CN107063637A - 基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置 - Google Patents

基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，包括：氦氖激光器：用于发出激光；会聚透镜：用于对激光进行会聚，会聚后的激光照射到四象限探测器上形成光斑；四象限探测器：用于确定光斑中心位置，之后将光斑中心位置发送给光电位置接收器；光电位置接收器：用于接收四象限探测器发来的光斑中心位置，之后将光斑中心位置发送给控制平台；控制平台：用于根据光斑中心位置调整光纤的位置；光纤。本发明通过四象限探测器提高光斑中心的计算精度，并将其应用于光纤定位中，以达到实时监测反馈的目的。

Description

基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置
技术领域
本发明涉及光纤定位技术领域，特别是涉及基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置。
背景技术
自20世纪80年代光纤应用到望远镜***后，光纤技术在天文望远镜中得到广泛推广。由于光纤具有长距离传输、一定口径内的集光、灵活的空间排布能力，采用光纤技术可使终端仪器和望远镜焦面分离，极大提高了光谱获取率，使得大规模的光谱巡天成为可能。
大规模光谱巡天(2dF,6DF,RAVE,SDSS,LAMOST,Gaia)成为天文观测的突破口,其获取的千万计天体的光谱,可以得到成像巡天所不能提供的更加丰富的天体信息。在巡天项目中，其中英澳天文台的2dF(2-degree Field Galaxy Redshif Survey)巡天、美国的SDSS(Sloan Digital Sky Survey)数字巡天、中国的LAMOST(Large sky Area Multi-Object fiber Spectroscopy Telescope)光谱巡天是目前国际上非常典型的光谱巡天项目。
光纤定位***占有十分重要的地位，光纤定位的数量以及精确度直接影响到巡天观测的效率以及质量。英澳天文台2dF项目光纤定采用磁扣定位方式，磁扣定位是将光路通过小棱镜转90°进入光纤入射端，在棱镜下方放置一块小磁石，通过机器人将其吸附在铁基焦面基板上，光纤则躺在焦面基板上将入射光引到光谱仪中。美国的SDSS数字巡天计划其采用的光纤定位方式为通过铝板钻孔的孔板法方式进行光纤定位，在一块直径约500毫米的铝板上按预先设定的坐标打孔，其打孔坐标是根据待观测的天区天体坐标经过换算到焦面板上而定的。LAMOST的4000根光纤采用的定位方式是双回转式并行可控光纤定位***，在定位过程中，光纤一方面随偏心支架作中心回转运动，另一方面又在偏心支架上绕偏心回转轴作偏心回转运动，运动过程中的光纤接收端面相对于望远镜光轴不产生偏斜，且始终在望远镜焦面上运动，不会离焦。
总体来讲，目前的光纤定位***均没有成功的实现光纤的实时闭环监测和反馈，无法满足更高精度光纤定位的需求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够实现光纤的实时闭环监测和反馈的基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置。
技术方案：本发明所述的基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，包括：
氦氖激光器：用于发出激光；
会聚透镜：用于对激光进行会聚，会聚后的激光照射到四象限探测器上形成光斑；
四象限探测器：用于确定光斑中心位置，之后将光斑中心位置发送给光电位置接收器；
光电位置接收器：用于接收四象限探测器发来的光斑中心位置，之后将光斑中心位置发送给控制平台；
控制平台：用于根据光斑中心位置调整光纤的位置；
光纤。
进一步，所述四象限探测器通过式(1)确定光斑中心位置
式(1)中，为m的平均值，为n的平均值，为p的平均值，x0和y0是光斑中心坐标的瞬时值，σ2为二维高斯函数的方差。
进一步，所述会聚透镜的焦距为15cm。
进一步，所述四象限探测器的采样频率为2.5kHz，采样量程为±1V。
进一步，利用四个象限的余晖实时判断光斑中心位置。
