CN113720260A - 一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量装置及方法，对焦面板划分测量区域，在每个测量区域内，优选一组光纤定位单元，携带参考光纤；采用搭配远心镜头的CCD相机测量参考光纤位置，在较小面积的测量区域内构建一组参考光纤标定板；巧妙的利用望远镜焦面装置的旋转机构，配合地面移动平台，驱动焦面板在空间中移动，将各个参考光纤标定板移动到CCD相机的视场中心，激光跟踪仪测量出焦面板各次移动的位姿参数；将焦面板各次移动的位姿参数转换到CCD相机坐标系，获取CCD相机坐标系下参考光纤标定板移动到基准焦面板位置的世界坐标，在基准焦面板位置下，CCD相机测量出各个参考光纤的位置坐标。

Description

一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量装置及方法，属于大尺度精密几何测量技术领域。

背景技术

全球各个国家独立或相互合作建立多个大口径多光纤光谱天文望远镜，为天文学领域的研究提供观测数据，该类望远镜上的核心部件——焦面装置的作用是接受来自天体的光能量，在焦面板上安装有几百甚至上千数量的光纤定位单元，可以使各个光纤较为精确到达焦面板上相应位置，从而实现各个光纤对准不同观测天体，尽可能多的接收到更多天体的光能量，由于大多数光纤定位单元在实际的工作中，很难一次性达到定位要求，需要对光纤每次移动后实际的位置进行精确的检测，该问题是全球各个多目标光纤光谱天文望远镜以及暗能量光谱仪等大型地基天文望远镜的棘手问题。

以郭守敬望远镜(英文简称LAMOST)为例，它是一架新类型的大视场兼备大口径望远镜。LAMOST采用了并行可控的光纤定位技术，在5度视场，直径为1.75米的焦面板上放置4000根光纤，同时可获得4000个天体的光谱。为了保证目标天体在焦面板上都有对应的光纤端面接收其光谱信息，为了捕捉特定天体的光谱，光纤单元需要多次步进才能将光纤端面精确地定位到其相应巡视区域中的目标位置。为了保证定位精度，需要对光纤端面位置精确测量。

针对LAMOST项目中焦面板的光纤测量，李为民提出了分离式差分标定板思想进行标定，但其要求差分标定板与焦面板上的光纤端部分布在同一个平面，这在实际操作中很难实现。刘志刚等人提出的基于VC的最小二乘拟合圆的方法,以光纤单元上光纤端面作为标志点，标志点的三维位置认为是光纤单元安装孔的加工位置。由于安装孔的位置加工精度约25μm，且由于间隙配合导致光纤与安装孔位置不重合，进一步加大标志点的误差。又因热胀冷缩的影响，直径1.75m铝制焦面板工作前后温差在3℃以上，则其径向热膨胀量约为138μm，更进一步加大标志点的误差，这使得各个标志点世界坐标难以精确得到，导致标定精度不够。

将焦面板上安装的一部分光纤设置为参考光纤，通过其他方法测量出的参考光纤的精确的世界坐标，在CCD相机测量参数标定中，可以消除工作光纤世界坐标中存在的各种误差，从而大幅度提高标定精度。焦面板面积较大且形状是球冠曲面，参考光纤是安装在光纤定位单元上，这给参考光纤的位置测量带来极大的挑战，相关人员尝试在携带参考光纤的光纤定位单元机械结构端部安装激光跟踪仪靶球，通过激光跟踪仪去测量各个靶球之间的位置关系，需要设计特定结构的光纤定位单元、改造靶球的结构，考虑到靶球与参考光纤较大的装配误差，测量出的参考光纤位置坐标精度较差；靶球的实际尺寸较大，在光纤定位单元的端部安装靶球会极大影响望远镜的整体观测效率；焦面板上会分布数量在几十至几百个参考光纤，工作人员很难逐个在每个光纤定位单元端部去安装靶球。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置精确测量装置及方法，可以测量得到高精度的参考光纤的位置，有效补偿工作光纤的测量误差。

本发明技术解决方案：将焦面板进行划分测量区域，在每个测量区域内，优选一组具有高精度定位性能的光纤定位单元，携带参考光纤，采用提前标定的远心镜头相机在各个区域内的测量参考光纤位置，在每个小区域都构建一块参考光纤标定板，巧妙的利用焦面装置自身的旋转机构，再辅以地面移动平台，将各个待测区域光纤标定板移动到CCD相机的视场中心，通过激光跟踪仪测量出焦面板各次移动得位姿参数，将各个测量区域内参考光纤标定板转换到CCD相机坐标系，完成焦面板上整个测量区域参考光纤的测量，可以有效补偿工作光纤的测量误差。

