CN115437030A - 一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪方法和系统，包括以下步骤：预处理；在光纤孔周围取临近部分区域，对该区域成像信号进行实时监测；望远镜指向修正，望远镜控制系统驱动望远镜指向，使目标星成像完全落在光纤孔成像区域之内。

Description

一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪方法和系统

技术领域

本发明属于天文观测技术领域，具体地说，涉及一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪方法和系统。

背景技术

高色散光纤光谱仪是对单颗星进行分光观测，在天文上通常配备在中、大口径的大望远镜上。国内应用在天文观测的高色散光纤光谱仪只有几台，他们分别安装于丽江高美谷的2.4米望远镜、安装于兴隆2.16米望远镜、安装于丽江高美谷1.8米望远镜、安装于山东大学威海校区的1米望远镜。

目前高色散光谱仪在观测的过程中导星系统大部分是偏置自动导星系统，其原理是在望远镜光路中安装一个角度可调的平面反射镜(导星镜)，分出一部分光束，再利用CCD探测器进行短曝光成像，利用成像视场中的亮星进行闭环跟踪。这种方式常常受限于平面镜大小(集光能力，镜子大集光能力强，成像质量好，信噪比高，跟踪稳定，反之则信噪比弱，跟踪稳定性会变差)和CCD视场(CCD视场大，成像天区存在亮星概率高，跟踪稳定性高)，比如：望远镜指向目标天区没有亮星、或者导星视场内有云等天气条件影响，容易导致跟踪失败。

国内天文观测研究需求日益增长，但观测资源稀少，因此，有必要提供一种最大限度提高观测效率、设备利用率、科学产出的高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪方法和系统。

发明内容

有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪方法和系统，利用观测目标作为导星的闭环跟踪对象，直接控制望远镜，达到闭环跟踪效果，避免原导星视场无亮星而导致跟踪失败的情况。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1、预处理；

步骤2、在光纤孔周围取临近部分区域，对该区域成像信号进行实时监测；

步骤3、望远镜指向修正，望远镜控制系统驱动望远镜指向，使目标星成像完全落在光纤孔成像区域之内。

可选地，所述步骤1中的预处理具体为：在进行高色散观测望远镜闭环跟踪前，通过调节望远镜焦点来调节目标星在CCD的成像大小，使目标星在CCD上的成像已经对准针孔镜光纤孔所在的位置内。

可选地，所述步骤2中的在光纤孔周围取临近部分区域，对该区域成像信号进行实时监测具体为：以光纤孔的圆心为原点，取一个半径为R圆形区域或者一个对角线长度为C的矩形区域作为监测的区域。

可选地，所述步骤3中的望远镜指向修正具体为：

步骤3.1、计算并保存当前监测区域内的信号值总值，作为起始位置信号量；

步骤3.2、从CCD中获取实时拍摄的图像，计算监测区域当前时刻的信号量总值；

步骤3.3、计算当前时刻成像的监测区域内信号量总值与起始位置信号量之间的偏差；

步骤3.4、判断步骤3.3计算的偏差是否超出阈值范围，星象偏离光纤孔位置，计算得到的信号量总值会比原始位置信号量大；这个阈值根据实际观测得到合适的值；如果在接受范围内，则继续重复步骤3.2之后监测计算；如果超出设定阈值，则星象偏离光纤孔位置较多，需要进行指向修正；

步骤3.5、视星象为圆形的亮斑，通过图像拟合算法计算出星象圆心坐标位置；计算星象圆心与光纤孔圆心位置的偏差；再将偏差换算到望远镜运动坐标上；

步骤3.6、将得到的偏差通过通讯接口自动输入给望远镜控制系统；

步骤3.7、望远镜根据偏差进行指向修正，循环步骤3.2，直至观测结束。

可选地，所述步骤3.1中的计算并保存当前监测区域内的信号值总值，作为起始位置信号量，具体为：通过图像分割技术确定光纤孔区域，再利用图像处理技术形态学原理得到质心坐标(x0，y0)和光纤孔成像的半径r；若，直接取以(x0，y0)为圆心，r+d为半径的圆形区域，对该区域像素灰度值进行求和就得到该区域的信号量，作为起始位置信号量。

可选地，所述步骤3.2中的从CCD中获取实时拍摄的图像，计算监测区域当前时刻的信号量总值，具体为：CCD采集的图像是灰度值，监测区域的信号量总值为灰度值之和：S₀＝∑Value_xy，其中x和y表示像素坐标；当前时刻成像的监测区域内信号量总值S_t计算公式同起始位置信号量总值计算公式，S₀表示初始时刻采样值，S_t表示当前时刻采样值，只是采样的时刻不同。