有益效果：本发明公开了一种基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，通过四象限探测器进行实时光纤定位。与现有技术相比具有如下有益效果：一是首次提出一种基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置；二是提高光斑中心定位的计算精度；三是首次实现了实时监测反馈的定位。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中光斑的相对强度随坐标的变化图；
图2为本发明具体实施方式中的光纤定位装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，如图2所示，包括：
氦氖激光器1：用于发出激光；氦氖激光器1波长为632.8nm；
会聚透镜2：用于对激光进行会聚，会聚后的激光照射到四象限探测器3上形成光斑；会聚透镜2的焦距为15cm；
四象限探测器3：用于确定光斑中心位置，之后将光斑中心位置发送给光电位置接收器4；四象限探测器3的采样频率为2.5kHz，采样量程为±1V；
光电位置接收器4：用于接收四象限探测器3发来的光斑中心位置，之后将光斑中心位置发送给控制平台5；
控制平台5：用于根据光斑中心位置调整光纤6的位置；
光纤6。
其中，利用四个象限的余晖实时判断光斑中心位置。四象限探测器3通过式(1)确定光斑中心位置
下面介绍一下式(1)的推导过程：
激光光斑的能量分布近似符合二维高斯分布，并且光斑灰度边界模糊，因此采用基于灰度的高斯曲面拟合法确定光斑中心位置。
设四象限探测器3上的光斑灰度分布近似符合二维高斯函数：
式(2)中，x0，y0是光斑中心坐标的瞬时值，σ2为二维高斯函数的方差，与离焦量、物距、焦距等有关，A为待定系数，与光斑的性质有关。由上式可以看出，峰值所在位置即为光斑的中心。对上式两边取对数：
令：
原式化简为：
m(x2+y2)+nx+py-q＝Inf(x,y) (5)
利用最小二乘法原理，通过矩阵变换可得式(1)。
本具体实施方式中，四象限探测器3位置坐标使用毫米(1mm＝10-3m)做单位。为方便数据处理，进一步减小误差，采用微米(1μm＝10-6m)做为数据处理的基本单位。
表一：四象限探测器记录的原始数据
NO. V(R-L) V(T-B) V(SUM) X Y
1 0.323 -0.326 0.287 6.491 -6.544
2 0.323 -0.329 0.288 6.488 -6.572
3 0.321 -0.346 0.281 6.568 -6.919
4 0.314 -0.326 0.296 6.249 -6.418
5 0.315 -0.316 0.308 6.087 -6.103
6 0.328 -0.347 0.285 6.611 -6.879
7 0.322 -0.338 0.281 6.575 -6.083
8 0.333 -0.322 0.287 6.634 -6.487
… … … … … …
400 0.325 -0.325 0.291 6.464 -6.474
为进一步验证基于四象限探测器3的高斯拟合法的准确性，在采样频率：2.5kHz，采样量程：±1V，激光尺寸：4mm，4mm；四象限零点偏置：2mm-2mm；的条件下，运用相应计算机软件，得到光斑中心位置高斯拟合值(单位：微米)并与理论值进行比较，详见表二，拟合得到光斑的相对强度随坐标的变化如图1。
对于LAMOST望远镜而言，在曲率半径20m、直径1.75m的球冠形焦面板上***4000根光纤,它们是独立的定位***，在焦面上以25.6毫米等距离排列,每个单元驱动光纤在直径33毫米的范围内工作，光纤的入射端部必须能在焦面上实现无盲区的快速精确定位。因此算法的精度计算要求好于40微米才能适用于实际的工程需求，考虑实际的公差分配，好于20微米完全满足实际需求。
表二：两种方法计算结果及其绝对误差
通过分析表二中数据可知：拟合法求出的中心位置和理论值差距较小，准确的拟合出了高斯光斑的中心位置，该方法满足LAMOST望远镜对定位误差的要求。
通过高斯拟合得到光斑中心位置坐标后，使用控制平台5将光纤6移动到光斑中心所在位置，实现光斑中心与光纤6实时、快速、准确地对接。当光斑中心位置发生变化后，光电位置接收器4的信号也同时发生变化，通过高斯拟合法可以得到变化后的光斑中心位置，控制平台5可以根据光斑中心调整光纤6位置，达到实时监测和反馈的目的。

