CN116989673A - 一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置及方法，所述装置包括机械臂、光纤位置扫描测量平台、电气控制柜、上位机、背部照明光源，光纤位置扫描测量平台包括显微光学测量模块，机械臂位于焦面板的一侧，光纤位置扫描测量平台位于机械臂的末端，电气控制柜与机械臂、光纤位置扫描测量平台和背部照明光源连接，上位机与电气控制柜连接。在光纤位置的测量过程中，将大尺寸的焦面板划分为多个子区，针对划分后的子区通过显微光学测量的方式测量出基准光纤的三维坐标，避免了接触式测量装置的装配误差，实现了对大焦面板上基准光纤三维坐标的高精度在线扫描测量，提升了基准光纤的坐标测量精度。

Description

一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置及方法

技术领域

本申请涉及精密天文仪器技术领域，尤其涉及一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置及方法。

背景技术

多目标光纤光谱望远镜采用了光纤定位系统将大量的观测光纤准确定位到焦面板上，然后光纤将来自遥远天体的星光送入光谱仪中进行光谱分析。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，直径为1.75米的焦面板上放置4000根光纤，同时获得4000个天体的光谱。为了保证观测光纤的精准定位，光纤定位系统采用初定位和多次位置补偿的方式实现定位。相机拍照测量出光纤的实际到达位置，然后将位置误差反馈给上位机作为补偿运动的步数，因此，相机的测量精度容易影响光纤定位的准确性。

为了确定相机坐标系和焦面坐标系的转换参数，需要在焦面板上安装大量的基准光纤，并且需要预先测量出基准光纤在焦面上的精确坐标，从而保证相机的测量精度。

目前可以通过一种特定的基准光纤单元实现基准光纤的位置测量，在基准光纤单元的顶部安装有激光跟踪仪的靶球，认为靶球的位置和基准光纤的位置是近似重合的，通过激光跟踪仪测量靶球的三维坐标从而确定基准光纤的坐标，但是靶球和基准光纤之间存在一定的装配误差，而且激光跟踪仪存在较大的角度误差，导致无法保证基准光纤的坐标测量精度。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置及方法，旨在提升基准光纤的坐标测量精度。

第一方面，本申请实施例提供了一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置，所述装置包括机械臂、光纤位置扫描测量平台、电气控制柜、上位机、背部照明光源，所述光纤位置扫描测量平台包括显微光学测量模块，所述机械臂位于焦面板的一侧，所述光纤位置扫描测量平台位于所述机械臂的末端，所述电气控制柜与所述机械臂、所述光纤位置扫描测量平台和所述背部照明光源连接，所述上位机与所述电气控制柜连接，所述背部照明光源包括基准光纤的一端，所述焦面板上包括所述基准光纤的另一端；

所述机械臂，用于响应于第一控制指令将所述光纤位置扫描测量平台移动至待检测区域；所述待检测区域为所述焦面板划分后多个区域中的一个子区，所述待检测区域中包括基准光纤；

所述光纤位置扫描测量平台，用于在所述背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取所述基准光纤的坐标；响应于第三控制指令，通过所述显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列；

所述上位机，用于通过所述电气控制柜向所述机械臂、所述光纤位置扫描测量平台、所述背部照明光源发送对应的控制指令；并对所述光斑图像序列进行处理，获得所述基准光纤在Z轴方向上的坐标；

所述电气控制柜，用于响应于所述控制指令控制所述机械臂、所述光纤位置扫描测量平台、所述背部照明光源执行对应的操作；

所述背部照明光源，用于响应于第四控制指令进行开关。

可选地，所述光纤位置扫描测量平台包括X轴移动台、X轴位移传感器、Y轴移动台、Y轴位移传感器、Z轴移动台和Z轴位移传感器，所述显微光学测量模块位于所述Z轴移动台上，所述X轴位移传感器位于所述X轴移动台上，所述Y轴位移传感器位于所述Y轴移动台上，所述Z轴位移传感器位于所述Z轴移动台上，所述显微光学测量模块包括相机、小景深显微镜头、镜筒；

所述光纤位置扫描测量平台，具体用于在所述背部照明光源开启时，通过所述相机、所述小景深显微镜头和所述镜筒拍摄获得所述基准光纤的出射光斑，响应于第二控制指令驱动所述X轴移动台和所述Y轴移动台移动，直至所述出射光斑位于所述相机的图像中心时，通过所述X轴位移传感器和所述Y轴位移传感器获得所述基准光纤的X轴坐标和Y轴坐标。

可选地，所述光纤位置扫描测量平台，具体用于响应于第三控制指令，驱动所述Z轴移动台沿所述基准光纤的光轴方向进行移动，通过所述显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列。