可选地，所述步骤3.3中的计算当前成像的圆形监测区域内信号量总值与起始位置信号量之间的偏差，具体为：假设S_t为当前时刻监测区域的信号量总值，则与初值之间的偏差为δ＝S_t-S₀；其中，当前时刻成像的圆形监测区域内信号量总值为步骤3.2中的计算结果，起始位置信号量为步骤3.1中的计算结果。

可选地，所述步骤3.4中的判断步骤3.3计算的偏差是否超出范围，具体为：灰度偏差阈值设置为2500，如果偏差小于2500在接收范围内，则继续重复步骤3.2之后监测计算；如果超出设定阈值，则星象偏离光纤孔位置较多，需进行指向修正。

可选地，所述步骤3.5中的视星象为圆形的亮斑，通过图像拟合算法计算出星象圆心坐标位置；计算星象圆心与光纤孔圆心位置的偏差；再将偏差换算到望远镜运动坐标上，具体为：

步骤3.5.1、利用图像处理技术的二值化和连通域得到图5白色偏离区域部分所有像素点坐标:(x，y)；

步骤3.5.2、计算偏移出来的区域每个坐标与光纤孔圆心坐标(x₀，y₀)之间的距离，距离最大值位置处A点就是移动的方向；

步骤3.5.3、最大距离减去光纤孔成像圆形区域半径r得到星象重心的偏移量L＝square((y-y₀)²+(x-x₀)²)，即x、y坐标偏差的平方和，再开根号；

步骤3.5.4、根据最大偏移量L对应的像素坐标(x,y)，可以计算其相对圆心(x₀，y₀)的偏转角a，利用三角函数公式tana＝(y-y₀)/(x-x₀)可求出偏转角a＝arctan(y-y₀)/(x-x₀)结合偏移量L，进而算出圆心位置坐标＝(x₀+L*cosa,y₀+L*sina)＝(x₀+L*cos(arctan(y-y₀)/(x-x₀)),y₀+L*sin(arctan(y-y₀)/(x-x₀)))；

步骤3.5.5、x，y的偏差分别为：L*cosa，L*sina。

本发明还公开了一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪系统，包括图像采集模块、控制模块和望远镜模块；图像采集模块和望远镜模块均通过以太网或USB通讯接口与控制模块相连接；所述控制模块安装在计算机中。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

本发明直接利用观测目标视场的狭缝监视像来进行自动导星，与偏置导星相比，直接以目标星作为导星目标星，避免在导星视场无亮星而导致跟踪失败的情况。当目标星偏离光纤孔成像位置，系统会自动计算偏移量，望远镜根据偏移量自动修正。在视场内无云遮挡情况下可以进行有效的闭环跟踪。

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是本发明目标正对光纤孔成像示意图；代表视宁度好，望远镜焦点位置正好在CCD探测器面上，目标星成像比较稳定，星象无抖动，或抖动范围小，光纤孔完全对准目标，星象比光纤孔成像尺寸小，所有星光耦合进入光纤内的状况；

图2是本发明目标正对光纤孔成像示意图；代表视宁度稍微不好，星象抖动严重，在ccd成像时像斑大，成像尺寸比光纤孔成像尺寸大，导致星光并没有完全耦合进入光纤内，因此光纤孔成像外部边缘较亮；

图3是本发明光纤孔成像区域选取图；其中a代表选取的区域为圆型，b代表选取的区域为矩形；

图4是本发明视宁度不同状态光纤孔成像区域选取图；其中a代表视宁度好，望远镜焦点位置正好在CCD探测器面上，目标星成像比较稳定，星象无抖动，或抖动范围小，比光纤孔成像尺寸小，所有星光耦合进入光纤内的状况；。b代表视宁度稍微不好，星象抖动范围大，在ccd成像时像斑大，成像尺寸比光纤孔成像尺寸大，导致星光并没有完全耦合进入光纤内，因此光纤孔成像外部边缘较亮；

图5是本发明目标偏离光纤孔成像示意图；

图6是本发明高色散光纤光谱仪闭环跟踪控制流程图；

图7是本发明目标偏离光纤孔距离位置示意图；

图8是本发明高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪系统的示意图。

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。

本发明公开了一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪方法，包括以下步骤：

步骤1、预处理：在进行高色散观测望远镜闭环跟踪前，通过调节望远镜焦点来调节目标星在CCD的成像大小，使目标星在CCD上的成像已经对准针孔镜光纤孔所在的位置内，如图1所示；