Claims (6)

1.基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，其特征在于：包括：
氦氖激光器(1)：用于发出激光；
会聚透镜(2)：用于对激光进行会聚，会聚后的激光照射到四象限探测器(3)上形成光斑；
四象限探测器(3)：用于确定光斑中心位置，之后将光斑中心位置发送给光电位置接收器(4)；
光电位置接收器(4)：用于接收四象限探测器(3)发来的光斑中心位置，之后将光斑中心位置发送给控制平台(5)；
控制平台(5)：用于根据光斑中心位置调整光纤(6)的位置；
光纤(6)。
2.根据权利要求1所述的基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，其特征在于：所述四象限探测器(3)通过式(1)确定光斑中心位置
<mrow> <mover> <msub> <mi>x</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mover> <mi>n</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mn>2</mn> <mover> <mi>m</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mover> <msub> <mi>y</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mover> <mi>p</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mn>2</mn> <mover> <mi>m</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式(1)中，为m的平均值，为n的平均值，为p的平均值，x0和y0是光斑中心坐标的瞬时值，σ2为二维高斯函数的方差。
3.根据权利要求1所述的基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，其特征在于：所述氦氖激光器(1)波长为632.8nm。
4.根据权利要求1所述的基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，其特征在于：所述会聚透镜(2)的焦距为15cm。
5.根据权利要求1所述的基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，其特征在于：所述四象限探测器(3)的采样频率为2.5kHz，采样量程为±1V。
6.根据权利要求1所述的基于四象限探测器的实时闭环光纤定位装置，其特征在于：利用四个象限的余晖实时判断光斑中心位置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109323851A (zh) * 2018-11-15 2019-02-12 中国电子科技集团公司第四十研究所 一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试***及方法
CN117375708A (zh) * 2023-09-27 2024-01-09 威海激光通信先进技术研究院 基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3918814A (en) * 1974-05-13 1975-11-11 Weiser Robodyne Corp Optical position sensor
US5045678A (en) * 1988-10-29 1991-09-03 U.S. Philips Corp. Method of and arrangement for determining the position of the optical axis of an optical waveguide
CN101344434A (zh) * 2008-09-09 2009-01-14 中国科学院光电技术研究所 基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置
CN106569218A (zh) * 2016-10-31 2017-04-19 长春理工大学 一种四角度同时探测的激光雷达光学***

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3918814A (en) * 1974-05-13 1975-11-11 Weiser Robodyne Corp Optical position sensor
US5045678A (en) * 1988-10-29 1991-09-03 U.S. Philips Corp. Method of and arrangement for determining the position of the optical axis of an optical waveguide
CN101344434A (zh) * 2008-09-09 2009-01-14 中国科学院光电技术研究所 基于四象限探测器的哈特曼波前传感器的自适应标定装置
CN106569218A (zh) * 2016-10-31 2017-04-19 长春理工大学 一种四角度同时探测的激光雷达光学***

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
唐彦琴等: "四象限探测器基于高斯分布的激光光斑中心定位算法", 《红外激光工程》 *
黄诗丰: "基于四象限探测器的光纤定位技术研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技辑》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109323851A (zh) * 2018-11-15 2019-02-12 中国电子科技集团公司第四十研究所 一种太赫兹焦平面响应率及响应率不均匀性测试***及方法
CN117375708A (zh) * 2023-09-27 2024-01-09 威海激光通信先进技术研究院 基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法
CN117375708B (zh) * 2023-09-27 2024-03-19 威海激光通信先进技术研究院 基于光纤耦合的空间二维偏角测量通信一体化实现方法

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