的情况下，因受到星径曲率的影响，转轴前或转轴后得到的100幅恒星像所呈现的点像轨迹，都不会是一条平行于横坐标轴的直线，而是一条微小弯曲的曲线。根据本仪器的星径曲率改正公式：k＝0.0485*sin2δ，其中k为子午圈测纬的星径曲率改正，δ为被测星的视赤纬，可得表1。由表1可看出，越靠近赤道的被测星，星径曲率改正项越小，为此，结合子午观测纲要，选择视赤纬为-5°～+5°范围内的近赤道星的观测值来计算偏转角θ，这个范围的星，星径曲率改正项仅为-0.008°～+0.008°，取几颗近赤道星星径曲率改正的平均，相对于仪器0.02°量级的精度要求，可以忽略不计。

表1赤道星与近赤道星的星径曲率改正项

本发明的数据处理方法如图9所示，包括以下步骤：

步骤1、生成“子午观测纲要”文件，包含内容依次为：依巴谷星表中筛选出满足多功能天文经纬仪观测条件的恒星观测序号、观测时间、转轴前预置天顶距、转轴前预置方位、转轴后预置天顶距、转轴后预置方位、星号、星等、光谱型代号。观测结束以后通过对CCD主相机采集到的图像进行处理，生成两个文件，一个是“主相机各图像平均值”文件，分别给出每颗被测星转轴前和转轴后的恒星像与人造星像的多幅图像的量度坐标数据x’、y’的平均值，包含内容依次为：序号，星号，转轴前人造星像量度坐标数据x’、y’各自的平均值，转轴后人造星像量度坐标数据x’、y’的各自平均值，转轴前恒星像量度坐标数据x’、y’各自的平均值，转轴后恒星像量度坐标数据x’、y’各自的平均值。另一个是“主相机每幅图像数据值”更大的文件，分别给出每颗被测星转轴前、后的恒星像与人造星像的每一幅图像的量度坐标x’、y’的数据，所包含内容依次为：序号、星号、转轴标志、图像序号、x’坐标数据、y’坐标数据；

步骤2、根据“子午观测纲要”文件，筛选出满足预置天顶距范围为20°～30°的被测星，即近赤道星，再用这些被测星序号与“主相机每幅图像数据值”文件中的星序号相对比，找出序号相同的星，这些星便是当天观测到的满足条件的近赤道星；根据星序号，在‘主相机每幅图像数据值’文件中，将满足条件的近赤道星的转轴前和转轴后的每幅恒星像的x’、y’数据提取出来，单独生成一个新文件“近赤道星图像数据”，包含内容为：序号、星号、转轴标志、图像序号、X’坐标数据、Y’坐标数据；

步骤3、计算CCD照相机实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ：

步骤3.1、将‘近赤道星图像数据’文件中，每颗被测星转轴前的100组x’、y’值进行一阶直线拟合，由公式

知，求偏转角θ就是求该直线与横坐标的夹角；

即，每颗被测星转轴前的100组x’、y’值进行一阶直线拟合，得到该直线与横坐标轴的夹角θ1_i，其中，θ1表示根据转轴前数据计算得到的偏转角，i表示第i颗被测星，转轴后也用同样的方法得到一个偏转角θ2_i，其中，θ2表示根据转轴后数据计算得到的偏转角，求θ1_i和θ2_i的平均值得到第i颗被测星的偏转角θ_i；

步骤3.2、为压缩随机误差的影响，取所有近赤道星求得的偏转角θ_i的平均值，即得到精确的CCD照相机实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ；

步骤4、对“主相机各图像平均值”文件中所有的x’、y’数据进行主相机偏转角修正，对第i颗星，修正公式如下：

然后生成新的“已做偏转角改正的主相机各图像平均值”文件，包含内容依次为：序号，星号，转轴前人造星像x、y的平均值，转轴后人造星像x、y的平均值，转轴前恒星像x、y的平均值，转轴后恒星像x、y的平均值。