可选地，所述上位机，具体用于对所述光斑图像序列进行处理，获得所述光斑图像序列的梯度值；通过所述Z轴位移传感器获得所述光斑图像序列对应的位移值，根据所述位移值和所述梯度值获得聚焦分布曲线；通过曲线模型对所述聚焦分布曲线的形状进行拟合，确定所述聚焦分布曲线的最大值，将所述最大值对应的位移值确定为所述基准光纤的Z轴坐标。

可选地，所述上位机，还用于通过点云拼接法将所述焦面板上各个待检测区域中基准光纤的三维坐标转换为同一坐标系下的三维坐标。

可选地，所述背部照明光源为多种单色光源时，所述光纤位置扫描测量平台，还用于响应于第三控制指令，驱动所述Z轴移动台沿所述基准光纤的光轴方向进行移动，通过所述显微光学测量模块获得所述基准光纤在不同光源照明下的多组光斑图像序列。

可选地，所述上位机，还用于对所述多组光斑图像序列进行处理，获得多组光斑图像序列的梯度值；根据所述多组梯度值和分别对应的Z轴位移值，确定多组聚焦分布曲线；根据数据融合法对所述多组聚焦分布曲线进行融合，获得融合聚焦曲线；通过曲线模型对所述融合聚焦曲线的形状进行拟合，确定所述融合聚焦曲线的最大值，将所述最大值对应的位移值确定为所述基准光纤的Z轴坐标。

第二方面，本申请实施例提供了一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量方法，应用于天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置，所述方法包括：

响应于第一控制指令将光纤位置扫描测量平台移动至待检测区域；所述待检测区域为所述焦面板划分后多个区域中的一个子区，所述待检测区域中包括基准光纤，所述第一控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的；

在背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取所述基准光纤的坐标；所述第二控制指令是由所述上位机通过所述电气控制柜发送的，所述背部照明光源响应于第四控制指令进行开关，所述第四控制指令是由所述上位机通过所述电气控制柜发送的；

响应于第三控制指令，通过所述光纤位置扫描测量平台中的显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列；所述第三控制指令是由所述上位机通过所述电气控制柜发送的；

对所述光斑图像序列进行处理，获得所述基准光纤在Z轴方向上的坐标。

可选地，所述光纤位置扫描测量平台包括X轴移动台、X轴位移传感器、Y轴移动台、Y轴位移传感器、Z轴移动台和Z轴位移传感器，所述显微光学测量模块位于所述Z轴移动台上，所述X轴位移传感器位于所述X轴移动台上，所述Y轴位移传感器位于所述Y轴移动台上，所述Z轴位移传感器位于所述Z轴移动台上，所述显微光学测量模块包括相机、小景深显微镜头和镜筒；所述在背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取所述基准光纤的坐标，包括：

在背部照明光源开启时，通过所述相机、所述小景深显微镜头和所述镜筒拍摄，获得所述基准光纤的出射光斑；

响应于第二控制指令驱动所述X轴移动台和所述Y轴移动台移动，直至所述出射光斑位于所述相机的图像中心时，通过所述X轴位移传感器和所述Y轴位移传感器获得所述基准光纤的X轴坐标和Y轴坐标。

可选地，所述响应于第三控制指令，通过所述光纤位置扫描测量平台中的显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列，包括：

响应于第三控制指令，驱动所述Z轴移动台沿所述基准光纤的光轴方向进行移动，通过所述显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列。