本发明的一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置的测量装置；包括：光纤光谱望远镜焦面装置：主要由焦面板、焦面板机架、焦面板底座、焦面旋转机构。

所述焦面板为一个直径1.75m，曲率半径为20m的球冠面，在焦面板上均匀加工阵列的固定孔位，所述的光纤定位单元可以垂直安装在焦面板的固定孔位里；

地面移动平台：主要由一维移动平台模块、焦面装置基座、移动导轨、光栅尺等组成。

所述光纤光谱望远镜焦面装置的焦面板底座安装在焦面装置基座上，所述焦面装置基座安装在一维移动平台模块上，所述一维移动平台模块与所述移动导轨连接，所述光栅尺安装在移动导轨一侧；

所述一维移动平台可以带动光纤光谱望远镜焦面装置在导轨进行一维移动，所述光栅尺可精确读出移动导轨的相对位移距离；

激光跟踪仪测量装置：包括激光跟踪仪、激光跟踪仪靶球、焦面靶球底座；

所述焦面靶球安装基座可安装在焦面板平面的边缘，激光跟踪仪靶球安装在靶球底座上，所述激光跟踪仪可以精确测量焦面板移动前后的空间姿态变化；

光纤定位单元:在实验室内将加工组装后的一批光纤定位单元进行走位实验测试，选取所需数量的走位精度高的光纤定位单元记为参考光纤单元，每个参考光纤定位单元是一种双回装平面定位装置，参考光纤定位单元携带的光纤记为参考光纤，可以携带参考光纤到达单元区域内任一点；

摄影测量装置：包括CCD相机、普通镜头、远心镜头、三维精密相机移动云台、云台支架；所述的CCD相机安装在所述的三维精密相机移动云台上，所述的三维精密相机移动云台安装在云台支架上，所述的云台支架安装在焦面装置前方的地面上，使CCD相机视场正对焦面板；

云台支架和焦面板之间没有直接连接，将三维精密相机移动云台安装在云台支架上，三维精密相机云台可以调整CCD相机的空间位置；

图像处理模块：采用线缆分别与相机及计算机控制装置连接，图像处理模块接受到CCD相机传输的图像数据，对图像进行处理，提取所需光纤端部形成光斑的像素坐标；

计算机控制装置：接受来自图像处理模块及激光跟踪仪装置的测量数据，并进行相应计算。

坐标系转换模块：接受来自CCD相机和激光跟踪仪下的测量数据，可实现CCD相机坐标系和激光跟踪仪坐标系的相互转换。

本发明的一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置的测量方法，其特点在于，先对光纤定位单元进行定位精度试验，优选出一组的光纤定位单元，光纤定位单元机械结构末端携带参考光纤，参考光纤的平面定位精度可达40um；采用CCD相机搭配远心镜头，利用远心镜头独特的光学特性：高分辨率、超宽景深、超低畸变等优点，在较小尺寸的测量区域内，巧妙的构建参考光纤标定板，每个参考光纤端部为一个标记点，在该较小尺寸的测量区域内，各个标记点的位置精度可达40um。

本发明的一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置的测量方法如下：

(1)划分焦面板测量区域以及参考光纤定位单元的安装，具体包括以下步骤：

(11)对装配完成的光纤定位单元进行定位精度试验，将满足定位精度要求的光纤定位单元称为参考光纤定位单元，所携带的光纤称为参考光纤；

(12)在焦面板表面均匀划分出5个或以上的测量区域，尺寸小于或等于半径200mm，并编号为i(i＝1，2，…,n),在每个测量区域i内优选j(j＝15，16，…,n)个参考光纤定位单元安装孔；

(13)在测量区域i内安装参考光纤定位单元，所携带的各个参考光纤处于一个平面，参考光纤端部视为标记点；

(2)在焦面板上各个测量区域i构建参考光纤标定板Pi，具体包括以下步骤：

(21)优选CCD相机，将CCD相机镜头更换为视场合适的远心镜头，优选大小尺寸为500mm×500mm左右的方形圆点标定板，完成CCD相机的线下标定；

(22)标定完成的CCD相机对测量区域1内参考光纤位置进行测量，计算出各个参考光纤与理想点的位置误差，利用参考光纤定位单元的平面走位机构，对该位置误差进行修正,构建出测量区域1内的参考光纤标定板P1；