实施例1

以2017-5-1日的观测数据为实例，首先生成‘子午观测纲要’文件，如图4，包含内容依次为：观测序号、观测时间、转轴前预置天顶距、转轴前预置方位、转轴后预置天顶距、转轴后预置方位、星号、星等、光谱型代号。观测结束以后通过对CCD主相机采集到的图像进行处理，生成两个文件，一个是‘主相机各图像平均值’文件(如图5)，分别给出每颗被测星转轴前和转轴后的恒星像与人造星像的多幅图像的量度坐标数据x’、y’的平均值，包含内容依次为：序号、星号、转轴前人造星像x’的平均值、转轴前人造星像y’的平均值、转轴后人造星像x’的平均值、转轴后人造星像y’的平均值、转轴前恒星像x’的平均值、转轴前恒星像y’的平均值、转轴后恒星像x’的平均值、转轴后恒星像y’的平均值。另一个是‘主相机每幅图像数据值’文件(如图6)，分别给出每颗被测星转轴前和转轴后的恒星像与人造星像的每一幅图像的量度坐标x’、y’的数据，所包含内容依次为：序号、星号、转轴标志、图像序号、x’坐标数据、y’坐标数据。

步骤2、根据‘子午观测纲要’文件，编写程序筛选出满足预置天顶距在20°～30°的被测星，再用这些被测星序号与‘主相机各图像平均值’文件中的星序号相对比，找出序号相同的星，这些星便是当天观测到的满足条件的近赤道星，2017-5-1共有5颗满足条件的近赤道星。他们的星序号分别为：1122、1125、1127、1208、1215，根据星序号，在‘主相机每幅图像数据值’文件中，将满足条件的这5颗近赤道星的转轴前和转轴后每幅恒星像的x’、y’数据提取出来，单独生成一个新文件‘近赤道星图像数据’(如图7)，包含内容为：序号、星号、转轴标志、图像序号、X’坐标数据、Y’坐标数据。

步骤3、将‘近赤道星图像数据’文件中，每颗被测星转轴前的100组x’、y’值进行一阶直线拟合，得到该直线与横坐标轴的夹角θ1_i(i表示第i颗被测星)。转轴后也用同样的方法得到一个夹角θ2_i，求θ1_i和θ2_i的平均值得到第i颗星的偏转角θ_i。为压缩随机误差的影响，取所有近赤道星求得的偏转角θ_i的平均值，即可得到精确的CCD照相机实际量度坐标与理想坐标的偏转角θ，如表2所示，先分别给出了2017-5-1观测所得的5颗近赤道星转轴前后求得的主相机偏转角，再将这些偏转角取平均，最终得到CCD照相机实际度量坐标与理想坐标的偏转角θ。

表2 2017-5-1观测所得近赤道星求解CCD照相机实际量度坐标与理想坐标的偏转角θ

步骤4、对“主相机各图像平均值”文件中所有的x’、y’数据进行主相机偏转角修正，对第i颗星，修正公式如下：

然后生成新的“主相机各图像平均值(已做偏转角改正)”文件(如图8所示)，包含内容依次为：序号、星号、转轴前人造星像x、y各自的平均值、转轴后人造星像x、y各自的平均值、转轴前恒星像x、y各自的平均值、转轴后恒星像x、y各自的平均值。

与对CCD照相机进行精调相比，本实施例改正方法完全不需拆装仪器、快速、简单且具有较高的精度。

上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用转轴观测模式对恒星进行观测，生成“子午观测纲要”文件，观测结束以后通过对CCD主相机采集到的图像进行处理，生成两个文件，“主相机各图像平均值”文件和“主相机每幅图像数据值”文件；

步骤2、根据“子午观测纲要”文件，筛选出满足预置天顶距范围为20°～30°的被测星，即近赤道星，再用这些被测星序号与“主相机每幅图像数据值”文件中的星序号相对比，找出序号相同的星，这些星便是当天观测到的满足条件的近赤道星；根据星序号，在“主相机每幅图像数据值”文件中，将满足条件的近赤道星的转轴前和转轴后的每幅恒星像的x’、y’数据提取出来，单独生成一个“近赤道星图像数据”文件；