可选地，所述对所述光斑图像序列进行处理，获得所述基准光纤在Z轴方向上的坐标，包括：

对光斑图像序列进行处理，获得光斑图像序列的梯度值；

通过Z轴位移传感器获得光斑图像序列对应的位移值，根据位移值和梯度值获得聚焦分布曲线；

通过曲线模型对聚焦分布曲线的形状进行拟合，确定聚焦分布曲线的最大值，将最大值对应的位移值确定为基准光纤的Z轴坐标。

可选地，所述方法还包括：

通过点云拼接法将所述焦面板上各个待检测区域中基准光纤的三维坐标转换为同一坐标系下的三维坐标。

可选地，背部照明光源为多种单色光源时，所述方法还包括：

响应于第三控制指令，驱动Z轴移动台沿基准光纤的光轴方向进行移动，通过显微光学测量模块获得基准光纤在不同光源照明下的多组光斑图像序列。

可选地，所述方法还包括：

对多组光斑图像序列进行处理，获得多组光斑图像序列的梯度值；

根据多组梯度值和分别对应的Z轴位移值，确定多组聚焦分布曲线；

根据数据融合法对多组聚焦分布曲线进行融合，获得融合聚焦曲线；

通过曲线模型对融合聚焦曲线的形状进行拟合，确定融合聚焦曲线的最大值，将最大值对应的位移值确定为基准光纤的Z轴坐标。

相较于现有技术，本申请实施例具有以下有益效果：

本申请实施例提供了一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置及方法，所述装置包括机械臂、光纤位置扫描测量平台、电气控制柜、上位机、背部照明光源，光纤位置扫描测量平台包括显微光学测量模块，机械臂位于焦面板的一侧，光纤位置扫描测量平台位于机械臂的末端，电气控制柜与机械臂、光纤位置扫描测量平台和背部照明光源连接，上位机与电气控制柜连接，背部照明光源包括基准光纤的一端，焦面板上包括基准光纤的另一端。机械臂，用于响应于第一控制指令将光纤位置扫描测量平台移动至待检测区域，待检测区域为焦面板划分后多个区域中的一个子区，待检测区域中包括基准光纤。光纤位置扫描测量平台，用于在背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取基准光纤的坐标，响应于第三控制指令通过显微光学测量模块获取基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列。上位机，用于通过电气控制柜向机械臂、光纤位置扫描测量平台、背部照明光源发送对应的控制指令；并对光斑图像序列进行处理，获得基准光纤在Z轴方向上的坐标。电气控制柜，用于响应于控制指令控制机械臂、光纤位置扫描测量平台、背部照明光源执行对应的操作。背部照明光源，用于响应于第四控制指令进行开关。

针对划分后的子区，通过显微光学测量的方式测量出基准光纤的三维坐标，不需要通过间接测量其他物体的方式获得基准光纤的三维坐标，避免了间接测量过程中的装配误差，从而提升了基准光纤的坐标测量精度。

此外，在光纤坐标测量的过程中，将大尺寸的焦面板划分为多个子区，能够有效避免针对大尺寸焦面板进行整体扫描测量会产生测量误差的问题，从而进一步地提升了基准光纤的坐标测量精度。

附图说明

为更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种光纤位置扫描测量平台的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种显微光学测量模块的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种焦面板分区的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种扫描测量P1区域的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的一种前照光源单色照明下光纤图像的示意图；

图7为本申请实施例提供的一种背照光源单色照明下光纤图像的示意图；

图8为本申请实施例提供的一组在不同对焦水平下的光斑离焦图像序列的示意图；

图9为本申请实施例提供的单色背照光源照明下聚焦曲线的示意图；

图10为本申请实施例提供的一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在宇宙和星系的探索过程中，通过高性能望远镜观察天体成为一种最直接有效的研究宇宙的方法，国内外多个著名的大型巡天观测项目的实施，例如斯隆数字巡天项目SDSS、郭守敬望远镜LAMOST、昴星团望远镜主焦摄谱仪Subaru-PFS、暗能量光谱仪DESI等。大规模光谱巡天观测改变了我们对宇宙和星系的理解。

在多目标光纤光谱望远镜的焦面板上，光纤的数量一般从几百到几千个不等，为了使得观测光纤尽可能多的接收到更多的星光能量，光纤定位系统需要将观测光纤准确定位至焦面的指定位置上。

下面郭守敬望远镜LAMOST为例，LAMOST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，在直径为1.75米的焦面板上放置有4000根光纤，可以同时获得4000个天体的光谱。由于光纤定位器的机械精度有限，无法直接一次将观测光纤定位到目标位置。为了保证光纤定位的高精度要求，光纤定位系统采用初定位和多次位置补偿的方式进行定位，首先光纤定位器可以根据预先确定出的天体目标位置进行移动，其中天体目标位置可以认为是焦面板上已知的目标位置。然后通过相机拍照测量出光纤的实际位置，最后将位置误差反馈给上位机作为补偿运动的移动距离，经过2-3次的位置补偿运动即可保证光纤的定位精度，因此，相机的测量精度容易影响光纤定位的准确性。

为了确定相机的图像坐标系和焦面所在物方世界坐标系的转换参数，需要在焦面板上安装大量的基准光纤，并且需要预先测量出基准光纤在焦面上的精准坐标，从而保证相机的测量精度。

目前可以通过一种特定的基准光纤单元实现基准光纤的位置测量，在焦面板上安装基准光纤单元，在基准光纤单元的顶部安装有激光跟踪仪的靶球，靶球的位置和基准光纤的位置近乎重合，通过激光跟踪仪测量靶球的三维坐标从而确定基准光纤的坐标，但是靶球和基准光纤之间存在装配误差，同时激光跟踪仪存在较大的角度误差，导致无法保证基准光纤的坐标精度。

然而，由于焦面板的直径达到1.75米，目前仅可以通过扫描测量技术解决在大尺寸焦面板上测量基准光纤位置的问题，整体的扫描测量方案需要研制在X轴、Y轴方向上移动距离接近2米的扫描测量台，然而位移传感器在2米的距离内的测量误差达到20微米，导致整体的扫描测量方案得到的坐标精度仍然不能满足基准光纤坐标的高精度要求。