(23)对其他测量区域i，同样采用步骤(22)完成在每个测量区域i内都构建一块相同尺寸的参考光纤标定板Pi；

(3)建立CCD相机与参考光纤标定板Pi的位置关系，具体包括以下步骤：

(31)各个测量区域i内的参考光纤标定板的标记点位置分布是相同的，建立参考光纤标定板Pi的世界坐标系；

(32)使焦面板测量区域1位于CCD相机的视场中心，将CCD相机的镜头更换为焦距合适的普通镜头并标定出CCD相机内部参数fu，fv，u0，v0，k0，k1，k2，k3，k4；fu和fv是CCD相机的等效焦距；u0，v0是图像的主点坐标；k0，k1，k2，k3，k4是考虑径向畸变和切向畸变的像差模型系数；

(33)三维精密相机移动云台控制CCD相机移动到测量区域1的正前方，拍摄测量区域1的参考光纤标定板，获得参考光纤标定板P1像片IMG1，采用角锥体法计算出像片IMG1位于CCD相机的外方位元素，采用单像片后方空间交会原理进行外方位元素的光束法平差，得到优化的外方位元素，即旋转矩阵R1和平移矩阵T1；记录下三维精密相机移动云台的三维移动参数；进一步的，三维精密相机移动云台控制CCD相机回到CCD相机的初始位置。

(34)巧妙利用光纤光谱望远镜焦面装置的自身旋转机构，辅以地面移动平台，将参考光纤标定板Pm(m＝2,3,…,n)移动到CCD相机的视场中心，重复步骤(31)-(33)，获取参考光纤标定板Pm世界坐标系转换到CCD相机坐标系的旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm；激光跟踪仪测量焦面板每次移动的空间位置；

(4)求取在焦面板基准位置下各个参考光纤标定板之间的位置关系，具体包括以下步骤：

(41)对于各个参考光纤标定板m，选择CCD相机位于三维精密相机移动云台初始位置时，参考光纤标定板世界坐标系OPm在CCD相机坐标系下的旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm；

(42)以参考光纤标定板P1的坐标系OP1为基准坐标系，其他的参考光纤标定板Pm通过焦面板在欧式空间的刚体运动依次移动到CCD相机视场中心；在激光跟踪仪坐标系下，各个参考光纤标定板Pm移动到CCD相机视场中心过程中，焦面板的旋转和移动参数等于各个参考光纤标定板m移动到CCD相机视场中心的旋转和移动参数；

(43)坐标系转换模块标定出CCD相机坐标系和激光跟踪仪坐标系之间转换关系，将激光跟踪仪下，每个参考光纤标定板Pm移动CCD相机视场中心的旋转和移动参数转换到CCD相机坐标系下的旋转向量R'_m和平移向量T'_m；

(44)参考光纤标定板P1位于CCD相机视场中心时，焦面板所在位置设为基准焦面位置A1，在CCD相机坐标系下，测量区域1内的参考光纤标定板P1为基准参考光纤标定板，将测量区域m参考光纤标定板世界坐标Pm通过旋转向量R'_m和平移向量T'_m转换到基准焦面位置下的CCD相机坐标系下，进一步的，得到参考光纤标定板Pm世界坐标OPm在CCD相机坐标系下的相对位移ΔX_m；

(45)在基准焦面位置下，将各个测量区域m内的参考光纤标定板Pm的世界坐标OPm，通过旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm转换到CCD相机坐标系下的坐标X_m，加上参考光纤标定板Pm世界坐标OPm在CCD相机坐标系下的相对位移ΔX_m，进一步的，在基准位置焦面板下，得到参考光纤标定板世界坐标Pm在CCD相机坐标系下实际坐标X_{new_m}；

(46)选择基准参考光纤标定板P1的CCD相机外部参数(旋转矩阵R1和平移矩阵T1)，将X_{new_m}转换到基准参考光纤标定板世界坐标系下OP1下，得到在OP1下的坐标X_{OP_mj}(j为参考光纤标定板Pm内的第j个参考光纤)。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)对光纤定位单元的进行定位精度试验，筛选出一批定位性能优秀的光纤定位单元，携带参考光纤；采用CCD相机搭配远心镜头，利用远心镜头独特的光学特性：高分辨率、超宽景深、超低畸变等优点；然后将焦面板划分多个较小面积的测量区域，在较小尺寸的测量区域内，巧妙的构建参考光纤标定板,每个参考光纤端部为一个标记点，在该较小尺寸的测量区域内，各个标记点的位置精度可达40um，完成在较小视场区域内的光纤位置测量；