目标星象成像白色斑点会刚好进入光纤孔内，黑色部分并无法成像看到，然而在观测的过程中，天气条件是在不断变化，包括视宁度、风速、云量等，另外望远镜开环跟踪精度，望远镜焦点参数设置、导星CCD参数设置，都会让我们看到不一样的结果，例如，导星目标在光纤孔附近成像出现亮斑，因此，在进行光谱观测闭环跟踪之前，通过调节望远镜焦点来调节目标星在CCD的成像大小，当焦点位置正好为CCD靶面位置，此时能量集中度最高，亮斑最小。

步骤2、在光纤孔周围取一小部分区域，对该区域成像信号进行实时监测，具体做法如下：

以光纤孔的圆心为原点，取一个半径为R圆形区域(图3a)或者一个对角线长度为C的矩形区域(图3b)作为监测的区域，以取圆形区域为例进行详细阐述，矩形区域类似。

如图4所示，在望远镜跟踪情况较好的时候，导星CCD成像是如图4a和图4b所示的两种情况，天气条件和仪器参数设置较好的情况下(视宁度在1.5个角秒以下大气稳定性较好，望远镜焦点调到CCD探测器位置时焦点调到最佳)，目标星象成像较小，所有信号基本进入光纤孔内，不会在CCD中成像，也就是看不到亮斑(如图4a所示)；在视宁度不好，星象抖动严重时，目标在导星CCD上成像的像斑会变大出现弥散状况，甚至比光纤孔成像尺寸还大，因此，会出现光纤孔成像周围出现白色亮斑(如图4b所示)。当望远镜开环跟踪误差较大的时候，会出现如下的成像状况：目标星象成像与光纤孔成像出现相接，并有逐渐分离的趋势。通过实时监测计算圆形区域内的信号总值的变化，来判断星象偏离光纤孔的程度，如果总信号量变得大，说明在CCD中成像部分变多，星象偏离光纤孔距离越大，进入光谱仪的光通量就越少，需要及时进行望远镜指向修正。

步骤3、望远镜指向修正，望远镜控制系统驱动望远镜指向，使目标星成像完全落在光纤孔成像区域之内，

具体使目标星成像重心坐标与光纤孔成像重心坐标尽量重合，这实际上不一定能达到完全重合，但天气好视宁度1个角秒左右，望远镜焦点调到最佳，且CCD曝光时间短，亮度为7等星，曝光时间在1s以下，可以达到使星象成像完全落在光纤孔成像区域之内，如图6所示：

步骤3.1、计算并保存当前监测区域内的信号值总值，作为起始位置信号量，其中，监测区域为圆形或矩形，具体为：通过图像分割技术确定光纤孔区域，再利用图像处理技术形态学原理得到质心坐标(x0，y0)和光纤孔成像的半径r。这里以圆形区域为例，直接取以(x0，y0)为圆形，r+d为半径的圆形区域，对该区域像素灰度值进行求和就得到该区域的信号量，作为起始位置信号量。或者矩形区域：CCD成像提取出来的为一个二维数组，取以光纤孔为中心的2维数组对应的行与列即可得到该区域，例如[x0-d：x0+d，y0-d：y0+d]，对该区域像素灰度值进行求和就得到该区域的信号量；作为起始位置信号量；CCD采集的图像是灰度值；

步骤3.2、从CCD中获取实时拍摄的图像(例如每秒或每若干秒，根据天气和目标星亮度决定)，计算监测区域的信号量总值；CCD采集的图像是灰度值，起始位置信号量总值为灰度值之和：S₀＝∑Value_xy，其中x和y表示像素坐标；当前成像的监测区域内信号量总值S_t计算公式同起始位置信号量总值计算公式，S₀表示初始时刻采样值，S_t表示当前时刻采样值，只是采样的时刻不同；

步骤3.3、计算当前成像的监测区域内信号量总值与起始位置信号量之间的偏差，假设S_t为当前时刻监测区域的信号量总值，则与起始位置信号量之间的偏差为δ＝S_t-S₀；其中，当前成像的监测区域内信号量总值为步骤3.2中的计算结果，起始位置信号量为步骤3.1中的计算结果；