同时，整体扫描平台的研发费用昂贵，大尺寸的扫描平台本身存在较大的重力变形，严重影响望远镜的光路，无法在望远镜的现场安装。

另外，由于LAMOST的焦面板在观测过程中会因为电机的温度、机械结构的震动等原因发生变形，导致基准光纤的坐标精度随着工作时间的增加而发生变化，因此，还需要定期测量基准光纤的坐标位置。

基于此，为了解决上述问题，针对划分后的子区通过显微光学测量的方式测量出基准光纤的三维坐标，不需要通过间接测量其他物体的方式获得基准光纤的三维坐标，避免了间接测量过程中的装配误差，从而提升了基准光纤的坐标测量精度。

此外，在光纤坐标测量的过程中，将大尺寸的焦面板划分为多个子区，实现了对大焦面板上基准光纤三维坐标的高精度在线扫描测量，能够有效避免针对大尺寸焦面板进行整体扫描测量会产生测量误差的问题，从而进一步地提升了基准光纤的坐标测量精度。

参见图1，该图为本申请实施例提供的一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置的结构示意图，结合图1所示，具体可以包括：机械臂1、光纤位置扫描测量平台2、电气控制柜3、上位机4、背部照明光源7，机械臂1的基座固定于焦面板5的边缘，光纤位置扫描测量平台2固定于机械臂1的末端，电气控制柜3可以通过线缆分别与机械臂1、光纤位置扫描测量平台2和背部照明光源7连接，上位机4也可以通过线缆与电气控制柜3连接，背部照明光源7包括了基准光纤6的一端，焦面板5上包括了基准光纤6的另一端。机械臂1的自由度可以为六自由度。

参见图2，图2为光纤位置扫描测量平台的结构示意图，光纤位置扫描测量平台2中包括X轴移动台21、X轴位移传感器22、Y轴移动台23、Y轴位移传感器24、Z轴移动台25、Z轴位移传感器26、显微光学测量模块27。显微光学测量模块27固定于Z轴移动台25上，X轴位移传感器22位于X轴移动台21上，Y轴位移传感器24位于Y轴移动台23上，Z轴位移传感器26位于Z轴移动台25上。作为一种示例，X轴位移传感器22和Y轴位移传感器24可以为光栅尺，Z轴位移传感器26可以为电阻式直线位移传感器。

参见图3，图3为显微光学测量模块的结构示意图，显微光学测量模块27包括小景深显微镜头271、镜筒272、相机273和环形前照光源274。其中，基准光纤的光谱仪端62放置于背部照明光源7中，基准光纤的另一端61固定于焦面板5上。其中，相机273可以为互补性氧化金属半导体相机(英文：Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)，也可以为电荷藕合器件图像传感器相机(英文：Charge Coupled Device，CCD)。

机械臂1，用于响应于第一控制指令将光纤位置扫描测量平台2移动至待检测区域，待检测区域为焦面板5划分后的一个分区，待检测区域中包括基准光纤。

在一种可能的实施方式中，在进行测量之前，可以根据具体地测量要求，将焦面板上划分为m个分区，对各个分区进行编号，并保证各个分区之间存在一定的重复区域，按照编号顺序进行扫描测量。其中，各个分区之间的重叠区域用于保障各个分区之间坐标系的统一，便于后续各个分区的拼接。作为一种示例，可以将焦面上划分为9个分区，并编号为P_i，i＝1，2，…，9，可参见图4，图4为焦面板分区的结构示意图，分区P₃和P₄之间存在一定的重复区域P₃₄，图4中的箭头表示坐标系的方向，可参见图5，图5为扫描测量P₁区域的结构示意图，然后可以按照顺序先对P₁区域内的基准光纤进行扫描测量。

焦面板5上包括基准光纤6，对焦面板5进行划分后，机械臂1响应于上位机4发送的第一控制指令将光纤位置扫描测量平台2移动至待检测区域P₁上方，通过调整机械臂1的位姿，使得光纤位置扫描测量平台2的X-Y轴，即横纵坐标轴，平行于待检测区域P₁，并确保机械臂1在X-Y轴的移动范围能够完全覆盖待检测区域P₁、待检测区域与相邻两个待检测区域的重复区域，即分区P₁和P₂之间的重复区域P₁₂，分区P₁和P₄之间的重复区域P₁₄，从而确保待检测区域的测量完整性。通过机械臂1的运动可以灵活调整光纤扫描平台2的位置和姿势，具体地，可以通过机械臂1的运动将光纤扫描平台2摆放到焦面板5上或折叠回原位，还不会影响到天文望远镜的光路，能够定期为基准光纤提供精准测量。