(2)巧妙的利用光纤光谱望远镜焦面装置含有旋转机构，可以驱动焦面板绕其轴线旋转，再结合地面移动平台，将焦面板各个测量区域内的参考光纤标定板移动CCD相机视场中心，激光跟踪仪测量出焦面板精确的相对空间位置，最终将焦面板上各个测量区域内的参考光纤板坐标统一在基准焦面坐标系下，获取了整个焦面板内各个参考光纤的精确位置。

在测量参考光纤时，先在较小面积的测量区域内构建光纤位置精度满足要求(小于40um)的参考光纤标定板，再通过焦面板的相对运动，将各个参考光纤表达板的坐标系建立相对位置联系，在相对测量中，避免了直接将激光跟踪仪的靶标安装在参考光纤上的装配误差，可以减小参考光纤安装在焦面板上的装配误差，可以有效提高CCD相机标定的精度，最终将极大提高了光谱光纤望远镜焦面工作光纤的测量精度，也不会影响望远镜的观测效率。

附图说明

图1是本发明一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量装置的结构示意图；

图2是本发明所述光纤定位单元安装在焦面板上的视图；

图3是本发明焦面装置与地面移动平台的连接结构示意图；

图4是一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量方法的流程图；

图5是本发明将焦面板划分成各个测量区域的原理示意图；

图6是本发明在焦面板各个测量区域构建参考光纤标定板的原理示意图；

图7是本发明相机坐标系中测量各个测量区域参考光纤标定板外部参数的示意图；

图8是利用焦面板的空间移动建立基准区域与其他区域位置联系的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的一种多目标光纤光谱望远镜焦面光纤位置测量装置的结构示意图，主要包括光纤光谱望远镜焦面装置1、地面移动平台2、摄影测量装置3、激光跟踪仪装置4、图像采集与处理模块5、光纤定位单元6，计算机控制及处理装置7，坐标系转换模块8。

如图3所示，光纤光谱望远镜焦面装置1，由焦面板11、焦面板机架12、焦面板底座13、焦面旋转机构14组成；地面移动平台2由一维移动平台模块21、焦面装置基座22、移动导轨23组成；

所述的焦面板11为一个直径1.75m，曲率半径为20m的球冠面，在焦面板11上均匀加工阵列的固定孔位，所述的光纤定位单元6可以垂直安装在焦面板11的固定孔位里；

所述光纤光谱望远镜焦面装置1的焦面板底座13安装在焦面装置基座22上，所述焦面装置基座22安装在一维移动平台模块21上，所述一维移动平台模块21与所述移动导轨23连接，所述光栅尺24安装在移动导轨23一侧；所述一维移动平台21可以带动光纤光谱望远镜焦面装置1在移动导轨23进行一维移动，所述光栅尺24可精确读出光谱望远镜焦面装置1的在导轨23上的相对位移距离；

具体的，焦面装置主体1中的焦面旋转机构14，可以驱动焦面板11作旋转运动，焦面装置主体1的焦面装置基座22安装在一维移动平台模块21，驱动焦面板11做一维运动，进一步的，焦面板11可通过旋转和平移实现空间位置移动。

如图7所示，摄影测量装置3由CCD相机31、各种不同参数的普通相机镜头和远心镜头32、三维精密相机移动云台33、云台支架34组成；

具体的，所述的CCD相机31安装在所述的三维精密相机移动云台33上，所述的三维精密相机移动云台33安装在云台支架34上，所述的云台支架34安装在光纤光谱望远镜焦面装置1前方的地面上，三维精密相机移动云台33可控制CCD相机31进行精确的位置移动，并同时记录CCD相机31移动前后的位置参数；云台支架34和焦面板11之间没有直接连接，三维精密相机云台33可以调整CCD相机31的空间位置；CCD相机31可以换选不同参数的镜头32搭建多类型的CCD摄影测量装置；