步骤3.4、判断步骤3.3计算的偏差是否超出范围，这个范围根据测试来确定，本发明使用8位CCD其ADU读数值范围0-255，监测区域900个像素内光纤孔覆盖400个像素范围，成像灰度初始值为15616，平均每17.35/像素，目标星平均灰度值100/像素，本发明灰度偏差阈值设置为2500(25个像素偏离，占光纤孔成像6.25％)，如果偏差在设定阈值范围内，则继续重复步骤3.2之后监测计算。如果超出设定阈值，则星象偏离光纤孔位置较多，需要进行望远镜指向修正。

步骤3.5、视星象为圆形的亮斑，通过图像拟合算法计算出星象圆心坐标位置；计算星象圆心与光纤孔圆心位置的偏差；如图所示O1与O2之间距离L的坐标偏差，再将偏差换算到望远镜运动坐标上。

步骤3.5.1、利用图像处理技术的二值化和连通域方法得到图5白色偏离区域部分所有像素点坐标:(x，y)；

步骤3.5.2、计算偏移出来的区域每个坐标与光纤孔圆心坐标(x0,y0)之间的距离，距离最大值位置处A点就是移动的方向。

步骤3.5.3、最大距离减去光纤孔成像圆形区域半径r得到星象重心的偏移量L＝square((y-y0)²+(x-x0)²)，即x、y坐标偏差的平方和，再开根号。

步骤3.5.4、根据最大偏移量L对应的像素坐标(x,y)，可以计算其相对于圆心(x0,y0)的偏转角a，利用三角函数公式tana＝(y-y0)/(x-x0)可求出偏转角a＝arctan(y-y0)/(x-x0)结合偏移量L，进而算出圆心位置坐标＝(x0+L*cosa,y0+L*sina)＝(x0+L*cos(arctan(y-y0)/(x-x0)),y0+L*sin(arctan(y-y0)/(x-x0)))；

步骤3.5.5、x，y的偏差分别为：L*cosa，L*sina；

在望远镜跟踪的情况下，视宁度、风速和望远镜跟踪精度综合起来对成像有一定影响，比如视宁度在2角秒以上，观测台站风速大于5米的时候，如果CCD曝光时间设置比较短(例如在2.4米望远镜上，亮度为7等星，曝光时间为0.5s)，星象可能会存在各个方向上抖动，因此这种情况下可以通过适当加长CCD曝光时间，比如曝光时间大于2秒，使其在偏离方向轮廓成像，得到更准确的偏离位置。

步骤3.6、将得到的偏差通过通讯接口自动输入给望远镜控制系统；

步骤3.7、望远镜根据偏差进行指向修正，循环步骤3.2，直至观测结束。

本发明公开了一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪系统，如图3所示，包括图像采集模块1、控制模块2和望远镜模块3；图像采集模块1和望远镜模块3均通过以太网或USB通讯接口与控制模块2相连接；所述控制模块2安装在计算机中。

本发明的高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪系统的工作过程如下：在望远镜模块3进行高色散光谱观测之前，观测目标星像已经对准光纤孔，此时该发明导星闭环跟踪系统开始工作。整个工作流程包括以下部分：1)根据观测目标星等，设置望远镜模块3的CCD参数:增益、曝光时间，之后开始曝光，图像采集模块1从导星CCD读取图像；2)取图像光纤孔成像视场中50*50像素区域；3)对该区域的像素灰度值进行积分作为初值；4)以特定周期读取CCD图像，这里根据星等一般设置范围：0.5～5秒。5)重复2)3)4)步骤，对光纤孔区域流量值变化实时监视；6)如果该区域的流量值超出设定区域阈值(例如：2500)则认为目标偏离处光纤孔位置需要修正望远镜指向；7)计算偏移量；8)将偏移量转换为望远镜运动坐标通过通信接口(以太网)传递给控制模块2。9)控制模块2根据偏移量修正望远镜指向。

本发明的技术效果：达到在高色散光谱观测的长曝光过程中，实时监测观测目标偏离状况来修正望远镜指向，保证光纤孔在设定的阈值范围内对准观测目标星，使进入光谱仪的目标光通量稳定，从而提高观测效率。

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 (10)

1.一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、预处理；

步骤2、在光纤孔周围取临近部分区域，对该区域成像信号进行实时监测；

步骤3、望远镜指向修正，望远镜控制系统驱动望远镜指向，使目标星成像完全落在光纤孔成像区域之内。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中的预处理具体为：在进行高色散观测望远镜闭环跟踪前，通过调节望远镜焦点来调节目标星在CCD的成像大小，使目标星在CCD上的成像已经对准针孔镜光纤孔所在的位置内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的在光纤孔周围取临近部分区域，对该区域成像信号进行实时监测，具体为：以光纤孔的圆心为原点，取一个半径为R圆形区域或者一个对角线长度为C的矩形区域作为监测的区域。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中的望远镜指向修正具体为：