在一种可能的实施方式中，可以对待检测区域P₁中的基准光纤6建立扫描测量顺序，并对待检测区域中P₁的基准光纤6进行编号，然后可以根据焦面板5的孔位信息获得基准光纤6的初始坐标。作为一种示例，可以根据扫描测量顺序，将P₁区域中的基准光纤6编号为F_k，k＝1，2，…，n，由于焦面板上的孔位信息是已知的，因此可以根据焦面板5上的孔位信息获得基准光纤F₁的初始坐标。焦面板5的孔位中插入有光纤安装单元，光纤安装单元用于固定基准光纤，光纤安装单元可参照图3中基准光纤61外面的圆柱体。

上位机4，用于通过电气控制柜3向机械臂1、光纤位置扫描测量平台2、背部照明光源7发送对应的控制指令。

电气控制柜3，用于响应于上位机4发送的控制指令控制机械臂1、光纤位置扫描测量平台2、背部照明光源7执行对应的操作。

背部照明光源7，用于响应于上位机4发送的第四控制指令进行开关。

光纤位置扫描测量平台2，用于在背部照明光源7开启时，响应于第二控制指令获取基准光纤6的坐标；响应于第三控制指令，通过显微光学测量模块27获取基准光纤6在Z轴方向上的光斑图像序列。

在一种可能的实施方式中，光纤位置扫描测量平台2响应于上位机4发送的控制指令，打开显微光学测量模块27的环形前照光源274，将基准光纤F₁的初始坐标作为目标位置，控制X轴移动台21、Y轴移动台23进行移动搜索，当相机273捕捉到基准光纤F₁的陶瓷头端的图像后，关闭环形前照光源274，并打开背部照明光源7。其中，基准光纤F₁的陶瓷头端的图像可参照图6，图6为前照光源单色照明下光纤图像的示意图，只开启环形前照光源274时，基准光纤末端61的陶瓷头可以通过显微镜头成像在相机273中。

在背部照明光源7开启的情况下，相机273可以拍摄到基准光纤F₁在背照情况下的出射光斑，如图7所示。光纤位置扫描测量平台2响应于上位机4发送的第二控制指令，驱动X轴移动台21、Y轴移动台23以小步距进行精调，直至基准光纤F₁的出射光斑位于相机273的图像中心，通过X轴位移传感器22和Y轴位移传感器24获得基准光纤F₁的X轴坐标和Y轴坐标。其中，图7为背照光源单色照明下光纤图像的示意图，当只开启背部照明光源后，光纤传输到待测光纤末端61，并在陶瓷头中间出射一个光斑，通过显微镜头成像在相机273中。

光纤位置扫描测量平台2响应于上位机发送的第三控制指令，控制Z轴移动台25带动显微光学测量模块27沿基准光纤F₁的光轴方向以一定步长的距离进行移动并拍照，获得一组在不同对焦水平下的光斑离焦图像序列，可参见图8，图8为一组在不同对焦水平下的光斑离焦图像序列的示意图。

上位机可以对光斑离焦图像序列进行对焦快速粗搜索，准焦区间精确求生，ROI区域建立，采用图像聚焦评价函数计算获得各个光斑图像的梯度值，然后可以通过Z轴位移传感器26获得光斑离焦图像序列所对应的Z轴位移值，以Z轴位移值为横坐标，图像梯度值即图像聚焦评价函数值为纵坐标，绘制出聚焦分布曲线。

由于聚焦分布曲线只是离散的几个点，聚焦分布曲线中的准确位置可能在某两个点之间，因此，为了提高测量精度，可参见图9，图9为单色背照光源照明下聚焦曲线的示意图，可以采用曲线模型拟合出聚焦分布曲线的几何形状，将曲线峰值所对应的横坐标作为基准光纤F₁的Z轴坐标。其中，曲线模型可以采用高斯模型。

另外，背部照明光源7还可以采用多种单色光源，在测量基准光纤F₁的Z轴坐标时，光纤位置扫描测量平台2响应于上位机4发送的第三控制指令，使得Z轴移动台25带动显微光学测量模块27沿基准光纤F₁的光轴方向进行移动，通过切换背部照明光源7的颜色，从而获得基准光纤F₁在不同颜色光源照明下的多组光斑离焦图像序列。

进而通过上位机4对多组光斑离焦图像序列进行处理，得到多组光斑图像序列所对应的梯度值，根据Z轴位移传感器26可以获得多组光斑离焦图像序列所对应的Z轴位移值，以Z轴位移值为横坐标，图像梯度值即图像聚焦评价函数值为纵坐标，绘制出多组聚焦分布曲线。

采用数据融合方法将多组聚焦分布曲线融合为一个新的融合聚焦曲线，再通过曲线模型拟合出融合聚焦曲线的几何形状，将曲线峰值所对应的横坐标作为基准光纤F₁的Z轴坐标。通过这种方式确定出的坐标精度相较于单色光源照明情况下获得的坐标精度更高。