(X_C,Y_C,Z_C)构建组成CCD相机坐标系，(X_j,Y_j,Z_j)构建组成激光跟踪仪测量坐标系；

激光跟踪仪装置4，由激光跟踪仪41、激光跟踪仪靶球42、靶球安装基座43组成，靶球安装基座43可安装在焦面板11的边缘，激光跟踪仪靶球42安装在靶球安装基座43上，激光跟踪仪41可以精确测量焦面板11移动前后的空间相对位置。

图像采集与处理模块5采用线缆分别与CCD相机31及计算机控制及处理装置7连接。

光纤定位单元6为一种双回转平面定位装置，可以均匀分布安装在焦面板11上。

计算机控制及处理装置7，接受来自图像采集与处理模块5及激光跟踪仪装置4的测量数据。

坐标系转换模块8，对来自图像采集与处理模块5及激光跟踪仪装置4的测量数据进行处理。

如图4所示，本发明的一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量方法具体步骤如下：

(1)划分焦面板测量区域以及参考光纤定位单元的安装，具体包括以下步骤：

如图4所述，可将焦面板分成5个、9个或者更多数量的测量区域，各个测量区域面积小于半径200mm的圆，各个测量区域在焦面板表面的中心和边缘均匀分布，小面积的测量区域非常接近于平面；

如图5所示，将焦面板11的表面划分成5个区域，分别记为1、2、3、4及5；在实验室对装配完成的光纤定位单元6进行定位精度试验，筛选出一批满足线下精度测试后的光纤单元6，称为参考光纤定位单元，所携带的光纤称为参考光纤。

在测量区域i内粗略选择16个参考光纤定位单元安装孔，安装孔的位置分布大致符合构建参考光纤标定板各个标记点的分布，在测量区域i内安装参考光纤定位单元6，所携带的各个参考光纤处于一个平面，参考光纤端部视为标记点；

(2)在焦面板上各个测量区域i构建参考光纤标定板Pi，具体包括以下步骤：

优选CCD相机31，将CCD相机镜头更换为视场合适的远心镜头，优选大小为500mm×500mm左右的方形圆点标定板，完成CCD相机31的线下标定；通过一维移动平台模块21和焦面旋转机构14驱动焦面板测量区域1对准CCD相机31的光轴，三维精密空间移动云台33驱动CCD相机31空间移动，将CCD相机镜头32到测量区域1的距离调整合适；

图像采集与处理模块5控制CCD相机31拍摄测量区域1内各个参考光纤单元6光纤头的图像，测量出各个光纤头在区域1的实际位置，依据预构建参考光纤标定板模型，求解每个光纤头距离目标位置的实际距离，计算机控制及处理装置7控制测量区域1内各个参考光纤单元6继续转动，重复上述过程，直到测量区域1内各个光纤单元光纤头的位置满足要求，即在测量区域1内构建一块高精度的参考光纤标定板，其坐标系为OP1,Z方向的坐标应为0；

其他测量区域如同测量区域1，可依次构建出相应测量区域的参考光纤标定板Pm，具体分布如图6所示。

(3)建立CCD相机与参考光纤标定板Pi的位置关系，具体包括以下步骤：

优选CCD相机31，将CCD相机镜头更换为焦距合适的普通镜头，优选500mm×500mm左右的方形圆点标定板，采用张正友方法标定出CCD相机的内部参数fu，fv，u0，v0，k0，k1，k2，k3，k4；fu和fv是CCD相机的等效焦距；u0，v0是图像的主点坐标；k0，k1，k2，k3，k4是考虑径向畸变和切向畸变的像差模型系数；

为了建立CCD相机31与焦面板11不同测量区域i的参考光纤标定板Pi之间的位置关系，三维精密相机移动云台33带动CCD相机31回到初始位置，再驱动焦面板11移动空间位置，将焦面板11测量区域1移动到CCD相机31的视场中心，并记焦面板测量区域1位于相机31视场中心时，焦面板的空间位置为Aj；

当测量区域1位于CCD相机31视场中心时，CCD相机31在初始位置下，拍摄测量区域1内的参考光纤标定板，获得参考光纤标定板B1像片IMG1；

参考光纤标定板P1标记点j的像素坐标m_1j(u1j,v1j)，在IMG1上随机选取三个光纤形成的光斑点，计算出光纤中心点的光斑分别为m₁₁(u11,v11)，m₁₂(u12,v12)，m₁₃(u13,v13)；三个光斑m11、m12、m13对应的光纤在参考光纤标定板P1的OP1坐标系的坐标为M₁₁(X11,Y11)，M₁₂(X12,Y12)，M₁₂(X13,Y13)；