步骤3、计算CCD照相机实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ；

步骤4、对“主相机各图像平均值”文件中所有的x’、y’数据进行主相机偏转角修正，然后生成“已做偏转角改正的主相机各图像平均值”文件。

2.根据权利要求1所述的多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法，其特征在于，所述的采用转轴观测模式对恒星进行观测具体为：用多功能天文经纬仪每天晚上进行3～4个小时的观测，累计观测90～120颗恒星，采用转轴观测模式，当第i颗被测星星像通过视场中垂线之前16秒钟开始连续露光，用终端CCD主相机先得到50幅，用于作另一种误差修正的人造星像，再得到100幅恒星像，随后将多功能天文经纬仪上盘及其以上部分，绕方位轴旋转180°，同时将镜筒随着高度轴旋转预置天顶距两倍的角度，再次指向被测星开始连续露光，也得到100幅恒星像，最后再采集50幅人造星像，转轴前或转轴后，第i颗星的每幅恒星像在CCD主相机上得到的点像的实际量度坐标值为(x′_j，y_j′)，j表示第j幅恒星像，将100幅恒星像在CCD主相机上得到的点像叠加在一起则是按一定轨迹排列的100个点。

3.根据权利要求1所述的多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法，其特征在于，所述的“子午观测纲要”文件包含内容依次为：观测序号、观测时间、转轴前预置天顶距、转轴前预置方位、转轴后预置天顶距、转轴后预置方位、星号、星等、光谱型代号。

4.根据权利要求1所述的多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法，其特征在于，所述的“主相机各图像平均值”文件分别给出每颗被测星转轴前和转轴后的恒星像与人造星像的多幅图像的量度坐标数据x’、y’的平均值，包含内容依次为：序号，星号，转轴前人造星像量度坐标数据x’、y’各自的平均值，转轴后人造星像量度坐标数据x’、y’的各自平均值，转轴前恒星像量度坐标数据x’、y’各自的平均值，转轴后恒星像量度坐标数据x’、y’各自的平均值；所述的“主相机每幅图像数据值”文件分别给出每颗被测星转轴前、后的恒星像与人造星像的每一幅图像的量度坐标x’、y’的数据，所包含内容依次为：序号、星号、转轴标志、图像序号、x’坐标数据、y’坐标数据。

5.根据权利要求1所述的多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法，其特征在于，所述的“近赤道星图像数据”文件包括包含内容为：序号、星号、转轴标志、图像序号、X’坐标数据、Y’坐标数据。

6.根据权利要求1所述的多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法，其特征在于，所述的计算CCD照相机实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ具体为：

步骤、3.1、将‘近赤道星图像数据’文件中，每颗被测星转轴前的100组x’、y’值进行一阶直线拟合，由公式

知，求偏转角θ就是求该直线与横坐标的夹角；

即，每颗被测星转轴前的100组x’、y’值进行一阶直线拟合，得到该直线与横坐标轴的夹角θ1_i，其中，θ1表示根据转轴前数据计算得到的偏转角，i表示第i颗被测星，转轴后也用同样的方法得到一个偏转角θ2_i，其中，θ2表示根据转轴后数据计算得到的偏转角，求θ1_i和θ2_i的平均值得到第i颗被测星的偏转角θ_i；

步骤3.2、为压缩随机误差的影响，取所有近赤道星求得的偏转角θ_i的平均值，即得到精确的CCD照相机实际量度坐标系与理想坐标系的偏转角θ。

7.根据权利要求1所述的多功能天文经纬仪CCD照相机靶面偏转改正方法，其特征在于，“已做偏转角改正的主相机各图像平均值”文件，包含内容依次为：序号，星号，转轴前人造星像x、y的平均值，转轴后人造星像x、y的平均值，转轴前恒星像x、y的平均值，转轴后恒星像x、y的平均值。

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