在获得基准光纤F₁的三维坐标后，可以通过上述记载的获取基准光纤三维坐标的方法继续对待检测区域P₁中剩余的基准光纤F_k，k＝2，3，…，n，进行扫描测量，直至完成待检测区域P₁内全部基准光纤的三维坐标测量。

在完成P₁区域的测量后，机械臂1响应于上位机4的控制指令，将光纤位置扫描测量平台2移动至其他待检测区域P_i，i＝2，3，…，m中进行扫描测量，直至完成焦面板5上所有基准光纤三维坐标的测量，相较于现有技术中接触式的测量方法，避免了装配误差，通过本申请测量得到的基准光纤的三维坐标更加精准，并且通过高精度的位移传感器以及显微变焦测量技术保证了基准光纤的坐标精度。

最后可以基于相邻待检测区域中的重叠部分的基准光纤，可以通过点云拼接法将各个待检测区域中的基准光纤的三维坐标转换到同一个世界坐标系下。

在现有技术中，只有在望远镜的维护阶段才可以进行基准光纤测量，通过本申请中的测量装置可以自由灵活的控制扫描平台的位置和姿势，可以在观测阶段的白天(光学望远镜在夜晚工作)进行基准光纤的位置测量，也不会影响到望远镜的观测光路，因此，可以对基准光纤的坐标位置进行定期在线的精确测量，从而有效的保证望远镜的观测效率。另外，本申请中的测量装置是将大尺寸焦面板划分为多个小面积的测量区域进行分区测量，扫描测量精度更高，相较于大尺寸的扫描台，不易产生变形、节省研发成本的同时不会影响望远镜的光路。

基准光纤和观测光纤在结构上基本类似，用途却不同，观测光纤可以在焦面上移动去对准天体星光，基准光纤在焦面上的位置一般是固定的，通过预先测量出基准光纤的坐标，便可以确定相机坐标系和焦面坐标系之间的转换参数。因此，通过本申请中的装置还可以扫描测量观测光纤的坐标位置，在天文望远镜的观测阶段，由于天文观测效率的限制，只能采用相机测量观测光纤的位置，在望远镜的维护阶段，可以采用本申请提供的测量装置测量出观测光纤的位置，用于观测光纤远距离视觉测量系统精度的检验，即检验远距离视觉测量系统中相机的测量精度。以上为本申请实施例提供的一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置，所述装置包括机械臂、光纤位置扫描测量平台、电气控制柜、上位机、背部照明光源，光纤位置扫描测量平台包括显微光学测量模块，机械臂位于焦面板的一侧，光纤位置扫描测量平台位于机械臂的末端，电气控制柜与机械臂、光纤位置扫描测量平台和背部照明光源连接，上位机与电气控制柜连接，背部照明光源包括基准光纤的一端，焦面板上包括基准光纤的另一端。机械臂，用于响应于第一控制指令将光纤位置扫描测量平台移动至待检测区域，待检测区域为焦面板划分后多个区域中的一个子区，待检测区域中包括基准光纤。光纤位置扫描测量平台，用于在背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取基准光纤的坐标，响应于第三控制指令通过显微光学测量模块获取基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列。上位机，用于通过电气控制柜向机械臂、光纤位置扫描测量平台、背部照明光源发送对应的控制指令；并对光斑图像序列进行处理，获得基准光纤在Z轴方向上的坐标。电气控制柜，用于响应于控制指令控制机械臂、光纤位置扫描测量平台、背部照明光源执行对应的操作。背部照明光源，用于响应于第四控制指令进行开关。

针对划分后的子区通过显微光学测量的方式测量出基准光纤的三维坐标，不需要通过间接测量其他物体的方式获得基准光纤的三维坐标，避免了间接测量过程中的装配误差，从而提升了基准光纤的坐标测量精度。

此外，在光纤坐标测量的过程中，将大尺寸的焦面板划分为多个子区，能够有效避免针对大尺寸焦面板进行整体扫描测量会产生测量误差的问题，从而进一步地提升了基准光纤的坐标测量精度。

参见图10，图10为本申请实施例提供的一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量方法的流程图，应用于天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置，该方法至少包括以下步骤：

S1001：响应于第一控制指令将光纤位置扫描测量平台移动至待检测区域。

待检测区域为焦面板划分后多个区域中的一个子区，待检测区域中包括基准光纤，第一控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的。

S1002：在背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取基准光纤的坐标。

第二控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的，背部照明光源响应于第四控制指令进行开关，第四控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的。

S1003：响应于第三控制指令，通过光纤位置扫描测量平台中的显微光学测量模块获取基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列。

其中，第三控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的。

S1004：对光斑图像序列进行处理，获得基准光纤在Z轴方向上的坐标。

可选地，光纤位置扫描测量平台包括X轴移动台、X轴位移传感器、Y轴移动台、Y轴位移传感器、Z轴移动台和Z轴位移传感器，显微光学测量模块位于Z轴移动台上，X轴位移传感器位于X轴移动台上，Y轴位移传感器位于Y轴移动台上，Z轴位移传感器位于Z轴移动台上，显微光学测量模块包括相机、小景深显微镜头和镜筒；在背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取基准光纤的坐标，包括：