采用角锥体法计算出参考光纤标定板P1位于CCD相机31的外方位元素(旋转矩阵R1,平移矩阵T1),采用：

可以转换成外方位元素另一种表达形式(X_S,Y_S,Z_S,α,β,γ)；

(X_S,Y_S,Z_S)是光心在世界坐标系中的坐标，(α,β,γ)表示世界坐标系分别绕X轴、Y轴、Z轴转过的角度，用单像片后方空间交会原理进行外方位元素进行迭代优化：

V1＝At-L

V1是像素观测值的改正数，A为外方位元素改正数的系数矩阵，t为外方位元素的改正数向量，L为像点坐标的观测量向量；

将参考光纤标定板其他光纤在OP1下的物点坐标M_1j(X1j,Y1j)和像点坐标m_1j(u1j,v1j)带入上述误差方程多次迭代求解准确的外方位元素值(X_S,Y_S,Z_S,α,β,γ)；

三维精密相机移动云台33带动CCD相机31回到云台33的初始位置，再驱动焦面板11移动空间位置，将焦面板11测量区域2移动相机31的视场中心，并记测量区域2位于CCD相机31视场中心时，焦面板的空间位置为Bj；同理，可求解出测量区域2的参考光纤标定板P2坐标系OP2与CCD相机31的坐标系之间的旋转矩阵R₂和平移矩阵T₂。

焦面板11各个测量区域的参考光纤标定板Pm坐标系OPm转换到CCD相机31的坐标系下的旋转矩阵R_m和平移矩阵T_m可同样按照上述方法求取。

(4)求取在焦面板基准位置下各个参考光纤标定板之间的位置关系，具体包括以下步骤：

选取测量区域1为基准区域，参考光纤标定板P1位于CCD相机视场中心时，焦面板11所在位置设为基准焦面位置Aj。

如图8所述，参考光纤标定板P1位于CCD相机视场中心，焦面板11所在位置为Aj,焦面板11上的参考光纤标定板P1记为A1,参考光纤标定板P2记为A2；

焦面板11上的参考光纤标定板P2位于CCD相机视场中心，焦面板11所在位置为Bj，焦面板11上的参考光纤标定板P1记为B1,参考光纤标定板P2记为B2；

(5)在CCD相机坐标系下，由于焦面板11的空间移动，A1移动到了B1，A2移动到了B2，A1和B1是同一块参考光纤标定板P1，A2和B2是同一块参考光纤标定板P2，为了求出A1和A2之间的关系，具体步骤如下：

(51)对于参考光纤标定板P1和P2，选择CCD相机31位于三维精密相机移动云台的初始位置时，参考光纤标定板P1世界坐标系OP1在CCD相机坐标系下的旋转矩阵R1和平移矩阵T1；参考光纤标定板P2世界坐标系OP2在CCD相机坐标系下的旋转矩阵R2和平移矩阵T2；

(52)以参考光纤标定板P1的坐标系OP1为基准坐标系，参考光纤标定板P2通过焦面板11在欧式空间的刚体运动依次移动到CCD相机视场中心；在激光跟踪仪坐标系下，参考光纤标定板P2移动到CCD相机视场中心过程中，焦面板11的旋转和移动参数等于参考光纤标定板P2移动到CCD相机视场中心的旋转和移动参数；

(53)坐标系转换模块标定出CCD相机坐标系和激光跟踪仪坐标系之间转换关系，将激光跟踪仪下，参考光纤标定板P2移动CCD相机视场中心的旋转和移动参数转换到CCD相机坐标系下的旋转向量R'₂和平移向量T'₂；

(54)参考光纤标定板P2位于B2位置时，参考光纤标定板的世界坐标OP2通过旋转向量R'₂和平移向量T'₂转换到CCD相机坐标系下A2位置下，进一步的，得到参考光纤标定板P2从位置A2移动到位置B2在CCD相机坐标系下的相对坐标ΔX₂；

(55)在基准焦面位置下，将参考光纤标定板P2的世界坐标OP2，通过旋转Ri和平移Ti转换到CCD相机坐标系下的坐标X₂，加上参考光纤标定板P2的世界坐标OP2在CCD相机坐标系下的相对坐标ΔX₂，进一步的，在基准位置焦面下，得到参考光纤标定板P2世界坐标OP2在CCD相机坐标系下实际坐标X_{new_2}；