步骤3.1、计算并保存当前监测区域内的信号值总值，作为起始位置信号量；

步骤3.2、从CCD中获取实时拍摄的图像，计算当前时刻监测区域的信号量总值；

步骤3.3、计算当前时刻成像的监测区域内信号量总值与起始位置信号量之间的偏差；

步骤3.4、判断步骤3.3计算的偏差是否超出阈值范围，如果星象偏离光纤孔位置，则计算得到的信号量总值会比原始位置信号量大；这个阈值根据实际观测得到合适的值；如果在接受范围内，则继续重复步骤3.2之后监测计算；如果超出设定阈值，则星象偏离光纤孔位置较多，需要进行指向修正；

步骤3.5、视星象为圆形的亮斑，通过图像拟合算法计算出星象圆心坐标位置；计算星象圆心与光纤孔圆心位置的偏差；再将偏差换算到望远镜运动坐标上；

步骤3.6、将得到的偏差通过通讯接口自动输入给望远镜控制系统；

步骤3.7、望远镜根据偏差进行指向修正，循环步骤3.2，直至观测结束。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3.1中的计算并保存当前监测区域内的信号值总值，作为起始位置信号量，具体为：通过图像分割技术确定光纤孔区域，再利用图像处理技术形态学原理得到质心坐标(x0，y0)和光纤孔成像的半径r；若，直接取以(x0，y0)为圆心坐标，r+d为半径的圆形区域，对该区域像素灰度值进行求和就得到该区域的信号量，作为起始位置信号量。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3.2中的从CCD中获取实时拍摄的图像，计算当前时刻监测区域的信号量总值，具体为：CCD采集的图像是灰度值，其中，起始位置信号量总值为灰度值之和：S₀＝∑Value_xy，其中x和y表示像素坐标；当前时刻成像的监测区域内信号量总值S_t计算公式同起始位置信号量总值计算公式，S₀表示初始时刻采样值，S_t表示当前时刻采样值，只是采样的时刻不同。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3.3中的计算当前成像的圆形监测区域内信号量总值与起始位置信号量之间的偏差，具体为：假设S_t为当前时刻监测区域的信号量总值，则与初值之间的偏差为δ＝S_t-S₀；其中，当前时刻成像的圆形监测区域内信号量总值为步骤3.2中的计算结果，起始位置信号量为步骤3.1中的计算结果。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3.4中的判断步骤3.3计算的偏差是否超出范围，具体为：灰度偏差阈值设置为2500，如果偏差小于阈值2500在接收范围内，则继续重复步骤3.2之后监测计算；如果超出设定阈值，则星象偏离光纤孔位置较多，需要进行指向修正。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤3.5中的视星象为圆形的亮斑，通过图像拟合算法计算出星象圆心坐标位置；计算星象圆心与光纤孔圆心位置的偏差；再将偏差换算到望远镜运动坐标上，具体为：

步骤3.5.1、利用图像处理技术的二值化和连通域得到白色偏离区域部分所有像素点坐标:(x，y)；

步骤3.5.2、计算偏移出来的区域每个坐标与光纤孔圆心坐标(x0,y0)之间的距离，距离最大值位置处A点就是移动的方向；

步骤3.5.3、最大距离减去光纤孔成像圆形区域半径r得到星象重心的偏移量L＝square((y-y0)²+(x-x0)²)，即x、y坐标偏差的平方和，再开根号；

步骤3.5.4、根据最大偏移量L对应的像素坐标(x,y)，可以计算其相对圆心(x0,y0)的偏转角a，利用三角函数公式tana＝(y-y0)/(x-x0)可求出偏转角a＝arctan(y-y0)/(x-x0)结合偏移量L，进而算出圆心位置坐标＝(x0+L*cosa,y0+L*sina)＝(x0+L*cos(arctan(y-y0)/(x-x0)),y0+L*sin(arctan(y-y0)/(x-x0)))；

步骤3.5.5、x，y的偏差分别为：L*cosa，L*sina。

10.一种高色散光纤光谱仪导星闭环跟踪系统，其特征在于，包括图像采集模块(1)、控制模块(2)和望远镜模块(3)；图像采集模块(1)和望远镜模块(3)均通过以太网或USB通讯接口与控制模块(2)相连接；所述控制模块(2)安装在计算机中。

Images