在背部照明光源开启时，通过相机、小景深显微镜头和镜筒拍摄，获得基准光纤的出射光斑；

响应于第二控制指令驱动X轴移动台和Y轴移动台移动，直至出射光斑位于相机的图像中心时，通过X轴位移传感器和Y轴位移传感器获得基准光纤的X轴坐标和Y轴坐标。

可选地，响应于第三控制指令，通过光纤位置扫描测量平台中的显微光学测量模块获取基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列，包括：

响应于第三控制指令，驱动所述Z轴移动台沿所述基准光纤的光轴方向进行移动，通过所述显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列。

可选地，所述对所述光斑图像序列进行处理，获得所述基准光纤在Z轴方向上的坐标，包括：

对光斑图像序列进行处理，获得光斑图像序列的梯度值；

通过Z轴位移传感器获得光斑图像序列对应的位移值，根据位移值和梯度值获得聚焦分布曲线；

通过曲线模型对聚焦分布曲线的形状进行拟合，确定聚焦分布曲线的最大值，将最大值对应的位移值确定为基准光纤的Z轴坐标。

可选地，所述方法还包括：

通过点云拼接法将所述焦面板上各个待检测区域中基准光纤的三维坐标转换为同一坐标系下的三维坐标。

可选地，背部照明光源为多种单色光源时，所述方法还包括：

响应于第三控制指令，驱动Z轴移动台沿基准光纤的光轴方向进行移动，通过显微光学测量模块获得基准光纤在不同光源照明下的多组光斑图像序列。

可选地，所述方法还包括：

对多组光斑图像序列进行处理，获得多组光斑图像序列的梯度值；

根据多组梯度值和分别对应的Z轴位移值，确定多组聚焦分布曲线；

根据数据融合法对多组聚焦分布曲线进行融合，获得融合聚焦曲线；

通过曲线模型对融合聚焦曲线的形状进行拟合，确定融合聚焦曲线的最大值，将最大值对应的位移值确定为基准光纤的Z轴坐标。

以上为本申请实施例提供的一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量方法，应用于天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置，响应于第一控制指令将光纤位置扫描测量平台移动至待检测区域，待检测区域为焦面板划分后多个区域中的一个子区，待检测区域中包括基准光纤，第一控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的。在背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取基准光纤的坐标，第二控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的，背部照明光源响应于第四控制指令进行开关，第四控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的。响应于第三控制指令，通过光纤位置扫描测量平台中的显微光学测量模块获取基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列，第三控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的。对光斑图像序列进行处理，获得基准光纤在Z轴方向上的坐标。

针对划分后的子区通过显微光学测量的方式测量出基准光纤的三维坐标，不需要通过间接测量其他物体的方式获得基准光纤的三维坐标，避免了间接测量过程中的装配误差，从而提升了基准光纤的坐标测量精度。

此外，在光纤坐标测量的过程中，将大尺寸的焦面板划分为多个子区，能够有效避免针对大尺寸焦面板进行整体扫描测量会产生测量误差的问题，从而进一步地提升了基准光纤的坐标测量精度。

本申请实施例中提到的“第一”、“第二”(若存在)等名称中的“第一”、“第二”只是用来做名字标识，并不代表顺序上的第一、第二。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法中的全部或部分步骤可借助软件加通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如只读存储器(英文：read-only memory，ROM)/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者诸如路由器等网络通信设备)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元提示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本申请的一种具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置，其特征在于，所述装置包括机械臂、光纤位置扫描测量平台、电气控制柜、上位机、背部照明光源，所述光纤位置扫描测量平台包括显微光学测量模块，所述机械臂位于焦面板的一侧，所述光纤位置扫描测量平台位于所述机械臂的末端，所述电气控制柜与所述机械臂、所述光纤位置扫描测量平台和所述背部照明光源连接，所述上位机与所述电气控制柜连接，所述背部照明光源包括基准光纤的一端，所述焦面板上包括所述基准光纤的另一端；

所述机械臂，用于响应于第一控制指令将所述光纤位置扫描测量平台移动至待检测区域；所述待检测区域为所述焦面板划分后多个区域中的一个子区，所述待检测区域中包括基准光纤；

所述光纤位置扫描测量平台，用于在所述背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取所述基准光纤的坐标；响应于第三控制指令，通过所述显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列；

所述上位机，用于通过所述电气控制柜向所述机械臂、所述光纤位置扫描测量平台、所述背部照明光源发送对应的控制指令；并对所述光斑图像序列进行处理，获得所述基准光纤在Z轴方向上的坐标；