(56)在基准位置焦面下，选择参考光纤标定板P1在CCD相机坐标系中的外方位元素参数旋转R1和平移T1，将X_{new_2}转换到光纤标定板P1世界坐标系下OP1下，得到在OP1坐标系下的参考光纤标定板P2内各个参考光纤的坐标X_{OB1_2j}，j为参考光纤标定板2内的第j个参考光纤。

(6)按照(3)(4)(5)步骤，在基准位置焦面下，可以依次求取在OP1坐标系下的参考光纤标定板Pm内各个参考光纤的坐标X_{OB1_mj}(j为参考光纤标定板m内的第j个参考光纤)。

Claims (5)

1.一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量装置，其特征在于，包括：光纤光谱望远镜焦面装置、地面移动平台、激光跟踪仪测量装置、光纤定位单元、摄影测量装置、图像处理模块和计算机控制装置；

光纤定位单元数量为多个，每个光纤定位单元进行定位精度测试，将满足设定的定位精度要求的光纤定位单元称为参考光纤定位单元，所携带的光纤称为参考光纤；光纤光谱望远镜焦面装置的焦面板划分成多个半径小于200mm的测量区域，在各个测量区域内均匀分布参考光纤，摄影测量装置采用搭配远心镜头的CCD相机依次测量各个测量区域参考光纤位置，在每个测量区域巧妙构建参考光纤标定板；光纤光谱望远镜焦面装置安装在地面移动平台上，利用光纤光谱望远镜焦面装置自身的旋转机构，辅以地面移动平台，将焦面板上的各个参考光纤标定板移动到摄影测量装置的CCD相机视场中心，获取焦面板上各个参考光纤标定板在CCD相机坐标系中的外方位元素，激光跟踪仪精确测量焦面板移动前后的空间相对位置；图像处理模块采用线缆分别与摄影测量装置及计算机控制装置连接；接受来自图像处理模块及激光跟踪仪装置的三维坐标数据。

2.根据权利要求1所述的多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量装置，其特征在于：所述激光跟踪仪测量装置包括激光跟踪仪、激光跟踪仪靶球、靶球基座；所述靶球基座连接在焦面板上，所述激光跟踪仪靶球安装在靶球基座上，通过激光跟踪仪精确测量焦面板移动前后的空间相对位置。

3.根据权利要求1所述的多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量装置，其特征在于：所述摄影测量装置包括：CCD相机、普通镜头、远心镜头、三维精密相机移动云台和云台支架；CCD相机安装在所述的三维精密相机移动云台上，三维精密相机移动云台安装在云台支架上，云台支架安装在光纤远镜望远镜焦面装置前方的地面上。

4.一种多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量方法，其特征在于：CCD相机的镜头采用远心镜头，并对CCD相机进行标定，CCD相机在半径200mm内的平面位置测量精度得到极大提高；在各个测量区域内，CCD相机测量各个参考光纤位置，经过定位精度测试的参考光纤定位单元多步定位误差优于20um，将各个参考光纤送达各个测量区域内的指定位置，在每个测量区域内构建参考光纤标定板，参考光纤标定板指在测量区域内各个参考光纤位置均匀排列，且每个参考光纤的(X,Y)坐标误差满足精度要求。

5.根据权利要求4所述的多目标光纤光谱望远镜参考光纤位置测量方法，其特征在于：具体实现步骤如下；

(1)划分焦面板测量区域以及参考光纤定位单元的安装，包括以下步骤：

(11)对装配完成的光纤定位单元进行定位精度试验，将满足定位精度要求的光纤定位单元称为参考光纤定位单元，所携带的光纤称为参考光纤；

(12)在焦面板表面均匀划分出5个或以上的测量区域，尺寸小于或等于半径200mm圆形，并编号为i，i＝1，2，…,n；在每个测量区域i内选择j个参考光纤定位单元安装孔，j＝15，16，…,n；

(13)在测量区域i内安装参考光纤定位单元，所携带的各个参考光纤处于一个平面，参考光纤端部视为标记点；

(2)在焦面板上各个测量区域i构建参考光纤标定板Pi，包括以下步骤：

(21)将CCD相机镜头更换为远心镜头，选择参考光标板，优选500mm×500mm大小的方形圆点标定板，完成CCD相机的线下标定；

(22)标定完成的CCD相机对测量区域1内参考光纤位置进行测量，计算出各个参考光纤与理想点的位置误差，优选的参考光纤定位单元再次携带参考光纤向理想点逼近运动，对该位置误差进行修正,构建出测量区域1内的参考光纤标定板P1；

(23)对其他测量区域i，同样采用步骤(22)完成在每个测量区域i内都构建一块相同尺寸的参考光纤标定板Pi；

(3)建立CCD相机与参考光纤标定板Pi的位置关系，具体包括以下步骤：

(31)各个测量区域i内的参考光纤标定板Pi的标记点位置分布是相同的，建立参考光纤标定板Pi的世界坐标系OPi；

(32)使焦面板测量区域1位于CCD相机的视场中心，将CCD相机的镜头更换为焦距合适的普通镜头并标定出CCD相机内部参数fu，fv，u0，v0，k0，k1，k2，k3，k4；fu和fv是CCD相机的等效焦距；u0，v0是图像的主点坐标；k0，k1，k2，k3，k4是考虑径向畸变和切向畸变的像差模型系数；

(33)三维精密相机移动云台控制CCD相机移动到测量区域1的正前方，拍摄测量区域1的参考光纤标定板P1，获得参考光纤标定板P1像片IMG1，采用角锥体法计算出像片IMG1位于CCD相机的外方位元素初值，采用单像片后方空间交会法对外方位元素的初值进行迭代优化，获取IMG1准确的外方位元素，即旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti；记录下三维精密相机移动云台的三维移动参数；所述三维精密相机移动云台控制CCD相机回到CCD相机的初始位置；

(34)利用光纤光谱望远镜焦面装置的自身旋转机构，辅以地面移动平台，将参考光纤标定板Pm移动到CCD相机的视场中心，m＝2，3，…,n；重复步骤(31)-(33)，获取参考光纤标定板Pm世界坐标系OPm转换到CCD相机坐标系的旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm；激光跟踪仪测量焦面板每次移动的空间位置，即为参考光纤标定板移动前后的空间相对位置；

(4)求取在焦面板基准位置下各个参考光纤标定板之间的位置关系，包括以下步骤：

(41)对于各个参考光纤标定板i，选择CCD相机位于三维精密相机移动云台初始位置时，参考光纤标定板世界坐标系OPi在CCD相机坐标系下的旋转矩阵Ri和平移矩阵Ti；

(42)以参考光纤标定板P1的坐标系OP1为基准坐标系，其他的参考光纤标定板Pm通过焦面板在欧式空间的刚体运动依次移动到CCD相机视场中心；在激光跟踪仪坐标系下，各个参考光纤标定板Pm移动到CCD相机视场中心过程中，焦面板的旋转和移动参数等于各个参考光纤标定板Pm移动到CCD相机视场中心的旋转和移动参数；

(43)坐标系转换模块标定出CCD相机坐标系和激光跟踪仪坐标系之间转换关系，将激光跟踪仪下，每个参考光纤标定板Pm移动CCD相机视场中心的旋转和移动参数转换到CCD相机坐标系下的旋转向量R′_m和平移向量T′_m；

(44)参考光纤标定板Pm位于CCD相机视场中心时，焦面板所在位置设为基准焦面板位置，在CCD相机坐标系下，测量区域1内的参考光纤标定板P1为基准参考光纤标定板，将测量区域m参考光纤标定板世界坐标Pm通过旋转向量R′_m和平移向量T′_m转换到基准焦面板位置下的CCD相机坐标系下，得到参考光纤标定板Pm的世界坐标OPm在CCD相机坐标系下的相对位置ΔX_m；

(45)在基准焦面板位置下，将各个测量区域m内的参考光纤标定板Pm的世界坐标OPm，通过旋转矩阵Rm和平移矩阵Tm转换到CCD相机坐标系下的坐标X_m，加上参考光纤标定板世界坐标Pm在CCD相机坐标系下的相对位移ΔX_m，在基准位置焦面板下，得到参考光纤标定板世界坐标Pm在CCD相机坐标系下实际坐标X_{new_m}；

(46)选择基准参考光纤标定板P1的CCD相机外部参数旋转R1和平移T1，将X_{new_m}转换到基准参考光纤标定板世界坐标系下OP1下，得到在OP1下的坐标X_{OP_mj}，j为参考光纤标定m内的第j个参考光纤。

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