所述电气控制柜，用于响应于所述控制指令控制所述机械臂、所述光纤位置扫描测量平台、所述背部照明光源执行对应的操作；

所述背部照明光源，用于响应于第四控制指令进行开关。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤位置扫描测量平台包括X轴移动台、X轴位移传感器、Y轴移动台、Y轴位移传感器、Z轴Z轴移动台和Z轴Z轴位移传感器，所述显微光学测量模块位于所述Z轴移动台上，所述X轴位移传感器位于所述X轴移动台上，所述Y轴位移传感器位于所述Y轴移动台上，所述Z轴位移传感器位于所述Z轴移动台上，所述显微光学测量模块包括相机、小景深显微镜头、镜筒；

所述光纤位置扫描测量平台，具体用于在所述背部照明光源开启时，通过所述相机、所述小景深显微镜头和所述镜筒拍摄获得所述基准光纤的出射光斑，响应于第二控制指令驱动所述X轴移动台和所述Y轴移动台移动，直至所述出射光斑位于所述相机的图像中心时，通过所述X轴位移传感器和所述Y轴位移传感器获得所述基准光纤的X轴坐标和Y轴坐标。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述光纤位置扫描测量平台，具体用于响应于第三控制指令，驱动所述Z轴移动台沿所述基准光纤的光轴方向进行移动，通过所述显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述上位机，具体用于对所述光斑图像序列进行处理，获得所述光斑图像序列的梯度值；通过所述Z轴位移传感器获得所述光斑图像序列对应的位移值，根据所述位移值和所述梯度值获得聚焦分布曲线；通过曲线模型对所述聚焦分布曲线的形状进行拟合，确定所述聚焦分布曲线的最大值，将所述最大值对应的位移值确定为所述基准光纤的Z轴坐标。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上位机，还用于通过点云拼接法将所述焦面板上各个待检测区域中基准光纤的三维坐标转换为同一坐标系下的三维坐标。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述背部照明光源为多种单色光源时，所述光纤位置扫描测量平台，还用于响应于第三控制指令，驱动所述Z轴移动台沿所述基准光纤的光轴方向进行移动，通过所述显微光学测量模块获得所述基准光纤在不同光源照明下的多组光斑图像序列。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述上位机，还用于对所述多组光斑图像序列进行处理，获得多组光斑图像序列的梯度值；根据所述多组梯度值和分别对应的Z轴位移值，确定多组聚焦分布曲线；根据数据融合法对所述多组聚焦分布曲线进行融合，获得融合聚焦曲线；通过曲线模型对所述融合聚焦曲线的形状进行拟合，确定所述融合聚焦曲线的最大值，将所述最大值对应的位移值确定为所述基准光纤的Z轴坐标。

8.一种天文望远镜基准光纤位置扫描测量方法，其特征在于，应用于天文望远镜基准光纤位置扫描测量装置，所述方法包括：

响应于第一控制指令将光纤位置扫描测量平台移动至待检测区域；所述待检测区域为所述焦面板划分后多个区域中的一个子区，所述待检测区域中包括基准光纤，所述第一控制指令是由上位机通过电气控制柜发送的；

在背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取所述基准光纤的坐标；所述第二控制指令是由所述上位机通过所述电气控制柜发送的，所述背部照明光源响应于第四控制指令进行开关，所述第四控制指令是由所述上位机通过所述电气控制柜发送的；

响应于第三控制指令，通过所述光纤位置扫描测量平台中的显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列；所述第三控制指令是由所述上位机通过所述电气控制柜发送的；

对所述光斑图像序列进行处理，获得所述基准光纤在Z轴方向上的坐标。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述光纤位置扫描测量平台包括X轴移动台、X轴位移传感器、Y轴移动台、Y轴位移传感器、Z轴移动台和Z轴位移传感器，所述显微光学测量模块位于所述Z轴移动台上，所述X轴位移传感器位于所述X轴移动台上，所述Y轴位移传感器位于所述Y轴移动台上，所述Z轴位移传感器位于所述Z轴移动台上，所述显微光学测量模块包括相机；所述在背部照明光源开启时，响应于第二控制指令获取所述基准光纤的坐标，包括：

在背部照明光源开启时，通过所述相机拍摄，获得所述基准光纤的出射光斑；

响应于第二控制指令驱动所述X轴移动台和所述Y轴移动台移动，直至所述出射光斑位于所述相机的图像中心时，通过所述X轴位移传感器和所述Y轴位移传感器获得所述基准光纤的X轴坐标和Y轴坐标。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述响应于第三控制指令，通过所述光纤位置扫描测量平台中的显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列，包括：

响应于第三控制指令，驱动所述Z轴移动台沿所述基准光纤的光轴方向进行移动，通过所述显微光学测量模块获取所述基准光纤在Z轴方向上的光斑图像序列。